工程中桩基由于各种原因出现偏斜, 常用纠偏方案为卸荷与加载^[1,2,3], 即在桩基偏移反向通过卸土或施工应力孔卸去荷载, 而在偏移方向增加荷载, 加载方式可以是地面堆载、锚拉以及千斤顶顶推等。其中, 千斤顶顶推是最为有效也最为常用的方式, 但在没有反力座的情况下难以采用千斤顶加载, 在此情况下, 如何在不破坏原有支护结构的前提下进行桩基纠偏是一个现实问题。

强夯置换法是利用夯锤较大的冲击能将碎石、块石、矿渣等物理力学性能较好的粗粒料强行挤入天然地基, 通过置换形成桩-土复合地基, 最终达到加固地基的目的。该法施工简单、所形成桩体兼有复合地基和竖向排水通道的作用, 有时也具有对桩体周围土体挤密的效果^[4,5]。该方法在软弱地基加固中应用较多^[6], 尝试利用其对土体的挤密作用将其用于桩基纠偏工程并取得较好效果。

某厂平工程, 现状地面高程为71.000~73.000m, 设计地面高程为100.000m。场地地层分布为: (1) 杂填土, 松散; (2) 粉质黏土, 稍湿, 可塑状态, 含粉土与白色高岭土; (3) 粉质黏土夹卵石, 湿, 密实; (4) 细砂, 稍湿, 密实; (5) 砂岩, 中风化, 厚层状结构。因用地范围有限, 场平填土形成的高边坡采取挡土墙支护, 设计挡土墙剖面结构如图1所示。其中, 钻孔灌注桩直径1.5m, 桩间距3.0m, 方柱边长为1.7m, 钻孔灌注桩与方柱间钢筋通长配置。方柱顶部设连梁, 每5根方柱为1组, 方柱后设挡土板。

填土至约为76.000m高程后施工钻孔灌注桩, 挡土结构施工完毕后进行墙后填土, 填土期间出现间歇降雨, 填土至墙顶时, 发现约有2组共10根方柱有不同程度的偏移 (见图2) , 墙顶偏移量为20.0~50.0cm, 方柱表面没有裂纹, 墙前约1.0m宽范围内土体有隆起及横向裂隙等现象, 经小应变检测桩身结构完整, 综合判断是桩柱发生了整体偏移。

经调研, 发现有以下问题。

1) 先期71.000~76.000m间填土没有按要求夯实处理, 较为松散, 造成钻孔灌注桩施工时孔壁坍塌严重, 后采取高压旋喷桩进行加固处理, 由此, 沿挡土墙底形成1道事实上的隔水帷幕, 导致桩后地下水不能排出。

2) 挡土墙后没有按要求施工反滤层, 导致墙后填土中的水不能及时排出。

3) 由于5.0~6.0m厚新近填土较为松散, 桩前被动抗力较小。

上述情况造成墙后压力过大, 使桩墙发生偏斜。

在充分考虑挡土结构安全的前提下, 以最少的投入和最短的时间纠正桩柱偏移, 并对桩前填土加固, 保证墙后填土顺利施工, 满足设计要求。

基本思路是先进行墙后卸土, 然后在方柱偏移向施加反力顶推。常用的加载方法是锚拉或千斤顶。据现场实际情况, 采用锚拉没有锚固点, 采用千斤顶施加荷载, 现场没有合适的反力墙, 由于偏移桩柱较多, 涉及挡墙长度约为33.0m, 新建临时反力墙成本太大, 时间上也不允许。综合考虑加固要求与施工条件, 采用强夯置换法进行处理, 在加固地基的同时, 利用其横向挤密作用对桩基施加侧向挤压力。

采用碎石挤密的关键之处在于碎石桩的布设与施工控制: (1) 要控制挤压力的方向。一般情况下, 碎石桩形成的挤压力向周边扩散, 因此, 夯点布设要使碎石桩形成约束墙体, 使土体挤压力逐渐向挡墙方向传递。 (2) 要控制挤压力大小, 在纠偏的同时不能使桩基剪切破坏。而挤压力大小与周边土体约束形成的围压有关。综合考虑以上因素, 得到碎石夯点布置方案, 如图3a所示。图中数字为碎石桩施工顺序, 阴影部分为先期施工形成的碎石块体, 通过碎石块体的约束作用控制后期施工的碎石桩挤压力方向与大小, 从而达到纠偏的目的。

挤压力大小P (见图3b) 是由于碎石挤密效应作用在桩柱上的反向作用力, 其值与碎石块体大小 (如碎石加固体厚度H、碎石加固体长度L) 、墙后卸土高度、墙前填土厚度等参数有关。实际上, 碎石夯点从远端至近桩端施工过程中, 挤压力逐渐增大, 鉴于问题的复杂性, 本文不考虑桩柱复位的动态过程, 将动态加固问题简化为拟静力问题, 将碎石块体拟为刚体, 估算一定条件下所需最大挤压力P。计算时, 可据实际情况初步确定墙后卸土高度、墙前填土厚度及碎石加固体厚度H, 然后据式 (1) 估算出所需挤压反力P, 在满足式 (2) 的前提下, 据式 (3) 估算碎石加固体长度L。

式中:E_a, E_p分别为墙前与墙后主动及被动土压力;h_a为主动土压力合力至桩底距离;h_p为被动土压力至桩底距离;h为挤压力合力至桩底距离, 可取合力作用点距地面H/2;φ_s为与碎石加固体接触的土体内摩擦角;γ_g, φ_g分别为碎石加固体的重度与内摩擦角;f_a为被加固土体承载力;E为加固体侧壁所受土压力, 可采用朗肯主动主压力计算;β_c为混凝土强度影响系数;b为截面宽度, b=1.76r;h₀为截面有效高度, h₀=1.6r, r为支护桩半径。

本工程中, 墙后卸土至高程76.000m, 墙前填土至77.000m。单根碎石加固体直径取D=2.0m, 加固深度要求穿过新老填土, 取H=6.0m, 其他参数如表1所示。计算中φ_g取新近填土内摩擦角, 由于墙前地形原因, 不考虑碎石块体端部对反力的贡献, 计算得L≥5.0m。实际布置4排碎石桩, 桩距为2.0m, 碎石块总体长度为8.0m, 其中L=6.0m。

纠偏以单个桩柱为对象间隔进行纠偏工作, 顺序为 (2) → (4) → (6) → (8) → (10) → (9) → (7) → (5) → (3) → (1) , 施工步骤如下: (1) 卸除挡土墙后填土至桩顶, 并沿待纠偏桩后挖切1~2m沟槽; (2) 断开墙顶连梁; (3) 平整场地, 做好碎石桩位标记; (4) 按图3a所示顺序施工碎石桩; (5) 转入下一桩位重复前述步骤 (1) ~ (4) ; (6) 全部纠偏完毕, 检验合格后重新浇筑柱顶连梁。

为了保证纠偏效果, 在施工过程中采用了以下控制措施。

1) 施工前对周边裸露管线进行了有效覆盖, 以防落石损坏。

2) 夯击能量及单桩终止夯击条件控制。考虑到加固深度有6m, 要求夯击能量在3 000~4 000k N·m, 以最后两击平均夯沉量≤10cm为终止条件。实际加固体直径≥2.2m。

3) 为了保证施工过程中桩柱不发生左、右侧斜, 纠偏过程中采用钢丝绳对方柱锚拉定向, 钢丝绳采用推土机反拉固定。

4) 施工过程中注意观察桩位偏移速率的变化。据桩位偏移方向及大小及时调整夯击能大小, 并且对碎石桩位进行微调。

通过半个多月的施工, 顺利完成了桩基纠偏工作。实践表明, 通过有针对性地利用土体挤压效应, 可将强夯置换法应用于桩基纠偏工程, 实施过程中, 只需调整相关设计参数即可。需要指出的是, 该法施工时振动较大, 对周边环境要求较高;另外, 参数估算时, 将碎石加固体理想化为刚体, 也没有考虑挤压力变化与传递的动态过程, 与实际情况有一定差距, 这有待在以后的工作中进一步改进。