基于微型樁托換的建筑物基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)

付艷青，魏煥衛(wèi)*，孔軍，白世和

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250014；2.山東雙得利建設(shè)科技有限公司，山東 濟(jì)南250013）

0 引言

在實(shí)際工程中經(jīng)常會(huì)遇到由于回填土不密實(shí)、承載力不足等原因造成的上部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂或傾斜，當(dāng)影響到結(jié)構(gòu)的安全使用時(shí)，需要對(duì)地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。常用的方法有注漿加固法、增大基礎(chǔ)底面積和微型樁托換加固法等，其中，微型樁加固法因其受力明確、施工簡(jiǎn)單、工期短且加固費(fèi)用低，在基礎(chǔ)加固和基坑支護(hù)中被廣泛應(yīng)用［1－3］。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)微型樁受力和變形機(jī)理進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析。Cantoni等通過(guò)試驗(yàn)研究提出了網(wǎng)狀微型樁加固斜坡的設(shè)計(jì)方法［4］；呂凡任等對(duì)軟土地基上微型樁抗壓和抗拔特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了微型樁在受力條件下的受力特點(diǎn)［5］；孫劍平等通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，提出了考慮后壓漿的微型樁承載力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式等［6］。GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范》、JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》和JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》等為地基的設(shè)計(jì)、施工和檢測(cè)提供了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和原則［7－9］。文章對(duì)銀豐唐郡建筑物門(mén)廳的不均勻沉降進(jìn)行了原因分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與地質(zhì)條件，提出了微型樁托換加固的方法，使基礎(chǔ)沉降得以控制。

1 工程概況

銀豐唐郡建筑物主體為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用人工挖孔樁基礎(chǔ)，樁頂標(biāo)高為－12.25 m。主樓基礎(chǔ)北側(cè)門(mén)廳采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底標(biāo)高與主樓基礎(chǔ)底標(biāo)高基本一致（如圖1所示）。在對(duì)該建筑物地下結(jié)構(gòu)主體外圍進(jìn)行土方回填過(guò)程中，因門(mén)廳柱下獨(dú)立基礎(chǔ)發(fā)生不同程度的沉降，對(duì)上部結(jié)構(gòu)主體造成一定的損害。為了保證門(mén)廳的安全，需要對(duì)其進(jìn)行地基基礎(chǔ)加固處理。

圖1 加固基礎(chǔ)平面布置圖

根據(jù)場(chǎng)地的巖土工程勘察報(bào)告，該場(chǎng)地范圍內(nèi)的土層自上而下為：（1）雜填土：黃褐色、稍密、稍濕，土質(zhì)不均勻，主要由粘性土組成；（2）黃土狀粉質(zhì)粘土：褐色、局部黃褐色，硬塑，局部可塑；（3）粉質(zhì)粘土：棕紅色、局部棕褐色，硬塑，且局部可塑；（4）全風(fēng)化閃長(zhǎng)巖：灰綠色、巖芯呈粘性土狀～砂土狀；（5）強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖：灰綠色、風(fēng)化不均勻、巖芯以碎塊狀為主；（6）中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖：局部地段呈灰白色、粗粒結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。各土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1，相應(yīng)位置對(duì)應(yīng)的工程地質(zhì)剖面如圖2所示。

表1 土的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

2 沉降測(cè)定數(shù)據(jù)及原因分析

2.1 沉降測(cè)定數(shù)據(jù)

對(duì)建筑物門(mén)廳處10個(gè)柱子進(jìn)行沉降觀測(cè)及分析，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、3，其中，門(mén)廳柱基礎(chǔ)的最大沉降為173 mm，而相鄰柱基間最大沉降差為12‰，超出了GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范》中關(guān)于民用建筑相鄰柱基沉降差不得超過(guò)2‰的規(guī)定［7］，且大部分沉降差均超出了該允許值。

表2 建筑物各沉降觀測(cè)點(diǎn)沉降觀測(cè)值和縱向傾斜

表3 建筑物各沉降觀測(cè)點(diǎn)橫向傾斜

圖2 場(chǎng)地工程地質(zhì)剖面圖

2.2 沉降原因分析

2.2.1 土層原因

根據(jù)相應(yīng)位置工程地質(zhì)剖面圖，建筑物地基持力層為第2層黃土狀粉質(zhì)粘土或第3層粉質(zhì)粘土，因第2層黃土狀粉質(zhì)粘土具有一定的濕陷性，降雨導(dǎo)致基坑積水，使得該層產(chǎn)生濕陷變形。根據(jù)GBJ 50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定［10］，其濕陷量按式（1）計(jì)算為

式中：Δs為濕陷性黃土場(chǎng)地濕陷量，mm；δsi為第i層土的濕陷系數(shù)，這里取0.041，hi為第i層土的厚度，mm，這里取500 mm；β為修正系數(shù)，這里取1.5。

據(jù)式（1）計(jì)算得到的該濕陷性黃土濕陷量為s1＝Δs＝30.75 mm

2.2.2 施工原因

地下結(jié)構(gòu)室外土體為一次性回填，未進(jìn)行分層夯實(shí)，回填深度達(dá)10 m左右，在重力作用下固結(jié)沉降，對(duì)已回填的門(mén)廳柱產(chǎn)生負(fù)摩阻力，增大了基底壓力。根據(jù) JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［8］，單樁負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算式（2）及樁側(cè)下拉荷載計(jì)算式（3）為

式中：τni為第 i層樁側(cè)負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；ζn為樁周土負(fù)摩阻力系數(shù)，這里取0.35；為樁周第 i層土平均豎向有效應(yīng)力，kPa；第i層土層底以上樁周土按厚度計(jì)算的加權(quán)平均有效重度，kN／m3，這里取回填土重度18 kN／m3；zi為自地面起算的第i層土中點(diǎn)深度，m，這里按填土厚度計(jì)算，取12 m；up為樁截面周長(zhǎng)，m，這里取2 m；n為中性點(diǎn)以上土層數(shù)；lni為中性點(diǎn)以上樁周第層土的厚度，取回填土厚度為12 m。

據(jù)此新增承臺(tái)與原獨(dú)立基礎(chǔ)之間土體對(duì)原結(jié)構(gòu)柱的下拉荷載為，由此產(chǎn)生的新增基底壓力可由式（4）、（5）計(jì)算。

式中：ΔP1為下拉荷載對(duì)JC－1產(chǎn)生的基底壓力，kPa；ΔP2為下拉荷載對(duì)JC－2產(chǎn)生的基底壓力，kPa。

經(jīng)計(jì)算，新增基底壓力 ΔP1＝860.4 kPa、ΔP2＝1075.2 kPa，由此產(chǎn)生的柱基沉降可由式（6）計(jì)算。式中：ψs為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)規(guī)范表5.3.5取0.76；p0為基底附加壓力，kPa，這里取負(fù)摩阻力引起的新增基底壓力ΔP1、ΔP2；Esi為基礎(chǔ)底面下第層土的壓縮模量，MPa；zi、zi－1為基礎(chǔ)底面至第 i層土、第i－1層土底面的距離，m為基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i－1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。

2.2.3 填土原因

柱下獨(dú)立基礎(chǔ)四周的大面積回填土相當(dāng)于基礎(chǔ)四周超載，會(huì)對(duì)該部位的獨(dú)立基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響：（1）當(dāng)在基礎(chǔ)單側(cè)堆載時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)柱及地基基礎(chǔ)產(chǎn)生側(cè)移和沉降，如魏煥衛(wèi)等對(duì)側(cè)向受荷樁基變形和受力規(guī)律的研究［11］。（2）當(dāng)在基礎(chǔ)四周堆載時(shí)，則柱基只產(chǎn)生沉降，其值由式（7）計(jì)算。

式中：S3為因填土作用于基礎(chǔ)產(chǎn)生的沉降，mm；σz為填土底部自重應(yīng)力，kPa；γ為回填土重度，這里取18 kN／m3；h為回填土厚度，m，這里取12 m；hi為基底下第層土厚度，m。

2.3 理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

考慮上述三種原因，分別計(jì)算其引起的不同柱基沉降量，并進(jìn)行疊加，即為10個(gè)柱子基礎(chǔ)的理論沉降量（見(jiàn)表4）。其中，部分柱子（1#、5#～10#）的計(jì)算結(jié)果偏大，主要是因室外建筑由東向西回填，該部分柱子還未回填，所以，基礎(chǔ)沉降理論結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差很大，考慮到后期仍需要回填，相應(yīng)的沉降仍會(huì)發(fā)生，故對(duì)該部分柱子基礎(chǔ)仍需進(jìn)行加固。

表4 理論計(jì)算沉降值／mm

3 加固設(shè)計(jì)

3.1 加固原則

主體結(jié)構(gòu)采用的是人工挖孔樁，沉降較小，而門(mén)廳處采用的是獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)形式不同，二者通過(guò)結(jié)構(gòu)梁連接在一起，若門(mén)廳柱處的沉降過(guò)大，則會(huì)影響主體的沉降及門(mén)廳的安全使用，所以必須控制門(mén)廳柱基礎(chǔ)的沉降。

3.2 加固方案的選擇

（1）注漿加固法

注漿加固法是通過(guò)在基礎(chǔ)四周布置注漿管，向土體中強(qiáng)行注入水泥漿液，充填土體中的空隙或擠密土體，從而達(dá)到提高土體強(qiáng)度（如圖3所示），減小基礎(chǔ)沉降的目的。

圖3 注漿加固示意圖

注漿漿液流動(dòng)性的制約和可控性比較差，不能夠定向定位，容易引起串漿等現(xiàn)象；另一方面，根據(jù)實(shí)際施工情況，該建筑物回填土深度達(dá)10 m以上，如果采用注漿加固處理，注漿深度過(guò)大，難以增大原獨(dú)立基礎(chǔ)以下土層強(qiáng)度，達(dá)不到基礎(chǔ)加固效果。

（2）微型樁托換加固法

微型樁托換加固法是通過(guò)新增微型樁將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到下部較硬土層，從而達(dá)到減少沉降的目的。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件可分為以下兩種方案：

方案一在靠近現(xiàn)有填土面標(biāo)高位置增設(shè)獨(dú)立承臺(tái)及微型樁，新增承臺(tái)通過(guò)植筋與門(mén)廳柱連接（如圖4（a）所示）。

方案二微型樁穿透原獨(dú)立基礎(chǔ)，并在其上方增設(shè)樁帽，樁帽與原獨(dú)立基礎(chǔ)通過(guò)U型植筋連接（如圖4（b）所示）。

由于該工程室外已部分回填，如果選擇開(kāi)挖回填土，則開(kāi)挖工程量過(guò)大；同時(shí)，在開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)對(duì)周圍構(gòu)筑物產(chǎn)生影響。而方案一可以避免大范圍開(kāi)挖，節(jié)省工期，更能夠符合該工程施工條件。

圖4 微型樁托換加固法圖（a）方案一；（b）方案二

3.3 微型樁托換加固設(shè)計(jì)計(jì)算

3.3.1 微型樁及承臺(tái)受力分析

微型樁主要承受新增承臺(tái)傳遞的樁頂荷載N、樁周土的側(cè)阻力QS、樁端土的端阻力QP；新增承臺(tái)主要承受結(jié)構(gòu)柱傳遞的豎向力FK1，新增承臺(tái)上部填土自重GK，原獨(dú)立基礎(chǔ)與承臺(tái)之間填土自重GK1及該部分填土對(duì)結(jié)構(gòu)柱的負(fù)摩阻力Fn，微型樁樁頂反力N′（如圖5所示），具體數(shù)值見(jiàn)表5。

表5 作用于承臺(tái)的荷載值

圖5 微型樁身及承臺(tái)結(jié)構(gòu)受力示意圖

3.3.2 微型樁設(shè)計(jì)計(jì)算

初步設(shè)計(jì)單樁豎向承載力特征值和樁數(shù)可按經(jīng)驗(yàn)公式（8）、（9）進(jìn)行估算［6］。

式中：ks、kp為微型樁樁側(cè)摩阻力及端阻力修正系數(shù)，這里取 1.35；qs、qp按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中灌注樁的參數(shù)取值［8］，kPa；GK為新增承臺(tái)及以上土自重標(biāo)準(zhǔn)值，kN。

按照式（8）可求出單樁豎向承載力特征值Ra，然后根據(jù)樁的根數(shù)及分布情況求出樁頂最大豎向力，而在豎向偏心力作用下，樁頂最大豎向力還需要滿足 Nkmax≤ 1.2Ra。

3.3.3 承臺(tái)設(shè)計(jì)計(jì)算

承臺(tái)設(shè)計(jì)計(jì)算主要從強(qiáng)度和配筋2個(gè)方面進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算：

（1）強(qiáng)度計(jì)算

新增承臺(tái)與柱通過(guò)植筋連接，需對(duì)該部位進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，考慮柱對(duì)植筋的剪切問(wèn)題。取柱與新增承臺(tái)相接觸的面為計(jì)算截面，剪切設(shè)計(jì)值V為柱傳遞的上部結(jié)構(gòu)荷載F，相應(yīng)計(jì)算式（10）為

式中：βhs為受剪切承載力截面高度影響系數(shù)，這里取1.0；β為沖切系數(shù)，β＝1.75／（λ0+1.0）；λ0為計(jì)算截面剪跨比，λ0＝a0／h0；a0為剪切面至柱邊距離，m，因a0＜0.2h0，故取a0＝0.2h0；ft為新增承臺(tái)混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；b0為柱截面尺寸，m，取0.5 m；h0為計(jì)算寬度處的承臺(tái)有效高度，m。

假定上部結(jié)構(gòu)荷載F及負(fù)摩阻力基本組合值F1全部由微型樁承擔(dān)，則主要考慮微型樁的沖切問(wèn)題及角樁對(duì)承臺(tái)的沖切驗(yàn)算（如圖6所示）。其計(jì)算式（11）為

式中：Nl為扣除承臺(tái)和其上填土自重后角樁樁頂相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時(shí)的豎向力設(shè)計(jì)值，kN；β1為角樁沖切系數(shù)；c1、c2為從角樁內(nèi)邊緣至承臺(tái)外邊緣的距離，m；a1為從角樁內(nèi)邊緣引45°沖切線與承臺(tái)頂面處相交點(diǎn)至角樁內(nèi)邊緣的水平距離，m；βhp為受沖切承載力截面高度影響系數(shù)；ft為承臺(tái)混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N／mm2；h0為沖切破壞承臺(tái)的有效高度，m。

圖6 CT－1角樁沖切示意圖

（2）配筋計(jì)算

根據(jù)規(guī)范GB 50007—2011的規(guī)定［7］，對(duì)于矩形承臺(tái)，鋼筋應(yīng)按雙向均勻通長(zhǎng)布置，鋼筋直徑不宜小于12 mm，間距不宜大于200 mm（如圖7所示）。按照抗彎計(jì)算，滿足相關(guān)規(guī)范最小配筋率的要求［12］。

圖7 CT配筋圖（a）CT－1；（b）CT－2

經(jīng)驗(yàn)算，微型樁和新增承臺(tái)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，說(shuō)明微型樁托換加固設(shè)計(jì)是合理可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

大面積回填土荷載不僅增加了基底壓力，而且在固結(jié)作用下會(huì)對(duì)柱產(chǎn)生負(fù)摩阻力，增加基礎(chǔ)頂面荷載，進(jìn)而引起基礎(chǔ)沉降。針對(duì)大面積回填土引起的基礎(chǔ)不均勻沉降問(wèn)題，根據(jù)建筑物資料和周邊環(huán)境條件，提出合理的加固方法。微型樁托換加固法是將微型樁、新增承臺(tái)和植筋構(gòu)成新的承載體系，利用微型樁把上部結(jié)構(gòu)荷載傳至下部較硬的土層，受力明確，且設(shè)置在上部的新增承臺(tái)避免了土方開(kāi)挖；新增承臺(tái)與柱通過(guò)植筋連接，構(gòu)成新的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，與微型樁一起共同承擔(dān)上部荷載，從而達(dá)到控制沉降的目的。

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