樁基逆作法在微型樁受力機(jī)理中的應(yīng)用

張素娟

摘要：在總結(jié)了微型樁用于增層與改造時(shí)的特點(diǎn)（主要包括壓力注漿提高微型樁承載力的機(jī)理、微型樁與原有基礎(chǔ)間的剛性連接）的基礎(chǔ)上，通過分析微型樁用于建筑物增層與改造時(shí)的受力特點(diǎn)，采用建筑物樁基逆作法的原理，對(duì)微型樁與原有地基的受力機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了基于樁端刺入變形與樁間土壓縮的樁—土—（基礎(chǔ)）承臺(tái)共同作用分析方法。

關(guān)鍵詞：微型樁共同工作樁基逆作法增層與改造荷載分擔(dān)比

中圖分類號(hào)：TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，建筑物增層與改造的比例逐漸增大，而微型樁因其具有施工場(chǎng)地小、施工方便、對(duì)周圍環(huán)境和地基土影響小、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用于建筑物增層與改造的地基加固和托換工程中。但在微型樁設(shè)計(jì)時(shí)，一般沿用傳統(tǒng)的樁基設(shè)計(jì)方法，由微型樁來承擔(dān)全部的新增荷載，不考慮原有地基基礎(chǔ)承擔(dān)荷載的能力，造成了不必要的浪費(fèi)。

1.微型樁簡(jiǎn)介

微型樁亦稱樹根樁（root pile）或小樁，不僅可施工成豎向樁，還可施工成斜樁相互交叉形如樹根，所以也被被稱為樹根樁，實(shí)質(zhì)是就地壓漿灌注的小直徑灌注樁。微型樁經(jīng)過壓力注漿可與地基土緊密結(jié)合，微型樁現(xiàn)廣泛應(yīng)用于各種土木工程中，如舊房改造、房屋加層、古建筑的加固糾偏、防洪堤壩加固、建筑（構(gòu)筑）物加固防震、新建建筑物基礎(chǔ)、危房地基處理、不均勻沉降事故、地下洞室塌陷事故處理、滑坡處治、路堤加固、基坑支護(hù)、基礎(chǔ)開挖擋土等工程中。

微型樁用于增層與改造處理基礎(chǔ)時(shí)，微型樁與上部結(jié)構(gòu)的連接方式主要有兩種方式：

（1）微型樁穿過原基礎(chǔ)：當(dāng)原基礎(chǔ)為寬度較大鋼筋混凝土且基礎(chǔ)時(shí)，微型樁可穿過原基礎(chǔ)，在原基礎(chǔ)下通過二次灌漿或擴(kuò)孔鉆頭將該部分樁體擴(kuò)大，原基礎(chǔ)表面鑿毛沖洗干凈后，刷界面劑或素水泥漿并作插筋。

（2）微型樁在原基礎(chǔ)外側(cè)：

當(dāng)建筑物原基礎(chǔ)為剛性基礎(chǔ)或原基礎(chǔ)寬度較小時(shí)，微型樁一般在原基礎(chǔ)外側(cè)做承臺(tái)梁，為保證承臺(tái)梁與原圈梁之間結(jié)合緊密，承臺(tái)梁應(yīng)加入適量膨脹劑，同時(shí)施工中注意振搗緊密。

從微型樁與原有基礎(chǔ)的連接方式上看，微型樁與原有基礎(chǔ)連接緊密堅(jiān)固，為簡(jiǎn)化分析可以認(rèn)為是剛性連接。

2.微型樁-土荷載分擔(dān)比計(jì)算現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的樁基設(shè)計(jì)中，所有上部結(jié)構(gòu)的荷載被認(rèn)為是由樁承擔(dān)，承臺(tái)（或筏）不分擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的荷載。但從國(guó)內(nèi)外的實(shí)際的工程資料來看，承臺(tái)（或筏）是承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載的，如英國(guó)的海德公園其筏基承擔(dān)的荷載為40%，更有實(shí)例表明筏基承擔(dān)的荷載可達(dá)到60%，因此，在傳統(tǒng)的樁基實(shí)際方法不考慮承臺(tái)（或筏）的分擔(dān)作用，這是不符合實(shí)際的。

目前對(duì)于微型樁的研究大多集中在豎向承載力方面，且處于室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段，完整的理論研究很少。在《既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范》（JGJ123-2000）中規(guī)定：微型樁單樁豎向承載力可通過單樁載荷試驗(yàn)確定；當(dāng)無試驗(yàn)資料時(shí)，也可按國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定估算，一般不考慮樁間土對(duì)新增荷載的分擔(dān)比。山東建筑大學(xué)鑒定加固所孫劍平等人在大量的微型樁工程應(yīng)用中，通過試驗(yàn)研究和分析，提出了微型樁單樁豎向承載力建議計(jì)算公式，區(qū)分樁側(cè)不同土質(zhì)情況對(duì)樁側(cè)摩阻力及樁端阻力乘以不同的提高修正系數(shù)。而在役建筑物的基礎(chǔ)在原有建筑物的荷載作用下，固結(jié)沉降已經(jīng)或基本上完成，原基礎(chǔ)與其下地基土是緊密接觸的且為剛性連接，滿足樁土共同工作的條件。所以可以應(yīng)用復(fù)合樁基的理論進(jìn)行樁-土-基礎(chǔ)（承臺(tái)）的共同工作分析，用允許沉降量來進(jìn)行控制，合理確定樁土荷載的分擔(dān)比。

3.根據(jù)微型樁在建筑物增層與改造中受力特點(diǎn)，分析其樁土共同工作的機(jī)理

3.1微型樁-土荷載分擔(dān)問題的機(jī)理

由于微型樁主要是用于建筑物增層與改造中應(yīng)用，且具有特殊的施工工藝，因此微型樁及原有基礎(chǔ)下土體的受力情況與普通樁有所不同。

第一階段：在初始階段，新增荷載首先由土承擔(dān)，基礎(chǔ)下土體在荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力作用下產(chǎn)生沉降，則新增荷載開始向樁轉(zhuǎn)移，土承擔(dān)的荷載比例逐漸減少；隨著建筑物荷載的增加，荷載較多地傳給具有較大剛度的樁，而較少分配給土。

第二階段：隨著時(shí)間的發(fā)展，樁承擔(dān)的荷載逐漸增大，樁側(cè)摩阻力首先達(dá)到極限值；隨著荷載的進(jìn)一步增大，樁端阻力也達(dá)到極限值，樁端刺入變形急劇增大，基礎(chǔ)下土體承擔(dān)的比例逐漸增大，樁承擔(dān)的荷載比例逐漸減少，建筑物的沉降速率相應(yīng)的減少。而土分擔(dān)的荷載則相應(yīng)的減少。

從上面的分析來看，樁與地基土的荷載分擔(dān)比例是一個(gè)反復(fù)循環(huán)、協(xié)調(diào)的過程，同時(shí)伴隨著一個(gè)土體壓密和強(qiáng)度增長(zhǎng)的過程。該過程歷史的長(zhǎng)短主要取決于樁間土的性質(zhì)。當(dāng)樁間土為飽和粘土?xí)r，歷時(shí)將很長(zhǎng)，反之若樁間土透水性強(qiáng)，或?yàn)榉秋柡屯?，則歷時(shí)較短。

3.2基于樁端刺入變形與樁間土壓縮的樁—土—（基礎(chǔ)）承臺(tái)共同作用分析

微型樁用于建筑物增層與改造時(shí)的受力情況與樁基逆作法基本相同，分為兩個(gè)階段。第一階段：原有建筑物總荷載，此時(shí)（時(shí)間為）相當(dāng)于一般的淺基礎(chǔ)；第二階段：樁間土和樁承擔(dān)和建筑物增層與改造時(shí)的新增荷載。為便于理論分析，將基礎(chǔ)計(jì)算分為三個(gè)步驟進(jìn)行。

第一步，在作用下，淺基礎(chǔ)時(shí)的沉降及最終沉降量；

第二步，微型樁施工完畢后，在的作用下，帶樁基礎(chǔ)的最終沉降（即等于增加荷載前已完成的基礎(chǔ)沉降量與原荷載作用下未完成的沉降量），此時(shí)需考慮樁土共同作用導(dǎo)致基礎(chǔ)剛度的增大，由公式（1）計(jì)算：

=+ (1)

其中，即為 時(shí)刻淺基礎(chǔ)下土的固結(jié)度，可通過一維固結(jié)理論估算求得。

式中：—作用下基礎(chǔ)最終總沉降；—封樁前淺基礎(chǔ)的沉降；—不壓樁的淺基礎(chǔ)最終總沉降； —淺基礎(chǔ)的剛度；—帶樁基礎(chǔ)的剛度。

第三步：在增加荷載作用下，帶樁基礎(chǔ)的沉降，由基于刺入變形的樁土共同作用分析計(jì)算。

對(duì)地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固或增加荷載的既有建筑，其基礎(chǔ)最終沉降量可按公式（2）確定：

S=+=++（）≤ [S] （2）

式中：S—基礎(chǔ)最終沉降量；

—地基基礎(chǔ)加固前或增加荷載前已完成的基礎(chǔ)沉降量，可由沉降觀測(cè)資料確定或根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)估算；此處=；

—原建筑荷載作用下加樁后的基礎(chǔ)沉降量，可由沉降觀測(cè)資料推算或根據(jù)前述經(jīng)驗(yàn)公式估算。當(dāng)原建筑物荷載下基礎(chǔ)沉降已經(jīng)穩(wěn)定時(shí)，此值應(yīng)取零；

（）—在新增荷載作用下，考慮微型樁加固區(qū)的樁土共同作用時(shí)，由樁長(zhǎng)范圍內(nèi)土層的壓縮量與樁端下土層的壓縮量之和組成； 由樁側(cè)摩阻力、樁端阻力及基礎(chǔ)（承臺(tái)）分擔(dān)荷載在樁間土中產(chǎn)生的附加應(yīng)力用分層總和法計(jì)算；由樁端、樁側(cè)阻力及基礎(chǔ)（承臺(tái)）分擔(dān)荷載在樁端以下土中產(chǎn)生的附加應(yīng)力用分層總和法計(jì)算。帶樁基礎(chǔ)的沉降由公式（3）計(jì)算得：

（）=++ = + （3）

其中 為樁身的壓縮量 ；為樁端下土層的壓縮量；為樁端的刺入量，系指樁端相對(duì)于周圍土體的剪切位移。和 都代表由于群樁基礎(chǔ)全部荷載作用下樁端以下土的壓縮量，可以認(rèn)為他們相等，即：=

其中樁身彈性壓縮量由公式（4）計(jì)算：

= （4）

式中：p(z) 為軸向力沿樁長(zhǎng)的分布，—樁截面積，—樁的彈性模量。

從基礎(chǔ)（承臺(tái)）與其地基土保持接觸的條件可按公式（5）寫為：

+＝ （5）

如果樁身壓縮量很小可以忽略不計(jì)，公式（5）可改寫為

＝ （6）

從上式可以看出，只有樁端刺入量等于樁端以上樁間土的壓縮量時(shí)，基礎(chǔ)（承臺(tái)）與其下土才保持接觸，即發(fā)揮樁與基礎(chǔ)（承臺(tái)）的共同作用。

結(jié)束語(yǔ)

本文提出了微型樁基于樁端刺入變形與樁間土壓縮的樁—土—（基礎(chǔ)）承臺(tái)共同作用的分析原理，為確定微型樁的樁土分擔(dān)比例奠定了基礎(chǔ)。

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