基于微型桩托换的建筑物基础加固设计

付艳青，魏焕卫*，孔军，白世和

（1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南250014；2.山东双得利建设科技有限公司，山东 济南250013）

0 引言

在实际工程中经常会遇到由于回填土不密实、承载力不足等原因造成的上部结构开裂或倾斜，当影响到结构的安全使用时，需要对地基基础进行加固处理。常用的方法有注浆加固法、增大基础底面积和微型桩托换加固法等，其中，微型桩加固法因其受力明确、施工简单、工期短且加固费用低，在基础加固和基坑支护中被广泛应用［1－3］。国内外许多学者对微型桩受力和变形机理进行了大量的试验研究和理论分析。Cantoni等通过试验研究提出了网状微型桩加固斜坡的设计方法［4］；吕凡任等对软土地基上微型桩抗压和抗拔特性进行了试验研究，提出了微型桩在受力条件下的受力特点［5］；孙剑平等通过大量的试验数据分析，提出了考虑后压浆的微型桩承载力计算的经验公式等［6］。GB 50007—2011《建筑地基基础规范》、JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》和JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》等为地基的设计、施工和检测提供了技术标准和原则［7－9］。文章对银丰唐郡建筑物门厅的不均匀沉降进行了原因分析，结合现场环境与地质条件，提出了微型桩托换加固的方法，使基础沉降得以控制。

1 工程概况

银丰唐郡建筑物主体为框架结构，基础采用人工挖孔桩基础，桩顶标高为－12.25 m。主楼基础北侧门厅采用柱下独立基础，基础底标高与主楼基础底标高基本一致（如图1所示）。在对该建筑物地下结构主体外围进行土方回填过程中，因门厅柱下独立基础发生不同程度的沉降，对上部结构主体造成一定的损害。为了保证门厅的安全，需要对其进行地基基础加固处理。

图1 加固基础平面布置图

根据场地的岩土工程勘察报告，该场地范围内的土层自上而下为：（1）杂填土：黄褐色、稍密、稍湿，土质不均匀，主要由粘性土组成；（2）黄土状粉质粘土：褐色、局部黄褐色，硬塑，局部可塑；（3）粉质粘土：棕红色、局部棕褐色，硬塑，且局部可塑；（4）全风化闪长岩：灰绿色、岩芯呈粘性土状～砂土状；（5）强风化闪长岩：灰绿色、风化不均匀、岩芯以碎块状为主；（6）中风化闪长岩：局部地段呈灰白色、粗粒结构、块状构造。各土层的物理力学性质指标见表1，相应位置对应的工程地质剖面如图2所示。

表1 土的物理力学参数指标

2 沉降测定数据及原因分析

2.1 沉降测定数据

对建筑物门厅处10个柱子进行沉降观测及分析，相关数据见表2、3，其中，门厅柱基础的最大沉降为173 mm，而相邻柱基间最大沉降差为12‰，超出了GB 50007—2011《建筑地基基础规范》中关于民用建筑相邻柱基沉降差不得超过2‰的规定［7］，且大部分沉降差均超出了该允许值。

表2 建筑物各沉降观测点沉降观测值和纵向倾斜

表3 建筑物各沉降观测点横向倾斜

图2 场地工程地质剖面图

2.2 沉降原因分析

2.2.1 土层原因

根据相应位置工程地质剖面图，建筑物地基持力层为第2层黄土状粉质粘土或第3层粉质粘土，因第2层黄土状粉质粘土具有一定的湿陷性，降雨导致基坑积水，使得该层产生湿陷变形。根据GBJ 50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》的有关规定［10］，其湿陷量按式（1）计算为

式中：Δs为湿陷性黄土场地湿陷量，mm；δsi为第i层土的湿陷系数，这里取0.041，hi为第i层土的厚度，mm，这里取500 mm；β为修正系数，这里取1.5。

据式（1）计算得到的该湿陷性黄土湿陷量为s1＝Δs＝30.75 mm

2.2.2 施工原因

地下结构室外土体为一次性回填，未进行分层夯实，回填深度达10 m左右，在重力作用下固结沉降，对已回填的门厅柱产生负摩阻力，增大了基底压力。根据 JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》［8］，单桩负摩阻力标准值计算式（2）及桩侧下拉荷载计算式（3）为

式中：τni为第 i层桩侧负摩阻力标准值，kPa；ζn为桩周土负摩阻力系数，这里取0.35；为桩周第 i层土平均竖向有效应力，kPa；第i层土层底以上桩周土按厚度计算的加权平均有效重度，kN／m3，这里取回填土重度18 kN／m3；zi为自地面起算的第i层土中点深度，m，这里按填土厚度计算，取12 m；up为桩截面周长，m，这里取2 m；n为中性点以上土层数；lni为中性点以上桩周第层土的厚度，取回填土厚度为12 m。

据此新增承台与原独立基础之间土体对原结构柱的下拉荷载为，由此产生的新增基底压力可由式（4）、（5）计算。

式中：ΔP1为下拉荷载对JC－1产生的基底压力，kPa；ΔP2为下拉荷载对JC－2产生的基底压力，kPa。

经计算，新增基底压力 ΔP1＝860.4 kPa、ΔP2＝1075.2 kPa，由此产生的柱基沉降可由式（6）计算。式中：ψs为沉降计算经验系数，根据规范表5.3.5取0.76；p0为基底附加压力，kPa，这里取负摩阻力引起的新增基底压力ΔP1、ΔP2；Esi为基础底面下第层土的压缩模量，MPa；zi、zi－1为基础底面至第 i层土、第i－1层土底面的距离，m为基础底面计算点至第i层土、第i－1层土底面范围内平均附加应力系数。

2.2.3 填土原因

柱下独立基础四周的大面积回填土相当于基础四周超载，会对该部位的独立基础产生不利影响：（1）当在基础单侧堆载时，对结构柱及地基基础产生侧移和沉降，如魏焕卫等对侧向受荷桩基变形和受力规律的研究［11］。（2）当在基础四周堆载时，则柱基只产生沉降，其值由式（7）计算。

式中：S3为因填土作用于基础产生的沉降，mm；σz为填土底部自重应力，kPa；γ为回填土重度，这里取18 kN／m3；h为回填土厚度，m，这里取12 m；hi为基底下第层土厚度，m。

2.3 理论计算与实测数据对比分析

考虑上述三种原因，分别计算其引起的不同柱基沉降量，并进行叠加，即为10个柱子基础的理论沉降量（见表4）。其中，部分柱子（1#、5#～10#）的计算结果偏大，主要是因室外建筑由东向西回填，该部分柱子还未回填，所以，基础沉降理论结果与实测结果相差很大，考虑到后期仍需要回填，相应的沉降仍会发生，故对该部分柱子基础仍需进行加固。

表4 理论计算沉降值／mm

3 加固设计

3.1 加固原则

主体结构采用的是人工挖孔桩，沉降较小，而门厅处采用的是独立基础，基础形式不同，二者通过结构梁连接在一起，若门厅柱处的沉降过大，则会影响主体的沉降及门厅的安全使用，所以必须控制门厅柱基础的沉降。

3.2 加固方案的选择

（1）注浆加固法

注浆加固法是通过在基础四周布置注浆管，向土体中强行注入水泥浆液，充填土体中的空隙或挤密土体，从而达到提高土体强度（如图3所示），减小基础沉降的目的。

图3 注浆加固示意图

注浆浆液流动性的制约和可控性比较差，不能够定向定位，容易引起串浆等现象；另一方面，根据实际施工情况，该建筑物回填土深度达10 m以上，如果采用注浆加固处理，注浆深度过大，难以增大原独立基础以下土层强度，达不到基础加固效果。

（2）微型桩托换加固法

微型桩托换加固法是通过新增微型桩将上部结构荷载传递到下部较硬土层，从而达到减少沉降的目的。根据现场条件可分为以下两种方案：

方案一在靠近现有填土面标高位置增设独立承台及微型桩，新增承台通过植筋与门厅柱连接（如图4（a）所示）。

方案二微型桩穿透原独立基础，并在其上方增设桩帽，桩帽与原独立基础通过U型植筋连接（如图4（b）所示）。

由于该工程室外已部分回填，如果选择开挖回填土，则开挖工程量过大；同时，在开挖过程中会对周围构筑物产生影响。而方案一可以避免大范围开挖，节省工期，更能够符合该工程施工条件。

图4 微型桩托换加固法图（a）方案一；（b）方案二

3.3 微型桩托换加固设计计算

3.3.1 微型桩及承台受力分析

微型桩主要承受新增承台传递的桩顶荷载N、桩周土的侧阻力QS、桩端土的端阻力QP；新增承台主要承受结构柱传递的竖向力FK1，新增承台上部填土自重GK，原独立基础与承台之间填土自重GK1及该部分填土对结构柱的负摩阻力Fn，微型桩桩顶反力N′（如图5所示），具体数值见表5。

表5 作用于承台的荷载值

图5 微型桩身及承台结构受力示意图

3.3.2 微型桩设计计算

初步设计单桩竖向承载力特征值和桩数可按经验公式（8）、（9）进行估算［6］。

式中：ks、kp为微型桩桩侧摩阻力及端阻力修正系数，这里取 1.35；qs、qp按照《建筑桩基技术规范》中灌注桩的参数取值［8］，kPa；GK为新增承台及以上土自重标准值，kN。

按照式（8）可求出单桩竖向承载力特征值Ra，然后根据桩的根数及分布情况求出桩顶最大竖向力，而在竖向偏心力作用下，桩顶最大竖向力还需要满足 Nkmax≤ 1.2Ra。

3.3.3 承台设计计算

承台设计计算主要从强度和配筋2个方面进行强度验算：

（1）强度计算

新增承台与柱通过植筋连接，需对该部位进行强度验算，考虑柱对植筋的剪切问题。取柱与新增承台相接触的面为计算截面，剪切设计值V为柱传递的上部结构荷载F，相应计算式（10）为

式中：βhs为受剪切承载力截面高度影响系数，这里取1.0；β为冲切系数，β＝1.75／（λ0+1.0）；λ0为计算截面剪跨比，λ0＝a0／h0；a0为剪切面至柱边距离，m，因a0＜0.2h0，故取a0＝0.2h0；ft为新增承台混凝土抗拉强度设计值，MPa；b0为柱截面尺寸，m，取0.5 m；h0为计算宽度处的承台有效高度，m。

假定上部结构荷载F及负摩阻力基本组合值F1全部由微型桩承担，则主要考虑微型桩的冲切问题及角桩对承台的冲切验算（如图6所示）。其计算式（11）为

式中：Nl为扣除承台和其上填土自重后角桩桩顶相应于荷载效应基本组合时的竖向力设计值，kN；β1为角桩冲切系数；c1、c2为从角桩内边缘至承台外边缘的距离，m；a1为从角桩内边缘引45°冲切线与承台顶面处相交点至角桩内边缘的水平距离，m；βhp为受冲切承载力截面高度影响系数；ft为承台混凝土轴心抗拉强度设计值，N／mm2；h0为冲切破坏承台的有效高度，m。

图6 CT－1角桩冲切示意图

（2）配筋计算

根据规范GB 50007—2011的规定［7］，对于矩形承台，钢筋应按双向均匀通长布置，钢筋直径不宜小于12 mm，间距不宜大于200 mm（如图7所示）。按照抗弯计算，满足相关规范最小配筋率的要求［12］。

图7 CT配筋图（a）CT－1；（b）CT－2

经验算，微型桩和新增承台均满足设计规范的要求，说明微型桩托换加固设计是合理可行的。

4 结语

大面积回填土荷载不仅增加了基底压力，而且在固结作用下会对柱产生负摩阻力，增加基础顶面荷载，进而引起基础沉降。针对大面积回填土引起的基础不均匀沉降问题，根据建筑物资料和周边环境条件，提出合理的加固方法。微型桩托换加固法是将微型桩、新增承台和植筋构成新的承载体系，利用微型桩把上部结构荷载传至下部较硬的土层，受力明确，且设置在上部的新增承台避免了土方开挖；新增承台与柱通过植筋连接，构成新的基础结构，与微型桩一起共同承担上部荷载，从而达到控制沉降的目的。

［1］ 魏焕卫，李岩，孙剑平，等.微型桩在某储煤仓基础加固中的应用［J］.岩土工程学报，2011，33（2）：384－387.

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［3］ 冯君，周德培，江南，等.微型桩体系加固顺层岩质边坡的内力计算模式［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（2）：284－288.

［4］ Cantoni R.，Collotta T.，Ghionna V.N.，et al.A designmethod for reticulated micropiles structure in sliding slopes［J］.Ground Engineering，1989，22（4）：41－47.

［5］ 吕凡任，陈仁朋，陈云敏，等.软土地基上微型桩抗压和抗拔特性试验研究［J］.土木工程学报，2005，38（3）：99－105.

［6］ 孙剑平，徐向东，张鑫.微型桩竖向承载力的估算［J］.施工技术，1999，28（9）：20－21.

［7］ GB 50007—2011，建筑地基基础设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［8］ JGJ94—2008，建筑桩基技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［9］ JGJ79—2012，建筑地基处理技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［10］GB 50025—2004，湿陷性黄土地区建筑规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2004.

［11］魏焕卫，李俊，徐德亭.侧向受荷桩基变形和受力规律的研究［J］.山东建筑大学学报，2010，25（3）：293－296.

［12］GB 50010—2010，混凝土结构设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.