土层扰动作用下桩基加固方案对比分析

于洪泳，倪玲，张宗超

（南京城镇建筑设计咨询有限公司，江苏南京 210024）

0 引言

为节约土地资源和充分合理利用地下空间，建造了大量高层建筑、多层地下室。为解决高层建筑承载和多层地下室的抗浮问题，桩基被广泛采用。桩基承载力由桩侧土的侧摩阻力和桩端土的端阻力构成。工程中偶尔会出现因某种原因桩侧、桩端土受到扰动，土体性状发生变化，致使桩基承载力降低，无法满足承载的问题。面对这一问题，通常采取桩侧注浆或新增桩基的处理措施。然而，此举虽然提高了桩基承载力，但又造成了工期滞后、成本上升的问题。

本文结合工程实例，针对桩周土受扰引起桩承载力降低的问题，提出了三种解决方案，并通过计算，分析了这三种解决方案的适用性，研究结果可为类似桩基承载力受损工程提供一定的参考。

1 工程概况

某工程地上部分由一栋22层、一栋15层及其之间的4层裙房组成，地下3层。地上主体区域布置413根φ800嵌岩桩，现场测试抗压承载力为5000kN，桩反力在2500~5000kN。地下室自重较轻，基底土层粉细砂层或粉细砂夹粉土层地基承载力特征值分别为120kPa和150kPa，天然地基满足承载需求。地下室底板底标高为-15.600m，水浮力大于自重，设置559根φ700抗拔桩。现场测试抗拔承载力为1200kN，桩反力在400~1200kN之间。桩平面布置见图1，图中阴影区为抗压桩，其余为抗拔桩。

图1 桩基平面布置图

建筑场地临近长江，地下水充沛，主要为浅层潜水和承压水。承压水主要有两层，微承压水分布于粉砂层中，弱承压水分布于粉细砂层和含砾中粗砂层。止水围幕位于4层含淤泥质粉质黏土夹粉土层内，工程桩桩端位于含承压水的5层粉细砂层内。

2 土体扰动原因及对工程的影响

施工过程中因废弃桩孔未及时封堵，废桩孔成为承压水层与基坑之间的水流通道，底板施工完后约3个月，基坑内土体发生管涌，地下水携带泥沙从废桩孔不断涌出。基坑下部地基土体中较细土粒被水流推动带走，影响土体的密实度、粘聚力、摩擦角等参数，进而降低了桩基承载力（图2）。

图2 基坑剖面示意图

管涌前、后各土层参数对比见表1，扰动后3-2、4-1、4-2桩侧摩阻力分别降低了35%、20%、16%。

表1 土层扰动前后土层力学参数对比表

3 土层扰动前后桩基承载力设计值差异

因桩侧摩阻力和端阻力出现不同程度的降低，致使桩基承载力降低，而具体降低数值需根据原土层参数计算值、原现场检测值、扰动后土层参数计算值综合推定，并最终根据基坑内检测结果确定。

3.1 土层受扰前抗压桩承载力计算值和检测值

土层受扰前抗压桩承载力极限值[1-2]，根据《地勘报告》提供的侧摩阻力极限值qsik、单轴饱和抗压强度frk、嵌岩系数ζr和《桩基技术规范》[2]第5.3.9条式1—3计算：

式中：Qsk——土的总极限侧阻力标准值；Qrk——嵌岩段极限端阻力标准值。

式（1）—（3）计算得出直径800mm抗压桩承载力特征值在4100~4350kN之间，检测值在5500~5775kN之间。检测值较计算值增加约33%。

3.2 土层受扰前抗拔桩承载力计算值和检测值

土层受扰前抗拔桩承载力极限值[1-2]，根据《地勘报告》提供的侧摩阻力极限值qsik和《桩基技术规范》[2]第5.4.6条式4计算：

式中：Tuk——基桩抗拔极限承载力标准值。

直径700mm抗拔桩承载力特征值为1041~1240 kN，检测值为1551~1848kN，检测值较计算值增加49%。

3.3 土层扰动后抗压桩承载力推定值

根据表1中土层扰动后侧摩阻力极限值qsik，按式1、2、3计算出扰动后抗压桩承载力平均值为3490kN，按3.1节中提高系数1.33推算，土层扰动后抗压桩承载力平均值为4500kN，为扰动前桩承载力的90%。

3.4 土层扰动后抗拔桩承载力推定值

按表1中土层扰动后的qsik值和式4计算出抗拔桩承载力平均值为876kN。按3.2节中提高系数的0.5倍选取为1.25，推定土层受扰后抗拔桩承载力平均值为1090kN，为扰动前桩承载力的87.5%。

3.5 桩基承载力降低情况

综合现场检测值，土层扰动前、后计算值，最终推定抗压桩承载力为4500kN，抗拔桩承载力为1090kN。

4 桩基加固方案及对比分析

根据第3节分析结果可知，部分受压反力超过4500kN的抗压桩和上浮反力超过1090kN的抗拔桩不满足承载需求，工程安全度降低，因此需采取针对性的加固处理措施。

为保证桩基满足承载需求，拟通过桩土共同作用，桩侧注浆或高压旋喷加固，考虑立柱桩承载，增加结构自重等方案解决。具体处理方案见表2、表3。

表2 主楼抗压桩区域桩基加固方案

表3 车库抗拔桩区域桩基加固方案

4.1 方案a加固处理

抗压桩承载力降低了10%，但考虑到主楼部分基底土层具有承载能力，可分担部分上部荷载，因此可考虑桩土共同作用的处理措施。将实测Q~S曲线得出的桩刚度[4]，沉降反推法[4]得出的地基土基床系数分别赋予桩和地基土后，计算得出地基反力在100kPa左右。桩基反力如图3所示，抗压桩反力结果统计如表4所示。

表4 考虑桩土共同作用后与原设计抗压桩桩反力统计表

图3 标准组合下主楼局部区域桩反力简图

从图3、表4可以看出，考虑桩土共同作用，桩反力4500~5000kN之间的149根桩及4000~4500kN之间的135根桩反力均降低至3500kN以下，均小于扰动后的桩承载力，同时地基土反力也小于地基承载力特征值。

抗拔桩承载力降低了10%，降幅不大，可考虑采取增加自重的抗浮措施。

从图4、表5可以看出，底板厚度增至1200mm后，桩抗拔最大反力由1181kN降为1025kN，桩反力在1050~1200kN之间的347根桩反力降至1025kN以下，最大降幅为15%，小于土层受扰后的桩承载力值。

图4 增加自重后车库局部区域桩最小反力（抗拔）简图

表5 筏板厚度调整后抗拔桩桩反力统计表

4.2 方案b加固处理

当桩基承载力降低较多需大幅提高桩承载力，或基底土层不能承载需采用桩侧高压旋喷桩或注浆加固时，形成劲性复合桩或桩侧后注浆的桩基受力机理。桩基承载力分别按照《建筑桩基技术规范》[2]第5.3.10条和《劲性复核桩技术规程》[3]第4.3.2条计算桩基承载力特征值。计算得出注浆加固[8-11]和高压旋喷加固[5-7]桩基后，抗压桩桩基承载力如表6所示。

表6 抗压桩后注浆、高压旋喷桩加固后承载力

表6表明采用后注浆和高压旋喷桩加固后，桩承载力提高幅度分别为10%和40%左右，均达到原设计值5000kN的需求。采用桩侧注浆或高压旋喷加固处理措施，加固对象为表4中原工程桩反力介于4500~5000kN之间的149根桩。

按《建筑桩基技术规范》[2]和《劲性复核桩技术规程》[3]计算得出注浆加固[2]和高压旋喷加固桩基后，抗拔桩承载力如表7所示。

表7 抗拔桩注浆、高压旋喷桩加固后承载力

表7表明采用桩侧注浆或高压旋喷桩加固后，桩抗拔承载力提高幅度分别为30%和140%，均达到原设计值1200kN的需求。加固对象为表5中原工程桩反力在1050~1200kN之间的347根桩。

4.3 方案c加固处理

地下室支护体系设置立柱桩，立柱桩抗压、抗拔承载力均比工程桩高且其构造满足抗压、抗拔桩的要求。因此，可利用立柱桩参与承载以降低桩加固数量。但立柱桩因其局部分布与不均匀性的问题，往往需要与方案a或b结合使用。

将101根立柱桩参与基础整体计算，立柱桩分担部分上部结构荷载和上浮力后，其所在部位工程桩反力降低。抗压桩反力在4500~5000kN区间数量由149根降至73根，仅需对73根桩采用桩侧注浆或高压旋喷加固以恢复其承载力；立柱桩所在区域桩上浮反力降低，其中桩反力介于1050~1200kN之间的桩数量由347根降至266根，仅需对266根桩采用桩侧注浆或高压旋喷进行加固以恢复承载力，达到满足工程承载的需求。抗压桩和抗拔桩反力减少数量及反力分布见图5、图6和表8、表9。

表9 Φ700抗拔柱反力统计表

图6 考虑立柱桩作用车库局部区域抗拔桩反力简图

表8 Φ800抗压桩承载力统计表

图5 考虑立柱桩主楼局部区域抗压桩最大反力简图

4.4 加固效果对比分析

通过对方案a、b、c对比分析表明，各加固方法适用不同的加固条件，各加固措施提高桩基承载力或降低桩基反力的幅度不同，抗压桩加固方案和抗拔桩加固方案各自优缺点及适用条件等见表10、表11。

表10 抗压桩加固各措施适用条件及优缺点对比

表11 抗拔桩加固各措施适用条件及优缺点对比

5 结论与建议

综上分析可以得出，针对土层受扰后桩基承载力有所下降的工程问题，可采用考虑桩土共同作用，桩基加固，考虑立柱桩承载等解决措施。

对于抗压桩基，当基础下土层具备一定承载能力且桩基承载力降幅在10%~30%之间时可采用考虑桩土共同作用的方法；当土质不具备承载能力，桩基承载力降幅在10%以内时，可采用桩侧注浆加固的措施；当桩基承载力降幅超过10%时，可采用桩侧高压旋喷桩加固的措施；当有满足承载及构造要求的立柱桩时，可考虑立柱桩参与承载并选择结合桩土共同作用、桩侧注浆、高压旋喷桩加固的措施。

当抗拔桩承载力降幅在10%以内时，可采取增加结构自重的措施；当抗拔桩承载力降幅在10%~30%之间时，可采取桩侧注浆加固的处理措施；当桩基承载力降幅超过30%时，可采取桩侧高压旋喷桩加固的处理措施；当工程有满足承载及构造要求的立柱桩时，可考虑立柱桩参与承载并结合增加结构自重、桩侧注浆、高压旋喷桩加固的方法。