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深厚软土地基预应力管桩浮桩加固方法探讨


第 40 卷 增刊

建 筑 结



2010 年 6 月

深厚软土地基预应力管桩浮桩加固方法探讨
熊海丰 1,裘 涛 2,周晓悦 1
(1 浙江工业大学建筑规划设计研究院,杭州 310014;2 浙江大学建筑设计研究院,杭州 310027)
[摘要] 针对某高层建

筑项目在预应力管桩施工中出现大量浮桩的现象,分析了浮桩的上浮规律和影响因素,并

总结了浮桩的处理原则。通过对浮桩进行注浆加固及静载荷试验,结果表明:桩端后注浆法是一种处理管桩浮桩 的有效工程措施。 [关键词] 软土地基;管桩;浮桩;注浆加固 Study on the reinforcement method of prestressed pipe pile floating in deep and thick soft soil foundation Xiong Haifeng1, Qiu Tao2, Zhou Xiaoyue1 (1 The Architectural and Planning Design and Research Institute of Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2 Architectural Design & Research Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China) Abstract: Aimed at the phenomena of prestressed pipe piles floating in construction of a high-rise building, the regular pattern and influence factors of piles floating have been studied. And some principles of the treatment have been summed up. The test of grouting reinforcement and static loading of floating pipe piles were conducted. The results indicate that pile end post-grouting technique is an effective engineering measure to treat pipe pile floating. Keywords: soft soil foundation; pipe pile; floating pile; grouting reinforcement

前言 由于预应力管桩基础工期短、单桩承载力高、造 价低、桩身质量易保证等诸多优势,已成为沿海地区 广泛采用的一种基础形式。但在深厚软土地区,由于 0 压桩过程中的挤土效应,桩周土体产生竖向隆起和水 平移动,使邻近桩产生上浮、偏位和桩身弯曲,造成 工程质量问题并影响桩基承载力[1]。但由于管桩的经 济优势使其在软土地基中仍大量采用。因此如何解决 软土地基中管桩的上浮,一直是工程界关注的问题。 结合温州某项目预应力管桩浮桩加固试验结果,研究 了深厚软土地基中桩上浮的一些规律,提出解决桩体 上浮的有效技术措施,对类似工程具有借鉴意义。 1 工程概况 工程位于温州市, 由 6 幢 11 层住宅及 1 层大底盘 地下室组成,场地南侧紧邻 1 期工程地下室,总建筑 面积约 5.7 万 m2。住宅楼为框剪结构,地下室为框架 结构,局部设人防。采用预应力管桩,选用 PC-A550(100) , PC-A600(100) 。 设 计 桩 顶 标 高 -6.500~-8.550m。有效桩长 42~49m,持力层为④圆砾 层。单桩竖向抗压(抗拔)承载力特征值分别为 1300kN(300kN),1500kN(350kN)。桩为端承摩擦桩,

以摩擦力为主并有相当的端承力。 共布桩 1431 根, 其 中 ? 550 的 681 根; ? 600 的 750 根。 根据文[2]第 9.5.3 条, 桩中心距采用 4D, 基础桩位平面布置示意见图 1。

图 1 桩位示意

桩基施工历时 8 个月, 静压施工配重 3950kN, 施 工顺序为 3,5,6,4,1,2 号楼。施工快结束时,南
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地基土物理力学性质指标 土层序号 /名称 ①粘土 ②1 淤泥 ②2 淤泥 ③淤泥质粘土 ④圆砾 ④a 粘土 ④b 粉质粘土 ⑤粉质粘土 ⑥圆砾 ⑦粘土 ⑧圆砾 ⑨粘土 ⑩圆砾 层顶埋深 /m 0.60~2.10 14.00 25.0~30.2 43.4~46.0 44.1~49.5 53.2~55.2 53.7~58.2 57.8~61.1 61.2~62.5 65.2~67.2 61.2~62.5 74.6~76.8 层厚/m 0.6~2.1 11.90~13.40 11.00~16.20 14.00~20.00 揭露 3.60~15.40 0.30~2.90 0.90~1.30 揭露 0.80~4.60 揭露 0.60~2.70 1.40~5.70 2.10~4.10 揭露 4.30~7.40 揭露 3.10~8.40 含水率/% 39.3 60.0 63.0 48.0 34.7 24.0 30.0 36.7 31.2 孔隙比 1.102 1.681 1.766 1.339 0.966 0.680 0.826 1.010 0.854 Ip 21.3 24.7 25.6 21.8 17.4 11.9 15.8 20.3 18.7 Il 0.67 1.32 1.37 1.03 0.68 0.42 0.52 0.60 0.40 Es/MPa 3.37 1.96 2.01 2.91 4.68 5.67 5.50 3.99 5.98 Fk/kPa 80 45 52 70 300 120 210 170 350 140 380 180 400 qsa/kPa 11 5 5.5 8 40 22 30 26 42 26 45 28 48

表1 qpa/kPa 2500 700 1200 1000 2700 800 3200 1200 3500

侧局部设置少量应力释放孔。地基土物理力学性质见 表 1。 2 静载荷试验结果分析 打桩结束后, 按照选定的 19 根工程桩进行静载荷 试验。其中 16 根为承压桩,759#,1248#,553#3 根 为抗拔桩,各试验荷载及位移量见表 2。
工程桩静载荷试验结果 试验 桩号 361# 221# 1130# 1055# 995# 1397# 1334# 1254# 1208# 897# 796# 713# 688# 1166# 443# 177# 759# 1248# 553# 表2 最大试验荷载 极限承载 回弹率 残余沉降 桩径 最大试验 对应的沉降量 /mm 荷载/kN /% 力/kN 量/mm /mm 600 3000 21.07 3000 60.8 8.25 550 2600 22.57 2600 60.9 8.82 600 3000 23.40 3000 61.2 9.08 550 2080 62.08 1820 600 3000 32.97 3000 59.3 13.42 600 3000 23.21 3000 60.4 9.19 550 1300 88.30 1040 600 3000 24.01 3000 61.7 9.52 600 3000 87.81 1800 23.1 67.53 600 3000 121.43 1500 17.8 99.78 550 2600 60.73 1560 27.2 44.24 550 2600 83.10 1560 24.0 63.19 600 3000 38.26 3000 54.3 17.49 550 2600 41.36 2340 27.3 30.05 600 3000 72.71 1500 26.8 53.26 550 2600 110.35 1300 19.0 89.42 600 -700 -35.08 -700 24.89 -26.35 550 -600 -30.10 -600 34.49 -19.72 550 -600 -25.91 -600 44.69 -14.33

沉降较小,表明桩周土受扰动较小,管桩侧阻得到相 应的发挥。在加载至 1700~2100kN 时曲线陡降,产生 刺入破坏。 (3)Q–S 曲线陡降到一定沉降量后,随着桩端土层 的压密,承载力均相应回升。回弹率小,残余沉降量 均较大。这说明桩承载力的下降主要是由于桩上浮引 起的。因为桩端抬空,以致沉降量超过规范要求[3]。 通过加固桩端抬空区域,可使浮桩沉降及极限承载力 满足要求。
荷载Q/kN

0 0 20 40
沉 降S /mm

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500
897# 443# 1208#

60 80 100 120 140

图 2 典型浮桩 Q–S 曲线

3

由表可知,3 根抗拔桩的上拔量、极限承载力均 满足设计要求。 在 16 根承压桩中, 有 9 根桩沉降异常, 极限承载力达不到设计要求。这些桩分别在加载至约 1300~2080kN 时,桩端突然下沉,5min 内桩顶沉降增 量达到 35.90~76.5mm, 以致总沉降量超过规范允许范 围。同时,这些桩回弹率较小,在 17.8%~27.3%范围。 根据沉降规律,判断有桩上浮现象。为此,要求静载 试验仍加载至设计要求,得典型浮桩 Q–S 曲线如图 2 所示。由试验结果及图中曲线可以看出: (1)极限承载力未达到设计要求的桩,在加载时短 时间内沉降增量大大增加,Q–S 曲线均为陡降型,即 由于桩体上浮,造成了桩端土体破坏或者抬空,严重 降低了端承力。 (2)Q–S 曲线形状相似,陡降段的起始位置不同, 侧阻发挥程度不同。 在荷载水平较低时(小于 1500kN),
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浮桩的上浮规律和影响因素 基坑开挖后, 经测量统计发现, 工程桩普遍上浮,

最大浮桩在 3 号楼,上浮量为 230mm。部分统计资料 见表 3。 由表 3 可得出各栋楼浮桩数量的比例, 见表 4。
管桩上浮量统计结果 1#楼总桩 数 178 根 55 上浮量<3 25 3≤上浮量<4 46 4≤上浮量<5 32 5≤上浮量<6 20 6≤上浮量<10 0 上浮量≥10 98 上浮量≥4 桩合计 上浮区间 /cm 2#楼总桩 数 178 根 124 41 8 2 3 0 13 3#楼总桩 数 180 根 38 33 15 35 42 17 109 表3 地下室(局部) 总桩数 188 根 93 53 7 9 14 12 42 表4 上浮量≥4cm 的桩数比例 /% 60.56 55.06 7.30 22.34

各栋楼浮桩数量比例 楼号 3# 1# 2# 地下室(局部) 上浮量<3cm 的桩数比例 /% 21.11 30.90 69.66 49.47 上浮量≥3cm 的桩数比例 /% 78.89 69.10 30.34 50.53

随着 3 号,1 号,2 号的施工顺序,表 4 中上浮 量<3cm(静载试验合格)的桩数比例逐渐增大。 而地下 室部分布桩稀疏,且夹杂在各栋楼间施工,浮桩数量 呈现很大的随机性,但比例小于 3 号,1 号楼。从以 上数据及基桩施工顺序可以看出,桩体上浮量与布桩 密度、 桩的平面布置和施工顺序密切相关。 施工越早, 浮桩数量越多;布桩越密,上浮量越大。基桩施工时 基本遵循从中心向四周后退式打桩的原则,因此中间 桩的上浮量较周围桩的上浮量要大。 3 号楼的桩先于 1 号楼施工,其累计浮桩比例相对较大;2 号最后施工, 浮桩比例最小。 桩身穿越的土层大部分为中 ~高压缩性黏土和高 压缩性淤泥。土层含水量高,不排水抗剪强度很低, 土的渗透性极差。桩沉入地基后桩周土体受到扰动, 土体颗粒间孔隙内的自由水被挤压而形成相当大的超 静孔隙水压力,从而降低了土的不排水抗剪强度,促 使桩周邻近土体因不排水剪切而破坏。与桩体积等量 的土体在沉桩过程中向桩周发生较大的侧向位移和隆 起。 孔隙水向四周消散, 以及群桩施工中的叠加因素, 扩大了土体侧向位移和隆起的影响范围,使场地已打 入的桩产生大面积的侧向位移和上浮。 影响浮桩的主要因素有:(1)土层性质:土的含水 量、渗透性是超静孔隙水压力形成的决定因素。(2)桩 中心距:桩距大小决定场地的布桩密度。在深厚软土 区域,布桩平面系数不宜大于 4.0%,否则应考虑采用 非挤土桩。(3)施工措施:施工中应采取足够的措施减 少管桩的挤土效应,如设置应力释放孔等,加速土层 排水固结,控制沉桩速率,合理安排沉桩顺序。 4 浮桩处理 4.1 处理方法的选择 对浮桩的处理, 依据处理对象的不同可分为对桩、 筏板或者地基的处理。 温州市常采用对桩进行复打(压) 的处理方法。但本工程设置有地下室,管桩桩顶均在 天然地面以下一定深度;层②土承载力较低,基坑开 挖后,静压桩机不具备进场条件。因此,复压实施有 相当难度。 根据相邻工地案例,若选择锤击复打,会有较多 Ⅰ类桩在复打过后成Ⅲ类桩,造成桩身质量缺陷,留 有安全隐患。同时,采用复打(压)时,管桩相对土体 多次做往返运动,破坏了桩土接触面的摩擦性能,会 使得桩土间摩擦力降低,侧阻下降。对筏板处理则因 为土层承载力低而效果不明显;补桩处理则经济代价 太大。 鉴于上述原因, 根据控制建筑物均匀沉降的原则, 初步确定选用后注浆法进行处理。对于温州地区的深

厚软土层,软土的侧阻力非常低,桩侧注浆效果不明 显,但可采用桩底注浆。桩底注浆能够在桩端形成一 个一定直径和相当深度的球形加固体,使桩身和加固 体紧密结合而提高桩基承载力。但在温州地区还未见 有桩底注浆加固的试验研究。本工程管桩普遍上浮, 但绝对上浮量并不大,采用注浆加固有较大把握。事 实上因注浆液在圆砾层中渗透,水平方向大于垂直方 向,使加固体更近似为透镜体。 为了验证注浆处理方案的可行性,分别挑选了上 浮量在不同区间的 3 根浮桩进行注浆处理。桩号和上 浮量分别为 892#, 上浮 210mm; 1128#, 上浮 140mm; 1026#,上浮 50mm。处理时首先在管桩中钻孔,孔径 ? 100,孔深至桩端下 50cm,插入 ? 50 注浆管至桩端 下 30cm。桩顶钢筋焊接,做好帽塞。注浆两周后做静 载荷试验,Q–S 曲线见图 3。
荷载Q/kN
0 0 5 10 1026# 1128# 892# 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

沉 降 S/mm

15 20 25 30 35

图 3 注浆后的试桩 Q-S 曲线

从图中看出,注浆后 Q–S 曲线由陡降型变为缓变 型,单桩承载力大幅提高。加载至设计承载力时,桩 承载力尚未达到极限状态。静载试验得到的最大沉降 均小于 40mm,回弹率为 45%~65%。对于上浮量较大 的 892# ,累计沉降量为 17.80mm ,残余变形量为 7.41mm,注浆效果非常明显。 根据试桩的结果,最终确定以下处理方案[4]: (1)可以采用桩底后注浆的方法处理浮桩,将桩端 的圆砾土层密实加固。 (2)按楼号分区域,对于浮桩数较多的塔楼,上浮 量≥4cm 的桩均进行压力注浆;对于浮桩数较少的塔 楼, 上浮量≥3cm 的桩均进行压力注浆; 对于抗拔桩, 上浮量≥10cm 的进行压力注浆。 (3)注浆宜采用顺序注浆,由中间向外,间隔 7d。 (4)电梯井处,因送桩较深,桩顶标高测量困难, 为了确保安全,加快进度,采用跳桩注浆。 (5)为避免出现注浆后的不均匀性,施工单位应将 注浆图提供给设计单位,由设计单位根据位移协调原 则对注浆桩数做合理的调整。
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方案中注浆与否的标准主要根据施工时的标高记 录。上浮量数值中已包含压桩时的桩身压缩值。根据 上述处理原则,各楼按照实测结果和合理的调整进行 注浆加固,注浆比例为 42.0%~60.0%。1 号楼注浆桩 位平面见图 4,其注浆比例为 54.50%。

40mm,回弹率为 30%~65%。经过桩端注浆处理后, 桩基础满足设计和规范的要求。 因此,当桩端持力层符合条件时,采用桩端后注 浆方法是处理浮桩的有效措施,并且处理过程中能更 好的保护桩身质量,以免产生二次破坏。 工程浮桩处理已经完成, 正在进行上部结构施工。 同时,施工中设计了完善的沉降观测方案。 5 结论 (1)软土地基中打(压)入预应力管桩,由于挤土效 应会产生桩体上浮。浮桩使桩端土体产生破坏或者抬 空, 端阻严重下降, 在上部荷载作用下发生刺入破坏。 桩基选型时应特别重视社会效益,本着质量优先的原 则,反复论证。 (2)软土地基中管桩的上浮量与布桩密度、桩的平 面布置和打桩顺序密切相关。施工越早,浮桩数量越 多;布桩越密,上浮量越大。中间桩上浮量大于周边 桩,先打桩大于后打桩。因此,软土地基采用管桩时, 桩距应大于 4D。 施工中应采取足够的措施减少管桩的 挤土效应。控制沉桩速率,合理安排沉桩顺序。 (3)在软土地基中,当以④圆砾层作为持力层的场 地, 采用桩端后注浆技术处理管桩浮桩是合理可靠的; 桩端后注浆能在桩底形成透镜体状加固体,有效提高 桩端阻力。 (4)本着控制建筑物均匀沉降的原则,根据位移协 调来确定需做桩端后注浆的管桩数量。注浆量和注浆 压力应根据场地持力层的渗透性、浆液加固土体的对 象以及类似工程经验确定。
参 考 文 献 [1] 岑仰润, 寇秉厚, 等. 预应力管桩施工质量问题的处理[J].浙江建筑, 2005, 22(2). [2] DB33/100—2003 建筑地基基础设计规范[S]. 杭州 :浙江大学出版社, 2003. [3] JGJ106—2003 建筑基桩检测技术规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版 社出版, 2003. [4] 钱振荣 , 潘林有 . 对某项目预应力管桩承载力达不到设计要求的处 理意见[R]. 温州市建筑地基处理研究所,2009.

图 4 1 号楼注浆桩位平面示意

4.2 后注浆的工艺参数及技术要求 注浆成功的先决条件一是注浆管的埋深,二是注 浆管上的封堵。根据该地区的工程经验,一般应按照 下列要求施工: (1)对要求后注浆的桩,在桩孔中钻孔至桩端以下 30~50cm, 注浆管埋设至桩端以下 20cm 左右即可。 注 浆管管径 ? 48~ ? 60,埋设不宜太深,以免透镜体状加 固体与桩端脱离。 (2)钻孔、 插管后, 制做帽塞: 在管桩顶采用 3 ? 16 钢筋与桩帽交叉焊接,同时采用 C35 微膨胀混凝土灌 芯 30~50cm。养护不少于 36h 后开始注浆。 (3)注浆采用 425 号普通硅酸盐水泥, 掺入 12%膨 胀剂, 水灰比 0.60~0.80。 单根桩水泥注入量约为 1.5t。 (4)注浆终止标准:1)设计注浆量完成;2)注浆压 力中间阶段取 0.8~1.0MPa,最后阶段取 1.5~2.0MPa, 稳压注浆 3~5min 后结束。 注浆量和注浆压力系根据场地持力层的渗透性、 浆液加固土体的对象以及类似工程经验综合得出的。 按上述要求施工时,经现场观察,在注浆管桩周边 4~6m 范围内的其余管桩桩孔内均出现水泡。说明注 浆时,水泥浆在桩端持力层中向周边土体扩散明显。 4.3 浮桩处理后的检验 桩端后注浆完成 15d 后,按规范随机选择了 22 根桩进行静载荷试验,均满足规范要求。部分试验结 果见表 5。
管桩静载荷试验结果 表5 桩号 最大加载 /kN 桩顶沉降量 /mm 桩号 最大加载 /kN 桩顶沉降量 /mm 962# 868# 832# 288# 243# 3000 3000 2600 3000 2600 21.04 27.12 22.94 25.03 32.03 330# 381# 661# 693# 547# 3000 3000 2600 3000 2600 26.70 34.05 24.56 23.34 25.85

作者简介:熊海丰,硕士,工程师,Email:haifenn@163.com。

根据静载荷试验报告,所有试桩最大沉降均小于
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