付艷青，魏煥衛(wèi)*，孔軍，白世和

（1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南250014；2.山東雙得利建設科技有限公司，山東 濟南250013）

0 引言

在實際工程中經(jīng)常會遇到由于回填土不密實、承載力不足等原因造成的上部結構開裂或傾斜，當影響到結構的安全使用時，需要對地基基礎進行加固處理。常用的方法有注漿加固法、增大基礎底面積和微型樁托換加固法等，其中，微型樁加固法因其受力明確、施工簡單、工期短且加固費用低，在基礎加固和基坑支護中被廣泛應用［1－3］。國內(nèi)外許多學者對微型樁受力和變形機理進行了大量的試驗研究和理論分析。Cantoni等通過試驗研究提出了網(wǎng)狀微型樁加固斜坡的設計方法［4］；呂凡任等對軟土地基上微型樁抗壓和抗拔特性進行了試驗研究，提出了微型樁在受力條件下的受力特點［5］；孫劍平等通過大量的試驗數(shù)據(jù)分析，提出了考慮后壓漿的微型樁承載力計算的經(jīng)驗公式等［6］。GB 50007—2011《建筑地基基礎規(guī)范》、JGJ 94—2008《建筑樁基技術規(guī)范》和JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規(guī)范》等為地基的設計、施工和檢測提供了技術標準和原則［7－9］。文章對銀豐唐郡建筑物門廳的不均勻沉降進行了原因分析，結合現(xiàn)場環(huán)境與地質(zhì)條件，提出了微型樁托換加固的方法，使基礎沉降得以控制。

1 工程概況

銀豐唐郡建筑物主體為框架結構，基礎采用人工挖孔樁基礎，樁頂標高為－12.25 m。主樓基礎北側門廳采用柱下獨立基礎，基礎底標高與主樓基礎底標高基本一致（如圖1所示）。在對該建筑物地下結構主體外圍進行土方回填過程中，因門廳柱下獨立基礎發(fā)生不同程度的沉降，對上部結構主體造成一定的損害。為了保證門廳的安全，需要對其進行地基基礎加固處理。

圖1 加固基礎平面布置圖

根據(jù)場地的巖土工程勘察報告，該場地范圍內(nèi)的土層自上而下為：（1）雜填土：黃褐色、稍密、稍濕，土質(zhì)不均勻，主要由粘性土組成；（2）黃土狀粉質(zhì)粘土：褐色、局部黃褐色，硬塑，局部可塑；（3）粉質(zhì)粘土：棕紅色、局部棕褐色，硬塑，且局部可塑；（4）全風化閃長巖：灰綠色、巖芯呈粘性土狀～砂土狀；（5）強風化閃長巖：灰綠色、風化不均勻、巖芯以碎塊狀為主；（6）中風化閃長巖：局部地段呈灰白色、粗粒結構、塊狀構造。各土層的物理力學性質(zhì)指標見表1，相應位置對應的工程地質(zhì)剖面如圖2所示。

表1 土的物理力學參數(shù)指標

2 沉降測定數(shù)據(jù)及原因分析

2.1 沉降測定數(shù)據(jù)

對建筑物門廳處10個柱子進行沉降觀測及分析，相關數(shù)據(jù)見表2、3，其中，門廳柱基礎的最大沉降為173 mm，而相鄰柱基間最大沉降差為12‰，超出了GB 50007—2011《建筑地基基礎規(guī)范》中關于民用建筑相鄰柱基沉降差不得超過2‰的規(guī)定［7］，且大部分沉降差均超出了該允許值。

表2 建筑物各沉降觀測點沉降觀測值和縱向傾斜

表3 建筑物各沉降觀測點橫向傾斜

圖2 場地工程地質(zhì)剖面圖

2.2 沉降原因分析

2.2.1 土層原因

根據(jù)相應位置工程地質(zhì)剖面圖，建筑物地基持力層為第2層黃土狀粉質(zhì)粘土或第3層粉質(zhì)粘土，因第2層黃土狀粉質(zhì)粘土具有一定的濕陷性，降雨導致基坑積水，使得該層產(chǎn)生濕陷變形。根據(jù)GBJ 50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》的有關規(guī)定［10］，其濕陷量按式（1）計算為

式中：Δs為濕陷性黃土場地濕陷量，mm；δsi為第i層土的濕陷系數(shù)，這里取0.041，hi為第i層土的厚度，mm，這里取500 mm；β為修正系數(shù)，這里取1.5。

據(jù)式（1）計算得到的該濕陷性黃土濕陷量為s1＝Δs＝30.75 mm

2.2.2 施工原因

地下結構室外土體為一次性回填，未進行分層夯實，回填深度達10 m左右，在重力作用下固結沉降，對已回填的門廳柱產(chǎn)生負摩阻力，增大了基底壓力。根據(jù) JGJ 94—2008《建筑樁基技術規(guī)范》［8］，單樁負摩阻力標準值計算式（2）及樁側下拉荷載計算式（3）為

式中：τni為第 i層樁側負摩阻力標準值，kPa；ζn為樁周土負摩阻力系數(shù)，這里取0.35；為樁周第 i層土平均豎向有效應力，kPa；第i層土層底以上樁周土按厚度計算的加權平均有效重度，kN／m3，這里取回填土重度18 kN／m3；zi為自地面起算的第i層土中點深度，m，這里按填土厚度計算，取12 m；up為樁截面周長，m，這里取2 m；n為中性點以上土層數(shù)；lni為中性點以上樁周第層土的厚度，取回填土厚度為12 m。

據(jù)此新增承臺與原獨立基礎之間土體對原結構柱的下拉荷載為，由此產(chǎn)生的新增基底壓力可由式（4）、（5）計算。

式中：ΔP1為下拉荷載對JC－1產(chǎn)生的基底壓力，kPa；ΔP2為下拉荷載對JC－2產(chǎn)生的基底壓力，kPa。

經(jīng)計算，新增基底壓力 ΔP1＝860.4 kPa、ΔP2＝1075.2 kPa，由此產(chǎn)生的柱基沉降可由式（6）計算。式中：ψs為沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)規(guī)范表5.3.5取0.76；p0為基底附加壓力，kPa，這里取負摩阻力引起的新增基底壓力ΔP1、ΔP2；Esi為基礎底面下第層土的壓縮模量，MPa；zi、zi－1為基礎底面至第 i層土、第i－1層土底面的距離，m為基礎底面計算點至第i層土、第i－1層土底面范圍內(nèi)平均附加應力系數(shù)。

2.2.3 填土原因

柱下獨立基礎四周的大面積回填土相當于基礎四周超載，會對該部位的獨立基礎產(chǎn)生不利影響：（1）當在基礎單側堆載時，對結構柱及地基基礎產(chǎn)生側移和沉降，如魏煥衛(wèi)等對側向受荷樁基變形和受力規(guī)律的研究［11］。（2）當在基礎四周堆載時，則柱基只產(chǎn)生沉降，其值由式（7）計算。

式中：S3為因填土作用于基礎產(chǎn)生的沉降，mm；σz為填土底部自重應力，kPa；γ為回填土重度，這里取18 kN／m3；h為回填土厚度，m，這里取12 m；hi為基底下第層土厚度，m。

2.3 理論計算與實測數(shù)據(jù)對比分析

考慮上述三種原因，分別計算其引起的不同柱基沉降量，并進行疊加，即為10個柱子基礎的理論沉降量（見表4）。其中，部分柱子（1#、5#～10#）的計算結果偏大，主要是因室外建筑由東向西回填，該部分柱子還未回填，所以，基礎沉降理論結果與實測結果相差很大，考慮到后期仍需要回填，相應的沉降仍會發(fā)生，故對該部分柱子基礎仍需進行加固。

表4 理論計算沉降值／mm

3 加固設計

3.1 加固原則

主體結構采用的是人工挖孔樁，沉降較小，而門廳處采用的是獨立基礎，基礎形式不同，二者通過結構梁連接在一起，若門廳柱處的沉降過大，則會影響主體的沉降及門廳的安全使用，所以必須控制門廳柱基礎的沉降。

3.2 加固方案的選擇

（1）注漿加固法

注漿加固法是通過在基礎四周布置注漿管，向土體中強行注入水泥漿液，充填土體中的空隙或擠密土體，從而達到提高土體強度（如圖3所示），減小基礎沉降的目的。

圖3 注漿加固示意圖

注漿漿液流動性的制約和可控性比較差，不能夠定向定位，容易引起串漿等現(xiàn)象；另一方面，根據(jù)實際施工情況，該建筑物回填土深度達10 m以上，如果采用注漿加固處理，注漿深度過大，難以增大原獨立基礎以下土層強度，達不到基礎加固效果。

（2）微型樁托換加固法

微型樁托換加固法是通過新增微型樁將上部結構荷載傳遞到下部較硬土層，從而達到減少沉降的目的。根據(jù)現(xiàn)場條件可分為以下兩種方案：

方案一在靠近現(xiàn)有填土面標高位置增設獨立承臺及微型樁，新增承臺通過植筋與門廳柱連接（如圖4（a）所示）。

方案二微型樁穿透原獨立基礎，并在其上方增設樁帽，樁帽與原獨立基礎通過U型植筋連接（如圖4（b）所示）。

由于該工程室外已部分回填，如果選擇開挖回填土，則開挖工程量過大；同時，在開挖過程中會對周圍構筑物產(chǎn)生影響。而方案一可以避免大范圍開挖，節(jié)省工期，更能夠符合該工程施工條件。

圖4 微型樁托換加固法圖（a）方案一；（b）方案二

3.3 微型樁托換加固設計計算

3.3.1 微型樁及承臺受力分析

微型樁主要承受新增承臺傳遞的樁頂荷載N、樁周土的側阻力QS、樁端土的端阻力QP；新增承臺主要承受結構柱傳遞的豎向力FK1，新增承臺上部填土自重GK，原獨立基礎與承臺之間填土自重GK1及該部分填土對結構柱的負摩阻力Fn，微型樁樁頂反力N′（如圖5所示），具體數(shù)值見表5。

表5 作用于承臺的荷載值

圖5 微型樁身及承臺結構受力示意圖

3.3.2 微型樁設計計算

初步設計單樁豎向承載力特征值和樁數(shù)可按經(jīng)驗公式（8）、（9）進行估算［6］。

式中：ks、kp為微型樁樁側摩阻力及端阻力修正系數(shù)，這里取 1.35；qs、qp按照《建筑樁基技術規(guī)范》中灌注樁的參數(shù)取值［8］，kPa；GK為新增承臺及以上土自重標準值，kN。

按照式（8）可求出單樁豎向承載力特征值Ra，然后根據(jù)樁的根數(shù)及分布情況求出樁頂最大豎向力，而在豎向偏心力作用下，樁頂最大豎向力還需要滿足 Nkmax≤ 1.2Ra。

3.3.3 承臺設計計算

承臺設計計算主要從強度和配筋2個方面進行強度驗算：

（1）強度計算

新增承臺與柱通過植筋連接，需對該部位進行強度驗算，考慮柱對植筋的剪切問題。取柱與新增承臺相接觸的面為計算截面，剪切設計值V為柱傳遞的上部結構荷載F，相應計算式（10）為

式中：βhs為受剪切承載力截面高度影響系數(shù)，這里取1.0；β為沖切系數(shù)，β＝1.75／（λ0+1.0）；λ0為計算截面剪跨比，λ0＝a0／h0；a0為剪切面至柱邊距離，m，因a0＜0.2h0，故取a0＝0.2h0；ft為新增承臺混凝土抗拉強度設計值，MPa；b0為柱截面尺寸，m，取0.5 m；h0為計算寬度處的承臺有效高度，m。

假定上部結構荷載F及負摩阻力基本組合值F1全部由微型樁承擔，則主要考慮微型樁的沖切問題及角樁對承臺的沖切驗算（如圖6所示）。其計算式（11）為

式中：Nl為扣除承臺和其上填土自重后角樁樁頂相應于荷載效應基本組合時的豎向力設計值，kN；β1為角樁沖切系數(shù)；c1、c2為從角樁內(nèi)邊緣至承臺外邊緣的距離，m；a1為從角樁內(nèi)邊緣引45°沖切線與承臺頂面處相交點至角樁內(nèi)邊緣的水平距離，m；βhp為受沖切承載力截面高度影響系數(shù)；ft為承臺混凝土軸心抗拉強度設計值，N／mm2；h0為沖切破壞承臺的有效高度，m。

圖6 CT－1角樁沖切示意圖

（2）配筋計算

根據(jù)規(guī)范GB 50007—2011的規(guī)定［7］，對于矩形承臺，鋼筋應按雙向均勻通長布置，鋼筋直徑不宜小于12 mm，間距不宜大于200 mm（如圖7所示）。按照抗彎計算，滿足相關規(guī)范最小配筋率的要求［12］。

圖7 CT配筋圖（a）CT－1；（b）CT－2

經(jīng)驗算，微型樁和新增承臺均滿足設計規(guī)范的要求，說明微型樁托換加固設計是合理可行的。

4 結語

大面積回填土荷載不僅增加了基底壓力，而且在固結作用下會對柱產(chǎn)生負摩阻力，增加基礎頂面荷載，進而引起基礎沉降。針對大面積回填土引起的基礎不均勻沉降問題，根據(jù)建筑物資料和周邊環(huán)境條件，提出合理的加固方法。微型樁托換加固法是將微型樁、新增承臺和植筋構成新的承載體系，利用微型樁把上部結構荷載傳至下部較硬的土層，受力明確，且設置在上部的新增承臺避免了土方開挖；新增承臺與柱通過植筋連接，構成新的基礎結構，與微型樁一起共同承擔上部荷載，從而達到控制沉降的目的。

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