某在建高层建筑桩基加固技术方案与应用

李 善， 王 凯， 邵孟新， 曾 欣

(1 清远市建设工程综合服务站， 清远 511500； 2 广东省建设工程质量安全检测总站有限公司， 广州 510075；3 广东省基础工程集团有限公司， 广州 510620； 4 广东建设职业技术学院土木工程系， 广州 510450)

0 引言

随着城镇化的不断发展，城市建筑的规模、密度越来越大。在有限的空间开挖基坑、对原有建筑的改建以及建筑的使用年限的增长等都对建筑基础的质量提出新的要求。特别是建筑桩基础施工过程中的质量问题，如挤土作用导致已有桩上抬的问题、引孔静压桩桩底脱空的问题、施工断桩的问题、灌注桩桩底沉渣过厚的问题等，都涉及到桩基的补强加固。地基基础是建筑的直接载体，其质量好坏关系到建筑的安全与使用。因此，对问题桩基探究高质量有效的加固方法尤为重要。本文基于常用桩基加固方法机理，结合某在建高层的引孔静压桩桩底脱空问题的桩基加固工程实例，采用微型钢管桩预应力封桩技术进行加固，并对其技术进行应用分析。

1 项目情况

1.1 工程概况

清远市某高层住宅小区A-B#楼为高层建筑，此建筑采用剪力墙结构，设计为地上26层，地下1层。基础采用AB型直径500mm预应力PHC管桩加承台形式，桩长约为8～12m，采用静压成桩，其中部分为引孔静压成桩，桩端持力层为强风化泥灰岩或中风化泥灰岩。

1.2 工程地质条件

根据勘察报告[1]，A-B#楼建筑的地质勘察点位布置如图1所示。

图1 A-B#楼勘察点位平面布置

项目场地土层由上至下分为人工填土层(Q4ml)：①素填土层；冲积层(Q4al)：②粉(砂)质黏土，厚度变化较大，均匀性差；石炭统石橙子组(C1)风化岩：裂隙发育，风化强烈，自上而下随风化程度减弱为全风化、强风化和中风化。强风化泥岩为极软岩，遇水易软化，极破碎，岩体基本质量等级分类为V级；中风化岩层有泥岩和灰岩，中风化泥岩属极软岩，中风化灰岩属较软岩，岩体基本质量等级分类为IV～Ⅴ级。其中，中风化灰岩天然湿度下单轴抗压强度值为20.0MPa。具体勘察典型剖面如图2所示。

常用桩基加固方法 表1

图2 A-B#楼勘察典型剖面图

1.3 桩基质量问题

根据设计图纸，A-B#楼单桩竖向承载力特征值为1 600kN,静压桩成桩压力终值为4 000kN。预钻孔引孔的桩基础预钻孔直径为400mm，采用潜孔锤钻孔引孔后静压成桩。

A-B#楼桩基施工完成后，进行了低应变桩身完整性检测和单桩竖向承载力静载检测。桩基低应变检测结果表明，桩大部分为Ⅰ类，个别为Ⅱ类，桩身完整性满足要求。静载检测抽检6根桩，其中5根桩合格，1根桩不合格(此桩极限承载力为2 560kN)。因为1根桩不合格，采取扩大2根桩进行静载抽检，结果表明，1根桩合格，1根桩不合格(此桩极限承载力为640kN)。后经检查分析，A-B#楼检测不合格的两根桩均为引孔静压桩，此时主体结构已施工至18层。通过排查所有引孔静压桩施工记录发现，存在部分桩基引孔深度大于管桩桩底深度的问题。由于引孔静压压桩的持力层基本处于风化岩层，遇水较易软化，导致该部分桩承载力不满足设计要求，属于严重的桩基质量问题，因此需要对问题桩基进行加固处理。

2 桩基加固技术方案比选

一般的地基基础加固处理主要从改变基础形式、增设新的基桩、增强岩土体的承载力等3个方面进行考虑[2]，设计加固技术方案。工程中常见的桩基加固方法见表1。

综合比选表1中桩基加固方法各自特点和适用条件，且鉴于A-B#楼桩基加固工程的实际情况：1)需要在地下室有限空间进行加固施工；2)加固施工尽量减少对原有基础结构的影响；3)主体结构已施工至18层，加固体需要即时参与承受上部结构的荷载；4)加固体工程质量验收的因素。创新思路，综合常用桩基加固方法各自优点，A-B#楼桩基的加固采用微型钢管桩预应力封桩加固技术方案。该加固方案的预应力封桩是为了让新加固的桩在施工完成后即刻起作用，以减少基础的沉降量。此加固方案综合了注浆技术、锚杆静压桩技术和钢管桩技术的各自优点。

3 微型钢管桩预应力封桩加固技术应用

3.1 加固技术方案设计

由于引孔成桩问题桩基的桩端吊空，验算A-B#楼桩基承台承载力时不考虑桩端阻力，只考虑桩侧阻力进行验算，对验算结果中承载力不足的承台进行补桩加固，以弥补其承载力不足。初步设计采用φ194×8微型钢管桩，灌浆材料为C20混凝土，入中风化灰岩1m，采用千斤顶进行预应力稳压封桩。为使钢管桩与原基础共同承担上部荷载，需同时对原基础承台进行包柱和加厚处理。

根据钢管桩竖向承载力理论，用《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)[3]以及《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[9](简称JGJ 94—2008)里的嵌岩桩单桩竖向极限承载力计算公式为：

Quk=u∑qsikli+ζrfrkAp

(1)

式中：Quk为单桩竖向极限承载力；u为桩身周长；qsik为桩周第i层土的极限侧阻力；li为桩周第i层土的厚度；ζr为嵌岩段侧阻和端阻综合系数；frk为岩土饱和单轴抗压强度标准值；Ap为桩端面积。

根据式(1)，按保守考虑，桩长按最短桩11m计算，入中风化灰岩1m。根据勘察报告[1]揭露的土质情况参考规范JGJ 94—2008，基岩以上桩周土层的极限侧阻力取多层土极限侧阻力平均值，为40kPa； 基岩以上的桩长l取10m；入岩1m桩周岩层的极限侧阻力取140kPa；ζr按规范JGJ 94—2008取1.55×1.2；frk根据勘察报告[1]，中风化灰岩取20MPa；加固桩外径为210mm。经计算Quk为1 643kN。而单桩竖向承载力特征值为极限承载力的一半，故为821kN，实际设计单桩竖向承载力特征值按650kN取值。参考《钢管混凝土结构技术规范》(GB 50936—2014)[10](简称GB 50936—2014)计算公式(2)验算桩身材料承载力：

N0=Asc(1.212+Bθ+Cθ2)fc

(2)

式中：N0为钢管混凝土短柱的轴心受压强度承载力设计值；Asc为实心钢管混凝土构件的截面面积；B，C为截面形状对套箍效应的影响系数；θ为实心钢管混凝土构件的套箍系数；fc为混凝土的抗压强度设计值。

根据钢材抗压强度设计值，B按规范GB 50936—2014公式计算，计算结果为1.148；桩混凝土抗压强度等级按最低C15计算；按规范GB 50936—2014,C取为-0.021。将上述相关参数的取值代入规范GB 50936—2014公式(式(2))计算得到N0为1 601kN，大于650kN，满足桩身材料强度要求。根据桩为嵌岩桩以及桩长和岩土情况，不考虑群桩效应和轴心受压稳定性。

按钢管桩单桩承载力为650kN设计，加固设计桩具体平面布置如图3所示。以桩端进入中风化灰岩1m为终桩条件，钢管桩桩长预计平均为15m，钢管桩钢材级别采用Q235(B)，外套管截面φ210×8。预应力封桩植筋钢筋采用28，设计单根植筋抗拔力不低于165kN。包柱和新增加厚的混凝土强度等级为C35，抗渗等级P6。

图3 A-B#楼静压桩位及加固桩位布置示意

3.2 微型钢管桩预应力封桩施工工艺

微型钢管桩预应力封桩基本施工工艺为：1)底板开孔。依据设计钢管桩尺寸，按钻孔桩径为300mm对原承台进行开孔定位。2)成孔。用泥浆护壁进行钻孔。3)钢管制作。入岩范围内钢管均匀开孔3排4列，孔口尺寸为40×200，钢管出浆孔两列对称布置，间距500mm，孔径为25mm。4)下管。首节钢管下放，每节钢管用外套钢管焊接连接，钢管下放直至孔底岩面。5)水泥浆灌注。6)植筋。按图纸要求植入4根锚杆筋和角筋。7)预应力封桩。灌注浆体达到龄期后，安装槽钢梁和液压千斤顶进行加压，达到设计力650kN后进行稳压2h，稳压后用螺栓固定下槽钢梁，移开上槽钢梁及千斤顶，切断多余长度的锚杆，用钢筋焊接角筋，预压封桩。具体施工工艺示意如图4所示。最后对承台进行包柱、加厚混凝土浇筑。

3.3 加固方案效果检测

钢管桩成桩达到龄期后，2019年9月份抽取10根桩进行单桩竖向抗压静载试验，加载检测典型荷载-沉降(Q-s)曲线、沉降-时间对数曲线(s-lgt)分别如图5、图6所示。由图可见，Q-s曲线平缓，无明显陡降段，s-lgt曲线呈平缓规则排列，最大加载量为1 300kN。根据试验结果显示，加载到1 300kN时，检测桩总沉降量约为12.80～15.10mm，沉降量不大。综合分析，加固桩极限承载力Qu≥1 300kN，满足微型钢管桩设计承载力650kN要求。加固施工时对A-B#楼建筑进行沉降变形观测，监测点位布置如图7所示，建筑物的沉降变形曲线如图8所示。由图8可见，监测的变形比较稳定，趋于收敛。

图5 典型加载Q-s曲线

图6 典型加载s-lgt曲线

图7 建筑沉降监测点位布置

图8 建筑沉降监测变形曲线

4 结论

(1)针对工程引孔桩基存在的承载力不足问题，在比较工程中桩基加固常见方法的适用性及性能特点的基础上，创新思路，综合了常见加固方法的性能优点，采用微型钢管桩预应力封桩加固技术方案。

(2)按照钢管嵌岩桩竖向承载力理论对微型钢管桩承载力进行初步设计，并确定参数。在实际工程加固的效果检验中，通过抽取一定比例的加固钢管桩进行了桩基竖向承载力检测和建筑变形观测，两者均达到设计要求，加固效果较好。说明按照钢管嵌岩桩承载力理论对加固桩承载力进行设计计算是合理的。同时对于该类加固工程采用微型钢管桩预应力封桩加固技术是有效的。

(3)微型钢管桩预应力封桩加固技术方案为在建工程桩基加固中存在有施工空间问题、加固桩质量检测验收问题以及加固桩即刻参与既有建筑原来基础并共同起作用问题提供了新的解决方法，也为类似引孔桩基、桩底空洞、灌注桩桩底沉渣厚度大等问题桩基提供了改进后新的加固技术方案和工程实例借鉴。