增設(shè)耳托板和側(cè)孔注漿對靜壓鋼管樁承載能力的影響
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王天晴， 董華陽， 李君成， 陳映棠， 董立恒， 王璀瑾
（1山西省建筑科學(xué)研究院，太原030001；2大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，大連116024）
[摘要] 在靜壓鋼管樁施工過程中經(jīng)常遇到樁長過大但單樁壓力卻無法滿足設(shè)計要求的情況，針對此情況提出了在鋼管樁制作時每隔一定距離在樁兩側(cè)增設(shè)耳托板，同時在耳托板上部的管壁上打孔的解決方案。結(jié)合某一實際工程的地基加固，進(jìn)行了常規(guī)試樁、增設(shè)耳托板試樁、增設(shè)耳托板加側(cè)孔注漿及底部敞口無耳托板加側(cè)孔四類試樁的現(xiàn)場試驗。試驗結(jié)果表明，采取在鋼管樁上增設(shè)耳托板加側(cè)孔，壓樁后在向管內(nèi)注入細(xì)石混凝土?xí)r將有部分漿液通過側(cè)孔流出，凝固于管壁周圍，起到了增加側(cè)阻力和穩(wěn)定樁身的作用。該工程實踐證明，采用增設(shè)耳托板與側(cè)孔注漿兩種措施聯(lián)合使用可有效地增加靜壓鋼管樁的承載能力，并可降低工程造價。
[關(guān)鍵詞] 小型鋼管樁；單樁承載力；耳托板；側(cè)孔注漿；靜壓試樁
0 前言
小直徑（樁徑D< 300mm）靜壓鋼管樁在中小型工程地基處理中應(yīng)用較多，特別是在既有建筑地基基礎(chǔ)的加固中，這種樁型以其自重輕、施工周期短、見效快、操作方便、布樁靈活等優(yōu)勢受到了從事工程加固改造技術(shù)人員的青睞，得到了較為廣泛的應(yīng)用。然而，由于這種樁一般直徑不大、管壁光滑，端阻力和側(cè)摩阻力較小，影響了樁的承載能力。有時為了滿足工程需要，不得不加大樁長，導(dǎo)致樁的長細(xì)比過大，甚至影響到樁身穩(wěn)定等，也使基底持力層的潛力得不到發(fā)揮。另外，較長的鋼管樁性價比較低，使得工程投入較大，制約了小型鋼管樁的發(fā)展應(yīng)用。
本文提出在鋼管樁制作時每隔一定距離在樁兩側(cè)焊接一對耳托板，以增加其側(cè)摩阻力，這將可能大大提高鋼管樁的豎向承載力�？紤]壓樁時設(shè)置的耳托板可使樁周形成土槽孔隙，影響樁的側(cè)向約束和穩(wěn)定，故在每個耳托板上部的管壁上開孔，這樣壓樁后在向管內(nèi)注入細(xì)石混凝土?xí)r，通過大力振搗或加壓將有部分漿液通過側(cè)孔流出凝固于管壁周圍，這類似于鋼筋混凝土支盤樁，既穩(wěn)定了樁身，又?jǐn)U大了有效樁徑，從而使靜壓鋼管樁的承載能力得到進(jìn)一步提高。本文結(jié)合工程實例的現(xiàn)場試驗，驗證上述兩種措施的效果。
1 工程概況
某四層磚混住宅樓建于20世紀(jì)80年代末期，該樓外墻厚370mm，內(nèi)墻厚240mm，基礎(chǔ)平面布置及加固地基樁的布置如圖1所示。采用墻下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)下部僅設(shè)了約300mm厚的灰土墊層。偶發(fā)的跑水事故造成了基礎(chǔ)的不均勻下沉，致使多處承重墻體開裂，影響了房屋的安全和正常使用。經(jīng)過現(xiàn)場普查，確定采取不進(jìn)行居民搬遷對地基進(jìn)行加固的處理方案。
地質(zhì)勘察報告表明，該房屋地基持力層主要為粉土，有輕微的濕陷性，除房屋沉降較大區(qū)域土質(zhì)較濕外，其他部位稍濕。地下水位在地表以下約9m，地基土對鋼管腐蝕性較弱。表1列出了各層土的物理力學(xué)指標(biāo)平均值，并按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》( JGJ 94-2008)的有關(guān)規(guī)定列出了各層土鋼樁極限側(cè)阻力和極限端阻力的設(shè)計參考值。
2 地基加固方案設(shè)計
針對地基不均勻下沉的處理方法很多，主要包括注漿加固法、灰土樁法、樹根樁法和坑式靜壓鋼管樁法等。本工程地基土有輕微濕陷性，采用注漿加固時由于水泥漿含水量較大，必然帶來較大的附加沉降，施工期間的沉降量無法人為準(zhǔn)確地把控，甚至可能加重墻體開裂，處理效果難以預(yù)期。本地區(qū)多次工程實踐均證明了這一點，所以注漿加固法被首先排除�；彝翗斗ㄒ话闶遣捎萌斯せ驒C械成孔，并按一定比例填入灰土的方法，針對本工程的現(xiàn)狀，采用灰土樁法加固時僅能在基礎(chǔ)周邊做樁，無法根本解決基礎(chǔ)持力層的加固問題。而樹根樁法同樣是采用人工成孔，在基礎(chǔ)側(cè)面沿豎向和在基底沿斜向制成樁體的加固方法，由于居民無法搬出，所以該方法不具備施工操作的條件。綜上分析，采用坑式靜壓鋼管樁的方案比較適合本工程現(xiàn)狀，主要原因在于：
(1)鋼管樁可通過人工開挖小型操作坑而直接布于沉降較大的承重墻下，這樣可利用房屋自重作為壓樁載荷，且可多樁交替頂升，迅速遏止沉降，并使墻體裂縫愈合，節(jié)省造價。
(2)靜壓鋼管樁非置換樁，有明顯的擠密作用，對消除地基土的濕陷性極其有利。
(3)布樁靈活，根據(jù)所承受的上部荷載和壓樁時千斤頂所顯示的數(shù)值實時調(diào)整樁長和樁距。
(4)靜壓鋼管樁的施工是干作業(yè)，不會產(chǎn)生較大的附加沉降。
(5)靜壓鋼管樁的施工無噪聲，操作面小，可自室外或樓梯間開始，成樁后再向樓內(nèi)推進(jìn)以保證安全，對樓內(nèi)住戶的生活不會造成影響。
(6)考慮該住宅可能的后續(xù)使用年限以及地基土對鋼管僅有弱腐蝕性的特點，可采用小直徑、薄壁厚的鋼管做樁，以與建筑物壽命相匹配，性價比較高。
經(jīng)過對樓房上部荷載的計算分析和不均勻沉降的調(diào)查以及單樁承載力的預(yù)估進(jìn)行了平面布樁，見圖1，其中樁身采用咖245 x6焊接普通鋼管，材料為Q235。每節(jié)樁段約為Im長。第1節(jié)樁端制成錐頭，待其壓至上端高出操作坑地面約200mm時停止壓樁，并焊接第2節(jié)鋼管樁，依次壓入第2節(jié)、第3節(jié)等。樁間距按為1. 5m設(shè)計，實際布樁時，當(dāng)按此樁間距布置的樁位位于窗洞口下時，考慮在此樁位壓樁將有可能使窗下墻體開裂，對此樁的位置適當(dāng)偏移，使其錯開窗洞口位置。設(shè)計考慮了樁對土體的擠密作用和樁土的相互影響。壓樁設(shè)計如圖2所示。
3 試樁方案
為了說明增設(shè)耳托板和側(cè)孔注漿的作用，選用常規(guī)試樁、增設(shè)耳托板試樁、增設(shè)耳托板加側(cè)孔注漿試樁、底部敞口無耳托板試樁和底部敞口設(shè)耳托板試樁進(jìn)行對比�？倶稊�(shù)為共72根。
3.1常規(guī)試樁
為了獲得本場地靜壓鋼管樁的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行了常規(guī)試樁，試樁編號為SZ1和S22，具體位置見圖1。所選樁體鋼管尺寸為咖245×6，材料為Q235，每節(jié)樁長按1m考慮，SZ1和S22不設(shè)側(cè)向耳托板，不設(shè)側(cè)孔，也不進(jìn)行管內(nèi)注漿。壓樁設(shè)備為150t電動液壓千斤頂，壓樁時以達(dá)到約720kN壓力為標(biāo)準(zhǔn)（此值考慮了上部荷載和樁身強度兩個因素）來初步確定滿足本工程需要的鋼管樁長度。達(dá)到上述荷載值后卸載，待48h后復(fù)壓，復(fù)壓到應(yīng)變不收斂為止，以此時的荷載值來確定鋼管樁極限承載力。
3.2增設(shè)耳托板試樁
為了研究增設(shè)耳托板對鋼管樁承載能力的影響，進(jìn)行了增設(shè)耳托板試樁，試樁編號為S23和S24，具體位置見圖1。在其他條件不變的情況（即樁體鋼管尺寸、材料、每節(jié)樁長同3.1節(jié)）下自樁入土第6節(jié)（該段保證了樁的垂直度和下端嵌固）后（即第7節(jié)）開始，在每節(jié)樁長上增設(shè)四個耳托板，設(shè)置方式為同一高度位置設(shè)置一對耳托板，每節(jié)鋼管樁設(shè)置兩對共四個耳托板，上下兩對耳托板高差為500mm且中心線呈90。交角，相鄰樁節(jié)之間再旋轉(zhuǎn)45。（圖2），以保證每個耳托板在壓樁過程中均能與土體緊密接觸�？紤]下節(jié)耳托板的擴孔影響，自下而上逐節(jié)擴大耳托板的懸挑長度，每節(jié)增加約20mm。耳托板的尺寸設(shè)計如圖3和表2所示。該種試樁也以達(dá)到720kN壓力為標(biāo)準(zhǔn)，待48h后復(fù)壓。復(fù)壓到應(yīng)變不收斂為止，以此時的荷載值來確定鋼管樁極限承載力。
3.3增設(shè)耳托板加側(cè)孔注漿試樁
本種試樁樁身制作同3.2節(jié)，但在每個耳托板的上部管壁鉆成50~60mm直徑的圓孔，成樁后樁周土未重新固結(jié)前立即向管內(nèi)注入C20細(xì)石混凝土。試樁編號為S25和S26，具體位置見圖1�？紤]該種試樁側(cè)孔直徑較小，為了防止堵塞，要求粗骨料的粒徑不得大于5mm，并適當(dāng)加入減水劑以增加流動性。在澆注過程中應(yīng)大力振搗，盡量使?jié){液自側(cè)孔流出，同時計量澆注的混凝土體積（即測量壓樁過程中通過側(cè)孔坍落至管內(nèi)的土體體積），初步判斷溢出管外的混凝土量（溢出管外的混凝土量可自最下排孔位管內(nèi)液面不再下降時算起）。反復(fù)振搗管內(nèi)混凝土至液面不再下降時停止?jié)沧�。待混凝土強度基本達(dá)到要求（至少兩周后強度達(dá)到75%以上）再試壓，以確定樁周漿液對其承載力的影響。
3.4底部敞口無耳托板試樁
此種試樁為鋼管樁底端不封口，周邊也不設(shè)耳托板和側(cè)孔，其他情況同3.1節(jié)，樁長同樣以達(dá)到約720kN壓力為標(biāo)準(zhǔn)來確定。由于這種情況壓樁初期基本無端阻力，所以影響樁基承載的主要是側(cè)摩阻力和樁內(nèi)擠入土的摩阻力。試樁編號為S27．具體位置見圖1。
3.5底部敞口設(shè)耳托板加側(cè)孔試樁
該種試樁制為鋼管樁底端不封口，增設(shè)耳托板和側(cè)孔，其他情況同3.2節(jié)，耳托板同樣自樁入土第7節(jié)開始增設(shè)，壓樁時也以達(dá)到約720kN壓力為標(biāo)準(zhǔn)來初步確定鋼管樁長度。試樁編號為S28，具體位置見圖1。
本次試樁樁節(jié)耳托板和側(cè)孔實物照片見圖4，現(xiàn)場壓樁操作照片詳見圖5。
4 試樁結(jié)果及分析
4.1試樁壓樁及過程分析
首先按照圖1所示的樁平面布置進(jìn)行試樁操作坑的挖掘，并觀測房屋的沉降變形，以保證施工安全。在試樁施工時，詳細(xì)記錄每一個樁每節(jié)入土?xí)r電動液壓千斤頂?shù)膲毫K值，并列于表3中。為了更直觀地顯示不同類型試樁在達(dá)到控制最大壓力約720kN時所需的樁長（樁節(jié)數(shù)）以及表現(xiàn)特性，將8種試樁的壓力值和樁節(jié)關(guān)系制成曲線，見圖6。
SZ1和S22為常規(guī)樁型，由于其表面光滑，側(cè)摩阻力較小，為了實現(xiàn)控制壓力為720kN，其入土深度達(dá)到了第19節(jié)，長細(xì)比已達(dá)225。從樁入土的千斤頂所顯示的壓力來看，自第1~9節(jié)，壓力變化不大，自第10節(jié)或第11節(jié)開始，壓力突然猛增，到達(dá)第16節(jié)時壓力有所降低，這與該處可能存在的局部較薄軟弱土層有關(guān)。自第18節(jié)開始壓力才又增大，直至到達(dá)720kN壓力標(biāo)準(zhǔn)為止停止壓樁，此時樁人土達(dá)到第19節(jié)。
增加耳托板后上述狀態(tài)發(fā)生了極大變化，S23和S24是自第7節(jié)加設(shè)耳托板的，其壓樁數(shù)據(jù)表明，自第5節(jié)入土后壓力猛增，當(dāng)樁入土達(dá)到第13節(jié)( S23)或第14節(jié)(S24)時，千斤頂所顯示的壓力已達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)。這與S21和S22的壓樁數(shù)據(jù)形成較大反差，說明耳托板起到了很大作用，使樁不需穿透下部軟弱層即可滿足承載力要求。
S25和S26的壓樁數(shù)據(jù)與S23和S24的非常接近，這再次證明了耳托板所起到的作用。壓樁過程中，在灌入混凝土前實測了管內(nèi)凈空高度，發(fā)現(xiàn)在壓樁過程中有部分松散土粒自側(cè)孔坍落至管底，這對混凝土體積的計算有影響。經(jīng)實測，這兩根試樁最低側(cè)孔位置恰巧位于地下水位以上，不影響灌入混凝土的水灰比。經(jīng)大力振搗后測算溢出管外混凝土量大約只有孔段混凝土體積的5%~10%。
S27初人土體時，由于幾乎沒有端阻力，所以壓力很小，很容易被壓入土體。當(dāng)人土第2~3節(jié)間，每節(jié)壓力以及樁最終人土深度均近似與S21和S22基本一致。這說明當(dāng)擠入鋼管內(nèi)的土體達(dá)到一定高度后，土體與管內(nèi)壁形成了很大的摩擦阻力，此時若管端壓力無法克服該阻力時，就不會再有土體進(jìn)入管內(nèi)，自然形成了封口樁�？紤]到樁端位于地下水位以下時，管內(nèi)土體長期浸水軟化后將會降低端阻力，進(jìn)而影響樁的承載力；又考慮到敞口樁對周邊土體的擠密作用較弱于封口樁、鋼管內(nèi)壁容易銹蝕以及無錐頭樁的樁身垂直度的保證更為困難等因素，實際施工中未再采用小直徑敞口鋼管樁。
S28與S27相同，只是自第7節(jié)開始加設(shè)了耳托板和側(cè)孔。從該試樁的表現(xiàn)來看，除初入土?xí)r由于敞口阻力很小，現(xiàn)象與S27表現(xiàn)一致外，其他特性與S23和S24相似，但壓力略有降低，這又一次證明了耳托板所起到的作用。
從圖6可以明顯看出，增設(shè)耳托板的S23，S24，S25，S26和S28的壓力與樁節(jié)曲線基本位于同一區(qū)域，其壓力隨節(jié)數(shù)增長較快，在第14節(jié)之前已達(dá)壓力控制要求；而未加耳托板的S21，S22和S27，壓力與樁節(jié)曲線位于另一區(qū)域，壓力隨節(jié)數(shù)增長緩慢，為達(dá)到樁的承載力要求，所需樁節(jié)數(shù)較多，這充分體現(xiàn)了耳托板對樁的承載力的貢獻(xiàn)。
4.2試樁結(jié)果分析
在上述試樁施工完成且具備再次試驗的條件后，又重新對SZl~S28進(jìn)行了加載試驗。本次試驗采用了分級加載的方法，分200，400，600，700，800 ,900 ,950,1 000,1 050,1 100,1 200kN共11個加載等級，每個加載等級至少持荷lOmin以上，試樁的壓力一樁端位移( Q-S)曲線如圖7所示，以Q-S曲線的陡降起始點作為樁的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，列于表4中。
由于所選鋼管的屈服荷載約為1250kN，上述試樁極限壓力（亦即樁的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值）均未超過此值，說明曲線陡降并非樁身材料屈服引起，這客觀上保證了試樁所要達(dá)到的目的。
在上述壓樁施工完成等待重新試樁時樁周土體重新固結(jié)。除有側(cè)孔的S25和S26灌入細(xì)石混凝土的條件有所變化外，其余試樁僅有時間的推移。將最終極限壓力與最初壓樁終值壓力相比，可以看出各樁極限壓力均有所增加，其中未增加耳托板的S21，S22和S27增幅在20%左右，增加耳托板的S23，S24和S28增幅在30%左右，而既增設(shè)耳托板外又側(cè)孔注漿的S25和S26增幅最大，達(dá)到42%，這體現(xiàn)了側(cè)孔注漿對樁的承載能力有一定的影響。
一般樁的極限壓力與樁長有關(guān)，樁長越大壓力也隨之增大，但通過表4數(shù)據(jù)可以看出，增設(shè)耳托板后，較短樁長的樁的極限壓力反而增大較多，這說明增設(shè)耳托板后樁的性價比較高。
將不設(shè)耳托板的試樁結(jié)果與按表1的鋼樁指標(biāo)參數(shù)算得的單樁極限承載力對比，發(fā)現(xiàn)按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》( JGJ 94-2008)所推薦的指標(biāo)計算的單樁極限承載力較實測值大，這說明鋼管樁側(cè)阻力較低，也進(jìn)一步說明小型鋼管樁增設(shè)耳托板的必要性。
在對樁周土開挖后檢查發(fā)現(xiàn)，從管內(nèi)溢出的混凝土漿液在管壁開孔處形成了一個大約直徑150mm的半球形塊（圖8），該塊的體積與初灌入時測算的溢出混凝土漿液的體積基本一致。溢出的混凝土漿液填充孔隙，增加了樁周面積，穩(wěn)定了樁身。與不開側(cè)孔試樁相比，樁承載力提高了10%左右。另外管內(nèi)注漿的另一個作用是提高樁身強度和耐久性。因為耳托板豎向間距不大，又旋轉(zhuǎn)布置，壓樁過程中因擾動而脫落的土體二次填滿了土槽孔隙，所以開挖檢查未發(fā)現(xiàn)明顯的樁周土槽，再加上注漿壓力的擠密作用，樁身與土體基本上緊密接觸。
由圖7可以看出，不設(shè)耳托板的SZ1，S22和S27的Q-S曲線較陡，說明沉降較大，而設(shè)耳托板的S23，S24，S25，S26，S28初時變形極小，Q-S曲線較平緩。對沉降較為敏感的建筑物來講，增設(shè)耳托板可提前使樁體起到應(yīng)有作用，有效減小建筑物的受力滯后所帶來的二次損傷。
在試樁過程中發(fā)現(xiàn)，增設(shè)耳托板的樁卸載后的回彈量很小，在5mm左右，未增設(shè)耳托板的樁回彈量在15mm以上，這說明耳托板對樁的回彈形成了一定的制約。增設(shè)耳托板的樁的周邊孔隙較大，當(dāng)加載至較大時樁體有輕微擺動現(xiàn)象，尤其對開側(cè)孔但未注漿的試樁，這種現(xiàn)象較為明顯。在樁身自出土位置填入約300mm厚混凝土形成側(cè)向抱箍約束時，此現(xiàn)象不再發(fā)生。需要說明的是，試樁是在操作坑未填埋時進(jìn)行的，樁頂處于懸臂狀態(tài)，而在實際工況下，操作坑將用灰土和混凝土灌實，不會影響樁的實際受力。
靜壓鋼管樁對土體的擠密作用非常明顯，試驗表明，當(dāng)樁中心距很小，例如2倍樁徑(本工程約為500mm)時，后壓鋼管樁難以壓入土體，所以實際施工時樁中心距按大于3.5倍樁徑布樁，與《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》( JGJ 94-2008)要求一致。
5 工程樁施工及經(jīng)濟(jì)性分析
在取得上述試樁結(jié)果后，對原地基加固方案進(jìn)行了修改。調(diào)整了樁長，盡量使樁不達(dá)到試樁時發(fā)現(xiàn)的埋深約16m處較軟土層；自樁身入土第7節(jié)開始，工程樁均增設(shè)耳托板，耳托板尺寸按表2要求自下而上逐節(jié)加大。工程樁壓樁時以千斤頂所顯示的壓力達(dá)到720kN后終止壓樁，實際工程樁平均樁長約為14m，比原方案縮短了近6m。所有工程樁壓樁過程中的表現(xiàn)形態(tài)與試樁一致。由于靜壓樁是以千斤頂所顯示的壓力為指標(biāo)，可人為控制，保證了每根樁承載力的可靠性。本次壓樁采用了交替頂升措施，以不使原房屋裂縫擴大或形成新的裂縫。壓樁后先用灰土分層回填操作坑，再用C20混凝土灌入，充分振搗，加固后房屋沉降穩(wěn)定，效果良好。
增設(shè)耳托板后樁端終止于硬土層，既滿足了本樓基礎(chǔ)承載力要求，又減小了加固工程量。綜合對比來看，本工程采用這種新技術(shù)加固與不增設(shè)耳托板僅采用靜壓鋼管樁進(jìn)行加固相比費用節(jié)省約25%。
6 結(jié)論
(1)增設(shè)耳托板對小直徑靜壓鋼管樁承載力的提高非常顯著。
(2)鋼管樁側(cè)孔注漿可穩(wěn)定樁身、增加樁的承載力和提高樁的耐久性。
(3)在小直徑靜壓鋼管樁上增設(shè)耳托板并聯(lián)合側(cè)孔注漿，對解決既有建筑的地基不均勻下沉問題是一種技術(shù)合理、操作方便、節(jié)省造價的好方法。
7 建議
(1)在靜壓鋼管樁上增設(shè)耳托板和側(cè)孔注漿前應(yīng)首先了解具體工程情況，在進(jìn)行調(diào)查研究、詳細(xì)計算和現(xiàn)場試驗后方能實施。
(2)在地基土不具有濕陷性等不利條件時，可采用壓力注漿方式以充分填充樁周空隙，進(jìn)一步提高鋼樁穩(wěn)定性和承載力。關(guān)于注漿壓力、實施方法和效果還需要進(jìn)一步試驗研究。
(3)增設(shè)耳托板后應(yīng)適當(dāng)加大樁距。
(4)對軟土地基小直徑靜壓鋼管樁，建議不采用敞口形式。
(5)在既有建筑地基加固改造中，可以利用原結(jié)構(gòu)自重作為壓樁荷載、單樁承載力要求在500kN左右、樁徑在150~ 300mm之間、地基土為黏性土且操作坑高度范圍內(nèi)無地下水時，采用本文的方法優(yōu)勢最為明顯。
