后注浆静压复合桩在复杂运营供水结构加固中的应用

张超哲 童立元 刘松玉 韩健勇 余 巍

(1东南大学岩土工程研究所, 南京 211189)(2山东建筑大学土木工程学院, 济南 250101)(3南京东大岩土工程勘察设计研究院有限公司, 南京 210000)

我国既有建筑物总量约430×108m2，约有30%～50%的建筑物已进入功能退化期或出现安全性失效问题，约有25×108m2建筑物亟需进行鉴定与加固处理[1-3].然而，既有建筑物的加固处理大都涉及地基基础的加固处理，以解决由于荷载增大、地基土压密、邻近基坑开挖以及基础设计不良等原因造成的建筑不均匀沉降问题，避免进一步引起上部结构倾斜、开裂或破坏，从而影响建筑物的正常使用甚至危及结构安全[4-6].

托换技术作为既有建筑物加固的常用方法，包括锚杆静压桩基础托换、墩式托换、基础加宽托换、桩式托换法以及综合加固技术等[7-8].其中，锚杆静压桩具有高承载力、施工便捷的优点，能有效降低施工对既有结构的影响，在国内外得到了广泛应用[9-11].该技术通过在基础上埋设锚杆并固定压桩架，将建构筑物的自重荷载作为压桩反力，用千斤顶将桩分节依次压入持力层，并与基础连接成为共同受力的整体，以达到基础加固的目的[12-13].刘万兴等[14-15]应用弹塑性理论对锚杆静压桩的受力机理进行分析，提出了竖向荷载作用下的桩周土受力模型，解析得到桩周土塑性半径，同时探讨了沉桩过程中的挤土规律.刘毓氚等[16]结合工程实例，阐述了锚杆静压桩的加固机理和设计施工要点.李韬等[17]基于复合桩基设计理论，综合考虑基础承载力与锚杆静压桩数量，对设计方案进行优化，并对工后桩土荷载分担与基础安全度进行讨论.贾强等[18]对锚杆静压桩在既有建筑物增设地下空间的应用进行了综述和理论分析，建议沉桩数量应综合考虑使用和施工阶段的荷载以及桩身自由段的屈曲稳定性进行确定.韩红娟等[19]通过数值分析对锚杆静压桩加固群桩基础的工作性状进行研究，发现随着桩长和桩数的增加，群桩效应系数和承台荷载分担比逐渐降低；随着桩间距的增大，二者有所增大.文颖文等[20]对锚杆静压桩的承载力和承台冲切计算方法进行研究，结合现场观测验证了该技术能够有效减小结构沉降和地表沉降.

然而，目前针对应急条件下施工作业空间狭窄的既有结构加固工程，仍然缺乏行之有效的加固技术.为此，本文结合南京某自来水厂运营结构加固工程，提出了一种用于后注浆静压复合桩(PSCP)加固技术.该技术是在传统锚杆静压桩的基础上，增加后注浆便捷施工技术，通过注浆工艺实现加固桩周土的效果.为验证该加固技术的有效性，通过数值分析和现场数据分析相结合的方法，对PSCP桩的承载特性、加固机理以及效果进行研究，为PSCP桩在类似既有结构加固工程中的应用提供依据.

1 工程背景

1.1 工程概况

南京某自来水公司制水厂加固工程，原构筑物为全现浇钢筋混凝土框架结构，设计为地上一层.由滤池厂房、反冲洗泵房和鼓风机房3部分组成(见图1).其中，滤池采用桩基础，泵房为筏板基础，鼓风机房采用条形基础.滤池厂房的桩基础作用在较好的持力层上，而筏板基础和条形基础作用在软弱的地基上，由于基础设计差异和软弱地基等问题导致各构筑物产生不均匀沉降，厂房中间的管廊出现较大开裂，下方的供水管出现严重渗漏问题，对自来水的正常供应构成极大的威胁(见图2).

图1 构筑物平面图(单位：m)

(a) 构筑物不均匀沉降

(b) 供水管渗漏

1.2 工程地质条件

该场地属于长江漫滩地貌，地势总体较为平坦，主要为新近期及晚更新世沉积土体，以软弱土体为主，多夹层或互层，岩性以黏性土、粉土、粉砂为主，地下水深为0.5～1.3 m，场地各层土的物理力学参数见表1.由于④粉细砂为中密状态，且地基承载力特征值为220 kPa，故将其作为PSCP桩端持力层.

表1 土层物理力学参数

1.3 加固方案设计

各构筑物不均匀沉降明显，沉降速率不断加大，严重影响到水厂管道的安全性.由于厂房内和廊道空间狭窄，不具备大型设备的操作空间，同时为了满足水厂在正常运营的条件下对基础进行加固处理，故选用了具备快捷、高效、小扰动等优点的后注浆静压桩加固技术.首先，在构筑物原圈梁的外侧通过植筋浇筑反力梁，将既有基础与反力梁连接为受力整体，并通过构筑物自身荷载提供的反力将PSCP桩压入设计土层，使构筑物荷载能够通过桩传递到具有较高地基承载力的粉细砂土层.根据设计要求，原构筑物每根立柱外侧布桩2根PSCP桩，详细的基础加固示意图见图3.

图3 基础加固示意图(单位：m)

1.4 后注浆静压复合桩加固机理

由图4可以看出，PSCP桩由复合桩桩尖、钢管桩身、复合接头、注浆管以及混凝土构成.区别于常规锚杆静压桩，PSCP桩的桩尖通过引孔或静压进入地层，钢管桩身通过接头将多段短尺寸的钢管连接，待压桩施工至设计深度后，通过预埋在钢管内部的注浆管进行高压浇筑混凝土，达到混凝土养护条件后完成桩体封桩，使后注浆静压复合桩和反力梁能够协调作用.复合桩多节拼接的桩身能够解决低净空施工困难的问题，静力压桩减小了桩体施工对既有结构基础和周围土体的扰动.PSCP桩在桩尖和接头位置预留有注浆孔，能够实现后注浆浆液对复合桩桩身和桩端周围土体的加固，从而有效地提高桩身的侧摩阻力和端阻力，保证复合桩具有较高的承载力，达到控制既有建(构)筑物沉降的要求.

图4 后注浆静压复合桩示意图

2 PSCP桩加固既有结构施工流程

2.1 总体流程

PSCP桩加固既有结构基础总体流程包括反力锚索施工、反力梁施工和PSCP桩施工.其中，反力锚索固定反力架，并协同反力梁将结构的自重荷载转化为压桩反力，二者的施工质量决定了压桩的安全性.

2.2 反力锚索和反力梁施作

按照反力锚索设计要求，依次完成测量放线、锚索制作、钻帷幕孔、锚索旋喷钻进、成锚后钻杆旋喷钻出和养护张拉锚索等步骤.

反力梁施作具体需要包括沟槽开挖、既有基础上植筋、钢筋绑扎、模板施工、PSCP桩孔预留、及浇筑混凝土和养护等工序.

2.3 PSCP桩施工

PSCP桩施工主要分为压桩、混凝土注浆和封桩等3个部分.压桩流程应按照双重控制的原则，既要保证压桩力达到设计要求，又要保证PSCP桩贯入至设计持力层.压桩顺序的总体原则为先对结构沉降大的一侧压桩，后对沉降相对小的一侧压桩.同时考虑到群桩效应和挤土效应，压桩顺序按照先中间后两侧、隔桩跳压的原则进行施工.压桩工序结束后进行混凝土注浆，施工的注浆压力应该确保浆液能够对桩周土和桩端土实现有效加固.

PSCP桩的封桩技术不同于传统的采用绑扎钢筋现浇混凝土连接的封桩工艺.该技术采用一种动态封桩工艺，能够实时反馈基桩工作状态并提供观测数据.新型动态封桩接头主要由基桩连接部分、承台连接部分、加压与荷载采集部分以及后期注浆封堵等4部分组成，包括承台连接件、基桩连接件、加压传力杆、轴力传感器、注浆预埋管、传力杆加压接头、锚入钢筋以及导向槽与导向杆等元件(见图5).

1—基桩连接件；2—导向槽；3—导向杆；4—承台连接件；5—注浆预埋管；6—传力杆加压接头；7—锚入钢筋； 8—轴力传感器； 9—加压传力杆图5 动态封桩接头示意图

3 数值模型的建立

3.1 计算模型

本复杂运营供水结构基础加固项目地质条件复杂，施工工况繁多，包含原构筑物施工、使用期固结、加固施工和加固后固结等多个施工步骤，整个加固结构体系与土体存在较为复杂的受力和变形特性.为了研究PSCP桩加固既有基础技术的有效性和可行性，本文采用可模拟动态施工步骤的有限元软件Midas GTS进行数值分析，建立三维原尺寸有限元模型，模型尺寸为60 m×50 m×40 m.分析主体包括滤池厂房、反冲洗泵房和鼓风机房，各构筑物尺寸参照图1中的结构几何尺寸，计算模型见图6.为节省建模时间，且观测中滤池厂房未发生沉降，故对其进行简化.

图6 计算模型示意图

3.2 计算参数

土层厚度和基本物理力学指标依照表1中的参数进行赋值，土体选用修正摩尔库伦本构模型.选用板单元来模拟水池板、楼板、基础底板、反力梁和墙体等部件，本构模型均选用弹性模型，其中水池板和厂房的厚度为0.1 m，基础底板和墙体的厚度分别为0.2和0.37 m，反力梁宽度为1.5 m，高度为1 m.条形基础、立柱、厂房梁等均为钢筋混凝土结构，采用梁单元进行模拟.PSCP桩为钢管混凝土结构，采用桩单元进行模拟.各部件的力学参数见表2.其中，PSCP桩的钢管采用Q235无缝钢管，外径为0.219 m，壁厚为6 mm，混凝土的标号为C30.

表2 部件的力学参数

3.3 分析步骤

按照实际施工工况，本模型的分析步骤如下：

① 初始地应力场平衡.生成各土层，并对土层赋予属性和各项参数.

② V型滤池施作.开挖滤池下方土体，生成滤池各结构.

③ 反冲洗泵房、鼓风机房施作.依次开挖各结构下方土体，生成地下基础、墙体、柱以及楼板.

④ PSCP桩加固.在待加固各结构圈梁外层生成加固扩展圈梁，模拟实际加固过程中的反力梁，并在设计桩位生成PSCP桩.

⑤ 固结沉降分析.对加固后的供水结构进行软土固结沉降分析，设置固结时长为365 d.

4 数值模拟结果及分析

4.1 地表沉降分析

图7为运营供水结构基础加固前后周边土体竖向位移云图.由图可知，加固前反冲洗泵房和鼓风机房产生不均匀沉降，沉降主要位于二者连接周围区域，地表最大沉降值为15.83 mm.通过PSCP桩对既有基础进行加固，不均匀沉降有所加剧，最大沉降值为21.34 mm；经过365 d的工后固结时间后，地表最大沉降值为22.85 mm，说明经过基础加固后的反冲洗泵房和鼓风机房在固结期受力稳定，不均匀沉降得到有效控制.

4.2 参数分析

为研究不同桩长、桩径、反力梁高度对供水结构基础加固效果的影响，依次建立不同参数的数值模型，地表沉降数值分析结果见表3.由表可知，当PSCP桩端进入持力层，相比于桩长28 m的情况，桩长为29和30 m时加固后地表最大沉降量的降幅分别为2.91%和0.72%，工后365 d地表最大沉降量的降幅分别为2.72%和1.26%，说明当桩端位于持力层时，桩长对沉降控制影响较小.当桩径由219 mm增加至275和325 mm，加固后地表最大沉降量的降幅依次为6.84%和3.22%，工后365 d地表最大沉降量的降幅依次为4.07%和4.89%，表明桩径的增加对沉降控制影响相对明显.当反力梁高度由1 m减小为0.8和0.9 m时，加固后地表最大沉降量的增幅分别为0.89%和1.39%，工后365 d最大沉降量的增幅分别为0.96%和1.17%，说明反力梁仅起到反力作用，对于控制地表沉降没有明显的影响.

(a) 加固前

(b) 工后365 d后

表3 不同参数模型地表沉降结果 mm

5 现场观测与压桩分析

5.1 观测方案

结合现场施工情况，为全面反映构筑物及道路路基变形的特征，在加固构筑物周围影响区范围内布置编号为H1～H9的9个沉降观测点，各桩编号为PSCP-n，如图8所示.

图8 沉降观测点和桩号布置图

5.2 观测结果

图9为各观测点的沉降观测结果.图中，横坐标原点为观测起始点，整个观测周期包括加固前(0～216 d)、PSCP桩施工阶段(217～274 d)和正常运营阶段(275～356 d).由图可知，在整个观测过程中，观测点H1和H2的沉降量远大于其他观测点，表明反冲洗泵房和鼓风机房之间出现不均匀沉降.在基础加固完成前，各观测点沉降值一直增加.基础加固过程中，固结沉降和施工扰动产生的地表最大沉降量为3.2 mm.基础加固完成后，各观测点的沉降曲线趋于平稳，地表最大和最小沉降量分别为23.36和11.29 mm，说明利用PSCP桩加固既有基础，能够有效地将上部荷载传递至地基，达到控制结构变形和地表沉降的目的.图10为构筑物典型观测点沉降速率变化曲线.由图可知，在对供水结构进行PSCP桩加固之前，沉降速率具有较大的波动，整体保持在0.5 mm/d以内.受施工扰动影响，沉降速率出现阶段性骤增，观测点H8的最大值为1.15 mm/d；但施工结束一段时间后，沉降逐渐稳定，沉降速率保持在0.04 mm/d左右.

图9 沉降观测曲线

图10 构筑物沉降速率曲线

5.3 压桩

施工压桩过程中采用全液压式静力压桩机，分节贯入桩体，每节长度为2.0或2.5 m，对每节桩体连接处进行焊接.图11为PSCP桩入土深度与压桩力的关系曲线.由图可知，开始贯入时，由于表层为①淤泥质粉质黏土，沉桩阻力随贯入深度增加而增长的速度相对缓慢.当桩端通过②粉质黏土夹粉砂层至③粉砂夹粉土层时，沉桩阻力的增长幅度开始逐渐变大，但压桩力均较小，保持在200 kN以内.当桩端进入到④粉细砂层，沉桩阻力有所增大，直到进入持力层⑤细砂层，压桩力的增长速率达到最大.整体曲线除桩端进入持力层时出现较为明显的变化外，曲线的其他部分走势相对缓和.现场数据表明，所有PSCP桩的最终压桩力均大于400 kN，满足设计要求.

图11 PSCP桩压桩力与深度关系曲线

6 结论

1) 本文以南京某自来水厂基础加固项目为工程背景，提出了采用后注浆静压复合桩加固复杂运营供水结构基础的技术.数值分析和现场观测结果表明，当PSCP桩端达到持力层时，桩身长度的增加对沉降控制影响较小；桩径的增加能够有效降低沉降；反力梁高度的增加对沉降控制没有明显的影响.

2) 在基础加固过程中，固结沉降和施工扰动产生的地表最大沉降量仅为3.2 mm，表明PSCP桩加固技术能够有效减小施工产生的环境效应.

3) PSCP桩加固技术施工步骤简单，包括反力锚索施工、反力梁施工、PSCP桩施工等工序.动态封桩接头能够实时反馈基桩工作状态和提供观测数据，从而保证基桩的承载力正常发挥.