某桩基工程加固设计实例及动态监测分析

岑政平 楼东浩 叶 军 黄杰卿 郑凌逶

(1. 汉嘉设计集团股份有限公司，杭州 310005； 2. 浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心，杭州 310058)

1 引 言

在高层建筑中，基桩和连接于桩顶承台共同组成的桩基础得到了广泛的应用[1]。近年来，随着城市高层建筑的增多，建设过程中的桩基工程问题日益凸显[2-3]。为了提高桩基的极限承载力，桩基础的施工中经常采用桩底高压注浆技术。在灌注桩成桩一定时间后，通过预设在桩身内的注浆导管注入水泥浆，使桩侧、桩端土体(包括沉渣和泥皮)得到加固，进而提高承载力、减小沉降量[4]。影响桩基础质量的因素包括配筋、桩身混凝土强度、注浆质量、桩身完整性，最终体现在承载力值上。

桩基承载力不足的现象时有发生。基础承载力不足容易引起高层建筑物沉降过大、不均匀沉降甚至倾斜失稳。在桩基工程的承载力出现问题后，如何对其进行加固和评价值得探讨研究[5]。常用的桩基事故处理方法包括补桩、接桩、复打、补强、扩大承台、复合地基等。除了加固方法的选择，还应考虑加固处理对已完工工程的质量和后续工程施工的影响。

本文以某桩基加固工程为例，首先介绍了工程基本情况并对桩基质量问题进行了原因分析；然后根据工程具体情况进行了加固设计方案的选择；最后，为保证建筑物施工安全并验证加固方案的可靠性，在施工中对该工程进行了动态监测。监测结果基本符合设计预期，加固方案可行。本工程实例可为类似工程事故分析处理提供有益参考。

2 工程概况和原桩基问题

2.1 工程概况

该工程项目楼高17层，高91.5 m，基本柱网为9 m×9 m；底板面标高(相对标高)为-15.00 m。最大柱轴力约为120 000 kN，裙房部位柱底轴力约为23 000 kN。根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[4]，该建筑桩基的设计等级为甲级。

主楼原设计工程桩为φ800 mm和φ900 mm钻孔灌注桩，桩端持力层为-2圆砾层，采用桩端后注浆技术[6-7]。主楼灌注桩主要参数如下：

(1) φ800抗压桩，桩底标高-49.500 m，单桩承载力特征值5 100 kN；

(2) φ900抗压桩，桩底标高-49.500 m，单桩承载力特征值5 900 kN；

(3) 桩身嵌入承台100 mm，主筋锚入承台的长度不小于40D(D为主筋直径)；

(4) 基础采用独立承台(厚度为2 500 mm)加防水板(厚度为900 mm)。

2.2 地质概况

依据工程特性及成因条件，将场区地基土划分为11个工程地质层，21个亚层。各地基岩土层的分层描述及分布特征如表1所示。

其中，⑥层淤泥质粉质黏土，先期固结压力为171.5 kPa，压缩指数0.276 0，回弹指数0.022 08；⑦层粉质黏土，先期固结压力350.0 kPa，压缩指数0.228 7，回弹指数0.010 6。

表1各土层参数

Table1Parametersofsoillayers

土层编号土层名称层面高程/m层厚/m①-1杂填土1.27～7.48～6.10①-2素填土-3.87～7.290.30～9.80③-1砂质粉土0.81～5.790.30～4.70③-2砂质粉土-0.99～5.441.10～9.30③-5砂质粉土夹粉砂-6.47～2.920.60～12.80③-6粉砂夹砂质粉土-11.77～-1.950.40～9.50③-6夹砂质粉土-9.91～-4.650.50～2.50③-7砂质粉土-12.67～-6.310.70～8.50⑥淤泥质粉质黏土-16.37～-9.152.00～8.50⑦粉质黏土-22.23～-14.540.50～7.10⑧灰色粉质黏土-24.32～-21.271.10～3.40⑨-1粉质黏土-25.04～-17.340.80～8.00⑩-2含砂粉质黏土-25.18～-20.860.30～4.20-1粉砂-25.36～-21.940.20～4.70-2圆砾-28.53～-23.291.00～13.10-1含砾粉细砂-34.49～-25.270.50～16.90-2圆砾-53.35～-28.88～23.60

2.3 原桩基存在的问题

对主楼的桩基(即原有桩)随机抽取了3根φ800 mm抗压桩(1#、2#、3#)进行了竖向抗压静载试验。根据静载试验报告，单桩竖向承载力极限值约为7 140 kN，单桩竖向承载力特征值为3 570 kN。可见桩基的竖向抗压承载力严重不足，约为设计要求(5 100 kN)的70%，3根桩的静载Q-s曲线和试验结果详见图1、表2。

图1 原有桩竖向抗压静载试验曲线Fig.1 Vertical static load curves of original pile

表2单桩抗压静载试验结果

Table2Staticloadtestresultsofpiles

桩号桩径/mm桩长/m最大试验荷载/kN最大试验荷载对应的沉降量/mm单桩竖向抗压极限承载力/kN极限荷载对应的沉降量/mm1#80032.108 16092.597 14021.432#80032.2010 20063.287 14015.293#80032.2010 20069.807 14015.88

3 加固方案设计与分析

3.1 方案选择

鉴于已施工桩基竖向承载力未达到设计要求，为确保工程安全，需对现有桩基进行加固处理。原有工程桩为钻孔灌注桩，若补桩继续采用钻孔灌注桩存在小桩距补桩问题，需考虑承载力折减。采用静压钢管桩对既有桩基工程进行加固，基本不影响主体结构的施工进度且对工期影响较小。而且在压桩过程中一般不需引孔，可避开承压水上涌等问题，便于桩基加固的实施。考虑到建设单位对施工进度的要求，经过多次论证分析，采用锚杆静压钢管桩[8-9]进行加固的方案，最大限度缩短主楼整体施工周期。

3.2 补桩设计

考虑采用φ325(壁厚10)或φ299(壁厚10)的钢管桩进行加固，以-2圆砾层(若打穿，可进入-2)作为持力层。钢管桩桩顶标高-15.000 m(绝对标高)，进入持力层不小于1 m。同时，由于增加了部分钢管桩，为增加基础结构的整体刚度，采取了将原有基础防水底板进行加厚的方法。为了有足够刚度，调整桩顶反力分布，保证筏板下承载力差别较大的桩共同工作，厚度取2.5 m。

4 现场动态监测

在施工过程进行现场动态监测，可对现有设计进行有效验证和校核，达到基础设计安全、合理和经济的目标。通过对基础结构的现场动态监测，可以在建筑物施工和使用阶段全面监控基础筏板的应力、变形及沉降，钻孔桩和钢管桩的桩顶反力以及基底土分担荷载的比例等。一方面可以将试验观测资料与设计计算值进行比较，验证设计是否安全可靠、经济合理。同时可为设计提供必要的反馈结果，用于指导下一步工程的施工。另一方面，可以及时有效地评估结构的安全性，预测结构的性能变化，并对突发事件进行预警，可以较全面地把握结构建造与服役全过程的受力及损伤演化规律，以保证建筑物结构建造和服役期间的安全。

4.1 孔隙水压力

对于本工程而言，通过监测孔隙水压力在钢管桩施工过程中的变化情况，及时为控制沉桩速率提供可靠数据，从而达到为施工服务的目的。选取若干处孔隙水压力监测点，每点埋设孔压计2只(上、下)，距离板底深度分别为1.5 m和3.0 m。孔压计的埋设与基底垫层施工同步进行。典型的孔隙水压力随时间变化曲线如图2、图3所示。

从图中可以看出，随着钢管桩施工的进行，孔压有所上升但幅值不大，在钢管桩施工完成后逐渐趋于平稳。在钢管桩施工期间，基底土中孔隙水压力保持基本稳定。孔压的变化对基础底板无较大影响。

图2 KY12孔压随时间变化曲线Fig.2 Typical time-history curves of pore water pressure (KY12)

图3 KY15孔压随时间变化曲线Fig.3 Typical time-history curves of pore water pressure (KY15)

4.2 桩顶反力

采用应力计和应变计相结合的方法测试钻孔灌注桩的桩顶反力，即在每个测试桩的顶部同一截面对称埋设2只钢筋计和2只应变计。考虑到钢管桩施工的实际情况，采用常规应力计或表面应变计无法在施工中进行有效保护，故采用反力计对其进行桩顶反力的监测。钢管桩桩顶反力计的埋设在钢管桩施工完成后，进行桩顶处理时进行。钻孔灌注桩和钢管桩的桩顶反力分别以ZPF和GPF表示，如图4、图5所示。

从图中可以看出，随着上部结构的施工，钻孔灌注桩桩顶反力呈现逐渐增大的趋势，各测点中测得最大桩顶反力ZPF1已接近5 000 kN，其余测点的桩顶反力在2 500～4 000 kN之间。各测点监测成果表明，角桩反力最大，其次是边桩，中间桩相对较小。随着上部结构施工的进行，钢管桩桩顶反力整体趋势是增大的，但是增幅不是非常明显。目前各测点中测得最大桩顶反力约为160 kN，其余测点的桩顶反力一般不超过100 kN。

图4 典型桩顶反力随时间变化曲线(钻孔灌注桩)Fig.4 Typical time-history curves of pile load for bored piles

图5 典型桩顶反力随时间变化曲线(钢管桩)Fig.5 Typical time-history curves of pile load for steel pipe piles

4.3 桩间土压力

本项目土压力盒的埋设与基底垫层施工同步进行，布设时间、初始频率测试时间同钻孔灌注桩桩顶反力监测点一致。共埋设土压力盒21只，所测得的土压力编号为TF1—TF21。随着上部结构施工的进行，桩间土压力呈现逐渐增大的趋势，各测点所测得的主要土压力在40～80 kPa之间，并逐渐趋于稳定，如图6所示。

4.4 筏板应力

对基础筏板应力应变的测试采用钢筋应力计进行。为了全面掌握基础底板的应力变化情况，本项目在每个监测点表层和底层钢筋X和Y方向分别埋设钢筋计，编号为Bi-j上或下(i=1, 16;j=1, 4)。由各测点测得的情况看，基础筏板应力一般不超过10 MPa。随着上部结构的施工，基础筏板应力总体上变化不大，典型筏板应力随时间变化曲线如图7所示。

图6 典型桩间土压力随时间变化曲线Fig.6 Typical time-history curves of soil pressure

图7 典型筏板应力随时间变化曲线Fig.7 Typical time-history curves of raft stress

4.5 筏板沉降

由于本工程需要进行钢管桩加固施工，并且有整浇层混凝土需在钢管桩施工完成后进行，因此沉降观测点只能在整浇层混凝土浇筑后方可布设，导致无法在上部结构施工期间同步进行底板沉降观测。为了解决这一问题，我们在地下室施工至正负零时在主体结构上布设了若干沉降点以观测建筑物整体沉降，在基础底板整浇层完成后及时布设了筏板沉降观测点。根据目前沉降观测结果，各测点沉降差不大，具体数值为21.6～23.4 mm。

5 结 论

本项目属于典型的高层建筑桩基加固工程。针对工程桩存在的单桩承载力不足情况，在原有桩的基础上，进行了增补钢管桩的加固设计。同时，实施了补桩后的现场动态监测分析。可为同类型的桩基加固方案设计提供参考依据。根据补桩加固方案和现场动态监测分析，可得到以下结论：

(1) 本文提出的补桩加固措施能够满足设计的桩基承载力要求，同时桩筏基础沉降均匀地控制在20 mm左右。由于筏板基础厚2.5 m，因此整体刚度很大，可依靠自身刚度有效调整基础差异沉降，没有出现过大的差异沉降。考虑到后期可能发生的沉降，该工程的总沉降量和变形程度应能满足规范的要求。

(2) 孔隙水压力值在钢管桩施工过程中逐步增加而后逐渐消散，体现出良好的规律性。现场动态监测中，桩顶反力和桩间土压力均随着主楼层数的增加而逐步增加，最后趋于稳定。桩间土压力基本在40～ 80 kPa之间，并逐渐趋于稳定。

(3) 各测点监测成果表明，角桩反力最大，其次是边桩，中间桩相对较小。由各测点的筏板应力数据看，均不超过10 MPa。

(4) 本桩基工程事故分析表明，在高承压水头区域采用桩端后注浆技术需采取可靠的施工措施以保证质量。

(5) 监测结果表明，各项数据基本符合设计预期，证明了加固设计方案合理可行，可为类似桩基加固工程提供参考。

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