新旧建筑下废旧桩处理方案的比较分析

2024-01-09吴天汉

浙江建筑 2023年6期

吴天汉

上海张江集成电路产业区开发有限公司，上海 201203

0 引言

城市更新步伐持续加快，但是在城市新建项目不断涌现的过程中，处理原有障碍物逐渐成为一个难题。与地上老旧建筑不同，地下废旧基础由于其位置的特殊性，往往成为新建工程建设的巨大障碍。当存在大量隐蔽的废旧地下障碍物时，会对新建项目的开发周期、成本、质量、安全等方面造成极大的影响。通常地下旧桩有效处理方法包括直接利用、接桩后利用、补新桩、避让、拔桩等［1］。在决定利用原则时，需要对旧桩进行检测和评估，如果旧桩无法满足设计要求，则需要采取补救措施，这在城市更新项目较多的上海已有不少工程实例，这些工程实例具有借鉴意义［2-4］。孙浩钰［5］基于一个位于上海地区的大型工程项目，从地基土工程性能等方面全方位综合论述了复杂地质条件下废旧桩基础的利用与改造措施，为后续类似工程提供了设计依据。对于无法利用且影响项目施工的旧桩，则需要考虑拔除。但是，拔桩也会对周边土体产生一定影响，因此在旧桩处理方案中需要全面考虑可能存在的风险隐患［6-7］。只有考虑全面，采取相应的措施，才能使城市更新项目达到预期的效果。钻孔灌注桩在工程建设领域是一项成熟的技术，由于其适应性强、桩长较长、承载力大、施工较为简便的优点被广泛应用［8］。与此同时，施工较为复杂，桩身质量可控性差、施工成本较高等问题也是钻孔灌注桩浇筑过程中不可忽视的极大限制因素［9］。朱金永［10］通过对不同地质条件如花岗岩、风化岩等条件下的桩基施工进行了研究，对我国工程质量的提升有着重要意义。鲁海涛等［11］采取一种全新的桩基础钻孔灌注桩技术，对岩土工程的承载性能有显著的提升。

对于无法利用且影响项目施工的旧桩，则需要考虑拔除。本文依托上海浦东张江西北区09-02科技总部平台建设项目，从工程地质、废旧桩基处理方案、新建项目的设计原则等多方面来论述城市更新项目中废旧基础的处理思路。通过比较两种不同处理方案的优劣，旨在为项目建设提供思路方向，并为后续的类似工程提供借鉴指引。

1 工程概况

本工程位于浦东新区张江地区，地块总面积约16 000 m2，基地呈四边形。工程总建设面积约为70 000 m2，其中地上建筑面积约为42 000 m2，地下建筑面积约为28 000 m2。工程由2栋9层和2栋4层写字楼组成，地下为全开挖2层地下室。基坑开挖面积约为14 850 m2，普遍开挖深度约为11 m。该工程场地于1999年首次开发，新建了三栋桩基础建筑，桩基采用预制方桩。地表建筑于2008年被拆除，场地在2009年重新开发建设，拟建2幢12层高楼、6层裙房及2层外扩地下室，桩基采用PHC管桩。在完成桩基施工后，该项目因故被暂停，场地被改为停车场使用直至本次开发建设。拟建场地位于上海市浦东新区张江地区碧波路、春晓路附近，根据上海市工程建设规范《岩土工程勘察规范（DGJ 08—37—2012）》中附图A“上海市地貌类型图”，本场地属滨海平原地貌类型。

1.1 单桩竖向承载力计算

根据上海市工程建设规范《岩土工程勘察规范（DGJ 08—37—2012）》及行业标准《建筑桩基技术规范（JGJ 94—2008）》的有关规定，并结合各地基土层的分布规律、埋藏深度及工程地质特征，得出的桩侧极限摩阻力标准值fs及桩端极限端阻力fp标准值见表1。

表1 两种桩型的桩侧极限摩阻力标准值fs及桩端极限端阻力标准值fp

按上海市工程建设规范《地基基础设计标准（DGJ 08—11—2018）》中式（1）计算某个测点单桩竖向承载力值见表2。

表2 单桩竖向承载力

式中：Rtd为单桩抗拔承载力设计值，kN；

Rk为单桩抗拔试验中扣除单桩自重后的极限抗拔承载力标准值，kN；

γ为桩的抗拔承载力分项系数；

Gp为单桩自重设计值，kN。

1.2 项目现状分析

工程场地历经两次开发建设，留有大量的地下障碍物，给新工程后续设计及建设带来极大的不确定因素。1999 年首次开发拟建设三栋建筑，桩基础采用预制方桩，桩型号为JZHb-240-1515B，尺寸为240 mm×240 mm，桩总数321根，设计桩顶标高约为-2.5 m，桩长30 m，桩端持力层位于⑦1-1层。2009年第二次开发建设2幢12层研发楼、6层裙房及2层外扩地下室。桩基础采用PHC 管桩，桩型号为PHC-A-500，桩径500 mm，桩总数为1 228根，设计桩顶标高约为-9.4 m，桩长为23 m，桩端持力层位于⑦1-2层。见图1。

桩基等障碍物在弹性波速、密度、磁导率、介电常数等物性参数上与周围土层存在明显差异。本工程采用探地雷达法和井中磁梯度法进行地下障碍物探测，在局部异常和疑难区域，采用开挖等方法进行验证。

2 探测技术研究

2.1 探地雷达法

地下目标的探测是通过利用探地雷达对介质之间的电导率、介电常数等电性差异分界面对高频电磁波进行反射来实现的。通过测量介质中电磁波的传播速度、接收到的反射信号以及双程走时，可以确定地下异常物体的位置和深度［12］。结合前期收集的旧桩基础资料和新建工程的柱网关系，采用探地雷达法对重叠区域的方桩进行探测。

2.2 井中磁梯度法

在均匀无铁磁性物质的土层或桩身混凝土中，电磁场的磁场强度理论上应处于均匀场状态。然而，当桩身混凝土中存在钢筋笼等铁磁性物质时，将在其周围产生较强的感应磁场，从而引起磁异常现象。在钢筋笼的上下部分，磁场强度又会恢复到均匀场状态。因此，对于有限长度的预制方桩（或灌注桩），钢筋笼轴向的磁梯度会在钢筋笼的端部产生明显的变化。通过测量预制方桩（或灌注桩）侧面磁梯度的变化，可以确定钢筋笼的端部位置，进而计算预制方桩（或灌注桩）的实际埋设深度和长度［13］。

对于埋深较深的管桩采用井中磁梯度法，并选取代表区域进行开挖验证，见图2。本次物探共完成探地雷达测线25条，长度约1 300 m，并对45根方桩进行开挖验证，其中6 根桩位偏差最大约0.6 m。完成井中磁梯度测点13 200个，共选取25根PHC管桩进行探测，并对其中3根开挖验证，最大位移偏差约0.3 m，探查成果显示实际探测的旧桩桩位与原设计图纸基本一致。

图2 管桩磁梯度测孔布置及开挖验证范围示意

3 桩基方案的比选与论证

新建建筑方案地上部分采用钢框架结构，地库采用混凝土框架，基础方案采用桩基加承台，初步设计考虑使用约1 090根钻孔灌注桩，埋深约11 m，桩长约39 m。然而场地上已经存在的大量旧桩对桩基设计方案产生了很大的影响。通常对于资料不齐全且年代久远的旧桩，一般采用拔除或避让等处理措施，但是考虑使用旧桩带来的经济性以及拔桩可能带来的风险与成本，本次设计过程中需要对旧桩处理方案进行仔细分析和比较。方案的研究重点包括以下4个方面：

1）评估旧桩是否可以利用；

2）如果利用旧桩，需要确定利用原则；

3）如果无法利用旧桩，是否需要拔除旧桩；

4）如果桩基设计避让旧桩，需要确定避让原则。

在评估是否可以利用现有的桩基时，需要设计人员充分考虑现有旧桩的承载力，并估算拟建建筑物的上部荷载和变形对旧桩的影响。同时，优化桩基的平面布置，以实现从承载力和空间布置两个方面进行评估。尽管拔桩是最容易想到的旧桩清除处理方式，但由于对机械设备和施工工艺的高要求，以及增加的工程成本，它并不是首要考虑的方法。在实际工程中，要达到适当加固或直接利用旧桩为新建建筑物服务的最理想状态是困难的，因为总会受限于承载力和空间布置的要求。因此，在满足拟建工程要求的基础上，合理利用或避让废旧桩基是追求经济性和施工性的最佳选择。根据安全性、经济性和施工性要求，本工程设计了不利用旧桩和利用旧桩两种施工方案，并进行了详细研究、比较和优化。

3.1 不利用旧桩

与拔除旧桩带来的工程成本和施工难度不同，采用避让原则的设计方法，通过对承台位置的合理布置和承台形状尺寸的设计，将达到更加经济且施工难度更低的效果。为保证桩基承载力及沉降变形，考虑工程桩的垂直度以及物探的测量误差，在设计阶段，对原有旧桩进行避让，暂时按0.5 m考虑，后期实际施工过程中若仍有碰到，根据现场实际情况进行调整。

调整承台平面布置来避让旧桩的方式一般是通过旋转承台来实现（图3），以上部结构柱为中心，旋转一定角度避让既有旧桩，同时又不改变柱的平面位置布置。

图3 承台旋转示意

根据已确定的建筑设计方案，计划新建约1 090根钻孔灌注桩。通过与旧桩和拟建柱网进行对比，采取承台转动、设计异型承台等适当调整桩位的方法（图4），拟建的钻孔灌注桩可以全部避开旧桩，承台及桩的平面布置见图5。

图4 异型承台示意

图5 不利用旧桩(绿色)的典型局部承台与桩位

3.2 利用部分旧桩

现有工程中对既有旧桩基础的再利用方式多种多样，利用旧桩基础随部分新建建筑的上部荷载是最常见的方法。在广州南沙港铁路鸡鸦水道公路桥改建工程［14］中，结合现场试验，工程利用既有旧桩基础与新建桩基共同承担上部荷载，达到了很好的经济效益。在上海周浦镇平板玻璃厂多高层的公租房工程［15］中，通过对部分既有旧桩进行底板局部加固，使其满足承载力的设计要求，实现了旧桩基础的再利用，节省工程成本约1 200万元。也有部分工程选择了利用旧桩辅助新建工程施工，如北京地铁8号线天桥站工程［16］中，通过借桩和接桩，利用了部分原有车道基坑围护桩作为风道基坑的支护。莫桑比克贝拉港码头［17］旧桩被用于新建码头桩基施工钢平台临时支撑，节省了工程造价。在本工程利用既有旧桩的设计方案中，9层塔楼部分采用PHC管桩和钻孔灌注桩相结合的形式，而4层建筑及地下室部分则仍采用钻孔灌注桩。这样设计的原因主要有以下两点：

1）4层建筑及地下室部分以抗拔为主，而PHC管桩本身不宜用于抗拔。

2）旧桩在设计时被分为两节，接头处的抗拔能力难以验证，如果只依靠单节管桩的承载力，则无法提供足够的抗拔力。

当前的设计方案中，在这些区域柱网与原有旧桩的位置重叠较少，PHC管桩的利用率很低，因此使用钻孔灌注桩更为合适。该方案中承台及桩的平面布置见图6。

图6 利用旧桩(绿色)的典型局部承台与桩位

3.3 方案对比

将两种方案从成本、工期两个角度进行比较，结果见表3。

表3 利用旧桩和不利用旧桩成本工期分析

原有PHC 管桩端持力层位于⑦1-2层，单桩抗压承载力设计值约1 600 kN，抗拔承载力设计值为650 kN，且原桩顶设计标高与新建工程接近，理论上存在利用可能，桩长与地层剖面示意图见图7，但还存在以下问题：

1）原有PHC管桩为A型桩，在《关于进一步加强本市基坑和桩基工程质量安全管理的通知》［沪建交〔2012〕645 号］一文中已明确要求禁止使用该类桩型。

2）由于时间久远，原有管桩的桩基施工记录已遗失。如果要利用旧桩，须对要使用的旧桩进行载荷试验验证其承载力，然而桩顶埋深约9 m，须对场地开挖后才能进行载荷试验，同时存在试验后承载力达不到设计要求的可能性，这些不确定因素会对工程工期和成本造成极大影响。

3）新建工程桩桩顶标高比原有管桩标高低约2 m，如果利用旧桩，须对旧桩进行截桩处理，截桩会缩短旧桩桩长，并且容易破坏桩身结构。

4）比对原有旧桩位置与新建建筑桩基位置，约有20%～30%的管桩有利用可能，利用率较低。

在考虑桩基检测、相关配套工程的费用和原有管桩不能满足设计要求的风险后，方案二在总造价和总工期方面没有优势。最终方案确定为不利用原有旧桩，通过设计异型承台和旋转承台布置位置的方法避让旧桩。

4 桩基方案

4.1 桩基方案的确定

工程地块旧桩数量众多，且局部密集。为减少新旧桩的碰撞，将原本设计的桩径700 mm缩减至600 mm。通过桩端后注浆工艺，注浆水泥用量为1.5 t，单桩抗压承载力特征值从原有设计的2 000 kN 提高到2 400 kN，桩长也从39 m 缩短至29.5 m，同时钻孔灌注桩的总数从1 090 根减少至999根，所有这些调整均为密集区域布桩提供了有利条件。为避让旧桩，新打工程桩多数都偏移了常规布置位置，并设计了25种单桩承台到十桩承台。通过承台转动，最大程度上避开旧桩。对于桩顶标高在新基础底板之上的旧桩部分，将直接在底板下方100 mm处截断，并回填黏土，以避免新建建筑沉降后与旧桩发生碰撞挤压导致结构损伤。最终确定的桩基设计方案中钻孔灌注桩总桩数为999 根，桩径Φ600，桩长29.5 m，以⑦2-1层为桩端持力层，桩顶设计标高为-11.4 m，单桩抗压承载力设计值2 400 kN，抗拔承载力设计值1 000 kN，所有桩位在设计图纸上避开了原有旧桩。

4.2 工后沉降分析

在桩基施工期间和基础投入使用后，为确保周边道路、边坡和管线的安全性，并了解基础的下沉情况，本工程决定进行沉降监测和控制［18］。沉降观测需要高精度、多次重复观测和较长的周期，所以在本工程中，采用了几何水准测量方法。通过使用电子水准仪和水准尺，测量员沿着由沉降监测点组成的水准观测路线测量并计算各测点之间的高差，以确定各测点的高程。

通过定期测量，比较不同时间测量得到的同一观测点的高程，计算得出各观测点在不同周期内的相对沉降量和累计沉降量。对张江西北区09-02地块科技研发总部大楼进行监测，并对部分典型沉降监测点的数据进行了汇总，见图8、图9。其中，RO表示道路沉降监测点，SO 表示地表沉降监测点，Di代表电信管线沉降监测点，Ri代表燃气管线沉降监测点，Si 代表上水管线沉降监测点，Wi代表污水管线沉降监测点，Xi代表信息管线沉降监测点，Yi代表雨水管线沉降监测点，Zi代表综合管线沉降监测点，HO 代表周边水塘边坡竖向位移监测点。

图8 第一期道路竖向位移典型监测点累计沉降监测

图9 第二期地表、道路位移典型监测点累计沉降监测

根据沉降数据，得出两期测点累计下沉变化曲线。由图8可以看出，第一期监测的77 d，测点沉降不断增大，但观测的最大沉降为综合管线Z1测点2.7 mm，地基沉降值较小，说明地基稳定，土体沉降小。根据沉降变化情况，第一期监测可以分为快速沉降（阶段1）、上下波动阶段（阶段2）。阶段1（1～5 周）内建筑物工程桩已打644 根，完成比例70%，建筑物载荷不断增加，对土体的影响范围不断增大，导致土体沉降增加迅速，该阶段的沉降比例为第一期累计沉降的一半以上，主要为建筑物载荷影响下的土体瞬时沉降。阶段2（6～11周）内，工程桩已完成910根，完成比例99%，塔吊桩已完成4根，完成比例50%，新增立柱已完成138根，完成比例74%，围护桩已完成27 根，完成比例6%，三轴搅拌桩已完成247幅，完成比例58%，导致监测数据上下波动无规律。

由图9可以看出，第二期监测42 d，测点沉降整体上不断增加，但在第12～16周观测，工程桩已完成910根，完成比例99%，塔吊桩已完成8根，完成比例100%，新增立柱已完成180根，完成比例96%，围护桩已完成357根，完成比例85%，三轴搅拌桩已完成424幅，完成比例100%，高压旋喷桩已完成273根，完成比例12%。部分测点波动较大，可能由于建筑物地基受到周边外力以及高压旋喷桩扰动，出现抬升。17周之后，建筑物已竣工，载荷稳定，各测点沉降变化较一致，沉降速度明显减小，但所有测点的沉降仍在继续，测点沉降缓慢增大，主要由于建筑物载荷稳定，土体发生缓慢压缩沉降。

工程进度在100%时绘制位移变化曲线见图10，其中图10 a）中地表、道路竖向位移R09点变化最大，下降了2.3 mm，而累计变化量最大的是SO10点，监测数值变化了-5.9 mm。图10 b）管线竖向位移Z4点变化最大，下降了2.2 mm，而累计变化量最大的是R1 点，监测数值变化了-5.4 mm。图10 c）中周边水塘边坡竖向位移HO8点变化最大，下降了1.2 mm，而累计变化量最大的是HO4点，监测数值变化了-1.3 mm。

图10 位移变化曲线

建筑物加载阶段沉降快速增大，下沉速率最大，地基沉降与变形程度最大，应加强地基保护，稳载阶段下沉速率降低，沉降缓慢增加，地基易受周边其他外力因素影响产生变化。两期建筑物观测日变化和累计变化最大值分别为1.5 mm 和5.9 mm，明显低于高层建筑物沉降允许值（3 mm）和倾斜允许值（30 mm/m），桩基方案的沉降控制效果非常好。该桩基方案能够有效地减少沉降和不均匀沉降的发生。

可持续性和经济性分析：此次施工部分利用旧桩，避免因拔除旧桩造成的资源浪费，降低对环境的影响，同时也减少了施工成本［19］。

施工技术的可行性分析：对于本工程的桩基础设计和施工，考虑地质条件、桩基承载力、沉降量控制等因素。该项目成功地完成了桩基施工，监测结果显示沉降控制效果良好。这说明本次方案设计采用了合适的桩基类型、施工工艺和技术参数，能够为建筑物的稳定性和安全性提供有力保障。