樹根樁在快速加固既有房屋地基中的作用分析

王文宇，顏 敏，李中國，朱宏偉，蔡德鉤，張千里

(1.北京佰嘉置業集團有限公司，北京 102400;2.清華大學 機械工程系，北京 100084;3.中國鐵道科學研究院 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構，基礎形式為筏板基礎，筏板下部為素混凝土墊層，其下為級配砂石墊層。由于場地上覆地層承載力較低，無法滿足樓房基礎承載要求，對地基進行了處理。首先對樓基礎范圍內的回填土采用滿夯處理，然后采用CFG樁進行處理。CFG樁樁徑0.4 m，樁間距1.8 m×1.8 m，樁身混凝土強度為C20，樁長以達到巖石持力層作為控制條件。設計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，地基土體浸水后強度降低，地基整體承載能力降低，沉降增大，基礎出現不均勻沉降，房屋出現裂縫。

2012年8 月—2013年2月，沉降監測結果顯示，該樓東側沉降大于西側，東北角、東南角沉降量分別達到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。監測數據分析表明，沉降仍然有增加的趨勢，截至2013年5月中旬，最大累計沉降約為40 mm。

2 水文地質條件

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。巖土工程地勘報告表明，場地內筏板基礎以下的地層自上而下主要為:①人工填土(粉質黏土素填土，雜填土)，一般厚度為0.3～5.0 m，部分區域達8.4 m;②第四紀坡洪積成因的黏性土(粉質黏土)、碎石土(夾碎石透鏡體);③全風化砂巖、頁巖和泥巖;④強風化的砂巖、頁巖和泥巖。

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

3 沉降原因分析

結合沉降觀測結果及水文地質條件對該房屋地基不均勻沉降原因予以分析。

3.1 場地地形、地層條件的影響

場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，暴雨來臨，雨水極易在此處匯集，造成地基土體含水量增大。場地粉質黏土層較厚，且起伏較大;粉質黏土層浸水強度降低明顯，這些因素使得粉質黏土層成為發生不均勻沉降的主要地層。

3.2 特大暴雨的影響

特大暴雨發生時，該工程地下室尚未回填，地基直接曝露，導致雨水大量滲入地基，地下水位上升。地基土體尤其是粉質黏土層在浸水或含水量增大時，土體強度降低，變形增大，導致地基整體承載能力降低，沉降增大。根據補充勘察資料中動力觸探結果，部分回填碎石層和粉質黏土素填土層擊數僅為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，浸水后土體原有結構破壞，強度降低。

3.3 地基處理不當

依據勘察結果、設計文件及CFG樁施工資料，部分CFG樁存在未達到持力層(強風化巖層)的現象。

由于場地上覆地層承載力較低無法滿足樓房基礎承載150 kPa的要求，對地基進行了處理。兩限樓范圍內處理方式為回填后采用1 500 kN級滿夯處理，然后采用樁徑0.4 m，樁間距1.8 m×1.8 m的CFG樁進行處理，樁長以達到巖石持力層④作為控制條件。

圖1為該房屋地基的地質剖面示意圖，可以看出，基礎下持力層(強風化巖層)起伏較大，呈現短軸方向南深北淺、長軸方向中間深的特點，持力層深度與沉降量有較好的一致性。部分CFG樁未達到持力層，建筑物沉降量較大，與CFG樁未達到持力層有直接關系。

圖1 工程地質剖面示意

地基承載力計算如下:

1)CFG樁設計參數

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β=0.8;樁端巖石端阻極限承載力qpa=1 600 kPa;樁端粉質黏土端阻極限承載力為800 kPa。

2)復合地基承載力特征值計算

①當CFG樁底位于強風化巖層時，樁面積Ap=3.14×0.22=0.125 6 m2，單樁豎向承載力特征值Ra為

復合地基承載力fspk為

②當CFG樁底位于粉質黏土時

從上述計算結果可知，持力層對復合地基的承載力影響十分明顯。當持力層未達到設計強風化巖層時，復合地基的承載力只有129.70 kPa，小于設計(150 kPa)要求。

4 樹根樁加固地基設計

針對本工程地質條件復雜、空間狹小和工期緊張等困難條件，采用樹根樁對房屋地基進行加固。樹根樁主要沿地下室外墻內及結構剪力墻附近布置，與剪力墻的距離應以滿足施工機械操作空間為宜，整個加固區域布置236根樁。房屋基礎平面及樹根樁布置見圖2。根據沉降觀測和地質勘查資料，對地基的內填土層厚度較深的位置適當增加布樁數量;荷載較集中的位置適當增加;其他位置適當布置。

5 樹根樁施工工藝

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

圖2 房屋基礎平面及樹根樁布置

圖3 樹根樁施工流程

5.1 潛孔鉆鉆孔

由于基礎下部為人工回填粉質黏土雜填土，夾雜石塊，基巖為全風化、強風化的砂巖、頁巖和泥巖，為了保證樹根樁達到設計深度，必須首先進行鉆孔。成孔深度至強風化層下0.5 m，考慮到地下室空間狹小，大型鉆孔設備無法作業，鉆孔采用QZJ-100D型潛孔沖擊鉆機，定制鉆具為 CR180沖擊器，鉆頭直徑為180 mm，該鉆機的動力源為15 m3空壓機。

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計圖紙避開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，安裝好潛孔鉆機進行鉆孔作業，樹根樁的直徑為180 mm，樁長自筏板基礎至強風化巖層。根據地質勘察資料、鉆孔鉆進速度及出渣情況，綜合判斷鉆孔是否到達設計持力層，結合附近鉆孔情況判斷是否終孔，避免鉆進時遇到個別塊石造成誤判。

5.2 鋼花管制作安裝

鋼花管采用壁厚6 mm，直徑97 mm的無縫鋼管，鋼花管在基礎褥墊層以下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的不同長度，在安裝時再焊接成需要的長度，為了確保焊接后強度，焊接時使用 3根φ16 mm螺紋鋼筋加強，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，外側使用強力膠帶纏繞密封，纏繞3～4層，纏繞時要將鋼管表面清理干凈，將膠帶壓平粘牢，避免鋼管安裝時，孔壁泥土進入鋼管里，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，當孔口返出正常干凈的純水泥漿液約10～15 s后，可停止注漿。此時須觀察水泥漿的動態，鋼管內是否會漏漿，如孔內水泥漿下降較快，必須馬上補漿，待水泥漿穩定后方可進行管內二次劈裂注漿。

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。待第一次注漿穩定并間隔一定時間后進行第二次鋼管孔內的壓漿，注漿壓力應穩定在1.5 MPa以上。

為了保證水泥漿的質量，水泥漿必須使用水泥攪拌機強制進行正反轉攪拌，攪拌時間不得少于3 min。

5.4 樁頭處理

樹根樁注漿結束后，在筏板植筋，與鋼管頂部搭接焊的方式，然后用C30微膨脹早強混凝土封口。封口完畢后進行樁頭防水處理，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，順序為防水素漿→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

為了評價房屋地基加固效果，抽取3根樹根樁對其單樁承載力進行檢測，確保樹根樁的承載力滿足設計要求;另外，在地基加固施工期間對樓體的沉降情況進行監測。

6.1 沉降監測

沉降監測共設置了26個沉降監測點，其中1層房屋內部布置7個測點，整個施工過程中對樓體的沉降變形進行監測，選取房屋不同方位的 1，5，8，11，16，19和23號7個代表性測點進行沉降分析。圖4為沉降監測結果。

圖4 不同測點房屋沉降時程曲線

從圖4可以看出:

由于房屋地基地質條件較差，4月28日—5月12日施工準備期間發生較大的不均勻沉降，26個測點的沉降變形在0～12 mm之間，其中東北角的8，23號，中部5號測點沉降均超過10 mm，而且沉降發展趨勢明顯。

5月12日—6月21日施工期間，由于地質條件較差，易受到地基加固施工的擾動，施工過程中鉆孔擾動和注漿后地基土體軟化，各測點沉降繼續增加，但增加趨勢逐漸減緩并趨于穩定。

6月21房屋地基加固施工完畢，樹根樁樁體開始發揮承載力作用，6月21—7月22日，連續一個月時間，遭遇3場強降雨，樓體沉降一直保持穩定無增長，表明樹根樁加固地基發揮了作用，整個樓體未受到降雨的明顯影響。

6.2 樹根樁承載力檢測

依據《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ 106—2003)中的有關規定，抽取了3根樹根樁對其單樁承載力進行檢測，加載采用慢速維持荷載法，最大加載到250 kN。檢測結果如表1所示?？梢钥闯?，被檢測的3根試驗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結果

7 結論

1)從本工程的加固效果來看，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、地質條件復雜、施工場地狹小的房屋地基加固。

2)從樓體沉降監測和樹根樁單樁承載力檢測的結果來看，樹根樁發揮了提高地基承載力的作用，樓體沉降保持穩定，無增長，未受到強降雨的明顯影響，單樁承載力滿足設計要求，表明樹根樁加固房屋地基效果顯著。

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