樹根樁在快速加固既有房屋地基中的作用分析

王文宇，顏 敏，李中國，朱宏偉，蔡德鉤，張千里

(1.北京佰嘉置業(yè)集團有限公司，北京 102400;2.清華大學 機械工程系，北京 100084;3.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概況

一房屋地上6層地下1層，坐北朝南，地上住宅為鋼筋混凝土剪力墻結構，基礎形式為筏板基礎，筏板下部為素混凝土墊層，其下為級配砂石墊層。由于場地上覆地層承載力較低，無法滿足樓房基礎承載要求，對地基進行了處理。首先對樓基礎范圍內(nèi)的回填土采用滿夯處理，然后采用CFG樁進行處理。CFG樁樁徑0.4 m，樁間距1.8 m×1.8 m，樁身混凝土強度為C20，樁長以達到巖石持力層作為控制條件。設計要求地基承載力不小于150 kPa，最大沉降量為20 mm，沉降差不大于20 mm。由于遭遇暴雨，雨水大量滲入地基，地基土體浸水后強度降低，地基整體承載能力降低，沉降增大，基礎出現(xiàn)不均勻沉降，房屋出現(xiàn)裂縫。

2012年8 月—2013年2月，沉降監(jiān)測結果顯示，該樓東側沉降大于西側，東北角、東南角沉降量分別達到23，18 mm;西北角、西南角沉降均＜3 mm;北中角、南中角沉降量在12～18 mm。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，沉降仍然有增加的趨勢，截至2013年5月中旬，最大累計沉降約為40 mm。

2 水文地質(zhì)條件

該工程所在位置地貌屬于山麓坡積裙地貌，地面高差較大，北高南低、西高東低。巖土工程地勘報告表明，場地內(nèi)筏板基礎以下的地層自上而下主要為:①人工填土(粉質(zhì)黏土素填土，雜填土)，一般厚度為0.3～5.0 m，部分區(qū)域達8.4 m;②第四紀坡洪積成因的黏性土(粉質(zhì)黏土)、碎石土(夾碎石透鏡體);③全風化砂巖、頁巖和泥巖;④強風化的砂巖、頁巖和泥巖。

地下水類型為上層滯水，主要含水層為粉質(zhì)黏土雜填土，以大氣降水、綠化灌溉等為主要補給方式，以蒸發(fā)為主要排泄方式。地下水位變化受人為活動和季節(jié)性降水影響較大。根據(jù)勘察報告，在2010年詳勘期間(2009年12月—2010年1月)所有鉆孔內(nèi)均未見地下水。2012年8月補勘期間，地下水穩(wěn)定水位深度1.3～4.6 m，穩(wěn)定水位標高75.42～80.14 m(主要為粉質(zhì)黏土層)。地下水位的上升主要是該地區(qū)在2012年夏季多次強降雨所致。

3 沉降原因分析

結合沉降觀測結果及水文地質(zhì)條件對該房屋地基不均勻沉降原因予以分析。

3.1 場地地形、地層條件的影響

場地地貌上屬于山麓坡積裙地貌，地面高差較大，北高南低、西高東低。原地形整體為洼地，屬典型的匯水地形，暴雨來臨，雨水極易在此處匯集，造成地基土體含水量增大。場地粉質(zhì)黏土層較厚，且起伏較大;粉質(zhì)黏土層浸水強度降低明顯，這些因素使得粉質(zhì)黏土層成為發(fā)生不均勻沉降的主要地層。

3.2 特大暴雨的影響

特大暴雨發(fā)生時，該工程地下室尚未回填，地基直接曝露，導致雨水大量滲入地基，地下水位上升。地基土體尤其是粉質(zhì)黏土層在浸水或含水量增大時，土體強度降低，變形增大，導致地基整體承載能力降低，沉降增大。根據(jù)補充勘察資料中動力觸探結果，部分回填碎石層和粉質(zhì)黏土素填土層擊數(shù)僅為1～2，該部分地層為人工填土層，填料成分雜亂松散，含有碎石、磚塊、角礫及生活垃圾等，浸水后土體原有結構破壞，強度降低。

3.3 地基處理不當

依據(jù)勘察結果、設計文件及CFG樁施工資料，部分CFG樁存在未達到持力層(強風化巖層)的現(xiàn)象。

由于場地上覆地層承載力較低無法滿足樓房基礎承載150 kPa的要求，對地基進行了處理。兩限樓范圍內(nèi)處理方式為回填后采用1 500 kN級滿夯處理，然后采用樁徑0.4 m，樁間距1.8 m×1.8 m的CFG樁進行處理，樁長以達到巖石持力層④作為控制條件。

圖1為該房屋地基的地質(zhì)剖面示意圖，可以看出，基礎下持力層(強風化巖層)起伏較大，呈現(xiàn)短軸方向南深北淺、長軸方向中間深的特點，持力層深度與沉降量有較好的一致性。部分CFG樁未達到持力層，建筑物沉降量較大，與CFG樁未達到持力層有直接關系。

圖1 工程地質(zhì)剖面示意

地基承載力計算如下:

1)CFG樁設計參數(shù)

樁間距s=1.8 m;樁的等效加固直徑de=1.13s(正方形布樁);樁徑d=0.4 m;置換率m=d2/d2e=0.42/(1.13×1.8)2=0.038 67;處理后樁間土承載力特征值fsk=120 kPa;樁間土承載力折減系數(shù)β=0.8;樁端巖石端阻極限承載力qpa=1 600 kPa;樁端粉質(zhì)黏土端阻極限承載力為800 kPa。

2)復合地基承載力特征值計算

①當CFG樁底位于強風化巖層時，樁面積Ap=3.14×0.22=0.125 6 m2，單樁豎向承載力特征值Ra為

復合地基承載力fspk為

②當CFG樁底位于粉質(zhì)黏土時

從上述計算結果可知，持力層對復合地基的承載力影響十分明顯。當持力層未達到設計強風化巖層時，復合地基的承載力只有129.70 kPa，小于設計(150 kPa)要求。

4 樹根樁加固地基設計

針對本工程地質(zhì)條件復雜、空間狹小和工期緊張等困難條件，采用樹根樁對房屋地基進行加固。樹根樁主要沿地下室外墻內(nèi)及結構剪力墻附近布置，與剪力墻的距離應以滿足施工機械操作空間為宜，整個加固區(qū)域布置236根樁。房屋基礎平面及樹根樁布置見圖2。根據(jù)沉降觀測和地質(zhì)勘查資料，對地基的內(nèi)填土層厚度較深的位置適當增加布樁數(shù)量;荷載較集中的位置適當增加;其他位置適當布置。

5 樹根樁施工工藝

在正式施工前選擇有代表性地層進行施工機械性能及注漿工藝試驗，確定潛孔鉆鉆孔、注漿施工參數(shù)。該工程施工的主要內(nèi)容有潛孔鉆鉆孔、鋼花管制作安裝、注漿、樁頭處理、地面恢復等，施工流程如圖3所示。

圖2 房屋基礎平面及樹根樁布置

圖3 樹根樁施工流程

5.1 潛孔鉆鉆孔

由于基礎下部為人工回填粉質(zhì)黏土雜填土，夾雜石塊，基巖為全風化、強風化的砂巖、頁巖和泥巖，為了保證樹根樁達到設計深度，必須首先進行鉆孔。成孔深度至強風化層下0.5 m，考慮到地下室空間狹小，大型鉆孔設備無法作業(yè)，鉆孔采用QZJ-100D型潛孔沖擊鉆機，定制鉆具為 CR180沖擊器，鉆頭直徑為180 mm，該鉆機的動力源為15 m3空壓機。

前期地基采用CFG樁處理，孔位放樣按照地基處理竣工資料和設計圖紙避開CFG樁，確定孔位后拆除地下室地面混凝土整澆層，清除整澆層與筏板之間的回填土，采用靜力水鉆鉆透筏板，孔徑200 mm，安裝好潛孔鉆機進行鉆孔作業(yè)，樹根樁的直徑為180 mm，樁長自筏板基礎至強風化巖層。根據(jù)地質(zhì)勘察資料、鉆孔鉆進速度及出渣情況，綜合判斷鉆孔是否到達設計持力層，結合附近鉆孔情況判斷是否終孔，避免鉆進時遇到個別塊石造成誤判。

5.2 鋼花管制作安裝

鋼花管采用壁厚6 mm，直徑97 mm的無縫鋼管，鋼花管在基礎褥墊層以下0.5 m處沿鋼管軸線每4 cm、沿鋼管徑向每旋轉(zhuǎn)45°鉆6 mm的注漿孔，注漿孔沿鋼管四周呈螺旋狀布置，注漿孔用膠帶或凝膠密封。由于地下室空間限制，為了便于安裝，將鋼花管切割為1，2，3，4 m的不同長度，在安裝時再焊接成需要的長度，為了確保焊接后強度，焊接時使用 3根φ16 mm螺紋鋼筋加強，接口處圍焊。

鋼花管底部采用厚度5 mm的鋼板焊接密封，一次PVC注漿管隨著鋼管安裝，綁扎在鋼管上，劈裂注漿孔首先采用玻璃膠堵住注漿孔，外側使用強力膠帶纏繞密封，纏繞3～4層，纏繞時要將鋼管表面清理干凈，將膠帶壓平粘牢，避免鋼管安裝時，孔壁泥土進入鋼管里，影響二次注漿效果。

5.3 壓力注漿

注漿采用二次注漿工藝，注漿泵的最大工作壓力應不小于1.5 MPa。

第一次注漿采用1∶(0.4～0.5)水泥漿，注漿采用從孔底向上反向壓漿，將孔底的水或泥漿沿著管壁壓出來，當孔口返出正常干凈的純水泥漿液約10～15 s后，可停止注漿。此時須觀察水泥漿的動態(tài)，鋼管內(nèi)是否會漏漿，如孔內(nèi)水泥漿下降較快，必須馬上補漿，待水泥漿穩(wěn)定后方可進行管內(nèi)二次劈裂注漿。

第二次注漿材料為M30純水泥漿，采用分次間歇式注漿，水灰比為0.5∶1，采用P.O42.5R水泥。待第一次注漿穩(wěn)定并間隔一定時間后進行第二次鋼管孔內(nèi)的壓漿，注漿壓力應穩(wěn)定在1.5 MPa以上。

為了保證水泥漿的質(zhì)量，水泥漿必須使用水泥攪拌機強制進行正反轉(zhuǎn)攪拌，攪拌時間不得少于3 min。

5.4 樁頭處理

樹根樁注漿結束后，在筏板植筋，與鋼管頂部搭接焊的方式，然后用C30微膨脹早強混凝土封口。封口完畢后進行樁頭防水處理，樁頭封樁后先用10～15 mm厚1∶2.5水泥砂漿抹面，然后涂抹聚合物水泥防水砂漿，分層抹壓，順序為防水素漿→防水砂漿→防水素漿→防水砂漿→防水素漿→防水砂漿，最后用抗壓密封劑涂抹在表面。

6 加固效果

為了評價房屋地基加固效果，抽取3根樹根樁對其單樁承載力進行檢測，確保樹根樁的承載力滿足設計要求;另外，在地基加固施工期間對樓體的沉降情況進行監(jiān)測。

6.1 沉降監(jiān)測

沉降監(jiān)測共設置了26個沉降監(jiān)測點，其中1層房屋內(nèi)部布置7個測點，整個施工過程中對樓體的沉降變形進行監(jiān)測，選取房屋不同方位的 1，5，8，11，16，19和23號7個代表性測點進行沉降分析。圖4為沉降監(jiān)測結果。

圖4 不同測點房屋沉降時程曲線

從圖4可以看出:

由于房屋地基地質(zhì)條件較差，4月28日—5月12日施工準備期間發(fā)生較大的不均勻沉降，26個測點的沉降變形在0～12 mm之間，其中東北角的8，23號，中部5號測點沉降均超過10 mm，而且沉降發(fā)展趨勢明顯。

5月12日—6月21日施工期間，由于地質(zhì)條件較差，易受到地基加固施工的擾動，施工過程中鉆孔擾動和注漿后地基土體軟化，各測點沉降繼續(xù)增加，但增加趨勢逐漸減緩并趨于穩(wěn)定。

6月21房屋地基加固施工完畢，樹根樁樁體開始發(fā)揮承載力作用，6月21—7月22日，連續(xù)一個月時間，遭遇3場強降雨，樓體沉降一直保持穩(wěn)定無增長，表明樹根樁加固地基發(fā)揮了作用，整個樓體未受到降雨的明顯影響。

6.2 樹根樁承載力檢測

依據(jù)《建筑基樁檢測技術規(guī)范》(JGJ 106—2003)中的有關規(guī)定，抽取了3根樹根樁對其單樁承載力進行檢測，加載采用慢速維持荷載法，最大加載到250 kN。檢測結果如表1所示?？梢钥闯?，被檢測的3根試驗樁單樁豎向抗壓極限承載力不小于250 kN。

表1 樹根樁單樁承載力檢測結果

7 結論

1)從本工程的加固效果來看，采用潛孔鉆成孔、植入鋼花管、二次注漿的樹根樁加固方法非常適用于需要快速搶救加固、地質(zhì)條件復雜、施工場地狹小的房屋地基加固。

2)從樓體沉降監(jiān)測和樹根樁單樁承載力檢測的結果來看，樹根樁發(fā)揮了提高地基承載力的作用，樓體沉降保持穩(wěn)定，無增長，未受到強降雨的明顯影響，單樁承載力滿足設計要求，表明樹根樁加固房屋地基效果顯著。

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.JGJ 123—2000 既有建筑地基基礎加固技術規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]張定邦，朱金鳳.新型CFG樁板結構加固軟土地基模擬研究[J].鐵道建筑，2012(12):75-78.

[3]閆志剛，張國彬.樹根樁技術在基礎加固中的應用[J].石家莊鐵路職業(yè)技術學院學報，2008，7(1):6-10.

[4]張勇，盛宏光，趙紅玲，等.應用鋼管微型樁對傾斜樓房進行糾偏加固[J].巖石力學與工程學報，2008，27(增1):3122-3126.

[5]張小兵，王楨，程曉偉.沉降觀測在高層建筑物糾傾工程中的應用[J].鐵道建筑，2011(8):89-92.

[6]杜嘉鴻，張振山，郭忠堂.樹根樁在基礎加固工程中的應用[J].西部探礦工程，1997，9(2):5-7.