微型钢管砼树根桩在地基基础加固工程中的应用

2023-01-05陈专耿立峰陈乐球邵德成刘金华

化工矿产地质 2022年4期

陈专耿立峰陈乐球邵德成刘金华

1 中国石油天然气股份有限公司湖南销售分公司，湖南长沙 410004

2 湖南化工地质工程勘察院有限责任公司，湖南长沙 410004

微型桩是指小直径的桩，单桩桩径一般小于300mm，长细比大于30[1]，桩型有钻孔灌注桩、钢管桩等[2]。在微型钢管桩施工后，用压力注入水泥浆或者水泥砂浆，在桩的周边形成树根状的浆脉，即为微型钢管砼树根桩，其具有布置灵活，施工速度快，对环境影响小等优点，广泛用于滑坡治理、地基加固等工程[3-5]。微型桩主要通过结合承台等形成体系结构，用于承担荷载[6]，受力机制与普通抗滑桩差别较大[7]。实际工程中，工程人员不能单纯的依靠理论计算来进行设计，需要针对复杂的地质条件对设计方案进行调整。王文宇[8]采用树根桩快速加固房屋地基，减小不均匀沉降；曹明星[9]基于树根桩地基加固法提出了井塔纠偏方案，有效减小地下水对井塔地基土体造成的影响；欧高军[10]采用树根桩托换处理方案治理不均匀沉降厂房；王昆旺[11]针对某工程病害地基，提出树根桩加扩展式托换基础的加固方法，取得良好的效果。

本文以湖南常德某加油站加固项目为例，分析加油站站房发生不均匀沉降的原因，依托监测数据，评估微型树根桩加固地基的效果，为其他地基加固工程提供参考。

1 工程概况

1.1 项目简介

该加油站位于湖南省常德市安乡县大鲸港镇，场地北侧为挡土墙，基础落在素填土上，加油站站房为一层砖混结构，一层层高3.6m，女儿墙高2.4m，底部有钢筋混凝土圈梁。站房南侧为独立柱基基础，基础的持力层为素填土；站房北侧利用挡土墙作为基础，并通过底部圈梁外挑1.2m，形成1.2m的悬臂梁，悬臂梁外挑下部区域用240mm砖墙封闭。加油站建成后，站房发生不均匀沉降，向北倾斜，墙体出现裂缝，墙体侧向变位最大值35mm，并有继续发展迹象，亟需对加油站站房进行地基基础加固（图1）。另外，站房周边地面产生的裂缝系地面沉降所致，影响地下管线及加油站安全运营，需进行治理（图2，图3）。

图1 墙体裂缝 Fig.1 Wall cracks

图2 地面裂缝 Fig.2 Ground cracks

图3 加油站场地平面图 Fig.3 Site plan of the gas station

1.2 地层情况

根据勘察报告，地层从上至下分别为杂填土、素填土、粉质粘土。杂填土含砖头、瓦片、砼块等建筑垃圾，性质很差。素填土相对杂填土性质较好，原基础坐落在素填土上（图4，表1）。

表1 土体参数表 Table 1 Parameter Table of soil bodies

图4 地层示意图 Fig.4 Schematic diagram of strata

1.3 站房不均匀沉降及地面裂缝生成原因

由地层情况可知，场地地层主要有杂填土、素填土、粉质粘土，杂填土和素填土厚度较大，二者厚度最大7.5m，最小5.2m，它们的土力学性质差，在荷载的作用下，易产生较大变形。在填土施工过程中，会采用一些密实措施，由于施工质量管控不到位等原因，填土质量距设计要求往往有一定差距，特别是杂填土，物质来源和组成成分的复杂和差异，性质很不匀匀，密度变化大，达不到自然固结的状态[12]。

站房基础持力层为素填土，南侧是独立柱基，直接落在素填土上；北侧将挡土墙作为基础，通过挡土墙将荷载传递到素填土上。由于挡土墙自重以及挑梁等原因，北侧挡土墙基础持力层素填土所受的荷载较大，导致沉降较大，造成站房出现不均匀沉降，向北侧倾斜。

站房附近的地面裂缝主要是因杂填土成分复杂、密度不匀、未达到自然固结状态导致地面沉降所致。地面裂缝出现后，雨水会从裂缝向土体深部入渗，降低填土的力学参数，对挡土墙稳定不利，地面沉降会影响加油站地下管线的使用，影响加油站的安全运营。

2 加固方案

加油站的站房已向北侧方向倾斜，由于是在已有建筑上进行施工，施工空间有限，且要求对周边环境的扰动小，根据场地工程地质条件和建筑物结构特征，选择微型钢管砼树根桩进行加固，治理站房偏斜问题。将站房北侧原挑梁下面用于封闭的砖墙拆除，设置4个柱及承台，每个承台由4根微型钢管砼树根桩支撑，桩长为18m，且嵌入粉质黏土。承台的尺寸为1.4m×1.2m×0.6m（长×宽×高），钢管锚入钢筋混凝土承台中，其上各设支承柱，由于场地限制，承台为偏心受压，支承柱宽0.4m、高0.3m，并通过连梁0.4m×0.5m（宽×高）支承上部站房。微型钢管砼树根桩加固完成后，站房墙面裂缝用水泥砂浆等方法修补。

针对地面沉降的问题，采用分层注浆改善土体性质，保证加油站后续使用不出现地面下沉开裂等问题。注浆范围为站房周围地面沉降区域，为了慎重起见注浆对象为场地杂填土和素填土。填土比较松散，浆液通过压力注入土层后，有两方面的作用，一是渗透压密土体，浆液扩张土体中的空隙进而压密土体，浆液的压密作用使土体连续性增强；二是浆液凝固后，在土体中形成纵横交错的网状浆脉使土体联接成一个整体，具有“加筋”作用，加固了土体，提高土体力学性质，同时对挡土墙稳定有利[13]。注浆后清理站内砼地面裂缝，对裂缝内人工灌注浓浆，水灰比0.4，对于伸缩缝采用油膏填缝（图5）。

图5 加固方案设计图 Fig.5 Design drawing of the reinforcement scheme

2.1 钢管砼树根桩

钢管砼树根桩成孔采用机械钻孔、回转钻进跟管护壁工艺，桩孔直径200mm，钢管为直径108mm、壁厚5m的无缝钢管。桩孔完成后下钢管和注浆管，第一次注浆后抛骨料，待砼强度达5MPa后进行二次注浆。注浆材料采用纯水泥浆，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为0.45～0.5。第一次注浆压力为0.1～0.2MPa，第二次注浆压力为0.3～0.5MPa。根据以往工程经验，填土注浆水泥用量预计约300kg/m。

2.2 分层注浆

在钢管砼树根桩施工完毕后，采用分层注浆法对场地填土进行加固，浆孔按1.0～1.5m孔距布置，注浆孔直径为50～90mm，注浆孔深度要求进入粉质黏土不小于1.0m。采用分层注浆法，注浆段长度每次为0.5m，注浆材料采用纯水泥浆，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为0.5，注浆水泥用量约200kg/m，注浆压力0.2～0.3MPa。

3 桩承载力的计算

由加固方案可知，加固方案中有四个承台，单个承台需要承受200kN的上部荷载，上部荷载作用在承台的一侧，所以承台为偏心受力构件，前排桩受拉，后排桩受压。对单个承台进行受力分析，令后排单桩受力大小为F1，前排单桩受力大小为F2，后排桩与前排桩的中心距离为e1=0.5m，柱与前排桩的中心距离为e2=0.75m。首先根据力矩平衡关系，对前排桩取矩，可得2×F1×e1=200×e2，所以受压桩单桩受力大小为F1=（200×e2）/（2×e1）=（200×0.75）/（2×0.5）=150kN；其次根据力的平衡关系，可得2×F1=200+2×F2，所以受拉桩单桩受力大小为F2=（2×F1-200）/2=（150×2-200）/2=50kN，故需分别对后排桩进行抗压承载力和前排桩抗拔承载力验算。

3.1 桩的抗压承载力

桩的抗压承载力需要参考两个值：第一是桩侧桩端所提供的承载力，第二是桩身材料所能承受的强度。计算公式如下（根据《建筑桩基技术规范JGJ 94-2008》[14]，后文中的公式，取值未做说明时，均参考本规范）：

式中：Quk-单桩竖向极限承载力标准值（kN）；Ra-单桩竖向承载力特征值（kN）；K-安全系数，取2；μ-桩的周长（m）；Ap-桩的截面积（m2）；li-桩周第i层土的厚度（m）；qsik-桩侧第i层土的极限侧阻力标准值（kPa）；qpk-极限端阻力标准值（kPa）；N-桩身轴向压力设计值（kN）；ψc-基桩成桩工艺系数，计算取0.7；fc-混凝土轴心抗压强度设计值（kPa）；Aps-桩的截面面积（m2）。

根据勘察报告，桩在各层土中的端阻、桩侧阻极限标准值见表2。