逆作微型鋼管樁復(fù)合地基承載變形特性及應(yīng)用

魏應(yīng)樂，馬海龍

（1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 合肥 230061；2.浙江理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

微型樁樁徑一般介于70 ～ 300 mm 之間，長徑比大于30［1］。根據(jù)樁體材料及施工特點(diǎn)，微型樁的樁型分為樹根樁、鋼筋混凝土預(yù)制樁、鋼管樁、灌漿鋼管樁等。

微型樁主要應(yīng)用于既有建筑物增層改造的基礎(chǔ)加固中，具有場地適應(yīng)性強(qiáng)、對巖土體擾動小、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，也用于滑坡治理［2］。李湛等［3］對實(shí)際工程應(yīng)用效果的研究表明，微型樁技術(shù)在既有建筑地基基礎(chǔ)加固工程中具有較好的適用性，可推廣應(yīng)用于類似工程。孫訓(xùn)海等［4］指出，軟土地基采用微型樁復(fù)合地基，比純樁基礎(chǔ)更具有經(jīng)濟(jì)性，且能有效減少建筑物后續(xù)沉降，滿足控制地基變形及建筑物整體傾斜的要求。

Nirmali Borthakur 等［5］論述了飽和軟土中微型樁對中低層建筑物荷載的適用性，分析兩組模型試驗(yàn)指出，微型樁復(fù)合地基能夠提供較高的豎向承載力，具有廣泛的應(yīng)用前景。

即使微型樁的樁徑比較小，如果采用擠土樁（預(yù)制方樁），仍有一定的擠土效應(yīng)。Mohammadreza Khanmohammadi 等［6］采用有限元法，計(jì)算了飽和黏土中打入預(yù)制微型樁過程中，超固結(jié)比、水平土壓力系數(shù)、打入速度、土的滲透系數(shù)等對土體應(yīng)力狀態(tài)的影響，施工引起的超孔隙水壓力會出現(xiàn)擠土效應(yīng)。因此，即使采用微型樁加固地基，也不能忽略擠土影響。施工過程中應(yīng)合理控制微型樁施工順序和施工速度，避免過度擾動基［4］。

Joon-Shik Moon 等［7］研究了樁的施工方法、砂土相對密實(shí)度、樁徑等對微型樁側(cè)摩阻力的影響，指出微型樁的側(cè)摩阻力比鉆孔灌注樁側(cè)摩阻力更高。劉源等［8］進(jìn)行了微型樁室外足尺試驗(yàn)，獲得了不同樁長復(fù)合地基樁間土強(qiáng)度提高系數(shù)、樁間土強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)、單樁承載力發(fā)揮系數(shù)以及樁土應(yīng)力比等。結(jié)果表明，復(fù)合地基破壞時(shí)，樁間土強(qiáng)度能得到有效發(fā)揮，單樁承載力發(fā)揮系數(shù)比規(guī)范推薦值0.8 ～ 0.9大，可達(dá)1.12 ～ 1.56，說明樁的作用很明顯。宗鐘凌等［9］研究揭示，注漿后微型鋼管樁抗壓極限承載力提高75% ～ 150%。

研究表明，褥墊層材料性質(zhì)及厚度影響復(fù)合地基承載力。王正振等［10］研究指出，復(fù)合地基設(shè)計(jì)中宜考慮采用良好的墊層材料和較大的墊層厚度來提高其承載力。

姜文雨等［11］認(rèn)為，剛性樁復(fù)合地基存在中性面，并分析了大長徑比剛性樁樁側(cè)摩阻力，中性面的存在影響復(fù)合地基承載力，所以剛性樁長徑比亦不宜過大。楊光華等［12］提出，當(dāng)樁底置于可靠持力層時(shí)，軟土復(fù)合地基的沉降可以簡化為樁的沉降加褥墊層的壓縮沉降的方法。

劉兵民等［13］則認(rèn)為，土體的側(cè)限和樁土共同作用是微型樁基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)和方向，通過工程實(shí)踐，針對不同的地基、樁基形式及荷載分布，明確其工作機(jī)理的規(guī)律性和特殊性，將對今后微型樁基礎(chǔ)的應(yīng)用有非常重要的意義。

根據(jù)微型樁的上述特點(diǎn)，結(jié)合軟土地基上的某6 層住宅樓的地基加固問題，分析微型鋼管樁加固對該6 層住宅樓的適用性，并探討切實(shí)可行的復(fù)合地基加固方案。

1 工程背景

某小區(qū)十余棟6 層住宅樓，建于20 世紀(jì)90 年代，上部地基土為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚約6.0 m，采用粉噴樁加固地基，加固后復(fù)合地基承載力要求達(dá)到120 kPa。住宅樓建造后，出現(xiàn)了較大沉降及不均勻沉降，其中兩棟住宅不均勻沉降大，墻體開裂嚴(yán)重、條形基礎(chǔ)多處斷裂，鑒定為危房，決定拆除重建。重建原則是原址重建，戶型、面積不變。

經(jīng)多方面考慮，初步確定采用逆作微型鋼管樁加固既有地基。

2 微型鋼管樁加固適用性分析

為了慎重起見，在加固方案確定前，采用PLAXIS 2D 巖土工程分析軟件，計(jì)算粉噴樁復(fù)合地基及微型鋼管樁復(fù)合地基加固特性差異。土體采用摩爾-庫倫模型，粉噴樁、鋼管樁采用彈性模型，粉噴樁直徑500 mm，彈性模量500 MPa，鋼管樁外徑114 mm，壁厚4 mm，彈性模量200 000 MPa。

粉噴樁及鋼管樁樁端，均設(shè)置在第4 層粉質(zhì)黏土層，樁長7.4 m。

地層參數(shù)表見表1。

表1 地層參數(shù)表Tab.1 Soil parameters

2.1 復(fù)合地基豎向變形

圖1、圖2 分別為粉噴樁復(fù)合地基豎向變形云圖（圖中單位：mm）。沉降云圖直觀顯示了粉噴樁復(fù)合地基的沉降分布極不均勻，沉降主要集中在上部。鋼管樁復(fù)合地基沉降分布相對均勻，影響深度可達(dá)樁端下1 倍樁長以下。

圖1 粉噴樁復(fù)合地基豎向變形云圖Fig.1 Vertical deformation cloud map of cement jetting pile on composite foundation

圖2 鋼管樁復(fù)合地基豎向變形云圖Fig.2 Vertical deformation cloud map of steel pipe pile on composite foundation

為進(jìn)一步分析沉降分布特征，圖3 給出了粉噴樁、鋼管樁復(fù)合地基沉降沿深度分布；圖4 給出了兩種復(fù)合地基在某一深度處壓縮量分布。

圖3 復(fù)合地基沉降沿深度分布Fig.3 Settlement of composite foundation along depth

圖4 復(fù)合地基壓縮量沿深度分布Fig.4 Compression of composite foundation along depth

圖3 顯示，微型鋼管樁復(fù)合地基沉降遠(yuǎn)小于粉噴樁復(fù)合地基，沉降僅為粉噴樁復(fù)合地基的26%。鋼管樁加固區(qū)范圍內(nèi)（7.4 m）的壓縮量為10.4 mm，樁底以下壓縮量為20.2 mm。粉噴樁加固區(qū)范圍內(nèi)（7.4 m）的壓縮量為93.6 mm，樁底以下壓縮量為32.2 mm。

圖4 顯示，鋼管樁復(fù)合地基變形沿深度的壓縮量比較均勻，在16 m 處的壓縮量仍接近上部的壓縮量。粉噴樁復(fù)合地基沿深度的壓縮量主要集中在7.4 m 以上，樁端以下的壓縮量遠(yuǎn)小于樁端以上的壓縮量。

由圖1 看出，粉噴樁復(fù)合地基變形特性接近天然地基的變形特性，主要集中在上部加固區(qū)，而樁底以下土的壓縮占比很小，粉噴樁復(fù)合地基沒有起到明顯的控制沉降的作用。

由圖2 看出，微型鋼管樁復(fù)合地基表現(xiàn)為樁基礎(chǔ)的沉降特征，即沉降量主要由樁底以下土層的壓縮構(gòu)成。

2.2 樁荷載傳遞

圖5 是荷載沿樁身傳遞情況。粉噴樁屬于柔性樁范疇［14］，剛度較小，樁身的壓縮量大，存在臨界深度問題，荷載不能有效傳遞到樁端。

圖5 樁身軸力分布Fig.5 Distribution of pile body axial force

微型鋼管樁盡管直徑較小，但屬于剛性樁，仍能將荷載通過樁體傳遞到樁端，傳遞到樁端的荷載占樁頂荷載的17%，表明鋼管樁能將荷載傳遞到深處土層。

粉噴樁樁頂荷載為27 kN，鋼管樁樁頂荷載則為71 kN，作用在粉噴樁頂?shù)妮S力遠(yuǎn)小于作用在鋼管樁頂?shù)妮S力，表明作用在粉噴樁復(fù)合地基樁間土的荷載遠(yuǎn)大于作用在鋼管樁復(fù)合地基樁間土的荷載，鋼管樁在復(fù)合地基中的分擔(dān)荷載約為粉噴樁的2.6 倍。

粉噴樁復(fù)合地基不能通過樁體將荷載傳遞到樁端以下，荷載仍集中在加固區(qū)的上部，導(dǎo)致粉噴樁復(fù)合地基壓縮量大，如果粉噴樁樁體質(zhì)量不均勻，則加固后的地基就會不均勻，這樣會產(chǎn)生較大差異沉降。

這些分析結(jié)果驗(yàn)證了房屋安全鑒定報(bào)告中提及的建筑物開裂的可能原因。

經(jīng)分析，微型鋼管樁加固后的復(fù)合地基在承載特性、變形特性等方面均滿足要求，決定采用微型鋼管樁對本案既有地基實(shí)施加固。

3 微型樁復(fù)合地基實(shí)施

3.1 樁型及施工方法

根據(jù)以上分析，本工程采用微型鋼管樁，鋼管直徑114 mm，壁厚4 mm，采用敞口施工，容許土體進(jìn)入鋼管內(nèi)形成土塞，降低擠土效應(yīng)。由于鋼管樁的直徑較小，可以保證鋼管樁在既有粉噴樁之間布置，既有粉噴樁的存在不影響鋼管樁的施工，亦不破壞粉噴樁。

微型鋼管樁的施工有先壓法和后壓法。先壓法即在建筑物的基礎(chǔ)施工前就將樁壓入土內(nèi)，又稱順做法，需要有配重提供壓樁反力，增大了施工成本。后壓法則利用建筑物的自重提供壓樁反力，將樁壓入地基土內(nèi)。

針對本工程，根據(jù)單樁設(shè)計(jì)承載力（壓樁力是單樁設(shè)計(jì)承載力的1.5 倍，壓樁力是動阻力，動阻力要小于靜阻力），確定住宅樓施工到某個(gè)樓層后，利用住宅樓已經(jīng)形成的自重提供壓樁反力。鋼管樁開始施工，住宅樓的施工亦在進(jìn)行，所以這里的鋼管樁施工稱為逆作法施工，在住宅樓施工到三層樓面時(shí)，開始施工微型鋼管樁。

由于既有條形基礎(chǔ)厚度為300 mm，墊層厚度100 mm，共計(jì)400 mm 厚度的既有條形基礎(chǔ)及墊層作為微型鋼管樁復(fù)合地基的墊層使用，見圖6。新基礎(chǔ)在既有基礎(chǔ)上面澆筑，見圖7。

圖6 既有基礎(chǔ)上澆筑墊層Fig.6 Cushion on existing foundation

圖7 既有基礎(chǔ)上的新基礎(chǔ)Fig.7 New foundation on existing foundation

3.2 復(fù)合地基承載力計(jì)算

考慮到既有粉噴樁的施工長度長短不一（鑒定報(bào)告指出最短的粉噴樁長為3.0 m），采用微型鋼管樁復(fù)合地基，不考慮既有粉噴樁的加強(qiáng)作用，仍采用原狀土的相關(guān)承載力計(jì)算。

3.2.1 單樁承載力計(jì)算

根據(jù)JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，當(dāng)根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk時(shí)，按下式估算：

式中：qsik為樁側(cè)第i 層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)表1 地層參數(shù)，樁長7.5 m，樁頂在地面以下1.3 m，計(jì)算單樁承載力極限標(biāo)準(zhǔn)值Quk=142 kN，單樁承載力特征值Ra=71 kN。

3.2.2 復(fù)合地基承載力計(jì)算

基礎(chǔ)底面積A=726 m2，樁數(shù)n=397 根，單樁截面積Ap=0.010 202 m2，置換率m=0.006 711，單樁承載力特征值Ra=76 kN。

不考慮既有粉噴樁對地基承載力的提高作用以及被拆除房屋對地基土的預(yù)壓效應(yīng)，采用天然地基承載力fsk=80 kPa 計(jì)算復(fù)合地基承載力特征值fspk：

式中：λ為強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)；m 為置換率；β為強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)。

計(jì)算處理后復(fù)合地基承載力滿足120 kPa 的要求。

3.3 單樁靜載荷試驗(yàn)

鋼管樁全部施工完畢后，進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)。按照1.5%比例進(jìn)行試樁的抽檢試驗(yàn)，共6 根試樁，試樁結(jié)果見表2。

表2 試樁結(jié)果Tab.2 Testing results of piles

在最大荷載140 kN 作用下，6 根樁的最大沉降量均未超過10 mm，約在7 ～ 10 mm 之間，回彈率均大于54%，表明在140 kN 的作用下，樁還在彈性范圍內(nèi)工作?；鶚稒z測報(bào)告確定本工程單樁承載力特征值滿足設(shè)計(jì)要求，單樁承載力特征值不小于70 kN。

采用微型鋼管樁加固后，兩年內(nèi)實(shí)測住宅樓最大沉降量不大于15 mm，達(dá)到了加固效果。

4 結(jié)論

針對住宅樓地基采用粉噴樁加固后出現(xiàn)較大沉降，導(dǎo)致住宅樓拆除，以及在原址上重建住宅樓面臨的諸多問題，分析了粉噴樁復(fù)合地基、微型鋼管樁復(fù)合地基的承載特性，獲得以下結(jié)論：

（1）粉噴樁復(fù)合地基壓縮區(qū)域主要分布在加固區(qū)，變形特性接近于天然地基。微型鋼管樁復(fù)合地基壓縮區(qū)域主要在樁端以下，變形特性接近于樁基礎(chǔ)。

（2）作用在粉噴樁頂?shù)暮奢d遠(yuǎn)小于作用在微型鋼管樁頂?shù)暮奢d，作用在粉噴樁復(fù)合地基樁間土的荷載遠(yuǎn)大于作用在鋼管樁復(fù)合地基樁間土的荷載。

（3）粉噴樁頂荷載不能有效傳遞到樁端土，微型鋼管樁頂荷載能夠傳遞到樁端土，從而有效利用樁端土，達(dá)到減少沉降的目的。

（4）逆作微型樁是既有建筑物地基加固的一種可行方法。