树根桩加固处理技术在工程中的应用

王满林 张磊华

（长沙县水利水电勘察设计室 长沙市 410100）

1 工程概况

湖南省某单位南向挡土墙位于长沙市岳麓区，东临潇湘大道，南侧紧临河西大学城教师新村，位于长沙城西中心地带，交通便捷。根据收集到的资料，该挡土墙总长约350m，挡土墙最高约4.80m，采用松木桩基础，片石砌重力式挡土墙，总体上沿东西方向砌筑。因该挡土墙局部倒塌，需修复加固，才能继续使用。

2 工程地质条件

2.1 地形与地貌

场地原始地貌属湘江冲积阶地，地形平坦开阔，原始地形标高约30.00m。因工程建设的需要，地坪标高由30.00m堆填抬高至36.00m左右，基本与潇湘大道路面标高齐平。挡土墙顶最高处标高约36.45m，南向教师新村地面标高为31.65m，故挡土墙最高约4.80m。

2.2 地层岩性

根据勘察报告，场地内埋藏的地层主要由上覆第四系杂填土、冲积粉质粘土与粉砂、圆砾及下伏泥盆系砂岩组成，现将各岩土层特征自上至下分别描述如下：

①杂填土（Q4ml）：杂色、褐红色，稍湿-湿，松散，成分以砖块、混凝土块等建筑垃圾及粘性土为主，局部含中砂。挡土墙背后新近回填土中砖块等硬质物含量约20%，墙脚回填土中砖块等硬质物含量约80%。未经压实，结构不均匀。层厚（1.30～6.30）m，平均厚度3.78m。

②粉质粘土（Q4al）：灰色、灰黄色，可塑，该层顶部一般呈褐灰色，软塑状。见少量黑色氧化物，砂质含量约5%～10%。无摇振反应，稍有光滑，干强度中等，韧性中等。该层在场地皆有分布，层厚（3.30～8.70）m，平均厚度 6.13m。

③粉砂（Q4al）：灰黄色、灰绿色，湿-饱和，松散，成分主要为石英，云母，粘性土含量5%～30%不等。该层在场地皆有分布，层厚（0.60～5.50）m，平均厚度2.67m。

④圆砾（Q4al）：灰黄色、灰色，饱和，中密-密实，砾质含量 65%以上，粒径（5～20）mm，颗粒大小较均匀，呈亚圆形。成分以石英为主，充填中砂，泥质含量约5%～15%。该层在场地皆有分布，层厚（0.50～1.70）m，平均厚度1.03 m。

⑤强风化砂岩（D）：褐红色、浅紫红色，砂质结构，块状构造。除石英外大部分矿物已风化变质，岩石呈半岩半土状，风化裂隙很发育。岩体破碎，岩石为较软岩，岩体基本质量等级为V级。岩芯呈碎块状，孔深往下趋于完整，少量短柱状。采取率约70%，RQD约10%～20%。该层在场地内普遍分布，揭露厚度（4.47～7.20）m。

2.3 水文地质条件

各钻孔在钻探时均遇到地下水，地下水类型为上层滞水及潜水。上层滞水主要赋存于挡土墙背后杂填土①中，主要接受大气降水补给，水量不大，受季节变化影响较大。测得上层滞水位埋深在现地坪以下（5.5～5.8）m，相当于标高为（29.86～30.74）m。 潜水主要赋存于粉砂③与圆砾④中，本场地东侧紧邻湘江,洪水季节湘江河水补给场地内潜水,其他时期场地内潜水向湘江排泄。测得潜水位埋深在现地坪以下（7.0～14.3）m，相当于标高为（21.06～24.84）m。

场地地下水对混凝土均无腐蚀性。

3 挡土墙倒塌原因分析及变形发展趋势预测

3.1 挡土墙倒塌原因分析

根据收集到的资料，该挡土墙于2007年10月开工，2008年3月竣工，曾经受过几次大的降雨。2009年2月7日中午在靠近潇湘大道停放小挖机地段的挡土墙（墙高最高处为4.8m）突然发生倒塌。据目击者介绍，先看到挡土墙墙身外鼓，随即下座倒塌。2009年2月12日工程指挥部组织专家进行现场调查与分析，认为倒塌系由墙身抗弯剪承载力不足引起，墙身承载力不足的原因除片石砌体的砌筑质量较差之外，也与泄水孔及填土的施工未按设计与施工规范的要求施工有关。

3.2 挡土墙变形发展趋势预测

通过在挡土墙倒塌段左右各20m范围内调查发现，墙顶及墙面多处存在裂缝。墙顶以垂直裂缝为主，延伸长度约（1.5～2.0）m，呈上宽下窄形态。 墙面以中间的一条水平裂缝为主，自挡土墙倒塌段往西延伸长度约15m，呈东宽西窄形态。

根据上述分析并结合现场调查、收集到的该挡土墙的设计与竣工资料，该挡土墙的变形发展趋势大致如下：

（1）雨水沿裂缝下渗，进一步降低墙背填土的强度，增大墙背填土的土压力，同时雨水对墙背的水压力（原泄水孔不满足要求）增加，加剧墙身外鼓，最终可致挡土墙失稳。

（2）随着时间推移，松木桩基础因耐久性较差，水平承载力降低导致挡土墙脚向前滑移，以致挡土墙失稳。

4 加固方案选择

根据本工程的实际情况，可供选择的挡墙加固处理方案有四种：一是水平拉杆（锚杆）加人工挖孔桩；二是水平拉杆加树根桩；三是水平拉杆加钢管桩；四是对挡土墙下地基、墙身和墙背回填土进行分层多次劈裂灌浆进行加固。

经比较方案一因人工挖孔桩孔径较大（≥800 mm），不能对周围的回填土进行加固，且难以在砂卵石层施工，施工的可行性差。

方案二孔径小，可以实现对桩周回填土进行注浆加固，安全可靠性好，但工序多、造价稍高。

方案三造价高，拉杆与钢管桩连接困难。

方案四工序单一，造价较低，但劈裂注浆对施工技术水平要求较高，施工方的风险较大。

经比较，建议采用方案二和方案四，从既确保安全，又经济可行原则出发，经研究最后采用了方案二：水平拉杆加树根桩（详见附图）。

树根桩是在地基中设置的小直径桩，因采用压力灌浆，对桩间软弱土起到一定的加固作用。其特点如下：

（1）所需施工场地较小，不会对原有建筑物的稳定以及周围环境带来危害。

（2）采用压力灌浆可将桩与地基土紧密结合，增大了桩与地基土的摩阻力，同时对桩间土起到加固作用。

（3）相对其它加固处理方案工期短，造价相对较低。

（4）施工技术要求相对较高，要求选择有经验的专业施工单位。

5 挡土墙加固设计计算

5.1 基本数据

（1）安全等级二级，结构重要性系数γ0=1.05，钢筋锈蚀系数1.2。

附图 树根桩加固设计图

（2）地面荷载 q0=10 kN/m2。

（3）墙背主动土压力计算参数：压力注浆后的回填土等效内摩擦角φD=300，重力密度γ=20 kN/m2，外形影响系数β=2.0。

（4）挡土高度H=4.8m。

5.2 挡土结构加固方案

（1）加固目的。减小片石挡土墙墙身承受的主动土压力，提高挡土结构局部和整体的抗弯、抗剪、抗倾覆和抗滑移的承载力。

（2）加固措施。在墙背设计树根桩；在墙身中部位设水平拉杆与树根桩连成一体；在墙顶和墙脚设拉梁，在墙面设立柱；在墙面挂钢筋网和喷射混凝土；在墙身设立真正起泄水作用的泄水孔；在墙背回填土中钻孔注浆。

5.3 加固后挡土墙的计算模型

按上述加固措施施工的挡土结构，其中计算模型为置于回填土中的由进入圆砾层的树根桩、钢拉杆、混凝土拉梁、立柱和原挡土墙（或新砌挡土墙）形成的组合挡土结构。其受力状况：树根桩主要承受挡土结构整体倾覆时的拔力和整体滑移中的剪力。拉杆和拉梁主要承受墙背回填土的主动土压力，相当于在挡土墙的中间和顶部设的支点，以减小墙身（砌体结构）的弯曲应力和剪切应力。立柱和挂钢筋网喷射混凝土是为了提高墙身的抗弯、抗剪和抗压承载力。在墙背回填土中钻孔注浆和墙身设立真正起泄水作用的泄水孔是为了提高墙背回填土的粘聚力、内摩擦角和避免墙背回填土土性因水的作用劣化。

（1）墙背主动土压力。

主动土压力系数 k=2.0×tg2（450-300/2）=2 tg2300=0.66；

顶部主动土压力e1=0.66×10=6.6 kN/m2；

底部主动土压力 e2=6.6+（0.66×4.8×20）=69.96 kN/m2；

主动土压力合力 E=6.6×4.8+0.5×63.36×4.8=183.74 kN/m；

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

（2）拉杆及拉梁的计算。

拉杆采用Φ25，拉杆的抗拉承载力Nu=（490×360）÷（1.2×1.05）=140 000N=140 kN；

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

（3）树根桩及立柱的计算。

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

树根桩的拔力及锚固长度：

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

●锚固长度：考虑树根桩进入圆砾层1m，如圆砾层厚不足1m，则进入强风化岩0.5m。

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

●横向箍筋：总水平力 H=E=183.74 kN

原挡土墙的抗滑承载力 H u=3.15×（4.8+0.55）×20×0.2=67.41 kN；

树根桩承受的水平剪力V=183.74-67.41=116.33kN；

两根树根桩的抗剪承载力：

箍筋按构造配筋Φ6@100。

6 加固效果检测

由于地层条件较差，为保证施工质量，施工时采用全孔跟管钻进。施工结束后，对施工效果进行了相应检测，我们采用了以下几种方法进行了检测：

（1）钻孔取芯。在树根桩之间进行钻孔抽样取芯，通过对加固前后杂填土土样物理力学指标的比较（附表），检测注浆效果。

经抽芯检测发现，树根桩周土体结石率高，土体性质均匀且强度得到了较大的提高，有效地减小了墙背土压力，能满足设计要求。

（2）桩身质量检查。树根桩施工结束后，随机抽取3根桩进行了开挖检查，证实成桩质量好，桩身强度高，满足设计要求。

（3）变形观测。在挡土墙两侧布置了4个基准点，在挡土墙上，布置了10个变形观测点，施工结束后1个月内，每一个星期进行一次观测，后两个月每半个月观测一次，共观测了8次，观测结果显示，挡土墙最大累积沉降才1.6mm，估计最终沉降量为2 mm左右；墙身停止外鼓，墙体水平变形得到有效控制。检测结果表明，加固处理已有了显著的效果，尤其是沉降与墙身水平变形控制达到了比较满意的效果，说明树根桩加固治理是比较成功的。

附表为加固效果检测前后对比。

附表 洞庭湖区集成安合垸堤防加固效果检测对比

7 结论与建议

施工结束后经测量检测，满足设计与规范的要求，能够正常使用，创造了良好的社会效益及经济效益，同时也为处理同类型事故工程开劈了一条新的加固处理途径。