導(dǎo)坑式人工挖孔托換樁技術(shù)

李素娟,任宇濤,席亞軍,韓曉雷

(1.北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司,北京100029;2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京100038;3.河北省建筑科學(xué)研究院,河北石家莊050021;4.西安建筑科技大學(xué),陜西西安710055)

0 引 言

托換技術(shù)或稱基礎(chǔ)托換,是指既有建筑物進(jìn)行遷移或加固改造時,對整體結(jié)構(gòu)或部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理托換,改變荷載傳力途徑的工程技術(shù)[1]。從實(shí)際工程對托換的要求不同,托換技術(shù)可分為補(bǔ)救性托換、預(yù)防性托換、維持性托換三種類型[2-3]。

導(dǎo)坑式人工挖孔托換樁適用于既有建筑因勘察、設(shè)計(jì)、施工或使用不當(dāng),增層、糾傾、移位、改建、古建筑保護(hù),遭受鄰近新建建筑、深基坑開挖、新建地下工程或自然災(zāi)害的影響等而需對其地基和基礎(chǔ)進(jìn)行加固的建筑物。因其施工難度較高,設(shè)計(jì)計(jì)算中存在著很多的不確定性,導(dǎo)致該技術(shù)目前應(yīng)用還較少,在現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范中也尚未對其論述提及。

1 導(dǎo)坑式人工挖孔托換樁技術(shù)介紹

導(dǎo)坑式人工挖孔托換樁技術(shù)是一種成功應(yīng)用于西北黃土地區(qū)的地基基礎(chǔ)加固方法[4],其在擬托換建筑物基礎(chǔ)旁邊開挖1.0 m×1.0 m的矩形施工導(dǎo)坑,深度為基底下1.2 m～1.5 m以方便施工為最佳,然后朝基礎(chǔ)位置水平向挖至托換樁位,再豎向挖至設(shè)計(jì)持力層,所挖樁孔徑大小視地基承載力及施工人員情況而定,成樁后灌注混凝土或混凝土+拋石(拋石混凝土)至基礎(chǔ)底面上30 cm～50 cm處即可,如圖1所示。如需減小樁周負(fù)摩阻力,可在樁周設(shè)置隔離層。

圖1 人工挖孔托換樁示意圖

該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是:①受力明確,托換質(zhì)量有保證;②單樁承載力高、造價低、孔徑和孔型不受限制;③施工用具簡便,施工方便,靈活機(jī)動,工作面小,多個班組能同時開挖進(jìn)行平行作業(yè),對縮短工期有利;④施工中無振動,避免了機(jī)械鉆孔對擬加固建筑物的進(jìn)一步影響;⑤施工過程基本不影響建筑物的正常使用;⑥對周圍環(huán)境不會產(chǎn)生污染,成孔直觀,可直接檢驗(yàn)土質(zhì),清凈孔底,易于保證混凝土施工質(zhì)量。是一種值得推薦和推廣的建筑物基礎(chǔ)托換方法。但目前有關(guān)導(dǎo)坑式人工挖孔托換樁技術(shù)的相關(guān)報道在我國仍然較為少見。2000年6月由建設(shè)部頒發(fā)施行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《既有建筑物地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范》[5](JGJ123-2000)中也未提及導(dǎo)坑式人工挖孔托換樁技術(shù)。

2 導(dǎo)坑式人工挖孔托換樁設(shè)計(jì)和施工

2.1 加固機(jī)理及計(jì)算方法

在擬進(jìn)行基礎(chǔ)托換的建筑物基礎(chǔ)底面下,導(dǎo)坑式人工挖孔托換樁采用人工挖土并由手搖轆轤或人工二次倒運(yùn)出土(渣),形成樁孔后安放鋼筋籠并灌注混凝土而成樁,使得樁端置入地基深部較好的持力層中,并將建筑物的部分或全部荷載傳至該土層,從而達(dá)到減小基底下地基土的附加應(yīng)力,制止沉降的發(fā)展,達(dá)到加固的目的。該法雖成功地解決了許多工程問題,但理論研究較少,設(shè)計(jì)計(jì)算多為半經(jīng)驗(yàn)法。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)的托換樁靜載荷試驗(yàn)資料,建議按以下方法設(shè)計(jì)托換樁數(shù):

式中:n為設(shè)計(jì)樁數(shù);F為擬加固基礎(chǔ)承受的豎向荷載設(shè)計(jì)值;k為托換率,即托換樁承載力與被加固建筑物基礎(chǔ)豎向荷載之比,一般取0.5～1.0較為合適;γa為施工質(zhì)量控制等級影響系數(shù)(可根據(jù)樁孔質(zhì)量、混凝土拌合方式、混凝土澆筑工藝等綜合確定),A級時取1.0,B級時取0.9;γ為承載力分項(xiàng)系數(shù),一般取1.5～2.0,設(shè)計(jì)者可根據(jù)擬加固建(構(gòu))筑物的重要性取值;Q為單樁承載力設(shè)計(jì)值;Quk為單樁極限承載力,可參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[6](JGJ-2008)中的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)公式:

式中:u為基樁表面周長;qsik為樁側(cè)表面第i層土的抗壓極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;li為第i層土的厚度;qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;Ap為樁端面積。

2.2 樁位布置

在建筑物基礎(chǔ)托換加固工程中托換樁的樁位應(yīng)通過被托換建筑物的整體受力分析確定并盡可能靠近受力點(diǎn)的中心或兩側(cè)布置,使之在剛性角(對剛性基礎(chǔ))范圍內(nèi),以減小基礎(chǔ)的彎矩,如:對條形基礎(chǔ)可布置在基礎(chǔ)的中線;柱下獨(dú)立基礎(chǔ)可根據(jù)柱的實(shí)際受力狀況對稱布置;筏基可布置在靠近荷載大的部位以及基礎(chǔ)邊緣,尤其是角部等部位,同時應(yīng)考慮基礎(chǔ)的架越效應(yīng)。

2.3 施工工藝

施工準(zhǔn)備→開挖導(dǎo)坑→開挖樁孔→成孔檢驗(yàn)→安放鋼筋籠→灌注樁身混凝土→地面恢復(fù)

(1)施工準(zhǔn)備。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙定出樁位,清理樁位周邊堆放物及影響施工的不安全因素,設(shè)置警示牌;對于在室外的樁位應(yīng)在孔口上搭設(shè)防雨棚,防雨棚高度以利于人員作業(yè)為佳,在孔口四周做好排水措施;選擇適合本場地的提土工具,注意出土道路的走向。

(2)開挖導(dǎo)坑。因大多數(shù)情況下,被加固建筑物室內(nèi)有混凝土硬化地面、基礎(chǔ)下有厚實(shí)的灰土墊層,故需預(yù)先準(zhǔn)備好破碎機(jī)具,導(dǎo)坑位置以距樁位水平向距離最短為佳。

(3)開挖樁孔。相鄰柱基下的托換樁應(yīng)錯位開挖,嚴(yán)禁同時在相鄰柱基下同側(cè)開挖,同一柱基下一側(cè)托換樁混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%設(shè)計(jì)強(qiáng)度以上時,方可進(jìn)行另一側(cè)托換樁挖孔作業(yè)。施工中應(yīng)做好照明、通風(fēng)、樁壁支護(hù)及降水措施、樁底人員與地面人員之間應(yīng)設(shè)通話聯(lián)系工具。

樁孔施工應(yīng)采取必須的安全措施:①孔內(nèi)必須設(shè)置應(yīng)急軟爬梯供人員上下;使用的手搖轆轤、電葫蘆、吊籠等應(yīng)安全可靠,不得使用麻繩和尼龍繩吊掛或腳踏井壁凸緣上下。電葫蘆宜用按鈕式開關(guān),使用前必須檢驗(yàn)其安全起吊能力;②每日開工前必須檢測井下的有毒、有害氣體,并應(yīng)有足夠的安全防范措施。當(dāng)樁孔開挖深度超過10 m時,應(yīng)有專門向井下送風(fēng)的設(shè)備,風(fēng)量不宜少于25 L/s;孔口四周必須設(shè)置護(hù)欄,護(hù)欄高度不低于0.8 m;挖出的土石方應(yīng)及時運(yùn)離孔口,不得堆放在孔口周圍,機(jī)動車輛的通行不得對井壁的安全造成影響;施工現(xiàn)場的一切電源、電路的安裝和拆除必須遵守現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《施工現(xiàn)場臨時用電安全技術(shù)規(guī)范》[7](JGJ46-2005)的規(guī)定。

(4)成孔檢驗(yàn)。可依照先行《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ94)》有關(guān)章節(jié)要求執(zhí)行。

(5)安放鋼筋籠。鋼筋籠制作、安裝的質(zhì)量應(yīng)符合下列要求:①鋼筋籠的材質(zhì)、尺寸應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求及表1鋼筋籠質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定;②鋼筋籠應(yīng)分段制作,接頭宜采用搭接或機(jī)械連接(因受導(dǎo)坑的影響,豎井里很難進(jìn)行縱筋的焊接操作),應(yīng)遵守國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》[8](JGJ107-2010)和《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[9](GB50204-2011)的規(guī)定;③加勁箍宜設(shè)在主筋外側(cè),當(dāng)因施工工藝有特殊要求時也可置于內(nèi)側(cè);④導(dǎo)管接頭處外徑應(yīng)比鋼筋籠的內(nèi)徑小100 mm以上;⑤搬運(yùn)和吊裝鋼筋籠時,應(yīng)防止變形,安放應(yīng)對準(zhǔn)孔位,避免碰撞孔壁和自由落下,就位后應(yīng)立即固定。

表1 鋼筋籠質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

(6)灌注樁身混凝土。安放鋼筋籠后經(jīng)檢查無誤,各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,即可灌注混凝土。此處可根據(jù)項(xiàng)目的具體情況選擇普通混凝土或膨脹混凝土。

2.4 托換施工監(jiān)測方法

在施工過程中及施工完成后的半年內(nèi),應(yīng)對被托換建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測(以沉降觀測為主),建筑物的監(jiān)測是通過設(shè)置在建筑物上的沉降觀測點(diǎn)的高程測量、被托換建筑物墻體裂縫寬度量測、構(gòu)筑物傾斜觀測來實(shí)施的。沉降觀測點(diǎn)的布置應(yīng)根據(jù)建筑物的體型、結(jié)構(gòu)類型、工程地質(zhì)條件等因素綜合考慮,并要求便于監(jiān)測和不易遭到破壞,可根據(jù)《工程測量規(guī)范》[10](GB 50026-2007)《建筑變形測量規(guī)程》[11](JGJ 8-2007)《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》[12](GB/T12897-2006)進(jìn)行操作。建議同時采用兩種監(jiān)測手段同時監(jiān)測。

3 實(shí) 例

(1)中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所某試驗(yàn)基地廠房,因建造年代久遠(yuǎn)地基浸水濕陷,導(dǎo)致墻體開裂及部分排架柱沉降,最大沉降量達(dá)到18 cm,墻體出現(xiàn)內(nèi)外通透的裂縫,從而影響到廠房的安全及吊車的行駛。用 Φ=800 mm,L=8 m混凝土樁對其進(jìn)行托換和頂升,并對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,目前該廠房已安全使用6年。

(2)西安某單位廠房,位于自重濕陷性黃土場地。地基濕陷等級屬Ⅱ(中等)～Ⅲ(嚴(yán)重)級。2003年雨季局部遇水濕陷,導(dǎo)致墻體和地面產(chǎn)生裂縫,2007年1月3日至1月10日,發(fā)現(xiàn)裂縫劇烈活動,增寬至2 cm,上下延伸距離0.5 m～2.0 m左右。對該廠房基礎(chǔ)用 Φ=750 mm,L=25 m混凝土樁進(jìn)行托換加固,后經(jīng)18個月變形觀測,表明已加固部分沉降變形趨于穩(wěn)定。

(3)青海省某商場綜合樓擴(kuò)建工程,因緊貼原有商場大樓開挖11.8 m深基坑,開挖會導(dǎo)致原有商場基礎(chǔ)懸空(原有商場為樁基,樁長4.5 m～5 m),后用 Φ=800 mm,L=15 m混凝土樁進(jìn)行原有商場基礎(chǔ)支撐和托換,輔之以錨桿將樁體與商場地下室拉接,目前該綜合樓及原有商場已使用4年,未發(fā)生不均勻沉降等問題。

(4)陜西臨潼某療養(yǎng)院辦公樓位于濕陷性黃土場地,因連續(xù)降雨導(dǎo)致地基浸水而產(chǎn)生不均勻沉降,使墻體開裂5 mm～10 mm,內(nèi)外透光。用 Φ=700 mm,L=13 m混凝土樁進(jìn)行托換和頂升,輔之以高壓注漿加固土體,頂升后墻體裂縫基本閉合。

(5)陜西省某單位友誼西路地下車庫基坑支護(hù)工程,基坑深7.6 m。為防止緊貼坑壁的原有4層辦公樓下沉、傾斜,在辦公樓條基下用 Φ=800 mm,L=7.5 m混凝土樁進(jìn)行托換,現(xiàn)車庫已使用2年時間,辦公樓未出現(xiàn)裂縫及傾斜。

4 結(jié) 論

本文所介紹的托換工藝能使樁端置于承載力較高的土層,在基礎(chǔ)產(chǎn)生很小附加沉降的前提下就獲得了加固承載力,因此,能及時制止建筑物沉降的發(fā)展,若輔之以頂升工藝還可使建構(gòu)筑物抬升,這是導(dǎo)坑式人工挖孔托換樁技術(shù)的顯著特點(diǎn)之一。和其他土建工程相比,托換工程有其特殊性和復(fù)雜性。其設(shè)計(jì)和施工不可分割,設(shè)計(jì)人員同時宜是施工人員,且要隨時對施工過程中揭露出的問題進(jìn)行設(shè)計(jì)補(bǔ)充更改。從事托換加固工程的技術(shù)人員不但需具備巖土工程和結(jié)構(gòu)工程方面的理論知識,也需具備這兩方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能勝任。

[1]李愛群,吳二軍,高仁華,等.建筑物整體遷移技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[2][美]H.F.溫特科恩,方曉陽主編.基礎(chǔ)工程手冊[M].錢鴻縉,葉書麟等譯,北京:中國建筑工業(yè)出版社,1983.

[3]葉書麟,汪益基,涂光祉,等.基礎(chǔ)托換技術(shù)—既有建筑物地基基礎(chǔ)加固[M].北京:中國鐵道出版社,1991.

[4]任宇濤,韓曉雷,李素娟.人工挖孔托換樁在濕陷性黃土地基事故處理中的實(shí)踐[J].工業(yè)建筑,2010,40(6):118-122.

[5]中華人民共和國建設(shè)部.JGJ123-2000.既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.

[6]中華人民共和國建設(shè)部.JGJ94-2008.建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[7]中華人民共和國建設(shè)部.JGJ46-2005.施工現(xiàn)場臨時用電安全技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[8]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ107-2010.鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[9]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50204-2011.混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[10]中華人民共和國建設(shè)部.GB50026-2007.工程測量規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2008.

[11]中華人民共和國建設(shè)部.JGJ8-2007.建筑變形測量規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[12]國家測繪局.GB/T12897-2006.國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.