某住宅楼桩基加固设计及研究

耿庆和　张　波　董磊磊　陈景山　张　劲 　卢　峥

(山东省建筑设计研究院, 济南 250001)



某住宅楼桩基加固设计及研究

耿庆和*张波董磊磊陈景山张劲 卢峥

(山东省建筑设计研究院, 济南 250001)

摘要由于施工质量控制不严导致端承桩(嵌岩桩)承载力不满足设计要求的工程质量问题,提出了桩中心钻孔高压注浆加固桩端的简便可行方法,对桩端进入中风化岩石但桩端沉渣厚度大于5 cm的桩直接进行钻孔高压注浆加固,对未进入中风化岩石的桩不仅采用钻孔高压注浆而且新增劲性微型桩加固。对桩端进入中风化岩石桩和未进入中风化岩石的桩提出了承载力的不同计算方法。

关键词承载力, 加固, 高压注浆, 微型桩

Design and Research on the Reinforcement of Pile Foundations of a Residential Building

GENG Qinghe*ZHANG BoDONG LeileiCHEN JingshanZHANG JinLU Zheng

(Shandong Province Architectural Design Institute, Jinan 250001, China)

AbstractBecause of a poor construction quality control, the bearing capacity of an end-bearing pile failed to meet the requirements of the designed bearing capacity of the building. In order to solve the problem, a simple and convenient method is proposed in this paper, which is drilling a hole at the center of the pile and grouting with high pressure to strengthen the end-bearing pile. For the piles that entered into the weathered rock and the sediments at the pile end was thicker than 5 cm, just borehole the pile and grunting to enforce the pile. For the piles that did not reach the weathered rock, besides boreholing and grunting the piles, the I-shaped steel micro piles should be added to reinforce the end-bearing piles. For the two kinds of piles mentioned above, different methods for calculation the bearing capacity of the piles are developed.

Keywordsbearing capacity, reinforcement, high pressure grouting, micro pile

1引言

建筑的桩基是隐蔽工程,特别是端承桩(嵌岩桩)的承载力主要靠桩端阻力,嵌岩深度直接影响桩端阻力。地质勘探得到的地下土层分布情况是由有限个钻孔位置的资料外推得到,如果地下情况复杂,地质报告有可能不能准确反映地质情况。这样施工单位必须严格控制桩长和入岩深度,每根桩桩底都要取岩芯。但在实际工程中,有的施工单位未严格控制质量,导致桩端未入岩,或桩端虽入岩但桩端沉渣厚度大于5 cm,导致桩端阻力不够,桩承载力不满足要求。对于桩承载力不满足要求的情况,目前一般采用补桩的办法,这种方法施工工期长、造价高。若能直接加固桩端就可提高桩承载力,为此可将灌注桩后压浆技术引入桩基加固,首先根据桩中心钻孔(直径100 mm)取芯结果,了解桩端是否入岩及桩端沉渣厚度,利用钻孔再进行桩端压力注浆,对桩端进入中风化岩石但桩端沉渣厚度大于5 cm的桩直接进行高压注浆[1]加固,对未进入中风化岩石的桩高压注浆后承载力还不满足要求,新增劲性微型桩加固,因大型打桩机械进场难度大(基坑已开挖,建筑防水和垫层已施工),可用小型打桩机械打劲性微型桩[2]。本文介绍了桩承端承载力不满足设计要求的桩基加固方法,提出了桩基加固后承载力的理论计算方法。

2工程简介

某住宅楼工程位于济南市,共21层(地下二层),基础采用钢筋混凝土钻孔灌注桩,混凝土强度等级为C30,桩径600 mm,设计桩长大于8.5 m,桩端嵌入中等~微风化辉长岩大于0.5 m,设计单桩竖向承载力特征值为2 500 kN,单桩竖向极限承载力标准值为5 000 kN。

该住宅楼桩基工程于2011年6—7月间完成。基桩承载力分别进行了竖向抗压静载荷试验和高应变检测[3],部分检测基桩承载力不满足设计要求。具体情况如表1所示。

表1基桩检测结果

Table 1　Pile testing results

根据地质报告,钻孔灌注桩的极限侧阻力标准值qsik和极限端阻力标准值qpk,第⑦层中～微风化辉长岩的岩石饱和单轴抗压强度特征值frk如表2所示。

表2场地土质情况

Table 2　Site soil condition

3加固方案比较

根据地质报告和现场施工记录,承载力不够的原因判断为桩基未入岩,提出如下加固方案:

方案a:已施工桩承载力按竖向抗压静载荷试验单桩竖向极限承载力标准值的最小值1 800 kN考虑重新补桩,补桩的竖向极限承载力标准值为5 000 kN。需补85根桩。造价公司估算总造价约为316 476元。

方案b:用钻机在桩中心钻孔(钻孔直径100)取芯查看桩基入岩情况,进行桩端压力注浆,局部打钢管桩15根。造价公司估算总造价约为225 000元。

方案b优点如下:①工程造价低;②能查看桩的质量及入岩情况;③工期短。最后综合评判采用方案b进行桩基加固处理。

4基桩钻芯检测结果总结

根据钻芯检测结果,钻孔灌注桩施工情况可分为以下四种类型:

(1) 桩端沉渣厚度不大于5 cm且桩端为中风化岩,共26根桩,施工质量满足《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[6]要求。

(2) 桩端沉渣厚度大于5 cm且桩端为中风化岩,该情况基桩桩号如下:1#~19#、21#、24#~37#、40#~43#、45#~49#、51#~57#、61#~63#、65#~67#、69#~71#、74#~84#、86#~89#、91#、92#、94#~96#、99#、100#、102#、104#、105#,共74根桩。桩端沉渣厚度不满足桩基规范要求。

(3) 桩端未进入中风化岩且桩端沉渣厚度大于5 cm,该情况基桩桩号如下:22#、50#、85#、97#、100#,共5根桩。属于桩端沉渣厚度不满足桩基规范要求,桩端持力层不满足设计要求。

(4) 对桩端中风化辉长岩岩石芯样试件进行室内抗压强度试验,其单轴饱和极限抗压强度[4]如表3所示,抗压强度标准值为59.3 MPa。

5基桩加固设计方案

5.1　设计方案

根据桩端沉渣厚度及桩端持力层的不同,结合工程实际情况,基于安全经济合理可行的原则,设计采用三种方案进行基桩加固。

表3桩端岩石芯样式件抗压强度

Table 3　Compressive strength ofrock core in pile end

(1) 加固设计方案一

对于桩端沉渣不超过5 cm、桩端持力层为中风化岩的基桩,由于其施工质量满足桩基规范要求,因此采用高标号水泥砂浆灌注钻芯孔后再进行桩端压力注浆[5]。低压注水灰比0.5~0.6、灰砂比1∶0.3的水泥砂浆直至灌满为止,注浆压力为0.5 MPa。低压注浆完成24小时后,进行二次高压注浆,注纯水泥浆,注浆压力为1.0~1.2 MPa,水灰比为0.5~0.6。

该类型基桩号如前所述,共26根基桩。由于该类桩施工质量相对较好,本加固方案仅相当于将桩身钻芯孔进行填充并对桩端少量沉渣进行注浆加强。

该类型基桩桩端均为中风化岩,对桩端岩芯进行单轴抗压强度试验,强度大于勘察报告推荐值frk=30 MPa。桩端进行高压注浆后,考虑对桩端岩石强度提高,桩端沉渣不大于50 mm的基桩可以认为其桩端强度大于30 MPa,该类型基桩满足设计要求。

(2) 加固设计方案二

当桩端沉渣超过5 cm,而桩端已进入中风化岩的基桩,采用桩端高压注水(压力2.0 MPa)切割消除沉渣(主要为泥土),高标号水泥砂浆填注后再进行压力注浆。首先采用高压设备水力切割桩底沉渣,沉渣由钻孔冲出来。将沉渣完全消除后方可进行注浆施工。低压注水灰比0.5~0.6、灰砂比1∶0.3的水泥砂浆直至灌满为止,注浆压力为0.5 MPa。低压注浆完成24小时后,进行二次高压注浆,注纯水泥浆,注浆压力为3.0~4.0 MPa,水灰比为0.5~0.6。该类型基桩号如前所述共74根桩。高压注水压力计算如下:

桩自重:

G=(3.14×0.32-3.14×0.052)×

8.5×25=58 kN

桩侧阻力:

Q=3.14×0.6×(35×3.3+40×3.2+

80×1)=622 kN

抗浮安全系数取1.05。

P=(G+Q)/(1.05×A)=(58+622)/

(1.05×3.14×0.32)=2 291 kPa=

2.29 MPa

故高压注水压力取2.0 MPa。

承载力计算:砂浆等级不低于M30,考虑清除桩底沉渣后相应位置桩身为M30砂浆,基桩承载力由桩身强度控制;桩侧土阻力发挥,考虑注浆后桩侧桩阻力增强,取增强系数为1.4,桩侧土阻力合力Q=3.14×0.6×1.4×(35×3.3+40×3.2+80×2)=1 064 kN,置换后桩身材料强度不小于 1.35×(2 500-1 064/2)=2 656 kN,且N≤ψCfcAS =0.8×14 300×0.282 6=323 2 kN>2 656 kN,满足设计要求。

(3) 加固设计方案三

对桩端沉渣超过5 cm,同时桩端未进入中风化岩的基桩,由于其桩端持力层较差,即使桩身完整、桩端无沉渣其承载力也不能满足原设计要求,因此对该类型的基桩除了桩端采用高压水切割清除沉渣、高标号水泥砂浆填注后进行压力注浆外,又在桩外新增劲性微型桩进行加固(因现场基坑已开挖,建筑防水和垫层已施工,大型打桩机械进场难度大,可用小型打桩机械打劲性微型桩),该类型的基桩竖向极限承载力标准值为1 700 kN,劲性微型桩竖向极限承载力标准值为1 300 kN,新增劲性微型桩15根。

清除桩底沉渣后相应位置桩身为M30砂浆,桩端未进入中风化岩。考虑注浆后桩侧阻力增强,取增强系数为1.4,桩端端阻力取为1 200 kN,二次注浆端阻力增强系数为2.0,按照《建筑桩基检测技术规范》(JGJ 94—2008)[6]计算加固后基桩承载力:

Q=3.14×0.6×1.4×(35×3.3+40×3.2+80×2+3.14×0.09×1 200×2=1 742 kN,取值1 700 kN

劲性微型桩承载力计算如下:

(a) 按照嵌岩桩确定单桩承载力特征值

根据岩石单轴抗压强度确定单桩竖向极限承载力标准值[6]时,可按下列公式计算。

Qsk=u∑qsikli=3.14×0.22×1.4×(35×

3.3+40×3.2+80×2.0)=390 kN

Qrk=frkAP=0.84×30 000×

3.14×0.222/4=957.4 kN

Quk=Qsk+Qrk=390+957.4=1 347 kN

式中:岩石饱和单独抗压强度标准值,取30 MPa,ξm桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数,嵌固0.3 m,取ξr=0.84。

因此,按照嵌岩桩确定单桩承载力特征值Ra=Quk/2=673 kN。

(b) 按材料强度确定单桩承载力特征值

依据桩基规范规定,劲性微型桩主体采用钢管(20号钢,φ133壁厚6 mm)正截面受压承载力按以下算:

按材料强度确定单桩承载力特征值Ra=N/1.35=934.8/1.35=692 kN。

上述二者的小值为Ra=673 kN,设计中单桩承载力特征值取为650 kN。竖向极限承载力标准值为1 300 kN。基桩加固平面图如图1所示。

图1　基桩加固平面图 (单位:mm)Fig.1　Pile strengthening plan (Unit:mm)

对该工程桩桩端处理方法同上述加固设计方案二。

微型桩主体采用φ133 mm(壁厚6 mm)钢管,机械成孔,成孔直径为220 mm,钻孔深度入中风岩不小于300 mm,桩顶部伸入承台100 mm。成孔后用低压注水灰比0.5~0.6、灰砂比1:0.3的水泥砂浆,直至灌满为止,注浆压力为0.2~0.5 MPa。注浆完成24 h后,进行二次高压注浆,注纯水泥浆,注浆压力为2.0~3.0 MPa,水灰比为0.5~0.6。该类型基桩共5根桩。

(4) 注浆压力确定

注浆压力一般根据国家规范及当地的工程经验确定,由桩径、桩长、土层情况、桩侧高度等共同决定。加固方案一桩径800 mm,仅进行桩端注浆,注浆压力取1.0~1.2 MPa;加固方案二桩径800 mm,同时进行桩端及桩侧注浆,注浆压力取3.0~4.0 MPa;加固方案三灌注桩注浆压力同加固方案二,劲性微型桩桩径220 mm,进行桩端及桩侧的注浆,注浆压力取2.0~3.0 MPa。

对于采用加固设计方案二及加固设计方案三的工程桩,其施工在该场地为新工艺,为保证加固设计满足原建筑物基础承载力设计要求,需对采用上述两种方案加固的工程桩及施工的劲性微型桩进行竖向抗压载荷试验以验证其承载力。

5.2　静载荷试验

1) 方案二加固基桩试验

加固后基桩设计竖向极限承载力标准值要求不低于5 000 kN,共进行了三根基桩检测,其竖向极限承载力标准值分别为:18#为4 800 kN,53#为5 000 kN,87#为5 000 kN,其中18#基桩的极限承载力标准虽未达到5 000 kN的设计要求,但误差<5%,基本满足设计要求,根据PKPM桩基反力计算结果均小于4 800 kN。

2) 方案三加固的基桩及劲性微型桩

加固设计要求:桩外新增劲性微型桩设计竖向极限承载力标准值为1 300 kN,原工程桩加固后设计竖向极限承载力标准值为1 700 kN。

对劲性微型桩进行静载荷试验,进行了三根微型桩检测,试验结果表明劲性微型桩竖向极限承载力标准值均达到1 300 kN。

对加固后工程桩进行静荷试验,共进行了两根基桩检测,其竖向极限承载力标准值分别为:50#基桩为1 700 kN,100#基桩为1 700 kN,两根试验基桩竖向极限承载力标准值均达到1 700 kN的加固设计要求。根据JCCAD计算结果桩基反力均小于设计竖向承载力特征值。

6结论

(1) 在桩中心采用钻孔后压浆加固桩基可了解桩身的施工情况及桩端入岩情况,还可利用钻孔进行后压注浆。

(2) 根据钻芯检测结果,对桩施工情况进行分类,不同类型采用不同加固方法。

(3) 对于加固后桩基承载力还不满足要求的桩基采用劲性微型桩施工进行加固。

(4) 进入中风化的桩和未进入中风化的桩承载力的计算方法不同。

参考文献

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 123—2012 既有建筑地基基础加固技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People’s Republic of China.JGJ 123—2012 Technical code for improvement of soil and foundation of existing buildings[S].Bejing:China Architecture and Building Press,2012.(in Chinese)

[2]岑政平,楼东浩,叶军,等.某桩基工程加固设计实例及动态检测分析[J].结构工程师,2014,30(4):131-136.

Cen Zhengping,Lou Donghao,Ye Jun,et al.Reinforcement design of a pile foundation project and its dynamic monitoring[J].Structural Engineers,2014,30(4):131-136.(in Chinese)

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 106—2014 建筑基桩检测技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People’s Republic of China.JGJ 106—2014 Technical code for testing of building foundation piles[S].Bejing:China Architecture and Building Press,2014.(in Chinese)

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50007—2011 建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People’s Republic of China..GB 50007—2011 Code for design of building foundation[S].Bejing:China Architecture and Building Press,2011.(in Chinese)

[5]叶建梁.桩端后注浆的裙桩效应研究[J].结构工程师,2014,30(4):94-98.

Ye Jianliang.Pile group effect for base post-grouting[J].Structural Engineers,2014,30(4):94-98.(in Chinese)

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 94—2008 建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People’s Republic of China.JGJ 94—2008 Technical code for building pile foundation[S].Bejing:China Architecture and Building Press,2008.(in Chinese)

收稿日期：2015-09-08

*联系作者， Email:sdgengh@163.com