后注漿靜壓復(fù)合樁在復(fù)雜運營供水結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

張超哲 童立元 劉松玉 韓健勇 余 巍

(1東南大學(xué)巖土工程研究所, 南京 211189)(2山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院, 濟南 250101)(3南京東大巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司, 南京 210000)

我國既有建筑物總量約430×108m2，約有30%～50%的建筑物已進(jìn)入功能退化期或出現(xiàn)安全性失效問題，約有25×108m2建筑物亟需進(jìn)行鑒定與加固處理[1-3].然而，既有建筑物的加固處理大都涉及地基基礎(chǔ)的加固處理，以解決由于荷載增大、地基土壓密、鄰近基坑開挖以及基礎(chǔ)設(shè)計不良等原因造成的建筑不均勻沉降問題，避免進(jìn)一步引起上部結(jié)構(gòu)傾斜、開裂或破壞，從而影響建筑物的正常使用甚至危及結(jié)構(gòu)安全[4-6].

托換技術(shù)作為既有建筑物加固的常用方法，包括錨桿靜壓樁基礎(chǔ)托換、墩式托換、基礎(chǔ)加寬托換、樁式托換法以及綜合加固技術(shù)等[7-8].其中，錨桿靜壓樁具有高承載力、施工便捷的優(yōu)點，能有效降低施工對既有結(jié)構(gòu)的影響，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[9-11].該技術(shù)通過在基礎(chǔ)上埋設(shè)錨桿并固定壓樁架，將建構(gòu)筑物的自重荷載作為壓樁反力，用千斤頂將樁分節(jié)依次壓入持力層，并與基礎(chǔ)連接成為共同受力的整體，以達(dá)到基礎(chǔ)加固的目的[12-13].劉萬興等[14-15]應(yīng)用彈塑性理論對錨桿靜壓樁的受力機理進(jìn)行分析，提出了豎向荷載作用下的樁周土受力模型，解析得到樁周土塑性半徑，同時探討了沉樁過程中的擠土規(guī)律.劉毓氚等[16]結(jié)合工程實例，闡述了錨桿靜壓樁的加固機理和設(shè)計施工要點.李韜等[17]基于復(fù)合樁基設(shè)計理論，綜合考慮基礎(chǔ)承載力與錨桿靜壓樁數(shù)量，對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，并對工后樁土荷載分擔(dān)與基礎(chǔ)安全度進(jìn)行討論.賈強等[18]對錨桿靜壓樁在既有建筑物增設(shè)地下空間的應(yīng)用進(jìn)行了綜述和理論分析，建議沉樁數(shù)量應(yīng)綜合考慮使用和施工階段的荷載以及樁身自由段的屈曲穩(wěn)定性進(jìn)行確定.韓紅娟等[19]通過數(shù)值分析對錨桿靜壓樁加固群樁基礎(chǔ)的工作性狀進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著樁長和樁數(shù)的增加，群樁效應(yīng)系數(shù)和承臺荷載分擔(dān)比逐漸降低；隨著樁間距的增大，二者有所增大.文穎文等[20]對錨桿靜壓樁的承載力和承臺沖切計算方法進(jìn)行研究，結(jié)合現(xiàn)場觀測驗證了該技術(shù)能夠有效減小結(jié)構(gòu)沉降和地表沉降.

然而，目前針對應(yīng)急條件下施工作業(yè)空間狹窄的既有結(jié)構(gòu)加固工程，仍然缺乏行之有效的加固技術(shù).為此，本文結(jié)合南京某自來水廠運營結(jié)構(gòu)加固工程，提出了一種用于后注漿靜壓復(fù)合樁(PSCP)加固技術(shù).該技術(shù)是在傳統(tǒng)錨桿靜壓樁的基礎(chǔ)上，增加后注漿便捷施工技術(shù)，通過注漿工藝實現(xiàn)加固樁周土的效果.為驗證該加固技術(shù)的有效性，通過數(shù)值分析和現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方法，對PSCP樁的承載特性、加固機理以及效果進(jìn)行研究，為PSCP樁在類似既有結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用提供依據(jù).

1 工程背景

1.1 工程概況

南京某自來水公司制水廠加固工程，原構(gòu)筑物為全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計為地上一層.由濾池廠房、反沖洗泵房和鼓風(fēng)機房3部分組成(見圖1).其中，濾池采用樁基礎(chǔ)，泵房為筏板基礎(chǔ)，鼓風(fēng)機房采用條形基礎(chǔ).濾池廠房的樁基礎(chǔ)作用在較好的持力層上，而筏板基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)作用在軟弱的地基上，由于基礎(chǔ)設(shè)計差異和軟弱地基等問題導(dǎo)致各構(gòu)筑物產(chǎn)生不均勻沉降，廠房中間的管廊出現(xiàn)較大開裂，下方的供水管出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏問題，對自來水的正常供應(yīng)構(gòu)成極大的威脅(見圖2).

圖1 構(gòu)筑物平面圖(單位：m)

(a) 構(gòu)筑物不均勻沉降

(b) 供水管滲漏

1.2 工程地質(zhì)條件

該場地屬于長江漫灘地貌，地勢總體較為平坦，主要為新近期及晚更新世沉積土體，以軟弱土體為主，多夾層或互層，巖性以黏性土、粉土、粉砂為主，地下水深為0.5～1.3 m，場地各層土的物理力學(xué)參數(shù)見表1.由于④粉細(xì)砂為中密狀態(tài)，且地基承載力特征值為220 kPa，故將其作為PSCP樁端持力層.

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 加固方案設(shè)計

各構(gòu)筑物不均勻沉降明顯，沉降速率不斷加大，嚴(yán)重影響到水廠管道的安全性.由于廠房內(nèi)和廊道空間狹窄，不具備大型設(shè)備的操作空間，同時為了滿足水廠在正常運營的條件下對基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，故選用了具備快捷、高效、小擾動等優(yōu)點的后注漿靜壓樁加固技術(shù).首先，在構(gòu)筑物原圈梁的外側(cè)通過植筋澆筑反力梁，將既有基礎(chǔ)與反力梁連接為受力整體，并通過構(gòu)筑物自身荷載提供的反力將PSCP樁壓入設(shè)計土層，使構(gòu)筑物荷載能夠通過樁傳遞到具有較高地基承載力的粉細(xì)砂土層.根據(jù)設(shè)計要求，原構(gòu)筑物每根立柱外側(cè)布樁2根PSCP樁，詳細(xì)的基礎(chǔ)加固示意圖見圖3.

圖3 基礎(chǔ)加固示意圖(單位：m)

1.4 后注漿靜壓復(fù)合樁加固機理

由圖4可以看出，PSCP樁由復(fù)合樁樁尖、鋼管樁身、復(fù)合接頭、注漿管以及混凝土構(gòu)成.區(qū)別于常規(guī)錨桿靜壓樁，PSCP樁的樁尖通過引孔或靜壓進(jìn)入地層，鋼管樁身通過接頭將多段短尺寸的鋼管連接，待壓樁施工至設(shè)計深度后，通過預(yù)埋在鋼管內(nèi)部的注漿管進(jìn)行高壓澆筑混凝土，達(dá)到混凝土養(yǎng)護(hù)條件后完成樁體封樁，使后注漿靜壓復(fù)合樁和反力梁能夠協(xié)調(diào)作用.復(fù)合樁多節(jié)拼接的樁身能夠解決低凈空施工困難的問題，靜力壓樁減小了樁體施工對既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和周圍土體的擾動.PSCP樁在樁尖和接頭位置預(yù)留有注漿孔，能夠?qū)崿F(xiàn)后注漿漿液對復(fù)合樁樁身和樁端周圍土體的加固，從而有效地提高樁身的側(cè)摩阻力和端阻力，保證復(fù)合樁具有較高的承載力，達(dá)到控制既有建(構(gòu))筑物沉降的要求.

圖4 后注漿靜壓復(fù)合樁示意圖

2 PSCP樁加固既有結(jié)構(gòu)施工流程

2.1 總體流程

PSCP樁加固既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)總體流程包括反力錨索施工、反力梁施工和PSCP樁施工.其中，反力錨索固定反力架，并協(xié)同反力梁將結(jié)構(gòu)的自重荷載轉(zhuǎn)化為壓樁反力，二者的施工質(zhì)量決定了壓樁的安全性.

2.2 反力錨索和反力梁施作

按照反力錨索設(shè)計要求，依次完成測量放線、錨索制作、鉆帷幕孔、錨索旋噴鉆進(jìn)、成錨后鉆桿旋噴鉆出和養(yǎng)護(hù)張拉錨索等步驟.

反力梁施作具體需要包括溝槽開挖、既有基礎(chǔ)上植筋、鋼筋綁扎、模板施工、PSCP樁孔預(yù)留、及澆筑混凝土和養(yǎng)護(hù)等工序.

2.3 PSCP樁施工

PSCP樁施工主要分為壓樁、混凝土注漿和封樁等3個部分.壓樁流程應(yīng)按照雙重控制的原則，既要保證壓樁力達(dá)到設(shè)計要求，又要保證PSCP樁貫入至設(shè)計持力層.壓樁順序的總體原則為先對結(jié)構(gòu)沉降大的一側(cè)壓樁，后對沉降相對小的一側(cè)壓樁.同時考慮到群樁效應(yīng)和擠土效應(yīng)，壓樁順序按照先中間后兩側(cè)、隔樁跳壓的原則進(jìn)行施工.壓樁工序結(jié)束后進(jìn)行混凝土注漿，施工的注漿壓力應(yīng)該確保漿液能夠?qū)吨芡梁蜆抖送翆崿F(xiàn)有效加固.

PSCP樁的封樁技術(shù)不同于傳統(tǒng)的采用綁扎鋼筋現(xiàn)澆混凝土連接的封樁工藝.該技術(shù)采用一種動態(tài)封樁工藝，能夠?qū)崟r反饋基樁工作狀態(tài)并提供觀測數(shù)據(jù).新型動態(tài)封樁接頭主要由基樁連接部分、承臺連接部分、加壓與荷載采集部分以及后期注漿封堵等4部分組成，包括承臺連接件、基樁連接件、加壓傳力桿、軸力傳感器、注漿預(yù)埋管、傳力桿加壓接頭、錨入鋼筋以及導(dǎo)向槽與導(dǎo)向桿等元件(見圖5).

1—基樁連接件；2—導(dǎo)向槽；3—導(dǎo)向桿；4—承臺連接件；5—注漿預(yù)埋管；6—傳力桿加壓接頭；7—錨入鋼筋； 8—軸力傳感器； 9—加壓傳力桿圖5 動態(tài)封樁接頭示意圖

3 數(shù)值模型的建立

3.1 計算模型

本復(fù)雜運營供水結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)加固項目地質(zhì)條件復(fù)雜，施工工況繁多，包含原構(gòu)筑物施工、使用期固結(jié)、加固施工和加固后固結(jié)等多個施工步驟，整個加固結(jié)構(gòu)體系與土體存在較為復(fù)雜的受力和變形特性.為了研究PSCP樁加固既有基礎(chǔ)技術(shù)的有效性和可行性，本文采用可模擬動態(tài)施工步驟的有限元軟件Midas GTS進(jìn)行數(shù)值分析，建立三維原尺寸有限元模型，模型尺寸為60 m×50 m×40 m.分析主體包括濾池廠房、反沖洗泵房和鼓風(fēng)機房，各構(gòu)筑物尺寸參照圖1中的結(jié)構(gòu)幾何尺寸，計算模型見圖6.為節(jié)省建模時間，且觀測中濾池廠房未發(fā)生沉降，故對其進(jìn)行簡化.

圖6 計算模型示意圖

3.2 計算參數(shù)

土層厚度和基本物理力學(xué)指標(biāo)依照表1中的參數(shù)進(jìn)行賦值，土體選用修正摩爾庫倫本構(gòu)模型.選用板單元來模擬水池板、樓板、基礎(chǔ)底板、反力梁和墻體等部件，本構(gòu)模型均選用彈性模型，其中水池板和廠房的厚度為0.1 m，基礎(chǔ)底板和墻體的厚度分別為0.2和0.37 m，反力梁寬度為1.5 m，高度為1 m.條形基礎(chǔ)、立柱、廠房梁等均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用梁單元進(jìn)行模擬.PSCP樁為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，采用樁單元進(jìn)行模擬.各部件的力學(xué)參數(shù)見表2.其中，PSCP樁的鋼管采用Q235無縫鋼管，外徑為0.219 m，壁厚為6 mm，混凝土的標(biāo)號為C30.

表2 部件的力學(xué)參數(shù)

3.3 分析步驟

按照實際施工工況，本模型的分析步驟如下：

① 初始地應(yīng)力場平衡.生成各土層，并對土層賦予屬性和各項參數(shù).

② V型濾池施作.開挖濾池下方土體，生成濾池各結(jié)構(gòu).

③ 反沖洗泵房、鼓風(fēng)機房施作.依次開挖各結(jié)構(gòu)下方土體，生成地下基礎(chǔ)、墻體、柱以及樓板.

④ PSCP樁加固.在待加固各結(jié)構(gòu)圈梁外層生成加固擴展圈梁，模擬實際加固過程中的反力梁，并在設(shè)計樁位生成PSCP樁.

⑤ 固結(jié)沉降分析.對加固后的供水結(jié)構(gòu)進(jìn)行軟土固結(jié)沉降分析，設(shè)置固結(jié)時長為365 d.

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 地表沉降分析

圖7為運營供水結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)加固前后周邊土體豎向位移云圖.由圖可知，加固前反沖洗泵房和鼓風(fēng)機房產(chǎn)生不均勻沉降，沉降主要位于二者連接周圍區(qū)域，地表最大沉降值為15.83 mm.通過PSCP樁對既有基礎(chǔ)進(jìn)行加固，不均勻沉降有所加劇，最大沉降值為21.34 mm；經(jīng)過365 d的工后固結(jié)時間后，地表最大沉降值為22.85 mm，說明經(jīng)過基礎(chǔ)加固后的反沖洗泵房和鼓風(fēng)機房在固結(jié)期受力穩(wěn)定，不均勻沉降得到有效控制.

4.2 參數(shù)分析

為研究不同樁長、樁徑、反力梁高度對供水結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)加固效果的影響，依次建立不同參數(shù)的數(shù)值模型，地表沉降數(shù)值分析結(jié)果見表3.由表可知，當(dāng)PSCP樁端進(jìn)入持力層，相比于樁長28 m的情況，樁長為29和30 m時加固后地表最大沉降量的降幅分別為2.91%和0.72%，工后365 d地表最大沉降量的降幅分別為2.72%和1.26%，說明當(dāng)樁端位于持力層時，樁長對沉降控制影響較小.當(dāng)樁徑由219 mm增加至275和325 mm，加固后地表最大沉降量的降幅依次為6.84%和3.22%，工后365 d地表最大沉降量的降幅依次為4.07%和4.89%，表明樁徑的增加對沉降控制影響相對明顯.當(dāng)反力梁高度由1 m減小為0.8和0.9 m時，加固后地表最大沉降量的增幅分別為0.89%和1.39%，工后365 d最大沉降量的增幅分別為0.96%和1.17%，說明反力梁僅起到反力作用，對于控制地表沉降沒有明顯的影響.

(a) 加固前

(b) 工后365 d后

表3 不同參數(shù)模型地表沉降結(jié)果 mm

5 現(xiàn)場觀測與壓樁分析

5.1 觀測方案

結(jié)合現(xiàn)場施工情況，為全面反映構(gòu)筑物及道路路基變形的特征，在加固構(gòu)筑物周圍影響區(qū)范圍內(nèi)布置編號為H1～H9的9個沉降觀測點，各樁編號為PSCP-n，如圖8所示.

圖8 沉降觀測點和樁號布置圖

5.2 觀測結(jié)果

圖9為各觀測點的沉降觀測結(jié)果.圖中，橫坐標(biāo)原點為觀測起始點，整個觀測周期包括加固前(0～216 d)、PSCP樁施工階段(217～274 d)和正常運營階段(275～356 d).由圖可知，在整個觀測過程中，觀測點H1和H2的沉降量遠(yuǎn)大于其他觀測點，表明反沖洗泵房和鼓風(fēng)機房之間出現(xiàn)不均勻沉降.在基礎(chǔ)加固完成前，各觀測點沉降值一直增加.基礎(chǔ)加固過程中，固結(jié)沉降和施工擾動產(chǎn)生的地表最大沉降量為3.2 mm.基礎(chǔ)加固完成后，各觀測點的沉降曲線趨于平穩(wěn)，地表最大和最小沉降量分別為23.36和11.29 mm，說明利用PSCP樁加固既有基礎(chǔ)，能夠有效地將上部荷載傳遞至地基，達(dá)到控制結(jié)構(gòu)變形和地表沉降的目的.圖10為構(gòu)筑物典型觀測點沉降速率變化曲線.由圖可知，在對供水結(jié)構(gòu)進(jìn)行PSCP樁加固之前，沉降速率具有較大的波動，整體保持在0.5 mm/d以內(nèi).受施工擾動影響，沉降速率出現(xiàn)階段性驟增，觀測點H8的最大值為1.15 mm/d；但施工結(jié)束一段時間后，沉降逐漸穩(wěn)定，沉降速率保持在0.04 mm/d左右.

圖9 沉降觀測曲線

圖10 構(gòu)筑物沉降速率曲線

5.3 壓樁

施工壓樁過程中采用全液壓式靜力壓樁機，分節(jié)貫入樁體，每節(jié)長度為2.0或2.5 m，對每節(jié)樁體連接處進(jìn)行焊接.圖11為PSCP樁入土深度與壓樁力的關(guān)系曲線.由圖可知，開始貫入時，由于表層為①淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，沉樁阻力隨貫入深度增加而增長的速度相對緩慢.當(dāng)樁端通過②粉質(zhì)黏土夾粉砂層至③粉砂夾粉土層時，沉樁阻力的增長幅度開始逐漸變大，但壓樁力均較小，保持在200 kN以內(nèi).當(dāng)樁端進(jìn)入到④粉細(xì)砂層，沉樁阻力有所增大，直到進(jìn)入持力層⑤細(xì)砂層，壓樁力的增長速率達(dá)到最大.整體曲線除樁端進(jìn)入持力層時出現(xiàn)較為明顯的變化外，曲線的其他部分走勢相對緩和.現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，所有PSCP樁的最終壓樁力均大于400 kN，滿足設(shè)計要求.

圖11 PSCP樁壓樁力與深度關(guān)系曲線

6 結(jié)論

1) 本文以南京某自來水廠基礎(chǔ)加固項目為工程背景，提出了采用后注漿靜壓復(fù)合樁加固復(fù)雜運營供水結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的技術(shù).數(shù)值分析和現(xiàn)場觀測結(jié)果表明，當(dāng)PSCP樁端達(dá)到持力層時，樁身長度的增加對沉降控制影響較?。粯稄降脑黾幽軌蛴行Ы档统两?；反力梁高度的增加對沉降控制沒有明顯的影響.

2) 在基礎(chǔ)加固過程中，固結(jié)沉降和施工擾動產(chǎn)生的地表最大沉降量僅為3.2 mm，表明PSCP樁加固技術(shù)能夠有效減小施工產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng).

3) PSCP樁加固技術(shù)施工步驟簡單，包括反力錨索施工、反力梁施工、PSCP樁施工等工序.動態(tài)封樁接頭能夠?qū)崟r反饋基樁工作狀態(tài)和提供觀測數(shù)據(jù)，從而保證基樁的承載力正常發(fā)揮.