王文宇，顏 敏，李中國(guó)，朱宏偉，蔡德鉤，張千里

(1.北京佰嘉置業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 102400;2.清華大學(xué) 機(jī)械工程系，北京 100084;3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概況

一房屋地上6層地下1層，坐北朝南，地上住宅為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)，筏板下部為素混凝土墊層，其下為級(jí)配砂石墊層。由于場(chǎng)地上覆地層承載力較低，無(wú)法滿足樓房基礎(chǔ)承載要求，對(duì)地基進(jìn)行了處理。首先對(duì)樓基礎(chǔ)范圍內(nèi)的回填土采用滿夯處理，然后采用CFG樁進(jìn)行處理。CFG樁樁徑0.4 m，樁間距1.8 m×1.8 m，樁身混凝土強(qiáng)度為C20，樁長(zhǎng)以達(dá)到巖石持力層作為控制條件。設(shè)計(jì)要求地基承載力不小于150 kPa，最大沉降量為20 mm，沉降差不大于20 mm。由于遭遇暴雨，雨水大量滲入地基，地基土體浸水后強(qiáng)度降低，地基整體承載能力降低，沉降增大，基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降，房屋出現(xiàn)裂縫。

2012年8 月—2013年2月，沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，該樓東側(cè)沉降大于西側(cè)，東北角、東南角沉降量分別達(dá)到23，18 mm;西北角、西南角沉降均＜3 mm;北中角、南中角沉降量在12～18 mm。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，沉降仍然有增加的趨勢(shì)，截至2013年5月中旬，最大累計(jì)沉降約為40 mm。

2 水文地質(zhì)條件

該工程所在位置地貌屬于山麓坡積裙地貌，地面高差較大，北高南低、西高東低。巖土工程地勘報(bào)告表明，場(chǎng)地內(nèi)筏板基礎(chǔ)以下的地層自上而下主要為:①人工填土(粉質(zhì)黏土素填土，雜填土)，一般厚度為0.3～5.0 m，部分區(qū)域達(dá)8.4 m;②第四紀(jì)坡洪積成因的黏性土(粉質(zhì)黏土)、碎石土(夾碎石透鏡體);③全風(fēng)化砂巖、頁(yè)巖和泥巖;④強(qiáng)風(fēng)化的砂巖、頁(yè)巖和泥巖。

地下水類型為上層滯水，主要含水層為粉質(zhì)黏土雜填土，以大氣降水、綠化灌溉等為主要補(bǔ)給方式，以蒸發(fā)為主要排泄方式。地下水位變化受人為活動(dòng)和季節(jié)性降水影響較大。根據(jù)勘察報(bào)告，在2010年詳勘期間(2009年12月—2010年1月)所有鉆孔內(nèi)均未見地下水。2012年8月補(bǔ)勘期間，地下水穩(wěn)定水位深度1.3～4.6 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高75.42～80.14 m(主要為粉質(zhì)黏土層)。地下水位的上升主要是該地區(qū)在2012年夏季多次強(qiáng)降雨所致。

3 沉降原因分析

結(jié)合沉降觀測(cè)結(jié)果及水文地質(zhì)條件對(duì)該房屋地基不均勻沉降原因予以分析。

3.1 場(chǎng)地地形、地層條件的影響

場(chǎng)地地貌上屬于山麓坡積裙地貌，地面高差較大，北高南低、西高東低。原地形整體為洼地，屬典型的匯水地形，暴雨來(lái)臨，雨水極易在此處匯集，造成地基土體含水量增大。場(chǎng)地粉質(zhì)黏土層較厚，且起伏較大;粉質(zhì)黏土層浸水強(qiáng)度降低明顯，這些因素使得粉質(zhì)黏土層成為發(fā)生不均勻沉降的主要地層。

3.2 特大暴雨的影響

特大暴雨發(fā)生時(shí)，該工程地下室尚未回填，地基直接曝露，導(dǎo)致雨水大量滲入地基，地下水位上升。地基土體尤其是粉質(zhì)黏土層在浸水或含水量增大時(shí)，土體強(qiáng)度降低，變形增大，導(dǎo)致地基整體承載能力降低，沉降增大。根據(jù)補(bǔ)充勘察資料中動(dòng)力觸探結(jié)果，部分回填碎石層和粉質(zhì)黏土素填土層擊數(shù)僅為1～2，該部分地層為人工填土層，填料成分雜亂松散，含有碎石、磚塊、角礫及生活垃圾等，浸水后土體原有結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低。

3.3 地基處理不當(dāng)

依據(jù)勘察結(jié)果、設(shè)計(jì)文件及CFG樁施工資料，部分CFG樁存在未達(dá)到持力層(強(qiáng)風(fēng)化巖層)的現(xiàn)象。

由于場(chǎng)地上覆地層承載力較低無(wú)法滿足樓房基礎(chǔ)承載150 kPa的要求，對(duì)地基進(jìn)行了處理。兩限樓范圍內(nèi)處理方式為回填后采用1 500 kN級(jí)滿夯處理，然后采用樁徑0.4 m，樁間距1.8 m×1.8 m的CFG樁進(jìn)行處理，樁長(zhǎng)以達(dá)到巖石持力層④作為控制條件。

圖1為該房屋地基的地質(zhì)剖面示意圖，可以看出，基礎(chǔ)下持力層(強(qiáng)風(fēng)化巖層)起伏較大，呈現(xiàn)短軸方向南深北淺、長(zhǎng)軸方向中間深的特點(diǎn)，持力層深度與沉降量有較好的一致性。部分CFG樁未達(dá)到持力層，建筑物沉降量較大，與CFG樁未達(dá)到持力層有直接關(guān)系。

圖1 工程地質(zhì)剖面示意

地基承載力計(jì)算如下:

1)CFG樁設(shè)計(jì)參數(shù)

樁間距s=1.8 m;樁的等效加固直徑de=1.13s(正方形布樁);樁徑d=0.4 m;置換率m=d2/d2e=0.42/(1.13×1.8)2=0.038 67;處理后樁間土承載力特征值fsk=120 kPa;樁間土承載力折減系數(shù)β=0.8;樁端巖石端阻極限承載力qpa=1 600 kPa;樁端粉質(zhì)黏土端阻極限承載力為800 kPa。

2)復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算

①當(dāng)CFG樁底位于強(qiáng)風(fēng)化巖層時(shí)，樁面積Ap=3.14×0.22=0.125 6 m2，單樁豎向承載力特征值Ra為

復(fù)合地基承載力fspk為

②當(dāng)CFG樁底位于粉質(zhì)黏土?xí)r

從上述計(jì)算結(jié)果可知，持力層對(duì)復(fù)合地基的承載力影響十分明顯。當(dāng)持力層未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)風(fēng)化巖層時(shí)，復(fù)合地基的承載力只有129.70 kPa，小于設(shè)計(jì)(150 kPa)要求。

4 樹根樁加固地基設(shè)計(jì)

針對(duì)本工程地質(zhì)條件復(fù)雜、空間狹小和工期緊張等困難條件，采用樹根樁對(duì)房屋地基進(jìn)行加固。樹根樁主要沿地下室外墻內(nèi)及結(jié)構(gòu)剪力墻附近布置，與剪力墻的距離應(yīng)以滿足施工機(jī)械操作空間為宜，整個(gè)加固區(qū)域布置236根樁。房屋基礎(chǔ)平面及樹根樁布置見圖2。根據(jù)沉降觀測(cè)和地質(zhì)勘查資料，對(duì)地基的內(nèi)填土層厚度較深的位置適當(dāng)增加布樁數(shù)量;荷載較集中的位置適當(dāng)增加;其他位置適當(dāng)布置。

5 樹根樁施工工藝

在正式施工前選擇有代表性地層進(jìn)行施工機(jī)械性能及注漿工藝試驗(yàn)，確定潛孔鉆鉆孔、注漿施工參數(shù)。該工程施工的主要內(nèi)容有潛孔鉆鉆孔、鋼花管制作安裝、注漿、樁頭處理、地面恢復(fù)等，施工流程如圖3所示。

圖2 房屋基礎(chǔ)平面及樹根樁布置

圖3 樹根樁施工流程

5.1 潛孔鉆鉆孔

由于基礎(chǔ)下部為人工回填粉質(zhì)黏土雜填土，夾雜石塊，基巖為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化的砂巖、頁(yè)巖和泥巖，為了保證樹根樁達(dá)到設(shè)計(jì)深度，必須首先進(jìn)行鉆孔。成孔深度至強(qiáng)風(fēng)化層下0.5 m，考慮到地下室空間狹小，大型鉆孔設(shè)備無(wú)法作業(yè)，鉆孔采用QZJ-100D型潛孔沖擊鉆機(jī)，定制鉆具為 CR180沖擊器，鉆頭直徑為180 mm，該鉆機(jī)的動(dòng)力源為15 m3空壓機(jī)。

前期地基采用CFG樁處理，孔位放樣按照地基處理竣工資料和設(shè)計(jì)圖紙避開CFG樁，確定孔位后拆除地下室地面混凝土整澆層，清除整澆層與筏板之間的回填土，采用靜力水鉆鉆透筏板，孔徑200 mm，安裝好潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，樹根樁的直徑為180 mm，樁長(zhǎng)自筏板基礎(chǔ)至強(qiáng)風(fēng)化巖層。根據(jù)地質(zhì)勘察資料、鉆孔鉆進(jìn)速度及出渣情況，綜合判斷鉆孔是否到達(dá)設(shè)計(jì)持力層，結(jié)合附近鉆孔情況判斷是否終孔，避免鉆進(jìn)時(shí)遇到個(gè)別塊石造成誤判。

5.2 鋼花管制作安裝

鋼花管采用壁厚6 mm，直徑97 mm的無(wú)縫鋼管，鋼花管在基礎(chǔ)褥墊層以下0.5 m處沿鋼管軸線每4 cm、沿鋼管徑向每旋轉(zhuǎn)45°鉆6 mm的注漿孔，注漿孔沿鋼管四周呈螺旋狀布置，注漿孔用膠帶或凝膠密封。由于地下室空間限制，為了便于安裝，將鋼花管切割為1，2，3，4 m的不同長(zhǎng)度，在安裝時(shí)再焊接成需要的長(zhǎng)度，為了確保焊接后強(qiáng)度，焊接時(shí)使用 3根φ16 mm螺紋鋼筋加強(qiáng)，接口處圍焊。

鋼花管底部采用厚度5 mm的鋼板焊接密封，一次PVC注漿管隨著鋼管安裝，綁扎在鋼管上，劈裂注漿孔首先采用玻璃膠堵住注漿孔，外側(cè)使用強(qiáng)力膠帶纏繞密封，纏繞3～4層，纏繞時(shí)要將鋼管表面清理干凈，將膠帶壓平粘牢，避免鋼管安裝時(shí)，孔壁泥土進(jìn)入鋼管里，影響二次注漿效果。

5.3 壓力注漿

注漿采用二次注漿工藝，注漿泵的最大工作壓力應(yīng)不小于1.5 MPa。

第一次注漿采用1∶(0.4～0.5)水泥漿，注漿采用從孔底向上反向壓漿，將孔底的水或泥漿沿著管壁壓出來(lái)，當(dāng)孔口返出正常干凈的純水泥漿液約10～15 s后，可停止注漿。此時(shí)須觀察水泥漿的動(dòng)態(tài)，鋼管內(nèi)是否會(huì)漏漿，如孔內(nèi)水泥漿下降較快，必須馬上補(bǔ)漿，待水泥漿穩(wěn)定后方可進(jìn)行管內(nèi)二次劈裂注漿。

第二次注漿材料為M30純水泥漿，采用分次間歇式注漿，水灰比為0.5∶1，采用P.O42.5R水泥。待第一次注漿穩(wěn)定并間隔一定時(shí)間后進(jìn)行第二次鋼管孔內(nèi)的壓漿，注漿壓力應(yīng)穩(wěn)定在1.5 MPa以上。

為了保證水泥漿的質(zhì)量，水泥漿必須使用水泥攪拌機(jī)強(qiáng)制進(jìn)行正反轉(zhuǎn)攪拌，攪拌時(shí)間不得少于3 min。

5.4 樁頭處理

樹根樁注漿結(jié)束后，在筏板植筋，與鋼管頂部搭接焊的方式，然后用C30微膨脹早強(qiáng)混凝土封口。封口完畢后進(jìn)行樁頭防水處理，樁頭封樁后先用10～15 mm厚1∶2.5水泥砂漿抹面，然后涂抹聚合物水泥防水砂漿，分層抹壓，順序?yàn)榉浪貪{→防水砂漿→防水素漿→防水砂漿→防水素漿→防水砂漿，最后用抗壓密封劑涂抹在表面。

6 加固效果

為了評(píng)價(jià)房屋地基加固效果，抽取3根樹根樁對(duì)其單樁承載力進(jìn)行檢測(cè)，確保樹根樁的承載力滿足設(shè)計(jì)要求;另外，在地基加固施工期間對(duì)樓體的沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

6.1 沉降監(jiān)測(cè)

沉降監(jiān)測(cè)共設(shè)置了26個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中1層房屋內(nèi)部布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)，整個(gè)施工過程中對(duì)樓體的沉降變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選取房屋不同方位的 1，5，8，11，16，19和23號(hào)7個(gè)代表性測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降分析。圖4為沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖4 不同測(cè)點(diǎn)房屋沉降時(shí)程曲線

從圖4可以看出:

由于房屋地基地質(zhì)條件較差，4月28日—5月12日施工準(zhǔn)備期間發(fā)生較大的不均勻沉降，26個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降變形在0～12 mm之間，其中東北角的8，23號(hào)，中部5號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降均超過10 mm，而且沉降發(fā)展趨勢(shì)明顯。

5月12日—6月21日施工期間，由于地質(zhì)條件較差，易受到地基加固施工的擾動(dòng)，施工過程中鉆孔擾動(dòng)和注漿后地基土體軟化，各測(cè)點(diǎn)沉降繼續(xù)增加，但增加趨勢(shì)逐漸減緩并趨于穩(wěn)定。

6月21房屋地基加固施工完畢，樹根樁樁體開始發(fā)揮承載力作用，6月21—7月22日，連續(xù)一個(gè)月時(shí)間，遭遇3場(chǎng)強(qiáng)降雨，樓體沉降一直保持穩(wěn)定無(wú)增長(zhǎng)，表明樹根樁加固地基發(fā)揮了作用，整個(gè)樓體未受到降雨的明顯影響。

6.2 樹根樁承載力檢測(cè)

依據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2003)中的有關(guān)規(guī)定，抽取了3根樹根樁對(duì)其單樁承載力進(jìn)行檢測(cè)，加載采用慢速維持荷載法，最大加載到250 kN。檢測(cè)結(jié)果如表1所示。可以看出，被檢測(cè)的3根試驗(yàn)樁單樁豎向抗壓極限承載力不小于250 kN。

表1 樹根樁單樁承載力檢測(cè)結(jié)果

7 結(jié)論

1)從本工程的加固效果來(lái)看，采用潛孔鉆成孔、植入鋼花管、二次注漿的樹根樁加固方法非常適用于需要快速搶救加固、地質(zhì)條件復(fù)雜、施工場(chǎng)地狹小的房屋地基加固。

2)從樓體沉降監(jiān)測(cè)和樹根樁單樁承載力檢測(cè)的結(jié)果來(lái)看，樹根樁發(fā)揮了提高地基承載力的作用，樓體沉降保持穩(wěn)定，無(wú)增長(zhǎng)，未受到強(qiáng)降雨的明顯影響，單樁承載力滿足設(shè)計(jì)要求，表明樹根樁加固房屋地基效果顯著。

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