0 引言

　　灌注桩施工过程中，经常因为孔壁塌陷或者卡管等因素导致断桩，是十分严重的工程问题。解决该问题通常采用冲刷法，当发现断桩后，重新下导管和水泥塞，浇筑混凝土，通过新浇筑混凝土的冲刷作用，冲走原混凝土面上的坍土。还有一种相对实用的方法———沉管接桩法，其特点是将底部临时封闭的导管沉入原先的混凝土内，新灌混凝土将原先混凝土面上的土连续上返，达到接桩的目的。混凝土终凝后的断桩接桩，一般采用下沉混凝土管接桩。从原土面至桩混凝土面沉入若干个桩径大小的混凝土管，管与管之间固定，以免错位。施工中做好排水措施，管就位后，清孔接桩。此方法施工过程繁琐、效率低、工期长。本文介绍一种采用钢护筒对终凝后灌注桩进行接桩的施工方法，过程简便、操作性较好。

　　1 工程概况

　　1.1 工程简介

　　金茂逸庭商务中心项目位于昆明市巫家坝机场46号地块，由地下2层车库(局部1层)和5栋高层建筑组成，分为3栋公寓和2栋住宅楼，其中，公寓桩型为灌注桩，直径800mm，有效长度50m，桩身混凝土强度等级C55。住宅楼及车库桩型为预应力管桩。3号公寓在灌注桩基础完成后约30d，因业主方规划布局调整，将某电梯基坑取消，坑内有1根灌注桩。按照原图纸计算的桩顶标高与调整后的标高相差5m。业主方根据设计院对此处的验算，决定补桩。但此时灌注桩施工机械已退场，现场地形高差明显，机械二次进场及场地平整将产生较大的费用，也影响工期。

　　1.2 方案策划

　　施工单位经研究决定放弃补桩，按照断桩的原则，采用接桩法将其延伸至调整后的设计标高。因灌注桩混凝土已经达到龄期，沉管接桩法已不再适用，下沉混凝土管法在原则上可行。但考虑实际情况，灌注桩的偏位值不可知，混凝土管的定位是一大难题。另外，待接桩的桩身完整性是否满足规范要求，亦需要通过探伤检测，故该法有待商榷。要确定桩的位置，需将桩附近的土挖出，破除超灌部分的混凝土，露出桩体钢筋，在桩中心采集定位坐标高程信息。然后土体复位，桩重新定位，再进行后续操作。经研究决定，在土体复位后，采用比桩直径大0.4m的钢护筒进行接桩，钢筋笼为双钢筋笼。定位后，施压钢护筒至原桩设计标高，取出筒内土，下钢筋笼，浇筑混凝土，拔出钢护筒，完成接桩。

　　1.3 接桩的可行性研究

　　此类灌注桩的接桩方法，目前尚无简便方法的文献介绍，故需进行可行性分析，包括新旧混凝土接触面在荷载下的应力变化和桩土面的接触分析。接桩的前提是待接桩的桩身完整性满足要求，即达到Ⅱ类及以上。

　　1.3.1 新旧混凝土接触分析

　　桩体为受压构件，接触区域钢筋的搭接率为100%，需按照规范要求确定搭接长度。新旧接触面可能会出现微滑移、应力突变等问题，其稳定性需要通过计算确定。

　　1.3.2 桩土接触分析

　　桩与土接触即混凝土与土体接触，根据土体的相关参数，需考虑初始渗透摩擦力的影响，具有不分开接触、允许滑移和法向不分开的特点，属于非线性大变形问题。

　　上述两种接触分析，利用ANSYS14.0(APDL)大型有限元分析软件进行模拟仿真，验证钢护筒接桩法的可行性。

　　2 数值分析

　　将模型分为桩的接触分析和桩土接触分析，减小计算残差值，当残差值小于收敛准则时，非线性计算收敛。

　　2.1 接桩接触分析

　　2.1.1 新旧混凝土模型

　　建立接桩5m范围的桩体模型。桩体为圆柱状，属于轴对称实体，为简化计算，取1/4桩体。因本次分析只是针对新旧混凝土在地面以下5m处桩体的接触分析，故下部桩身长度取值10m，以桩长15m作为计算模型。混凝土实体单元选用solid65，定义其弹性模量3.55×10¹⁰Pa，泊松比0.17，密度2 500kg/m³。接桩模型及网格划分如图1所示。

　　

　　图1 接桩模型及网格划分  

　　 

　　2.1.2 接触面

　　新旧混凝土接触面采用ANSYS中的接触单元进行接触分析。一个目标面和一个接触面形成一个接触对，目标面的外法线方向指向接触面。因模型处于3D状态，故接触单元应选择3D单元。对于下部桩体目标面，选用targe170;上部桩接触面选择contact174。定义两个面上的程序参数，完成接触对的创建。接桩面接触如图2所示。

　　

　　图2 接桩接触面  

　　 

　　2.1.3 求解分析

　　因模型为轴对称实体，可在模型的径向面施加对称面约束，下部桩底部及侧面约束6个自由度;上部桩外侧面限制水平方向2个自由度。在桩顶面施加面荷载5×10⁶Pa。设置荷载步，打开大变形选项和自动时间同步。

　　程序经过非线性求解后，计算结果由一系列等值线云图构成，从这些图中可以分析结构的受力特性。总位移云图、等效应力云图如图3,4所示。

　　在时间-历程后处理器中，可得到模型在荷载步下的总位移和等效应力时程变化如图5,6所示。

　　从图3,5中得知总位移值<7mm，滑移值约为1mm。图4受压应力值约为20MPa，图6等效应力值<8MPa，不会引起接触面的大滑移。两者数值可以满足桩体受力要求。故桩身扩大的接桩方案可行。

　　

　　图3 总位移云图 

　　 

　　

　　图4 等效应力云图  

　　 

　　

　　图5 时间-历程总位移云图 

　　 

　　

　　图6 时间-历程等效应力云图  

　　 

　　2.2 桩土接触分析

　　接桩区域的土质为素填土，以下部分为黏土，需分开建模，利用程序中专门模拟岩土的DP材料和3D接触单元建立土体间的联系。

　　2.2.1 桩土模型

　　根据试算，桩芯4m范围内的土体受到桩本身荷载影响较小，为简化计算，土体水平方向长度取4m。因灌注桩分布在不同土层，各土层参数不一，故需逐一设置。根据试算，桩下3m区域的桩位移较小，故桩下的土高度取3m。底部土层总高度13m。底部土层内的桩长取10m，上部土层高度5m，上部桩高度5.2m。从桩接触分析的结果看，上部桩身直径可同下部桩身，取值800mm。上下桩身通过glue命令粘结即可。

　　土体和混凝土实体单元均采用solid45，定义不同的材料属性。混凝土弹性模量3.55×10¹⁰Pa，泊松比0.17，密度2 500kg/m³;素土弹性模量3×10⁶Pa，泊松比0.18，密度1 800kg/m³,DP材料参数黏聚力、摩擦角和膨胀角分别为15.2k Pa,16.4°，30°;黏土弹性模量8×10⁶Pa，泊松比0.35，密度2 000kg/m³,DP材料参数黏聚力、摩擦角和膨胀角度分别为37.1k Pa,19.8°，0°。1/4桩土模型及网格划分如图7所示。

　　

　　图7 桩土模型及网格划分  

　　 

　　2.2.2 接触面

　　桩与土可以看作是刚性体和柔性体的接触，在程序中，指定桩身混凝土面为目标面，土体面为接触面。本次接触分为桩与素土的接触和桩与黏土的接触，根据材料参数定义目标面和接触面参数，形成2个接触对。桩与黏土接触的接触对如图8所示。

　　

　　图8 桩与黏土的接触对  

　　 

　　2.2.3 边界条件及荷载步

　　因模型为轴对称实体，在模型的径向面施加对称面约束，土底部及侧面约束6个自由度，桩土顶面自由。桩土接触分析可分为2个荷载步，第1荷载步计算桩土之间的融合渗透，第2荷载步在第1荷载步的基础上计算荷载下桩的位移及应力变化。

　　本接触属于非线性大变形分析，需定义求解器中的相关参数，在求解结果控制选项中，打开大变形“large displacement static”选项，荷载步结束时间设置为250，开启“automatic time stepping”，并且将“number of substeps”文本框设置为150，“max No.of substeps”设置为10 000，“min No.of substeps”设置为10。第2荷载步需考虑自重对桩土接触的影响。

　　2.2.4 求解分析

　　第1荷载步中的接触分析总位移云图和等效应力云图如图9,10所示。

　　

　　图9 总位移云图 

　　 

　　

　　图1 0 等效应力云图 

　　 

　　第2荷载步中的接触分析结果可从时间-历程后处理器中得出各位移云图和应力云图。时间值为120时UZ方向上的位移云图如图11所示，总位移云图如图12所示。

　　

　　图1 1 时间值为120时UZ位移云图 

　　 

　　

　　图1 2 总位移云图 

　　 

　　时间-历程overtime SZ应力变化如图13所示。根据第1荷载步的云图分析，接触已经产生，且是随着荷载的增加，底部位移逐渐减小，ANSYS中位移曲线大致呈线性，符合桩土受力原理。在第2荷载步中，位移变化值在0.024m之内，应力集中在桩接触面和桩底部区域，其应力值不会影响桩的整体受力。

　　

　　图1 3 Overtime SZ应力变化 

　　 

　　此计算方案已得到甲方和设计院的核准，综上所述，钢护筒接桩法在理论上可行。施工单位编制了专项施工方案。

　　3 工程应用

　　3.1 钢护筒接桩法特点

　　钢护筒接桩法适用于终凝后的灌注桩接桩，接桩长度需根据计算结果并经设计院复核后采用，如有地下水，需制定降排水措施，其特点如下。

　　1)钢护筒为薄壁刚性构件，取材方便。在施压作用下可以在回填素土中快速进尺，相对于下沉式混凝土管，施工速度和效率显著提高。

　　2)钢护筒进尺至设计标高时，筒内土可采用人工取土，钢护筒起到了很好的护壁效果，安全性较好。

　　3)孔内准备完毕，浇筑混凝土后，钢护筒可以拔出，重复利用，经济效益显著。

　　3.2 工艺原理

　　根据待接桩的原定位坐标，找到桩的位置，放坡开挖至原桩设计标高，破除桩头素混凝土，露出钢筋，检测桩身质量。采集桩芯定位坐标及高程，素土回填至地面，场地平整，钢护筒就位，挖机施压至原设计标高，人工取土，清理桩孔，重新下放双钢筋笼，人入孔内将内部钢筋笼与原桩露出的钢筋绑扎搭接，浇筑混凝土，拔出钢护筒，接桩完成。

　　钢护筒接桩法效果如图14所示，底部接桩平面如图15所示。

　　

　　图1 4 钢护筒接桩法效果  

　　 

　　

　　图1 5 接桩平面 

　　 

　　3.3 工艺流程及操作要点

　　3.3.1 工艺流程

　　工艺流程:待接桩定位→放坡开挖至设计标高→破桩头→素土回填→钢护筒就位进尺→人工取土→下放双钢筋笼并绑扎搭接→浇筑混凝土→拔钢护筒。

　　3.3.2 操作要点

　　1)待接桩定位从工程桩坐标体系中找出待接桩的定位坐标，利用全站仪找出桩的位置，并做好标记。

　　2)放坡开挖至设计标高挖机就位，放坡开挖。因周围的灌注桩具有护坡作用，开挖坡度取1∶0.6。以定位标记为中心，向外各方向延伸3.5m，即上口尺寸为7m×7m，下口尺寸为1.5m×1.5m，留出后续作业的操作空间。本工程地下水位较低，开挖5m以内未见地下水。若地下水位高，可采取在附近打设降水井降低地下水位或者底部设集水井等降排水措施，确保下一步正常作业。

　　开挖时需注意，随时观察边坡的变化，出现裂缝、滑移倾向等现象时，及时采取措施加以控制。开挖结束后，需在基坑周边设置防护栏杆。

　　3)破桩头基坑检底后，测出设计标高高程线，破除灌注桩超灌的素混凝土。桩为受压构件，受力钢筋100%搭接时，搭接长度为1.6×35d×0.7，本工程留出的钢筋长度为1m，满足规范要求。破除后，桩头表面需平整且凿毛。经检测，该桩为Ⅱ类桩，可投入使用。

　　在桩面中心点采集坐标及高程信息，记录归档。将露出的钢筋弯向桩中心，弯向角度45°～60°为宜，目的为保护钢筋。

　　4)素土回填桩面钢筋弯向中心后，首先在弯向区域回填土，掩埋钢筋。随后大面积回填，直至现场地面标高。回填时，每隔1m厚度进行土体轻压实，不足1m厚的，放在最后一层压实。回填土完成后，对场地进行平整，给出施工机械操作面。

　　5)钢护筒就位进尺灌注桩直径为0.8m，为保证接桩质量，接桩区域的桩身直径取1.2m。采用直径1.2m、长度6m、厚度20mm的钢护筒作为护壁构件。根据采集的桩定位坐标，重新定位，并做好标记。在钢护筒顶端标记刻度和侧面标记高程线。之后以定位点为圆心，将钢护筒就位，机械施压，钢护筒逐渐进入土体中。两个方向上(90°夹角)架设经纬仪，根据顶端的刻度控制钢护筒垂直度，以侧面的高程线控制压入深度，直至钢护筒达到设计标高高程线，停止进尺。

　　6)人工取土因地面下的深度为5m，钢护筒内的土可采用人工取土，取土方法参照人工挖孔桩。只是钢护筒取代了护壁混凝土管，钢护筒刚度大，有良好的护壁作用，安全性好。人工取土前，做好安全技术交底，记录归档。施工时，孔上和孔内随时保持联系，取土深度达到2m时，往孔内不间断送风。现场管理人员做好施工记录，确保取土作业人数班前与班后一致。取土至混凝土面上时，将表面清理干净，将原先弯向中心的钢筋复位，清除孔内所有碎土，清孔完成。

　　7)下放双钢筋笼并绑扎搭接根据设计图纸，按照原来的桩身钢筋配置，重新制作钢筋笼，长度为5m+35d_g(桩顶伸入筏板的钢筋长度)。内外箍筋间距加密，为原来的0.5倍，直径10mm。接桩区域的桩身直径为1.2m，为了约束桩身周围的应力分散，在桩的外侧增设1圈钢筋笼。该钢筋笼由9个U形钢筋组成，钢筋直径较原桩钢筋大一个规格，长度同新制钢筋笼。利用钢筋连接件将2个钢筋笼焊接成整体双钢筋笼。钢筋连接件在钢筋笼底部和顶部各按均匀布置8个，直径同桩身竖向钢筋。内外钢筋笼连接如图16所示。

　　

　　图1 6 内外钢筋笼连接  

　　 

　　因双钢筋笼钢筋密集，下放时会导致钢筋笼底部不能到达孔底的桩面，钢筋笼底部搭接区域与桩头外露钢筋无法完成绑扎搭接。在施工现场，利用6m长的钢管作为导向构件，分别套入孔内钢筋。施工机械并辅助人工再将钢筋笼沉入孔内。此时，钢筋笼可顺利到达孔底，随后抽出钢管，利用线坠法控制钢筋笼垂直度。确定垂直度后，固定钢筋笼，继而孔内下人对底部钢筋进行绑扎，搭接长度为1m。

　　8)浇筑混凝土混凝土存在新旧结合面，根据后浇带浇筑原则，新浇筑混凝土较原混凝土高一个强度等级。浇筑混凝土前，再次检查固定的钢筋笼是否偏位，及时纠偏。浇筑方法依然采用导管法，导管伸入地下大约4m的位置，开始浇筑，随即振捣密实，整个过程提管3次，最后形成一个扩大的桩头承台。

　　9)拔钢护筒混凝土浇筑完成且振捣密实后，需拔出钢护筒。提升机就位，两个方向(90°夹角)上架设经纬仪，对准护筒顶端的刻度。缓慢提升钢护筒，经纬仪控制提升时的垂直度。钢护筒提出后，因素土中孔隙较多，混凝土面可能会有小部分下降，重新补浇至设计标高即可。

　　3.4 质量安全对比分析

　　钢护筒接桩法可以利用钢护筒的整体性控制接桩垂直度，保证了传力的合理性。施压后若钢护筒偏位过大，可拔出重新定位，机动性较好。若按照下沉混凝土管法接桩，需逐节安装，逐节下沉，整体垂直度难以保证;当混凝土管偏位时，则难以纠正，使得桩整体偏心受力。故在接桩质量方面，钢护筒接桩法要优于下沉混凝土管法。

　　钢护筒本身具有的刚度和强度可作为很好的护壁构件，当有地下水时，亦可阻止水流渗入孔内，仅在底部设置小型集水井抽水即可，增加了孔内操作人员的安全性。另外，钢护筒法工期短，减少孔内人员的工作时间。下沉混凝土管法节与节之间的连接有渗漏风险，且施工工期较长。所以，在接桩安全方面，钢护筒接桩法要优于下沉混凝土管法。

　　3.5 效益对比分析

　　业主方主张平整场地，机械二次进场，通过补桩达到地基承载力补强的目的。但根据现场情况，补桩会带来3号公寓桩基工程滞后，工人窝工;场地平整会占据其他楼栋的作业面，工程成本计量繁琐。采用下沉混凝土管法，也有成本增加和工期滞后的风险。钢护筒接桩法具有施工简便、操作灵活和显著节约成本的优势。其成本构成仅为接桩段的材料费、人工费和机械费，3d内即可完成接桩，合计成本约1万元。若补桩，不考虑其他未知因素，仅桩成型的费用就已超4万元。

　　根据施工单位测算，考虑场地平整、机械进场、补桩施工和工期损失，预算约12万元。下沉混凝土管法工期约为8d，预算约4.2万元。可见，钢护筒接桩法具有相当可观的经济效益。该方法得到了业主方、监理方和专业承包方的一致认可。

　　钢护筒接桩法与下沉混凝土管法和补桩在工期及成本上的对比分析如表1所示。

　　  

　　表1 工期及成本对比分析 

　　 

　　 

　　

　　表1 工期及成本对比分析

　　4 结语

　　基于昆明金茂逸庭商务中心项目的布局规划变更，对未达到设计标高的灌注桩进行处理。寻找到一种施工简便、操作灵活的接桩方法———钢护筒接桩法。通过ANSYS有限元软件对接桩和桩土进行数值仿真模拟和可行性分析，计算结果均符合设计要求。钢护筒接桩法加快了工程整体进度，较重新补桩和传统的下沉混凝土管法接桩在安全性、经济性、工期要求方面都有着较大的优势。项目采用钢护筒接桩法解决了终凝后的灌注桩接桩难题，不占据其他工作的作业面，既缩短了工期，又大幅度降低了成本，效果良好，可为类似工程提供借鉴。