樹根樁加固處理技術(shù)在工程中的應(yīng)用

王滿林 張磊華

（長沙縣水利水電勘察設(shè)計(jì)室 長沙市 410100）

1 工程概況

湖南省某單位南向擋土墻位于長沙市岳麓區(qū)，東臨瀟湘大道，南側(cè)緊臨河西大學(xué)城教師新村，位于長沙城西中心地帶，交通便捷。根據(jù)收集到的資料，該擋土墻總長約350m，擋土墻最高約4.80m，采用松木樁基礎(chǔ)，片石砌重力式擋土墻，總體上沿東西方向砌筑。因該擋土墻局部倒塌，需修復(fù)加固，才能繼續(xù)使用。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形與地貌

場地原始地貌屬湘江沖積階地，地形平坦開闊，原始地形標(biāo)高約30.00m。因工程建設(shè)的需要，地坪標(biāo)高由30.00m堆填抬高至36.00m左右，基本與瀟湘大道路面標(biāo)高齊平。擋土墻頂最高處標(biāo)高約36.45m，南向教師新村地面標(biāo)高為31.65m，故擋土墻最高約4.80m。

2.2 地層巖性

根據(jù)勘察報(bào)告，場地內(nèi)埋藏的地層主要由上覆第四系雜填土、沖積粉質(zhì)粘土與粉砂、圓礫及下伏泥盆系砂巖組成，現(xiàn)將各巖土層特征自上至下分別描述如下：

①雜填土（Q4ml）：雜色、褐紅色，稍濕-濕，松散，成分以磚塊、混凝土塊等建筑垃圾及粘性土為主，局部含中砂。擋土墻背后新近回填土中磚塊等硬質(zhì)物含量約20%，墻腳回填土中磚塊等硬質(zhì)物含量約80%。未經(jīng)壓實(shí)，結(jié)構(gòu)不均勻。層厚（1.30～6.30）m，平均厚度3.78m。

②粉質(zhì)粘土（Q4al）：灰色、灰黃色，可塑，該層頂部一般呈褐灰色，軟塑狀。見少量黑色氧化物，砂質(zhì)含量約5%～10%。無搖振反應(yīng)，稍有光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等。該層在場地皆有分布，層厚（3.30～8.70）m，平均厚度 6.13m。

③粉砂（Q4al）：灰黃色、灰綠色，濕-飽和，松散，成分主要為石英，云母，粘性土含量5%～30%不等。該層在場地皆有分布，層厚（0.60～5.50）m，平均厚度2.67m。

④圓礫（Q4al）：灰黃色、灰色，飽和，中密-密實(shí)，礫質(zhì)含量 65%以上，粒徑（5～20）mm，顆粒大小較均勻，呈亞圓形。成分以石英為主，充填中砂，泥質(zhì)含量約5%～15%。該層在場地皆有分布，層厚（0.50～1.70）m，平均厚度1.03 m。

⑤強(qiáng)風(fēng)化砂巖（D）：褐紅色、淺紫紅色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。除石英外大部分礦物已風(fēng)化變質(zhì)，巖石呈半巖半土狀，風(fēng)化裂隙很發(fā)育。巖體破碎，巖石為較軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為V級。巖芯呈碎塊狀，孔深往下趨于完整，少量短柱狀。采取率約70%，RQD約10%～20%。該層在場地內(nèi)普遍分布，揭露厚度（4.47～7.20）m。

2.3 水文地質(zhì)條件

各鉆孔在鉆探時(shí)均遇到地下水，地下水類型為上層滯水及潛水。上層滯水主要賦存于擋土墻背后雜填土①中，主要接受大氣降水補(bǔ)給，水量不大，受季節(jié)變化影響較大。測得上層滯水位埋深在現(xiàn)地坪以下（5.5～5.8）m，相當(dāng)于標(biāo)高為（29.86～30.74）m。 潛水主要賦存于粉砂③與圓礫④中，本場地東側(cè)緊鄰湘江,洪水季節(jié)湘江河水補(bǔ)給場地內(nèi)潛水,其他時(shí)期場地內(nèi)潛水向湘江排泄。測得潛水位埋深在現(xiàn)地坪以下（7.0～14.3）m，相當(dāng)于標(biāo)高為（21.06～24.84）m。

場地地下水對混凝土均無腐蝕性。

3 擋土墻倒塌原因分析及變形發(fā)展趨勢預(yù)測

3.1 擋土墻倒塌原因分析

根據(jù)收集到的資料，該擋土墻于2007年10月開工，2008年3月竣工，曾經(jīng)受過幾次大的降雨。2009年2月7日中午在靠近瀟湘大道停放小挖機(jī)地段的擋土墻（墻高最高處為4.8m）突然發(fā)生倒塌。據(jù)目擊者介紹，先看到擋土墻墻身外鼓，隨即下座倒塌。2009年2月12日工程指揮部組織專家進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查與分析，認(rèn)為倒塌系由墻身抗彎剪承載力不足引起，墻身承載力不足的原因除片石砌體的砌筑質(zhì)量較差之外，也與泄水孔及填土的施工未按設(shè)計(jì)與施工規(guī)范的要求施工有關(guān)。

3.2 擋土墻變形發(fā)展趨勢預(yù)測

通過在擋土墻倒塌段左右各20m范圍內(nèi)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，墻頂及墻面多處存在裂縫。墻頂以垂直裂縫為主，延伸長度約（1.5～2.0）m，呈上寬下窄形態(tài)。 墻面以中間的一條水平裂縫為主，自擋土墻倒塌段往西延伸長度約15m，呈東寬西窄形態(tài)。

根據(jù)上述分析并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查、收集到的該擋土墻的設(shè)計(jì)與竣工資料，該擋土墻的變形發(fā)展趨勢大致如下：

（1）雨水沿裂縫下滲，進(jìn)一步降低墻背填土的強(qiáng)度，增大墻背填土的土壓力，同時(shí)雨水對墻背的水壓力（原泄水孔不滿足要求）增加，加劇墻身外鼓，最終可致?lián)跬翂κХ€(wěn)。

（2）隨著時(shí)間推移，松木樁基礎(chǔ)因耐久性較差，水平承載力降低導(dǎo)致?lián)跬翂δ_向前滑移，以致?lián)跬翂κХ€(wěn)。

4 加固方案選擇

根據(jù)本工程的實(shí)際情況，可供選擇的擋墻加固處理方案有四種：一是水平拉桿（錨桿）加人工挖孔樁；二是水平拉桿加樹根樁；三是水平拉桿加鋼管樁；四是對擋土墻下地基、墻身和墻背回填土進(jìn)行分層多次劈裂灌漿進(jìn)行加固。

經(jīng)比較方案一因人工挖孔樁孔徑較大（≥800 mm），不能對周圍的回填土進(jìn)行加固，且難以在砂卵石層施工，施工的可行性差。

方案二孔徑小，可以實(shí)現(xiàn)對樁周回填土進(jìn)行注漿加固，安全可靠性好，但工序多、造價(jià)稍高。

方案三造價(jià)高，拉桿與鋼管樁連接困難。

方案四工序單一，造價(jià)較低，但劈裂注漿對施工技術(shù)水平要求較高，施工方的風(fēng)險(xiǎn)較大。

經(jīng)比較，建議采用方案二和方案四，從既確保安全，又經(jīng)濟(jì)可行原則出發(fā)，經(jīng)研究最后采用了方案二：水平拉桿加樹根樁（詳見附圖）。

樹根樁是在地基中設(shè)置的小直徑樁，因采用壓力灌漿，對樁間軟弱土起到一定的加固作用。其特點(diǎn)如下：

（1）所需施工場地較小，不會對原有建筑物的穩(wěn)定以及周圍環(huán)境帶來危害。

（2）采用壓力灌漿可將樁與地基土緊密結(jié)合，增大了樁與地基土的摩阻力，同時(shí)對樁間土起到加固作用。

（3）相對其它加固處理方案工期短，造價(jià)相對較低。

（4）施工技術(shù)要求相對較高，要求選擇有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)施工單位。

5 擋土墻加固設(shè)計(jì)計(jì)算

5.1 基本數(shù)據(jù)

（1）安全等級二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.05，鋼筋銹蝕系數(shù)1.2。

附圖 樹根樁加固設(shè)計(jì)圖

（2）地面荷載 q0=10 kN/m2。

（3）墻背主動土壓力計(jì)算參數(shù)：壓力注漿后的回填土等效內(nèi)摩擦角φD=300，重力密度γ=20 kN/m2，外形影響系數(shù)β=2.0。

（4）擋土高度H=4.8m。

5.2 擋土結(jié)構(gòu)加固方案

（1）加固目的。減小片石擋土墻墻身承受的主動土壓力，提高擋土結(jié)構(gòu)局部和整體的抗彎、抗剪、抗傾覆和抗滑移的承載力。

（2）加固措施。在墻背設(shè)計(jì)樹根樁；在墻身中部位設(shè)水平拉桿與樹根樁連成一體；在墻頂和墻腳設(shè)拉梁，在墻面設(shè)立柱；在墻面掛鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土；在墻身設(shè)立真正起泄水作用的泄水孔；在墻背回填土中鉆孔注漿。

5.3 加固后擋土墻的計(jì)算模型

按上述加固措施施工的擋土結(jié)構(gòu)，其中計(jì)算模型為置于回填土中的由進(jìn)入圓礫層的樹根樁、鋼拉桿、混凝土拉梁、立柱和原擋土墻（或新砌擋土墻）形成的組合擋土結(jié)構(gòu)。其受力狀況：樹根樁主要承受擋土結(jié)構(gòu)整體傾覆時(shí)的拔力和整體滑移中的剪力。拉桿和拉梁主要承受墻背回填土的主動土壓力，相當(dāng)于在擋土墻的中間和頂部設(shè)的支點(diǎn)，以減小墻身（砌體結(jié)構(gòu)）的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力。立柱和掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土是為了提高墻身的抗彎、抗剪和抗壓承載力。在墻背回填土中鉆孔注漿和墻身設(shè)立真正起泄水作用的泄水孔是為了提高墻背回填土的粘聚力、內(nèi)摩擦角和避免墻背回填土土性因水的作用劣化。

（1）墻背主動土壓力。

主動土壓力系數(shù) k=2.0×tg2（450-300/2）=2 tg2300=0.66；

頂部主動土壓力e1=0.66×10=6.6 kN/m2；

底部主動土壓力 e2=6.6+（0.66×4.8×20）=69.96 kN/m2；

主動土壓力合力 E=6.6×4.8+0.5×63.36×4.8=183.74 kN/m；

合力作用點(diǎn)距底部的距離 a=（6.6×4.8×2.4+0.5×63.36×4.82×1/3）÷183.74=1.74m。

（2）拉桿及拉梁的計(jì)算。

拉桿采用Φ25，拉桿的抗拉承載力Nu=（490×360）÷（1.2×1.05）=140 000N=140 kN；

拉梁的內(nèi)力 NL=183.74-140=43.74 kN；A s=（1.05×43 740）÷210=314mm2；配 4Φ10，A s=314mm2。

（3）樹根樁及立柱的計(jì)算。

底部的傾覆力矩 M=1.05×E×a=1.05×1.74×183.74=335.7 kN/m；

樹根樁的拔力及錨固長度：

● 拔力：S=3.15÷2+0.5=2.075m；N=M÷S=335.7÷2.075=80.89 kN；

●錨固長度：考慮樹根樁進(jìn)入圓礫層1m，如圓礫層厚不足1m，則進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖0.5m。

● 縱 向 鋼 筋 ：As=110 000 ÷210=524 mm2， 配6Φ12，As=678mm2＞524mm2。

●橫向箍筋：總水平力 H=E=183.74 kN

原擋土墻的抗滑承載力 H u=3.15×（4.8+0.55）×20×0.2=67.41 kN；

樹根樁承受的水平剪力V=183.74-67.41=116.33kN；

兩根樹根樁的抗剪承載力：

箍筋按構(gòu)造配筋Φ6@100。

6 加固效果檢測

由于地層條件較差，為保證施工質(zhì)量，施工時(shí)采用全孔跟管鉆進(jìn)。施工結(jié)束后，對施工效果進(jìn)行了相應(yīng)檢測，我們采用了以下幾種方法進(jìn)行了檢測：

（1）鉆孔取芯。在樹根樁之間進(jìn)行鉆孔抽樣取芯，通過對加固前后雜填土土樣物理力學(xué)指標(biāo)的比較（附表），檢測注漿效果。

經(jīng)抽芯檢測發(fā)現(xiàn)，樹根樁周土體結(jié)石率高，土體性質(zhì)均勻且強(qiáng)度得到了較大的提高，有效地減小了墻背土壓力，能滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）樁身質(zhì)量檢查。樹根樁施工結(jié)束后，隨機(jī)抽取3根樁進(jìn)行了開挖檢查，證實(shí)成樁質(zhì)量好，樁身強(qiáng)度高，滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）變形觀測。在擋土墻兩側(cè)布置了4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在擋土墻上，布置了10個(gè)變形觀測點(diǎn)，施工結(jié)束后1個(gè)月內(nèi)，每一個(gè)星期進(jìn)行一次觀測，后兩個(gè)月每半個(gè)月觀測一次，共觀測了8次，觀測結(jié)果顯示，擋土墻最大累積沉降才1.6mm，估計(jì)最終沉降量為2 mm左右；墻身停止外鼓，墻體水平變形得到有效控制。檢測結(jié)果表明，加固處理已有了顯著的效果，尤其是沉降與墻身水平變形控制達(dá)到了比較滿意的效果，說明樹根樁加固治理是比較成功的。

附表為加固效果檢測前后對比。

附表 洞庭湖區(qū)集成安合垸堤防加固效果檢測對比

7 結(jié)論與建議

施工結(jié)束后經(jīng)測量檢測，滿足設(shè)計(jì)與規(guī)范的要求，能夠正常使用，創(chuàng)造了良好的社會效益及經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也為處理同類型事故工程開劈了一條新的加固處理途徑。