微型樁技術(shù)在既有建筑地基基礎(chǔ)加固改造工程中的應(yīng)用*

唐 君，雷飛龍，江 寧

(1.建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013； 2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司地基基礎(chǔ)研究所，北京 100013； 3.北京市地基基礎(chǔ)與地下空間開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，北京 100013； 4.五礦地產(chǎn)有限公司，北京 100010)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市功能的更新，既有建筑老齡化問題日益突出。國務(wù)院參事、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部原副部長(zhǎng)、中國城市科學(xué)研究會(huì)理事長(zhǎng)仇保興于2018年表示，我國城市現(xiàn)有400 億m2舊建筑中約有1/3需進(jìn)行抗震、節(jié)能、適老、節(jié)水等方面的改造[1-2]。對(duì)既有建筑進(jìn)行增設(shè)電梯加固改造以解決垂直交通問題，是城市高質(zhì)量發(fā)展的必然要求。

由于設(shè)計(jì)要求或施工條件限制，既有建筑地基基礎(chǔ)加固工程一般對(duì)施工設(shè)備及施工工藝有特殊要求[3-4]。微型樁適用于狹小施工場(chǎng)地條件[5]，其中，小型鉆孔注漿鋼管樁[6-7]是在靜壓鋼管樁技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的加固方法，通過壓力注漿可有效提高樁側(cè)摩阻力，具備施工靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠、耐久等特點(diǎn)。

樁底、樁側(cè)后壓漿技術(shù)通過壓漿方式，使樁周及樁底松軟土體得到有效加強(qiáng)，從而大大提高樁側(cè)和樁端阻力，達(dá)到提高單樁豎向承載力的目的。其作用機(jī)理是在樁體形成后，通過預(yù)設(shè)的注漿導(dǎo)管及與之相連的樁端、樁側(cè)注漿閥注入水泥漿，通過漿液滲擴(kuò)、擠密和劈裂壓密等方式，消除泥皮和樁底沉渣的固有缺陷，改善樁土界面，使樁端、樁側(cè)土體(包括沉渣和泥皮)得到加固，從而提高單樁承載力，減小沉降[8]。

為有效提升既有建筑使用功能，本項(xiàng)目在保證既有建筑物安全的前提下，在有限施工空間內(nèi)，運(yùn)用改裝的套管跟進(jìn)錨桿鉆機(jī)成孔，采用注漿鋼管樁聯(lián)合樁端、樁側(cè)復(fù)式注漿工藝的地基基礎(chǔ)加固方案，成功實(shí)現(xiàn)了既有建筑微型樁地基基礎(chǔ)加固改造。

1 工程概況

1.1 既有建筑概況

為解決既有建筑垂直交通問題，北京某高校擬在5號(hào)教學(xué)樓原結(jié)構(gòu)外加建5層電梯?！?.000絕對(duì)標(biāo)高為42.730m，筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底標(biāo)高為-2.650m。 根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，擬加建電梯地基承載力及變形均不滿足設(shè)計(jì)要求，考慮鄰近既有建筑施工空間有限，采用注漿鋼管樁聯(lián)合樁端、樁側(cè)復(fù)式注漿工藝的地基基礎(chǔ)加固方案。

目前，既有建筑改造項(xiàng)目已完成并投入使用，第三方檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示該方案滿足規(guī)范[8-10]及設(shè)計(jì)要求。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，勘探深度范圍內(nèi)(最深20.00m)的地層，按成因類型、沉積年代可劃分為人工堆積層及第四紀(jì)沉積層，并按其巖性及工程特性進(jìn)一步劃分為5個(gè)大層及亞層：①層房渣土，①1層黏質(zhì)粉土素填土，②層黏質(zhì)粉土～粉質(zhì)黏土，②1層砂質(zhì)粉土～黏質(zhì)粉土，②2層重粉質(zhì)黏土～黏土，②3層粉砂～細(xì)砂，③層粉質(zhì)黏土～黏質(zhì)粉土，③1層砂質(zhì)粉土～黏質(zhì)粉土，③2層重粉質(zhì)黏土～黏土，④層細(xì)砂～中砂，⑤層粉質(zhì)黏土～黏質(zhì)粉土，⑤1層黏土～重粉質(zhì)黏土，⑤2層黏質(zhì)粉土～砂質(zhì)粉土。

工程典型地質(zhì)剖面如圖1所示，地層物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)性質(zhì)

圖1 工程典型地質(zhì)剖面

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，場(chǎng)地地下水分布情況如表2所示。

表2 地下水分布情況

2 既有建筑地基基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)

2.1 加固方案

既有建筑地基基礎(chǔ)加固方案以安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、保護(hù)環(huán)境等為原則，綜合考慮教學(xué)樓結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)及鄰近既有建筑有限施工空間等因素，采用注漿鋼管樁聯(lián)合樁端、樁側(cè)復(fù)式注漿工藝的地基基礎(chǔ)加固方案。

2.2 樁基豎向承載力計(jì)算

依據(jù)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下作用于承臺(tái)頂面的豎向力，微型樁采用直徑219mm、壁厚3.5mm鋼管樁，布樁平面如圖2所示。

圖2 鋼管樁布樁平面

在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合軸心豎向力及偏心豎向力作用下，通過式(1)，(2)計(jì)算出柱下群樁中樁基的樁頂作用效應(yīng)如表3所示。

表3 樁基豎向力結(jié)果統(tǒng)計(jì) kN

鋼管樁樁頂嵌入承臺(tái)50mm，即設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高為-2.600m。綜合考慮有限空間施工條件及樁端持力層參數(shù)，鋼管樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為8.0m，樁端持力層為④層細(xì)砂～中砂層。為有效提高單樁承載力，減小沉降，鋼管樁采用樁端、樁側(cè)后壓漿技術(shù)，依據(jù)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[9]，采用二次注漿工藝的注漿鋼管樁樁側(cè)摩阻力特征值取值可乘以1.3的系數(shù)，計(jì)算出鋼管樁單樁豎向承載力特征值為175kN。

在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合軸心豎向力作用下，樁基平均豎向力Nk≤R(R為豎向承載力特征值，下同)；在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合偏心豎向力作用下，基樁最大豎向力Nkmax≤1.2R，滿足JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[8]和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，鋼管樁抗壓強(qiáng)度及穩(wěn)定性滿足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[11]要求。

2.3 樁基沉降計(jì)算

鋼管樁樁中心距小于6倍樁徑，樁基最終沉降量計(jì)算可采用等效作用分層總和法，根據(jù)角點(diǎn)法計(jì)算。樁基沉降計(jì)算深度Zn按應(yīng)力比法確定。計(jì)算結(jié)果如表4所示，滿足《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[8]和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

表4 樁基沉降結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3 微型樁施工

考慮鄰近既有建筑施工空間有限，鋼管樁施工采用改裝的套管跟進(jìn)錨桿鉆機(jī)成孔及樁端、樁側(cè)復(fù)式注漿工藝，施工步驟為：施工準(zhǔn)備→操作面開挖→鋼管樁定位放線→鉆機(jī)就位→鉆進(jìn)成孔→灌注水泥漿→拔外套筒→下放鋼管→下后壓漿導(dǎo)管→放置樁頂鋼筋籠→樁端、樁側(cè)后壓漿。

3.1 鋼管樁施工

鄰近既有建筑有限空間內(nèi)進(jìn)行施工作業(yè)，對(duì)小型化設(shè)備尺寸要求較高。對(duì)錨桿鉆機(jī)進(jìn)行改裝，以滿足鋼管樁施工要求。同時(shí)，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，②1層砂質(zhì)粉土～黏質(zhì)粉土及②3層粉砂～細(xì)砂中存在潛水；④層細(xì)砂～中砂存在層間水，采用套管跟進(jìn)錨桿鉆機(jī)成孔以防塌孔。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)既有建筑物軸線施測(cè)樁位，為保證鋼管樁垂直度偏差≤1%，施工鉆機(jī)要做到三腳架頂、鉆桿軸線、樁孔中線在同一鉛垂線上，鉆桿軸線同樁孔中心位置偏差≤2mm。

鋼管樁樁長(zhǎng)不得小于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)且樁端應(yīng)進(jìn)入持力層④層細(xì)砂～中砂≥30cm，當(dāng)鋼管下放至孔底后，采用錘擊或靜壓鋼管方式，以確保鋼管下端與樁底地基土緊密接觸(見圖3)。鋼管樁內(nèi)采用水灰比0.5～0.6 的P·S·A32.5純水泥漿壓力灌漿，水泥用量約70kg/m。鋼管內(nèi)水泥漿接近樁頂時(shí)，放置樁頂鋼筋籠，鋼筋籠采取固定措施以防下沉。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)鋼管樁施工照片

3.2 后壓漿施工

為有效提高單樁承載力、減小沉降，鋼管樁采用樁端、樁側(cè)復(fù)式注漿工藝。沿鋼管樁外壁圓周對(duì)稱設(shè)置2根樁端后注漿導(dǎo)管和2根樁側(cè)后注漿導(dǎo)管，并于樁側(cè)后注漿導(dǎo)管上距樁底4m位置設(shè)置1道樁側(cè)注漿閥。后注漿導(dǎo)管采用國標(biāo)低壓流體輸送用焊接鋼管，樁端注漿導(dǎo)管公稱口徑25mm、壁厚3.25mm，樁側(cè)注漿導(dǎo)管公稱口徑20mm、壁厚2.75mm。注漿作業(yè)于成樁2d后開始，注漿流量宜≤75L/min 且注漿作業(yè)與成孔作業(yè)點(diǎn)的距離宜≥10～15m， 注漿參數(shù)如表5所示。當(dāng)注漿總量和注漿壓力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，或注漿總量已達(dá)到設(shè)計(jì)值的75%以上且注漿壓力超過設(shè)計(jì)值2倍時(shí)終止注漿。

表5 注漿參數(shù)

4 樁基檢測(cè)

依據(jù)規(guī)范[8-10]，檢測(cè)單位對(duì)3根鋼管樁進(jìn)行單樁豎向抗壓承載力檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，在最大試驗(yàn)荷載350kN作用下，受檢的3根鋼管樁單樁豎向抗壓沉降位移分別為10.25，11.98，10.69mm，單樁豎向抗壓承載力特征值滿足350kN的設(shè)計(jì)要求。其中，P4號(hào)鋼管樁Q-s曲線如圖4所示。由圖4可知，荷載為175kN時(shí)，鋼管樁累計(jì)沉降量為4.32mm；荷載為350kN時(shí)，鋼管樁最終累計(jì)沉降量為11.98mm。

圖4 P4號(hào)鋼管樁Q-s曲線

5 結(jié)語

針對(duì)北京某既有建筑于原結(jié)構(gòu)外加建電梯工程，采用注漿鋼管樁聯(lián)合樁端、樁側(cè)后壓漿方案對(duì)地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固。通過微型樁技術(shù)在既有建筑加固改造工程中的成功實(shí)施，可得出以下結(jié)論。

1)采用注漿鋼管樁聯(lián)合樁端、樁側(cè)復(fù)式注漿工藝的地基基礎(chǔ)加固方案，對(duì)有限空間既有建筑加固改造合理、有效。

2)相較于單一鋼管樁方案，結(jié)合后壓漿技術(shù)，可有效提高樁基單樁豎向承載力，控制沉降變形。

3)對(duì)于有類似工程地質(zhì)條件的既有建筑加固改造工程，改裝的套管跟進(jìn)錨桿鉆機(jī)可在有限空間內(nèi)有效完成成孔作業(yè)。