基于新旧桩基础变形的加固设计计算方法

陆观宏，陈运新

(1.广东交通职业技术学院，广东广州 510650;2.广州铁路集团公司贵广铁路广州枢纽工程建设指挥部，广东广州 510370)

基于新旧桩基础变形的加固设计计算方法

陆观宏1，陈运新2

(1.广东交通职业技术学院，广东广州 510650;2.广州铁路集团公司贵广铁路广州枢纽工程建设指挥部，广东广州 510370)

基于新旧桩基础变形的加固设计计算方法，应用于加固工程时，计算公式中的承台与基础梁下部土层的荷载承担系数的取值受主观因素影响很大。本文推导出新的加固设计计算方法，避免了土层荷载承担系数取值的问题，并考虑了当存在负摩阻力时桩基础的刚度降低以及荷载增加，更为合理，并应用新的计算方法对某工程的加固效果作了分析，很好地解释了其加固效果不理想的原因。

桩基础 加固 负摩阻力

建筑物桩基础由于设计或施工等因素出现质量问题，或者因加层、改变用途等导致建筑物出现过大沉降或不均匀沉降，实际工程中经常采用的加固设计计算方法是重新核算建筑物传至承台的荷载p，评估原桩基础的承载力p1，确定新加桩的单桩承载力p2，应满足p≤p1+p2，但该设计方法仅考虑了力的平衡条件，而加固设计更应考虑新旧桩基础的变形条件。

1 考虑新旧桩基础变形的加固计算方法

把桩基础看作弹簧，假设原来每根基桩刚度系数为k0，桩数为n0，建筑物已施加给桩基础的荷载为N，尚未加上的荷载为N'，在N作用下，至加固前的实测沉降为s1，如果不加桩，在N作用下沉至s才能达到稳定。加桩后新旧基础共同承担的新荷载ΔN为

设每根新加桩的刚度系数为k1，新加桩数量为n1，由于加桩，建筑物不可能沉至s，只能沉至s2，令Δs为加桩后建筑物的沉降量，则Δs为

由于建筑物沉降，承台、基础梁或首层地板下的土层可能承担了部分荷载，若基础加固后，不再考虑这部分荷载由土层承担，则这部分荷载在加桩后全部转移，加桩数量应为

式中，m为在恒载作用下承台与基础梁下部土层的荷载承担系数，0＜m＜1;s可根据实测沉降观测资料拟合推导出。

2 考虑负摩阻力的加固计算方法

上述加固设计计算方法曾应用于某多层建筑基础加固(见工程实例分析)，但存在两方面不足:一方面，该方法只适合于一般受力的桩基础，当桩基础存在负摩阻力时，原桩基及新加桩基的刚度及承载力均发生变化，上述方法不再适用;另一方面，承台与基础梁下部土层的荷载承担系数m的取值受主观因素影响很大，难以合理准确。现对上述方法进行改进。

1)考虑下部土层承载影响的基桩刚度调整

加固前，若承台或基础底板下的土层承担荷载，加固后，不再考虑这部分土层的承载作用，或土层下沉后将荷载转移到桩基础，则原基桩的刚度系数k0应按式(4)调整为k'0

式中，T为承台或基础梁下部土层承担的建筑物荷载。

2)考虑负摩阻力的基桩刚度调整

当桩基础存在负摩阻力，原桩基及新加桩基均需要考虑刚度调整。图1中(a)、(b)分别代表桩基在正摩阻力和负摩阻力作用下的受力状况，设

图1 桩基受力

可得p'=p－q1－q3

式中，p为不考虑负摩阻力时单桩承载力;p'为考虑负摩阻力时单桩承载力;q1指基桩中性点以上的实际摩阻力，为负摩阻力;q2为桩中性点以下的摩阻力;q3为因忽略负摩阻力存在(桩侧摩阻力均按正摩阻力对待)基桩中性点以上的侧摩阻力。当q3已作为外荷载考虑时，有p'=p－q1。

实际桩的承载力为p'，其相应的刚度系数为k'，则

故桩基修正后的刚度为

式中，k为不考虑负摩阻力时刚度系数。

对公式(1)作如下修正

由于N=n0k0s，Δs=s2－s1，可得

式中，q0为原基础桩单桩承受的负摩阻力;q1为新加桩单桩承受的负摩阻力。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

某住宅楼为8层混合结构，采用φ480锤击沉管灌注桩基础，桩长16～22 m，以砂质黏性土层或全风化花岗岩作为桩端持力层，桩身混凝土强度等级为C20，单桩承载力设计值600 kN。该楼竣工后即发现楼体产生较大沉降，于是开始进行沉降观测。5年半后，该建筑物4个角部的沉降量分别为533 mm，641 mm，614 mm和445 mm，并产生一定程度的倾斜。场地地下水位深1.0 m，岩土层分布如表1所示。

3.2 加固方案及加固效果

3.2.1 加固方案

该工程墙体为承重墙，承重墙下为钢筋混凝土基础梁，基础梁下即为φ480沉管灌注桩。加固采用静力压桩加固方法。静压桩施工完成后，在桩顶处设置新的基础梁，新基础梁与原基础梁连接在一起，共同承担上部荷载。

表1 场地地质情况

采用考虑新旧桩基础变形的加固设计计算方法，新设置的基桩桩身尺寸为300 mm×300 mm，最大压入荷载为800 kN，设计承载力为400 kN。根据经验，在设计荷载400 kN作用下，桩基沉降约为20 mm，即k =20 000 kN/m。N=25 164 kN，N'=2 796 kN。加桩后基础沉降应较小，控制在20 mm左右，即Δs=20 mm。承台与基础梁下部土层的荷载承担系数m取为1/4，s1取加固前4个角点沉降量的平均值556 mm，根据实测沉降观测资料，按双曲线模型拟合求得s=784 mm。

原桩基础的刚度系数k0=25 164/(75×0.784)= 427.96 kN/m，根据式(3)求得加桩数量后，取为34根。

3.2.2 加固效果

工程加固于2001年6月14日至12月24日进行，加固期间及加固后观测到的沉降变化情况如图2所示，可见，至2002年1月9日，各观测点的平均沉降量达51.6 mm，加固之后沉降速率仍达0.1 mm/d，说明沉降未能稳定，加固效果不甚理想。

图2 加固期间及加固后沉降曲线

3.3 建筑物的沉降原因分析

3.3.1 淤泥层的固结度计算

由于无淤泥层和填土层的渗透性及压缩性试验数据，根据经验，取淤泥的渗透系数K1=1.0×10－7cm/s，其压缩模量Es=1.5 MPa;填土层由花岗岩残积土组成，取渗透系数K2=1.0×10－5cm/s，取填土层作为淤泥的固结排水层，淤泥下卧层为黏土层，淤泥固结按单向排水固结考虑，假设填土为瞬时加载，根据公式

式中，U为固结度，Tv为时间因数，为填土堆填时间t的函数。可以求得，当固结度U=0.8时，t=17.4年;当固结度U=0.9时，t=25.9年。加固时，填土的堆填时间约10年，求得淤泥的固结度U=0.64，说明至建筑物基础加固时，淤泥层固结沉降仍在继续。

3.3.2 原因分析

经计算，基础加固之前，填土与淤泥层固结的平均总沉降量约为541 mm，接近或小于建筑物平均下沉量556 mm。现场调查情况表明，基础梁及首层地板均没有与填土脱离，因此，建筑物基础加固时，原桩基础负摩阻力为0或很小。

原设计桩基础为62根φ480沉管灌注桩，桩基检测后发现部分桩基存在缺陷，增加了13根，共计75根桩基。建成后，在尚未投入使用的情况下，建筑物一直下沉，5年半后，平均下沉量达到556 mm，已大大超过规范的要求。建筑物恒载总重量为25 164 kN，单桩平均承担荷载为N1=25 164/75=335.5 kN，即原桩基的单桩极限承载力NU＜335.5 kN，单桩承载力设计值为R=Nu/γc，γc为分项系数，取1.65，可得原桩基的实际单桩承载力设计值R＜203 kN。

通过上述分析可知，建筑物加固前，桩侧土层提供的是正摩阻力，加固后，由于存在负摩阻力，桩的实际承载力设计值小于203 kN，这与原设计值600 kN相差较多。这是建筑物建成后发生如此大沉降的主要原因。由于原沉管灌注桩质量差，承载力低，造成建筑物平均下沉量大于填土和淤泥层的同期固结沉降量之和，基础梁及底板与填土层都未脱空，因此，加固前，填土对建筑物具有承载作用。加固过程中，需在基础梁两侧挖槽，对基础梁下的填土层造成干扰，削弱了填土层对基础梁及底板的承载作用，建筑物出现明显的加速下沉(如图2)，说明填土层的承载作用是显著的，但在设计时不应计入填土层的承载力。

3.4 考虑负摩阻力与基础变形进行加固设计

从以上的分析可知，桩基的负摩阻力必定会产生，在负摩阻力作用下，桩基的稳定沉降量必定大于拟合曲线所推导的沉降量，桩基的刚度要相应调整。重新设计计算如下。

原桩基单桩负摩阻力q0=66 kN，新增加桩的单桩负摩阻力q1=53 kN，建筑物的基础梁宽为400 mm，总长度为203 m。填土层具有一定压实度，根据1998年的钻探结果，取承载力标准值为95 kPa，则承台及基础梁下的填土承担建筑物的荷载T=203×0.4×95= 7 714 kN。

1)原桩的刚度修正

①考虑填土承载修正的刚度k'0=(25 164－7 714)/(75×0.784)=296.76 kN/m。

②考虑负摩阻力的刚度修正，p=12 820 kN，p'= 12 820－66×75=7 870 kN，k0=296.76×7 870/ 12 820=182.2 kN/m。

2)加固桩单桩刚度k1修正

k1值应根据桩基荷载试验Q～s曲线求得，现仍按20 000 kN/m计算，刚度修正计算为，p=400 kN，p'= 400－53=347 kN，k1=20 000×347/400=17 350 kN/m，加固桩数量n1为

从上述计算结果看出，负摩阻力不但降低桩的承载力及刚度，而且增加桩的负载。考虑负摩阻力作用后，需增加的静压桩数量为85根。

4 结束语

传统的桩基加固设计计算方法过于简单。本文推导的桩基加固设计计算方法，把桩基础看成弹簧，按新旧基础变形进行设计。当桩基础存在负摩阻力，则原桩基及新加桩基的刚度及承载力均发生变化，桩基刚度应作相应调整;当承台或基础底板下的土层承担了荷载，加固后，不再考虑这部分土层的承载作用，或土层下沉后将荷载转移到桩基础，则原桩的刚度系数应作调整。改进后的计算方法更合理实用。对某工程的加固效果分析表明，是否考虑负摩阻力，设计计算方法不同，对加固效果影响很大。该桩基加固设计计算方法具有较好的参考价值，可推广应用。

［1］陈运新．既有建筑地基基础加固与案例分析［D］．广州:华南理工大学，2005．

［2］孙更生，郑大同．软土地基与地下工程［M］．北京:中国建筑工业出版社，1987．

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TU473.1+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2012．07-25

1003-1995(2012)07-0085-03

2012-02-21;

2012-04-13

陆观宏(1970—)，男，广东湛江人，副教授，博士研究生。

(责任审编 李付军)