多桩型复合地基是采用两种及两种以上不同材料增强体或采用同一材料、不同长度增强体加固形成的复合地基 ^[1,2]。多桩型复合地基是在等变形条件下由多种增强体与地基共同承担荷载的复合地基,一般适用于一种增强体处理后,复合地基仍达不到设计要求的承载力或变形要求,需要再采用其他增强体处理使复合地基满足设计要求的情况 ^[3,4]。长短桩复合地基是实际工程中常见的多桩型复合地基处理方式 ^[5]。

　　 复合桩基是由基桩和承台下地基土共同承担荷载的桩基础 ^[6]。摩擦桩是常见的复合桩基,软土地基上的减沉疏桩基础也属于复合桩基。在桩基施工完成后,如果由于某些原因出现单桩承载力不足的情况时,通常采用补桩的处理方案。如果现场条件允许,一般也是采用同类型的桩进行补桩。本文基于长短桩复合地基的机理,结合某高层住宅楼工程实例,采用补较长灌注桩对预应力管桩基础进行加固处理分析。

　　 某高层住宅楼为32层,采用框架-剪力墙结构,基础采用桩筏基础。桩基础采用预应力管桩,管桩选用PHC-500AB125-25b型,桩径500mm,桩间距1.8～2.0m,桩端以(12)角砾层为持力层,桩端全截面进入(12)角砾层的深度不小于0.5m,桩长25～30m。管桩的单桩竖向承载力特征值为2 350kN,采用静压方式沉桩,沉桩终止压力值不小于5 500kN,总桩数为433根,布桩如图1所示。

　　 根据岩土工程勘察报告,场区内揭露地层主要为第四系填土、黏性土、碎石等,下伏基岩为燕山期辉长岩。经钻探揭露,场区地层自上而下分为①杂填土、②～⑧粉质黏土、⑨含姜石黏土、⑩～(11)粉质黏土、(12)角砾、(12)_-1碎石、(13)全风化辉长岩、(14)强风化辉长岩、(15)中风化辉长岩等共15层。场区地下水为第四系孔隙水,勘察期间稳定水位埋深1.80～4.40m,平均埋深2.86m。地层主要物理力学性质指标如表1所示。

　　 在大面积施工前,施工单位选择3根试桩进行施工,终压值分别为3 335,3 186,3 476kN,远低于设计要求,工程桩施工期间也存在类似情况。桩基施工结束后,对5根桩进行静载试验,其中3根不满足设计要求,单桩最小竖向极限承载力仅2 500kN。但管桩低应变检测结果均满足要求。

　　 根据桩基静载试验结果,承载力不足的基桩静载荷载-变形(Q-s)曲线多呈“陡降型”,而这种类型破坏多为由桩端持力层承载力不足、桩径不大、桩端刺入持力层引起的破坏。因此,初步分析本工程的基桩承载力不足与桩端持力层承载力不足有较大关系。根据勘察报告绘制该工程桩端持力层(即(12)角砾层)层底绝对标高等值线图,如图2所示。由图12可见,持力层层底起伏较大。

　　 经复孔勘察(表2),部分基桩桩端持力层厚度不足、桩端(12)角砾层中粉质黏土含量较多或者桩端进入(13)全风化辉长岩层。

　　 根据桩基规范 ^[6]经验公式(5.3.5)复核单桩承载力发现,承载力不足的基桩,其静载试验检测得到的极限承载力与桩极限侧阻力较为接近,说明桩端阻力发挥较小,这与桩端持力层承载力不足有关,如表3所示。

　　 同时,也不能完全排除管桩施工中产生的基桩上浮等因素对基桩的承载力的影响是导致桩基承载力不足原因之一。试桩过程中,有多根试桩压桩时承载力不足,但经复压后满足设计要求; 大范围施工完后,满足静载试验要求的试桩均有一侧没有管桩; 第1次静载试验不合格的202#基桩第2次静载试验的极限承载力相对于第1次静载试验提高约500kN。而该桩第1次静载试验检测得到的极限承载力值与其计算得到的桩极限侧阻力值基本相同,说明该桩桩端阻力基本没有发挥; 而复压后,其极限承载力值与该区域其他承载力不足的桩极限承载力相近。

　　 另外,压桩过程中地表土体的下沉以及施工后的基坑降水等会对基桩产生一定负摩阻力,对基桩的承载力也会产生一定影响。

　　 基于第2节对桩基承载力不足进行的分析,针对该工程桩基承载力不足的问题,可以采取复压+桩底注浆或补桩的措施进行加固,以弥补桩端持力层承载力不足或者基桩上浮等因素带来的桩基承载力不足。

　　 复压+桩底注浆的方案:存在一定的不确定性,一方面,复压需要开挖至桩顶进行施工,但是施工机械在场地内运行存在困难,对既有桩基也有影响; 另一方面,由于场地地质不均匀,如果复压和注浆不能满足要求,还要进行补桩,工期不允许。

　　 补桩方案:基于长短桩复合地基原理,补长桩。补长桩的主要作用是提高承载力、控制沉降量。在补桩与既有管桩联合作用的区域以提高承载力为主要目的,在长桩单独工作的区域以减小沉降量为主要目的。补桩对承载力和沉降变形有可控性。

　　 该工程既有桩基为预应力管桩,桩径为500mm,桩长不小于25m,桩间距为1.8～2.0m。补桩若采用相同直径的管桩,会产生较大的挤土效应,有可能会引发既有管桩的倾斜或断桩,影响既有桩基的承载力,而且,由此产生的群桩效应会使补桩区域的沉降变形增大。同时,由于场地地质条件较为复杂,采用管桩补桩也存在承载力不可控的问题,不同区域的补桩效果会有较大差异。因此,补桩宜采用非挤土的钻孔灌注桩,桩径为600mm,桩长为35m,桩端持力层位于(13)全风化辉长岩层(其极限侧阻力和极限端阻力标准值分别为80kPa和1 100kPa),采用后注浆方式,单桩承载力特征值取2 500kN。

　　 根据桩基检测结果以及桩基施工记录,承载力不足的试桩均分布在场地的西侧,单桩承载力特征值介于1 250～1 750kN之间,其中,单桩承载力特征值低于1 500kN的基桩,经复压后承载力特征值超过1 500kN,但与单桩承载力特征值2 350kN的设计要求仍有较大差距。根据静载试验检测结果和单桩承载力的计算结果,既有桩基的单桩承载力仅考虑侧阻力提供的承载力,按照1 500kN考虑。

　　 根据该楼PKPM设计计算模型,该楼总荷载约848 787kN,既有433根管桩的单桩承载力按照1 500kN考虑,桩基的总承载力为649 500kN,补桩需承担荷载约199 287kN。补桩的单桩承载力约2 500kN,需补桩80根。考虑到补桩所造成的群桩效应的影响以及控制沉降变形的要求,设计补桩155根,补桩的实际总承载力接近补桩所需承担荷载的2倍。

　　 根据设计文件,该工程结构形式为框架-剪力墙结构,且剪力墙主要分布在结构的周边区域。根据设计单位提供的桩顶荷载的分布图发现,桩顶荷载较大的基桩都分布在筏板南北两侧的剪力墙下部的区域,特别是平面上有凸出的部位,而中间部位的桩顶荷载相对较小。

　　 根据该工程桩基桩顶荷载分布所表现出的南北两侧大中间小的形态,同时,兼顾该结构剪力墙分布的形式,补桩区域主要集中在南北两侧桩顶荷载较大的区域。在中间及东西两侧根据均衡原则适当地布置补桩。由于该工程筏板厚度相对较大,具有一定的刚度,补桩后,会对桩顶荷载进行再调整,使补桩及既有管桩的受力更为合理,补桩布置图如图3所示。

　　 根据PKPM软件的有限元分析结果,补桩后桩顶荷载均有较大的减小,基本仍呈现南北高而中间低的情况,其中中间部分的桩顶荷载均不大于1 500kN,南北两侧的桩顶荷载均不大于1 800kN,小于1.2倍的单桩承载力特征值。

　　 实际上,有限元分析软件无法考虑长短桩对桩顶荷载的影响,而在变形协调的情况下,长桩的侧阻力要大于短桩,长桩桩顶所承担的荷载也会大于短桩,使得周边管桩所承担的荷载进一步减小。

　　 另外,尽管试桩时存在东边基桩承载力较西边相对较好的情况,但是界限难以确定,布桩时也进行了相对保守的设计。

　　 补桩位于既有相邻管桩的中心,与相邻既有管桩的最小桩距为1.35m,约为桩径的2.24倍,补桩后的群桩效应主要表现在以下三个方面:一是由于钻孔灌注桩的成孔会使管桩周边的土体产生应力松弛,从而影响管桩的承载力; 二是由于补桩与管桩间的桩距较小,会影响补桩区域的群桩承载力,同时会产生较大的附加沉降; 三是由于补桩与既有管桩是两种不同的桩型,会产生变形不协调问题。

　　 (1)对于由于成孔造成的管桩周边土体的应力松弛问题,可以通过桩侧后注浆的方式进行弥补,通过适当增大注浆压力,达到增加桩侧土压力的目的。

　　 (2)对于补桩对群桩承载力的影响,经计算,补桩各区域的侧阻力群桩效应系数均不小于0.9,说明群桩效应对承载力的影响并不明显。同时,补桩比既有管桩长约10m,一方面可以保证增长部分的补桩承载力不受群桩效应的影响(增长10m部分的单桩承载力特征值不小于1 000kN),另一方面采用长短桩设置可以减小由于群桩效应带来的补桩区域沉降变形的增大。

　　 (3)对于两种不同桩型的变形不协调问题,也可以通过增加桩长和后注浆的方式加以解决。通过后注浆,减小灌注桩由于桩底沉渣造成的附加沉降,同时通过增加桩长、桩端选择压缩性更低的持力层,也可减小灌注桩的沉降变形。同时,考虑到既有管桩可能存在上浮及持力层承载力不足的问题,在既有管桩桩底深度处(25m左右)设置灌注桩的桩侧注浆管,通过注浆改善既有管桩桩底持力层的地基承载力,减小桩端变形,同时减小两种不同桩型由于受力机制不同所带来的变形不协调问题。

　　 由于本方案在补桩数量及补桩的单桩承载力方面具有较大的安全储备,同时,补桩区域仅涉及三分之一的既有管桩,因此补桩所带来的群桩效应对桩基承载力及变形的影响均在可控的范围。

　　 (4)局部补桩后的桩基沉降计算

　　 将地基分为三个部分:将既有管桩桩底以上范围视作实体深基础; 既有管桩桩底至补桩桩底的范围视作复合地基,采用“复合地基压缩模量提高系数法” ^[4,7]计算地基压缩模量,约45MPa; 补桩桩底以下为(13)全风化辉长岩层和(14)强风化辉长岩层,压缩模量分别为15MPa和45MPa。补桩增长的10m范围内主要为含粉质黏土的(12)角砾层和(13)全风化辉长岩层,增长区域换算压缩模量是未补桩时压缩模量的3倍左右。经计算,补桩区域的桩基沉降较未补桩时的桩基沉降减小约8mm。

　　 该工程主体结构施工时设置了21个沉降观测点,根据观测结果,该工程主体竣工时最大沉降量为7.74mm,最大沉降差为2.44mm。目前该工程已交付使用两年,沉降变形稳定,未出现不均匀沉降及主体结构倾斜,地基基础加固效果良好。

　　 本文基于多桩型复合地基理论,采用长短桩对复合桩基进行加固设计; 结合某高层住宅楼桩基加固工程实例,在分析事故原因的基础上,对采用补较长钻孔灌注桩加固处理既有预应力管桩基础进行了计算分析,并针对补桩后的群桩效应问题提出了应对措施。

　　 竣工后两年的观测结果表明,该工程沉降变形稳定,加固处理效果良好。