某医院露筋桩承载力分析及钢管桩加固设计

张志浩，孔 军，魏焕卫，陈朝伟(.山东建筑大学 土木工程学院， 山东 济南 5004；.山东建和土木工程咨询有限公司， 山东 济南 500)

某医院露筋桩承载力分析及钢管桩加固设计

张志浩1，孔 军1，魏焕卫1，陈朝伟2
(1.山东建筑大学 土木工程学院， 山东 济南 250014；2.山东建和土木工程咨询有限公司， 山东 济南 250101)

针对露筋桩承载力问题，结合中日友好医院病房楼桩基，采用规范公式，分析了不同露筋面积对桩基水平承载力的影响关系曲线，并对不同直径钢管桩的承载力进行分析总结。计算结果表明，露筋问题对桩的水平影响较大，截面露筋面积比例达到0.4时桩的水平承载力为完好桩的一半，对于建筑桩基露筋问题宜选用钢管桩进行加固处理。

露筋桩；水平承载力；钢管桩；加固设计

长螺旋钻孔灌注桩等深基坑桩在施工过程中往往由于机械或者技术不完善等原因，可能出现钢筋露筋等缺陷。钢筋长时间在腐蚀性环境下或暴露在空气中会出现钢筋锈蚀，使钢筋和混凝土有效截面积减小，影响桩的耐久性，进而导致桩的承载力降低。国内专家学者对露筋桩作了大量试验研究和理论分析，并提出了相应解决方案。王继学等[1]总结分析了砂层、碎卵石层等特殊地质条件下桥梁桩基“露筋”现象发生的原因，结合桥梁桩基“齿轮效应”，指出了桩基“露筋”问题的预防和处理方法。祁秀林等[2]就旧桥钻孔桩露筋问题进行原因分析,并介绍了预防措施和几种加固措施。田海波等[3]对地下连续墙露筋原因进行分析，通过数值分析计算对土层参数、施工荷载、场地条件以及泥浆密度等因素对槽壁变形的影响进行分析，并据此提出解决办法。柳自道[4]对钻孔灌注桩钢筋混凝土保护层厚度不足、露筋的质量问题进行分析，指出钻孔灌注桩早期“病害”的隐蔽性并例举近处海环境桥梁结构损坏的严重危害。在已有研究成果上，以中日友好医院病房楼桩基为例，对露筋桩水平承载力进行分析，提出合理的加固设计方案，并对方案进行评估分析。

1 工程概况

该医院病房楼主楼采用桩-筏基础，建筑桩基设计等级为乙级。桩基础拟采用D=600 mm后压浆工艺钻孔灌注桩，总桩数为255棵。试桩单桩竖向极限承载力标准值Quk=3 800 kN，相应工程桩单桩竖向承载力特征值为Ra=1 600 kN，有效桩长为16 m，桩端及桩侧均应进行注浆。后注浆管采用钢管，下部设2根主筋与后注浆管成钢筋笼通至桩底。该工程施工完毕后发现部分基桩出现漏筋或保护层不够的现象，为了保证该工程的安全，需要对该桩基工程进行加固处理。

2 露筋原因及露筋桩受力分析

2.1 原因分析

该工程钢筋笼的吊装采用上部振动锤振动方法，在振动锤击过程中，由于未设置定位钢筋，钢筋笼不易固定，而且工程桩径为600 mm，孔径为700 mm，钢筋笼直径过大，在实际施工过程中会造成钢筋笼偏位的情况发生使得保护层厚度不够。后经相关部门检测发现，该桩基混凝土配合比不满足工程要求，和易性和流动性均较差，不能均匀的充满整个桩体。以上原因导致了部分基桩桩顶出现了保护层厚度不够甚至出现露筋现象的发生，露筋桩段示意图如图1所示。

图1 露筋段示意图

2.2 承载力分析

根据聊城市规划建筑设计院提供的上部荷载资料，该建筑物上部荷载包括考虑地震力时竖向总荷载标准组合值为352 400 kN和考虑地震力时水平荷载17 570 kN。

2.2.1 竖向承载力

《建筑桩基技术规范》[5](JGJ94-2008)中单桩竖向极限承载力Quk与桩身周长u，桩端面积Ap以及场地参数有关。假设出现露筋情况，单桩承载力的影响因子几乎没有变化。因此，钢筋外露对桩基竖向承载力影响可忽略不计。

2.2.2 水平向承载力

在露筋段内，被腐蚀的钢筋会变得很脆弱，而且锈蚀的钢筋会影响自身与混凝土的粘结的紧密程度，进而造成混凝土出现裂缝或者脱落，极大地削弱桩基的水平承载力。钢筋的腐蚀还会继续扩散，进一步加重桩基损坏。假设桩的水平承载力由水平位移控制，根据规范[5]，单桩水平承载力特征值计算式为

(1)式中：EI为露筋桩抗弯刚度，对于钢筋混凝土桩，EI=0.85EcI0，EcI0为完整桩桩身抗弯刚度。报告显示，该工程桩钢筋因外露而腐蚀的面积达到截面内钢筋横截面面积的25%，这里由于部分钢筋受损，经计算取0.64EcI0；χ0a为桩顶允许水平位移，这里取7.5 mm；vx为桩顶水平位移系数，桩顶约束固接，取0.940；α为桩的水平变形系数，取1.176/m。

经过以上分析，发现该桩基不足以承受水平荷载，需要必要的措施对桩身进行加固。

2.3 露筋面积对桩基水平承载力的影响分析

实际施工过程中不同桩基的露筋面积各不相同，因此研究不同露筋面积对桩基水平承载力的影响就具有一定的工程意义。针对该工程不同桩基发生不同的露筋情况，取各桩露筋段最大露筋水平截面，即为最危险截面，验算这部分截面的水平承载力，如图2所示。可以看到在截面内露筋面积呈不规则状，因此该截面的惯性矩的计算比较复杂。遂采用如下假设，认为EI=kEcI0，其中k为比例系数，等于截面内露筋面积占桩截面积比例，并随着露筋面积增加线性增大；EI为露筋桩的抗弯刚度；EcI0为完整桩的抗弯刚度。以该工程桩基直径为例，根据式(1)，分别计算不同露筋面积下水平承载力，得到不同情况下桩基的承载力变化图，如图3所示。

图2 露筋桩截面图

图3 露筋面积与水平承载力关系

从图3中可以清楚地看到，随着露筋面积比例的增加，桩的水平承载力在逐渐下降，下降速率逐渐增加。当截面露筋比例达到0.4时，承载力只有原桩的一半。根据工程经验来看，该种假设得到的结果是偏大的，也就是露筋桩的实际承载力要远比此值小。因为，在计算钢筋混凝土桩的抗弯刚度EI时，由于面积的不规则性，惯性矩I无法进行精确计算，只是采用了面积比例来假设露筋桩的抗弯刚度。此假设导致了露筋面积与水平承载力关系图中曲线下降速率较慢且没有明显的拐点，与工程实践有出入。

3 加固处理办法

3.1 扩大基础法

挖补法是通过在露筋部位周边浇筑混凝土，使其与露筋部位的桩基共同形成扩大基础[6](如图4(a)所示)。虽说该加固方法能够有效提高桩的承载力，但是本工程露筋段分布在地下5 m～10 m范围内，若采用此方法开挖较深，施工工艺相对复杂。另一方面，本工程桩共有255根，场地内桩布置相对密集，大量开挖容易造成对桩周土的扰动，势必会对相邻桩产生不利影响，降低相邻桩的侧摩阻力。对于本工程来说，该方法不符合经济性和规范性要求。

3.2 桩周土体加固

注浆法是工程上常用的地基加固方法[7-9]。若采用一般的注浆方法，注浆浆液可控性比较差，不能够定向定位，从而无法包住外露钢筋。若采用高压旋喷桩法，利用高压旋喷向桩周土中强行注入水泥浆液，形成一道封闭的止水帷幕，包裹外露钢筋对缺陷桩基进行保护，组成一道止水帷幕[10](如图4(b)所示)。该方案效果相对较好，但是由于缺陷部位埋深多集中在5 m～10 m处，因此操作难度大，造价相对较高。

图4 加固处理方案

3.3 钢管桩托换加固

钢管托换加固是通过新增钢管提高桩基的抗弯刚度，用以分担由于钢筋外露而损失的那部分水平承载力[11-14]。根据现场条件，可在露筋部位沿桩轴线平行布置钢管桩，令加固桩嵌入承台，如图5所示。该方案避免了在缺陷较深时大范围开挖的情况，减少了对桩周土的扰动，也可以增加托换后基础的整体性。由于钢管混凝土桩自身性质的优越性，即便是桩基露筋面积很大时也可以有效增加桩基的水平抗力。

图5 钢管桩加固法

综合以上考虑，钢管桩加固方案更符合该工程场地条件。

4 钢管桩加固设计及分析

如上文所分析，露筋对桩基的竖向承载力影响很小但对其水平承载力影响较大。因此在设计加固桩时，主要考虑加固桩的水平受荷能力。由于资料有限，露筋桩的水平承载力不可得知，只能粗略的进行理论分析。所以为安全起见，假设露筋桩不再具有水平承载能力而是由加固桩完全承担水平荷载。现初步设计该加固桩的类型为微型钢管桩，桩数与工程桩桩数一致，桩长10 m，钢管内径D为108 mm，厚度t为6 mm，如图6所示。钢管内外包水泥砂浆，加固桩总桩径为260 mm。

图6 钢管示意图

4.1 加固桩水平承载力计算

加固桩的水平承载力特征值Rha同样采用式(1)计算：EI这里取为7 016.2 N·m2；χ0a这里取7.5 mm；α为桩的水平变形系数，这里取1.176/m；vx为桩顶水平位移系数，因为加固桩要进入承台，桩顶约束为固接，按标准[5]取为0.940。

经计算，该加固桩的水平承载力特征值为68.3 kN，考虑地震作用时钢管桩的水平承载力特征值为68.3 kN×1.25=85.4 kN。根据聊城市规划建筑设计院提供的上部荷载资料，该建筑物上部考虑地震力时水平荷载为H=17 570 kN，总桩数为255根，则平均桩顶水平力为：Hik=H/n=17570/255=68.9 kN≤85.4 kN，所以上述加固微型钢管桩水平承载力是满足要求的。

4.2 钢管桩桩径对水平承载力的计算分析

根据式(1)可以看到，当桩径发生变化时，只对钢管桩的抗弯刚度EI和水平变形系数α产生影响。由此得出钢管桩桩径与水平承载力的关系曲线，如图7所示。

图7 水平承载力变化图

钢管桩在直径0.23 m～0.31 m时，承载力变化率较小，随直径增加水平承载力逐渐增大。当钢管桩直径为0.39 m时，其水平承载力几乎达到直径0.26 m时的两倍，为156 kN。可以看到，钢管桩直径的变化对水平承载力影响很大。根据工程经验，钢管桩在承受水平荷载性能时的优越性显而易见。在工程中根据实际情况合理的选用不同桩径的钢管桩可以有效的解决桩基露筋问题。

5 结 语

(1) 露筋问题对钢筋混凝土桩基水平承载力削弱很大[15]，在露筋比例达到0.4时，承载力只有原桩的一半。随着露筋面积不断增加，桩基水平承载力非线性下降。但是由于在惯性矩的计算上取值问题，造成得出露筋桩承载力偏大的问题。在实际工程中，同样露筋面积桩基承载力应小于该值，应引起足够的重视。

(2) 该医院主楼采用钢管桩托换加固技术进行地基基础加固处理，加固后的桩基水平承载力足够应对土体传来的荷载。表明对该工程采用的加固方法是合理可行的。钢管桩加固技术不仅解决了桩基露筋问题，同时也增加了桩基的整体性，进一步保障了地基基础的稳定。针对不同桩径的钢管桩的承载力分析也对后续类似工程具有借鉴意义。

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Bearing Capacity Analysis of Exposed Pile and Reinforcement Design of Steel Pipe Pile in a Hospital

ZHANG Zhihao1, KONG Jun1, WEI Huanwei1

(1.SchoolofCivilEngineering，ShandongJianzhuUniversity,Ji'nan,Shandong250014,China;
2.JianheCivilEngineeringConsultingLtd.Shandong,Ji'nan,Shandong250101,China)

With the popularity of high-rise and super high-rise buildings, the application of long spiral bored piles and other deep foundation piles is growing. But in the process of construction, the pile foundation may appear exposed pile for mechanical or technical and other reasons. Focusing on the exposed pile bearing capacity problems, based on the real case of China-Japan Friendship Hospital's pile foundation. Code formula was adopted to analyze the curve of different exposed area of influence on the pile horizontal bearing capacity and the bearing capacity of steel pipes of different diameter was summarized. The results indicate that the exposed pile has great influence of horizontal bearing capacity of the pile. When the exposed area ratio reached 0.4, the horizontal bearing capacity of the pile is half the intact pile. Steel pipe pile should be selected to reinforce the exposed pile. The research of the bearing capacity of exposed pile can provide reference for similar projects.

exposed pile; horizontal bearing capacity; steel pipe pile; reinforcement design

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.013

2016-07-11

国家自然科学基金项目(41272281)；山东省自然科学基金项目(ZR2012EEM016)

张志浩(1992—)，男，山东德州人，硕士研究生，研究方向为地基基础与基坑支护新技术。 E-mail: 748756511@qq.com

魏焕卫(1974—)，男，山东聊城人，副教授，博士，主要从事岩土工程共同作用和变形控制等方面的研究与教学工作。 E-mail: 13181718169@163.com

TU473

A

1672—1144(2016)06—0063—04