耿慶和　張　波　董磊磊　陳景山　張　勁 　盧　崢

(山東省建筑設(shè)計研究院, 濟(jì)南 250001)

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某住宅樓樁基加固設(shè)計及研究

耿慶和*張波董磊磊陳景山張勁 盧崢

(山東省建筑設(shè)計研究院, 濟(jì)南 250001)

摘要由于施工質(zhì)量控制不嚴(yán)導(dǎo)致端承樁(嵌巖樁)承載力不滿足設(shè)計要求的工程質(zhì)量問題,提出了樁中心鉆孔高壓注漿加固樁端的簡便可行方法,對樁端進(jìn)入中風(fēng)化巖石但樁端沉渣厚度大于5 cm的樁直接進(jìn)行鉆孔高壓注漿加固,對未進(jìn)入中風(fēng)化巖石的樁不僅采用鉆孔高壓注漿而且新增勁性微型樁加固。對樁端進(jìn)入中風(fēng)化巖石樁和未進(jìn)入中風(fēng)化巖石的樁提出了承載力的不同計算方法。

關(guān)鍵詞承載力, 加固, 高壓注漿, 微型樁

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

建筑的樁基是隱蔽工程,特別是端承樁(嵌巖樁)的承載力主要靠樁端阻力,嵌巖深度直接影響樁端阻力。地質(zhì)勘探得到的地下土層分布情況是由有限個鉆孔位置的資料外推得到,如果地下情況復(fù)雜,地質(zhì)報告有可能不能準(zhǔn)確反映地質(zhì)情況。這樣施工單位必須嚴(yán)格控制樁長和入巖深度,每根樁樁底都要取巖芯。但在實(shí)際工程中,有的施工單位未嚴(yán)格控制質(zhì)量,導(dǎo)致樁端未入巖,或樁端雖入巖但樁端沉渣厚度大于5 cm,導(dǎo)致樁端阻力不夠,樁承載力不滿足要求。對于樁承載力不滿足要求的情況,目前一般采用補(bǔ)樁的辦法,這種方法施工工期長、造價高。若能直接加固樁端就可提高樁承載力,為此可將灌注樁后壓漿技術(shù)引入樁基加固,首先根據(jù)樁中心鉆孔(直徑100 mm)取芯結(jié)果,了解樁端是否入巖及樁端沉渣厚度,利用鉆孔再進(jìn)行樁端壓力注漿,對樁端進(jìn)入中風(fēng)化巖石但樁端沉渣厚度大于5 cm的樁直接進(jìn)行高壓注漿[1]加固,對未進(jìn)入中風(fēng)化巖石的樁高壓注漿后承載力還不滿足要求,新增勁性微型樁加固,因大型打樁機(jī)械進(jìn)場難度大(基坑已開挖,建筑防水和墊層已施工),可用小型打樁機(jī)械打勁性微型樁[2]。本文介紹了樁承端承載力不滿足設(shè)計要求的樁基加固方法,提出了樁基加固后承載力的理論計算方法。

2工程簡介

某住宅樓工程位于濟(jì)南市,共21層(地下二層),基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,混凝土強(qiáng)度等級為C30,樁徑600 mm,設(shè)計樁長大于8.5 m,樁端嵌入中等~微風(fēng)化輝長巖大于0.5 m,設(shè)計單樁豎向承載力特征值為2 500 kN,單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為5 000 kN。

該住宅樓樁基工程于2011年6—7月間完成?；鶚冻休d力分別進(jìn)行了豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)和高應(yīng)變檢測[3],部分檢測基樁承載力不滿足設(shè)計要求。具體情況如表1所示。

表1基樁檢測結(jié)果

Table 1　Pile testing results

根據(jù)地質(zhì)報告,鉆孔灌注樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik和極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk,第⑦層中～微風(fēng)化輝長巖的巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度特征值frk如表2所示。

表2場地土質(zhì)情況

Table 2　Site soil condition

3加固方案比較

根據(jù)地質(zhì)報告和現(xiàn)場施工記錄,承載力不夠的原因判斷為樁基未入巖,提出如下加固方案:

方案a:已施工樁承載力按豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的最小值1 800 kN考慮重新補(bǔ)樁,補(bǔ)樁的豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為5 000 kN。需補(bǔ)85根樁。造價公司估算總造價約為316 476元。

方案b:用鉆機(jī)在樁中心鉆孔(鉆孔直徑100)取芯查看樁基入巖情況,進(jìn)行樁端壓力注漿,局部打鋼管樁15根。造價公司估算總造價約為225 000元。

方案b優(yōu)點(diǎn)如下:①工程造價低;②能查看樁的質(zhì)量及入巖情況;③工期短。最后綜合評判采用方案b進(jìn)行樁基加固處理。

4基樁鉆芯檢測結(jié)果總結(jié)

根據(jù)鉆芯檢測結(jié)果,鉆孔灌注樁施工情況可分為以下四種類型:

(1) 樁端沉渣厚度不大于5 cm且樁端為中風(fēng)化巖,共26根樁,施工質(zhì)量滿足《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[6]要求。

(2) 樁端沉渣厚度大于5 cm且樁端為中風(fēng)化巖,該情況基樁樁號如下: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根樁。樁端沉渣厚度不滿足樁基規(guī)范要求。

(3) 樁端未進(jìn)入中風(fēng)化巖且樁端沉渣厚度大于5 cm,該情況基樁樁號如下:22#、50#、85#、97#、100#,共5根樁。屬于樁端沉渣厚度不滿足樁基規(guī)范要求,樁端持力層不滿足設(shè)計要求。

(4) 對樁端中風(fēng)化輝長巖巖石芯樣試件進(jìn)行室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),其單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度[4]如表3所示,抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為59.3 MPa。

5基樁加固設(shè)計方案

5.1　設(shè)計方案

根據(jù)樁端沉渣厚度及樁端持力層的不同,結(jié)合工程實(shí)際情況,基于安全經(jīng)濟(jì)合理可行的原則,設(shè)計采用三種方案進(jìn)行基樁加固。

表3樁端巖石芯樣式件抗壓強(qiáng)度

Table 3　Compressive strength ofrock core in pile end

(1) 加固設(shè)計方案一

對于樁端沉渣不超過5 cm、樁端持力層為中風(fēng)化巖的基樁,由于其施工質(zhì)量滿足樁基規(guī)范要求,因此采用高標(biāo)號水泥砂漿灌注鉆芯孔后再進(jìn)行樁端壓力注漿[5]。低壓注水灰比0.5~0.6、灰砂比1∶0.3的水泥砂漿直至灌滿為止,注漿壓力為0.5 MPa。低壓注漿完成24小時后,進(jìn)行二次高壓注漿,注純水泥漿,注漿壓力為1.0~1.2 MPa,水灰比為0.5~0.6。

該類型基樁號如前所述,共26根基樁。由于該類樁施工質(zhì)量相對較好,本加固方案僅相當(dāng)于將樁身鉆芯孔進(jìn)行填充并對樁端少量沉渣進(jìn)行注漿加強(qiáng)。

該類型基樁樁端均為中風(fēng)化巖,對樁端巖芯進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),強(qiáng)度大于勘察報告推薦值frk=30 MPa。樁端進(jìn)行高壓注漿后,考慮對樁端巖石強(qiáng)度提高,樁端沉渣不大于50 mm的基樁可以認(rèn)為其樁端強(qiáng)度大于30 MPa,該類型基樁滿足設(shè)計要求。

(2) 加固設(shè)計方案二

當(dāng)樁端沉渣超過5 cm,而樁端已進(jìn)入中風(fēng)化巖的基樁,采用樁端高壓注水(壓力2.0 MPa)切割消除沉渣(主要為泥土),高標(biāo)號水泥砂漿填注后再進(jìn)行壓力注漿。首先采用高壓設(shè)備水力切割樁底沉渣,沉渣由鉆孔沖出來。將沉渣完全消除后方可進(jìn)行注漿施工。低壓注水灰比0.5~0.6、灰砂比1∶0.3的水泥砂漿直至灌滿為止,注漿壓力為0.5 MPa。低壓注漿完成24小時后,進(jìn)行二次高壓注漿,注純水泥漿,注漿壓力為3.0~4.0 MPa,水灰比為0.5~0.6。該類型基樁號如前所述共74根樁。高壓注水壓力計算如下:

樁自重:

G=(3.14×0.32-3.14×0.052)×

8.5×25=58 kN

樁側(cè)阻力:

Q=3.14×0.6×(35×3.3+40×3.2+

80×1)=622 kN

抗浮安全系數(shù)取1.05。

P=(G+Q)/(1.05×A)=(58+622)/

(1.05×3.14×0.32)=2 291 kPa=

2.29 MPa

故高壓注水壓力取2.0 MPa。

承載力計算:砂漿等級不低于M30,考慮清除樁底沉渣后相應(yīng)位置樁身為M30砂漿,基樁承載力由樁身強(qiáng)度控制;樁側(cè)土阻力發(fā)揮,考慮注漿后樁側(cè)樁阻力增強(qiáng),取增強(qiáng)系數(shù)為1.4,樁側(cè)土阻力合力Q=3.14×0.6×1.4×(35×3.3+40×3.2+80×2)=1 064 kN,置換后樁身材料強(qiáng)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,滿足設(shè)計要求。

(3) 加固設(shè)計方案三

對樁端沉渣超過5 cm,同時樁端未進(jìn)入中風(fēng)化巖的基樁,由于其樁端持力層較差,即使樁身完整、樁端無沉渣其承載力也不能滿足原設(shè)計要求,因此對該類型的基樁除了樁端采用高壓水切割清除沉渣、高標(biāo)號水泥砂漿填注后進(jìn)行壓力注漿外,又在樁外新增勁性微型樁進(jìn)行加固(因現(xiàn)場基坑已開挖,建筑防水和墊層已施工,大型打樁機(jī)械進(jìn)場難度大,可用小型打樁機(jī)械打勁性微型樁),該類型的基樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1 700 kN,勁性微型樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1 300 kN,新增勁性微型樁15根。

清除樁底沉渣后相應(yīng)位置樁身為M30砂漿,樁端未進(jìn)入中風(fēng)化巖?？紤]注漿后樁側(cè)阻力增強(qiáng),取增強(qiáng)系數(shù)為1.4,樁端端阻力取為1 200 kN,二次注漿端阻力增強(qiáng)系數(shù)為2.0,按照《建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[6]計算加固后基樁承載力:

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

勁性微型樁承載力計算如下:

(a) 按照嵌巖樁確定單樁承載力特征值

根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值[6]時,可按下列公式計算。

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:巖石飽和單獨(dú)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,取30 MPa,ξm樁嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù),嵌固0.3 m,取ξr=0.84。

因此,按照嵌巖樁確定單樁承載力特征值Ra=Quk/2=673 kN。

(b) 按材料強(qiáng)度確定單樁承載力特征值

依據(jù)樁基規(guī)范規(guī)定,勁性微型樁主體采用鋼管(20號鋼,φ133壁厚6 mm)正截面受壓承載力按以下算:

按材料強(qiáng)度確定單樁承載力特征值Ra=N/1.35=934.8/1.35=692 kN。

上述二者的小值為Ra=673 kN,設(shè)計中單樁承載力特征值取為650 kN。豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1 300 kN?；鶚都庸唐矫鎴D如圖1所示。

圖1　基樁加固平面圖 (單位:mm)Fig.1　Pile strengthening plan (Unit:mm)

對該工程樁樁端處理方法同上述加固設(shè)計方案二。

微型樁主體采用φ133 mm(壁厚6 mm)鋼管,機(jī)械成孔,成孔直徑為220 mm,鉆孔深度入中風(fēng)巖不小于300 mm,樁頂部伸入承臺100 mm。成孔后用低壓注水灰比0.5~0.6、灰砂比1:0.3的水泥砂漿,直至灌滿為止,注漿壓力為0.2~0.5 MPa。注漿完成24 h后,進(jìn)行二次高壓注漿,注純水泥漿,注漿壓力為2.0~3.0 MPa,水灰比為0.5~0.6。該類型基樁共5根樁。

(4) 注漿壓力確定

注漿壓力一般根據(jù)國家規(guī)范及當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗(yàn)確定,由樁徑、樁長、土層情況、樁側(cè)高度等共同決定。加固方案一樁徑800 mm,僅進(jìn)行樁端注漿,注漿壓力取1.0~1.2 MPa;加固方案二樁徑800 mm,同時進(jìn)行樁端及樁側(cè)注漿,注漿壓力取3.0~4.0 MPa;加固方案三灌注樁注漿壓力同加固方案二,勁性微型樁樁徑220 mm,進(jìn)行樁端及樁側(cè)的注漿,注漿壓力取2.0~3.0 MPa。

對于采用加固設(shè)計方案二及加固設(shè)計方案三的工程樁,其施工在該場地為新工藝,為保證加固設(shè)計滿足原建筑物基礎(chǔ)承載力設(shè)計要求,需對采用上述兩種方案加固的工程樁及施工的勁性微型樁進(jìn)行豎向抗壓載荷試驗(yàn)以驗(yàn)證其承載力。

5.2　靜載荷試驗(yàn)

1) 方案二加固基樁試驗(yàn)

加固后基樁設(shè)計豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值要求不低于5 000 kN,共進(jìn)行了三根基樁檢測,其豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值分別為:18#為4 800 kN,53#為5 000 kN,87#為5 000 kN,其中18#基樁的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)雖未達(dá)到5 000 kN的設(shè)計要求,但誤差<5%,基本滿足設(shè)計要求,根據(jù)PKPM樁基反力計算結(jié)果均小于4 800 kN。

2) 方案三加固的基樁及勁性微型樁

加固設(shè)計要求:樁外新增勁性微型樁設(shè)計豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1 300 kN,原工程樁加固后設(shè)計豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1 700 kN。

對勁性微型樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn),進(jìn)行了三根微型樁檢測,試驗(yàn)結(jié)果表明勁性微型樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值均達(dá)到1 300 kN。

對加固后工程樁進(jìn)行靜荷試驗(yàn),共進(jìn)行了兩根基樁檢測,其豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值分別為:50#基樁為1 700 kN,100#基樁為1 700 kN,兩根試驗(yàn)基樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值均達(dá)到1 700 kN的加固設(shè)計要求。根據(jù)JCCAD計算結(jié)果樁基反力均小于設(shè)計豎向承載力特征值。

6結(jié)論

(1) 在樁中心采用鉆孔后壓漿加固樁基可了解樁身的施工情況及樁端入巖情況,還可利用鉆孔進(jìn)行后壓注漿。

(2) 根據(jù)鉆芯檢測結(jié)果,對樁施工情況進(jìn)行分類,不同類型采用不同加固方法。

(3) 對于加固后樁基承載力還不滿足要求的樁基采用勁性微型樁施工進(jìn)行加固。

(4) 進(jìn)入中風(fēng)化的樁和未進(jìn)入中風(fēng)化的樁承載力的計算方法不同。

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收稿日期：2015-09-08

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