王天晴， 董华阳， 李君成， 陈映棠， 董立恒， 王璀瑾
（1山西省建筑科学研究院，太原030001；2大连理工大学建设工程学部，大连116024）
[摘要] 在静压钢管桩施工过程中经常遇到桩长过大但单桩压力却无法满足设计要求的情况，针对此情况提出了在钢管桩制作时每隔一定距离在桩两侧增设耳托板，同时在耳托板上部的管壁上打孔的解决方案。结合某一实际工程的地基加固，进行了常规试桩、增设耳托板试桩、增设耳托板加侧孔注浆及底部敞口无耳托板加侧孔四类试桩的现场试验。试验结果表明，采取在钢管桩上增设耳托板加侧孔，压桩后在向管内注入细石混凝土时将有部分浆液通过侧孔流出，凝固于管壁周围，起到了增加侧阻力和稳定桩身的作用。该工程实践证明，采用增设耳托板与侧孔注浆两种措施联合使用可有效地增加静压钢管桩的承载能力，并可降低工程造价。
[关键词] 小型钢管桩；单桩承载力；耳托板；侧孔注浆；静压试桩
0 前言
小直径（桩径D< 300mm）静压钢管桩在中小型工程地基处理中应用较多，特别是在既有建筑地基基础的加固中，这种桩型以其自重轻、施工周期短、见效快、操作方便、布桩灵活等优势受到了从事工程加固改造技术人员的青睐，得到了较为广泛的应用。然而，由于这种桩一般直径不大、管壁光滑，端阻力和侧摩阻力较小，影响了桩的承载能力。有时为了满足工程需要，不得不加大桩长，导致桩的长细比过大，甚至影响到桩身稳定等，也使基底持力层的潜力得不到发挥。另外，较长的钢管桩性价比较低，使得工程投入较大，制约了小型钢管桩的发展应用。
本文提出在钢管桩制作时每隔一定距离在桩两侧焊接一对耳托板，以增加其侧摩阻力，这将可能大大提高钢管桩的竖向承载力。考虑压桩时设置的耳托板可使桩周形成土槽孔隙，影响桩的侧向约束和稳定，故在每个耳托板上部的管壁上开孔，这样压桩后在向管内注入细石混凝土时，通过大力振捣或加压将有部分浆液通过侧孔流出凝固于管壁周围，这类似于钢筋混凝土支盘桩，既稳定了桩身，又扩大了有效桩径，从而使静压钢管桩的承载能力得到进一步提高。本文结合工程实例的现场试验，验证上述两种措施的效果。
1 工程概况
某四层砖混住宅楼建于20世纪80年代末期，该楼外墙厚370mm，内墙厚240mm，基础平面布置及加固地基桩的布置如图1所示。采用墙下钢筋混凝土条形基础，基础下部仅设了约300mm厚的灰土垫层。偶发的跑水事故造成了基础的不均匀下沉，致使多处承重墙体开裂，影响了房屋的安全和正常使用。经过现场普查，确定采取不进行居民搬迁对地基进行加固的处理方案。
地质勘察报告表明，该房屋地基持力层主要为粉土，有轻微的湿陷性，除房屋沉降较大区域土质较湿外，其他部位稍湿。地下水位在地表以下约9m，地基土对钢管腐蚀性较弱。表1列出了各层土的物理力学指标平均值，并按照《建筑桩基技术规范》( JGJ 94-2008)的有关规定列出了各层土钢桩极限侧阻力和极限端阻力的设计参考值。
2 地基加固方案设计
针对地基不均匀下沉的处理方法很多，主要包括注浆加固法、灰土桩法、树根桩法和坑式静压钢管桩法等。本工程地基土有轻微湿陷性，采用注浆加固时由于水泥浆含水量较大，必然带来较大的附加沉降，施工期间的沉降量无法人为准确地把控，甚至可能加重墙体开裂，处理效果难以预期。本地区多次工程实践均证明了这一点，所以注浆加固法被首先排除。灰土桩法一般是采用人工或机械成孔，并按一定比例填入灰土的方法，针对本工程的现状，采用灰土桩法加固时仅能在基础周边做桩，无法根本解决基础持力层的加固问题。而树根桩法同样是采用人工成孔，在基础侧面沿竖向和在基底沿斜向制成桩体的加固方法，由于居民无法搬出，所以该方法不具备施工操作的条件。综上分析，采用坑式静压钢管桩的方案比较适合本工程现状，主要原因在于：
(1)钢管桩可通过人工开挖小型操作坑而直接布于沉降较大的承重墙下，这样可利用房屋自重作为压桩载荷，且可多桩交替顶升，迅速遏止沉降，并使墙体裂缝愈合，节省造价。
(2)静压钢管桩非置换桩，有明显的挤密作用，对消除地基土的湿陷性极其有利。
(3)布桩灵活，根据所承受的上部荷载和压桩时千斤顶所显示的数值实时调整桩长和桩距。
(4)静压钢管桩的施工是干作业，不会产生较大的附加沉降。
(5)静压钢管桩的施工无噪声，操作面小，可自室外或楼梯间开始，成桩后再向楼内推进以保证安全，对楼内住户的生活不会造成影响。
(6)考虑该住宅可能的后续使用年限以及地基土对钢管仅有弱腐蚀性的特点，可采用小直径、薄壁厚的钢管做桩，以与建筑物寿命相匹配，性价比较高。
经过对楼房上部荷载的计算分析和不均匀沉降的调查以及单桩承载力的预估进行了平面布桩，见图1，其中桩身采用咖245 x6焊接普通钢管，材料为Q235。每节桩段约为Im长。第1节桩端制成锥头，待其压至上端高出操作坑地面约200mm时停止压桩，并焊接第2节钢管桩，依次压入第2节、第3节等。桩间距按为1. 5m设计，实际布桩时，当按此桩间距布置的桩位位于窗洞口下时，考虑在此桩位压桩将有可能使窗下墙体开裂，对此桩的位置适当偏移，使其错开窗洞口位置。设计考虑了桩对土体的挤密作用和桩土的相互影响。压桩设计如图2所示。
3 试桩方案
为了说明增设耳托板和侧孔注浆的作用，选用常规试桩、增设耳托板试桩、增设耳托板加侧孔注浆试桩、底部敞口无耳托板试桩和底部敞口设耳托板试桩进行对比。总桩数为共72根。
3.1常规试桩
为了获得本场地静压钢管桩的基本数据进行了常规试桩，试桩编号为SZ1和S22，具体位置见图1。所选桩体钢管尺寸为咖245×6，材料为Q235，每节桩长按1m考虑，SZ1和S22不设侧向耳托板，不设侧孔，也不进行管内注浆。压桩设备为150t电动液压千斤顶，压桩时以达到约720kN压力为标准（此值考虑了上部荷载和桩身强度两个因素）来初步确定满足本工程需要的钢管桩长度。达到上述荷载值后卸载，待48h后复压，复压到应变不收敛为止，以此时的荷载值来确定钢管桩极限承载力。
3.2增设耳托板试桩
为了研究增设耳托板对钢管桩承载能力的影响，进行了增设耳托板试桩，试桩编号为S23和S24，具体位置见图1。在其他条件不变的情况（即桩体钢管尺寸、材料、每节桩长同3.1节）下自桩入土第6节（该段保证了桩的垂直度和下端嵌固）后（即第7节）开始，在每节桩长上增设四个耳托板，设置方式为同一高度位置设置一对耳托板，每节钢管桩设置两对共四个耳托板，上下两对耳托板高差为500mm且中心线呈90。交角，相邻桩节之间再旋转45。（图2），以保证每个耳托板在压桩过程中均能与土体紧密接触。考虑下节耳托板的扩孔影响，自下而上逐节扩大耳托板的悬挑长度，每节增加约20mm。耳托板的尺寸设计如图3和表2所示。该种试桩也以达到720kN压力为标准，待48h后复压。复压到应变不收敛为止，以此时的荷载值来确定钢管桩极限承载力。
3.3增设耳托板加侧孔注浆试桩
本种试桩桩身制作同3.2节，但在每个耳托板的上部管壁钻成50~60mm直径的圆孔，成桩后桩周土未重新固结前立即向管内注入C20细石混凝土。试桩编号为S25和S26，具体位置见图1。考虑该种试桩侧孔直径较小，为了防止堵塞，要求粗骨料的粒径不得大于5mm，并适当加入减水剂以增加流动性。在浇注过程中应大力振捣，尽量使浆液自侧孔流出，同时计量浇注的混凝土体积（即测量压桩过程中通过侧孔坍落至管内的土体体积），初步判断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内液面不再下降时算起）。反复振捣管内混凝土至液面不再下降时停止浇注。待混凝土强度基本达到要求（至少两周后强度达到75%以上）再试压，以确定桩周浆液对其承载力的影响。
3.4底部敞口无耳托板试桩
此种试桩为钢管桩底端不封口，周边也不设耳托板和侧孔，其他情况同3.1节，桩长同样以达到约720kN压力为标准来确定。由于这种情况压桩初期基本无端阻力，所以影响桩基承载的主要是侧摩阻力和桩内挤入土的摩阻力。试桩编号为S27．具体位置见图1。
3.5底部敞口设耳托板加侧孔试桩
该种试桩制为钢管桩底端不封口，增设耳托板和侧孔，其他情况同3.2节，耳托板同样自桩入土第7节开始增设，压桩时也以达到约720kN压力为标准来初步确定钢管桩长度。试桩编号为S28，具体位置见图1。
本次试桩桩节耳托板和侧孔实物照片见图4，现场压桩操作照片详见图5。
4 试桩结果及分析
4.1试桩压桩及过程分析
首先按照图1所示的桩平面布置进行试桩操作坑的挖掘，并观测房屋的沉降变形，以保证施工安全。在试桩施工时，详细记录每一个桩每节入土时电动液压千斤顶的压力终值，并列于表3中。为了更直观地显示不同类型试桩在达到控制最大压力约720kN时所需的桩长（桩节数）以及表现特性，将8种试桩的压力值和桩节关系制成曲线，见图6。
SZ1和S22为常规桩型，由于其表面光滑，侧摩阻力较小，为了实现控制压力为720kN，其入土深度达到了第19节，长细比已达225。从桩入土的千斤顶所显示的压力来看，自第1~9节，压力变化不大，自第10节或第11节开始，压力突然猛增，到达第16节时压力有所降低，这与该处可能存在的局部较薄软弱土层有关。自第18节开始压力才又增大，直至到达720kN压力标准为止停止压桩，此时桩人土达到第19节。
增加耳托板后上述状态发生了极大变化，S23和S24是自第7节加设耳托板的，其压桩数据表明，自第5节入土后压力猛增，当桩入土达到第13节( S23)或第14节(S24)时，千斤顶所显示的压力已达到控制标准。这与S21和S22的压桩数据形成较大反差，说明耳托板起到了很大作用，使桩不需穿透下部软弱层即可满足承载力要求。
S25和S26的压桩数据与S23和S24的非常接近，这再次证明了耳托板所起到的作用。压桩过程中，在灌入混凝土前实测了管内净空高度，发现在压桩过程中有部分松散土粒自侧孔坍落至管底，这对混凝土体积的计算有影响。经实测，这两根试桩最低侧孔位置恰巧位于地下水位以上，不影响灌入混凝土的水灰比。经大力振捣后测算溢出管外混凝土量大约只有孔段混凝土体积的5%~10%。
S27初人土体时，由于几乎没有端阻力，所以压力很小，很容易被压入土体。当人土第2~3节间，每节压力以及桩最终人土深度均近似与S21和S22基本一致。这说明当挤入钢管内的土体达到一定高度后，土体与管内壁形成了很大的摩擦阻力，此时若管端压力无法克服该阻力时，就不会再有土体进入管内，自然形成了封口桩。考虑到桩端位于地下水位以下时，管内土体长期浸水软化后将会降低端阻力，进而影响桩的承载力；又考虑到敞口桩对周边土体的挤密作用较弱于封口桩、钢管内壁容易锈蚀以及无锥头桩的桩身垂直度的保证更为困难等因素，实际施工中未再采用小直径敞口钢管桩。
S28与S27相同，只是自第7节开始加设了耳托板和侧孔。从该试桩的表现来看，除初入土时由于敞口阻力很小，现象与S27表现一致外，其他特性与S23和S24相似，但压力略有降低，这又一次证明了耳托板所起到的作用。
从图6可以明显看出，增设耳托板的S23，S24，S25，S26和S28的压力与桩节曲线基本位于同一区域，其压力随节数增长较快，在第14节之前已达压力控制要求；而未加耳托板的S21，S22和S27，压力与桩节曲线位于另一区域，压力随节数增长缓慢，为达到桩的承载力要求，所需桩节数较多，这充分体现了耳托板对桩的承载力的贡献。
4.2试桩结果分析
在上述试桩施工完成且具备再次试验的条件后，又重新对SZl~S28进行了加载试验。本次试验采用了分级加载的方法，分200，400，600，700，800 ,900 ,950,1 000,1 050,1 100,1 200kN共11个加载等级，每个加载等级至少持荷lOmin以上，试桩的压力一桩端位移( Q-S)曲线如图7所示，以Q-S曲线的陡降起始点作为桩的极限承载力标准值，列于表4中。
由于所选钢管的屈服荷载约为1250kN，上述试桩极限压力（亦即桩的极限承载力标准值）均未超过此值，说明曲线陡降并非桩身材料屈服引起，这客观上保证了试桩所要达到的目的。
在上述压桩施工完成等待重新试桩时桩周土体重新固结。除有侧孔的S25和S26灌入细石混凝土的条件有所变化外，其余试桩仅有时间的推移。将最终极限压力与最初压桩终值压力相比，可以看出各桩极限压力均有所增加，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，而既增设耳托板外又侧孔注浆的S25和S26增幅最大，达到42%，这体现了侧孔注浆对桩的承载能力有一定的影响。
一般桩的极限压力与桩长有关，桩长越大压力也随之增大，但通过表4数据可以看出，增设耳托板后，较短桩长的桩的极限压力反而增大较多，这说明增设耳托板后桩的性价比较高。
将不设耳托板的试桩结果与按表1的钢桩指标参数算得的单桩极限承载力对比，发现按《建筑桩基技术规范》( JGJ 94-2008)所推荐的指标计算的单桩极限承载力较实测值大，这说明钢管桩侧阻力较低，也进一步说明小型钢管桩增设耳托板的必要性。
在对桩周土开挖后检查发现，从管内溢出的混凝土浆液在管壁开孔处形成了一个大约直径150mm的半球形块（图8），该块的体积与初灌入时测算的溢出混凝土浆液的体积基本一致。溢出的混凝土浆液填充孔隙，增加了桩周面积，稳定了桩身。与不开侧孔试桩相比，桩承载力提高了10%左右。另外管内注浆的另一个作用是提高桩身强度和耐久性。因为耳托板竖向间距不大，又旋转布置，压桩过程中因扰动而脱落的土体二次填满了土槽孔隙，所以开挖检查未发现明显的桩周土槽，再加上注浆压力的挤密作用，桩身与土体基本上紧密接触。
由图7可以看出，不设耳托板的SZ1，S22和S27的Q-S曲线较陡，说明沉降较大，而设耳托板的S23，S24，S25，S26，S28初时变形极小，Q-S曲线较平缓。对沉降较为敏感的建筑物来讲，增设耳托板可提前使桩体起到应有作用，有效减小建筑物的受力滞后所带来的二次损伤。
在试桩过程中发现，增设耳托板的桩卸载后的回弹量很小，在5mm左右，未增设耳托板的桩回弹量在15mm以上，这说明耳托板对桩的回弹形成了一定的制约。增设耳托板的桩的周边孔隙较大，当加载至较大时桩体有轻微摆动现象，尤其对开侧孔但未注浆的试桩，这种现象较为明显。在桩身自出土位置填入约300mm厚混凝土形成侧向抱箍约束时，此现象不再发生。需要说明的是，试桩是在操作坑未填埋时进行的，桩顶处于悬臂状态，而在实际工况下，操作坑将用灰土和混凝土灌实，不会影响桩的实际受力。
静压钢管桩对土体的挤密作用非常明显，试验表明，当桩中心距很小，例如2倍桩径(本工程约为500mm)时，后压钢管桩难以压入土体，所以实际施工时桩中心距按大于3.5倍桩径布桩，与《建筑桩基技术规范》( JGJ 94-2008)要求一致。
5 工程桩施工及经济性分析
在取得上述试桩结果后，对原地基加固方案进行了修改。调整了桩长，尽量使桩不达到试桩时发现的埋深约16m处较软土层；自桩身入土第7节开始，工程桩均增设耳托板，耳托板尺寸按表2要求自下而上逐节加大。工程桩压桩时以千斤顶所显示的压力达到720kN后终止压桩，实际工程桩平均桩长约为14m，比原方案缩短了近6m。所有工程桩压桩过程中的表现形态与试桩一致。由于静压桩是以千斤顶所显示的压力为指标，可人为控制，保证了每根桩承载力的可靠性。本次压桩采用了交替顶升措施，以不使原房屋裂缝扩大或形成新的裂缝。压桩后先用灰土分层回填操作坑，再用C20混凝土灌入，充分振捣，加固后房屋沉降稳定，效果良好。
增设耳托板后桩端终止于硬土层，既满足了本楼基础承载力要求，又减小了加固工程量。综合对比来看，本工程采用这种新技术加固与不增设耳托板仅采用静压钢管桩进行加固相比费用节省约25%。
6 结论
(1)增设耳托板对小直径静压钢管桩承载力的提高非常显著。
(2)钢管桩侧孔注浆可稳定桩身、增加桩的承载力和提高桩的耐久性。
(3)在小直径静压钢管桩上增设耳托板并联合侧孔注浆，对解决既有建筑的地基不均匀下沉问题是一种技术合理、操作方便、节省造价的好方法。
7 建议
(1)在静压钢管桩上增设耳托板和侧孔注浆前应首先了解具体工程情况，在进行调查研究、详细计算和现场试验后方能实施。
(2)在地基土不具有湿陷性等不利条件时，可采用压力注浆方式以充分填充桩周空隙，进一步提高钢桩稳定性和承载力。关于注浆压力、实施方法和效果还需要进一步试验研究。
(3)增设耳托板后应适当加大桩距。
(4)对软土地基小直径静压钢管桩，建议不采用敞口形式。
(5)在既有建筑地基加固改造中，可以利用原结构自重作为压桩荷载、单桩承载力要求在500kN左右、桩径在150~ 300mm之间、地基土为黏性土且操作坑高度范围内无地下水时，采用本文的方法优势最为明显。
