軟土地區不均勻沉降原因分析及加固技術

李 川,馬 勇

(廣東省水利水電科學研究院，廣東省巖土工程技術研究中心，廣東 廣州 510635)

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軟土地區不均勻沉降原因分析及加固技術

李 川,馬 勇

(廣東省水利水電科學研究院，廣東省巖土工程技術研究中心，廣東 廣州 510635)

以某配電房地面出現大面積不均勻沉降導致配電設備無法正常運作為基礎，根據微型鋼管樁的承力機理和施工工藝，結合現場工程地質條件，提出了一種較為實用的軟土上微型樁基礎加固方法，實踐證明，該技術既簡單節省又切實可行。

不均勻沉降；軟土；加固技術；微型鋼管樁

1 工程概況

微型鋼管樁[1]是一種小口徑的鉆掘樁，主要是由鋼管、注漿混凝土和鋼管外水泥漿固結體組成。鋼管常選用建筑上的無縫或有縫鋼管，管徑一般小于300 mm，鋼管的連接可采用內套或外套鋼管進行上下節焊接。當對鋼管灌注水泥漿后，漿體可從鋼管底部的出漿孔處溢出，在鋼管與鉆孔壁之間形成水泥漿固結體，可以有效地防止鋼管銹蝕及增強鋼管與鉆孔壁之間的連接，提高樁的承載力。微型鋼管樁受荷載后，鋼管起雙重作用，縱向受壓承受荷載，環向受拉約束管內水泥漿樁體，樁體在受到側向約束下，橫向變形受到阻止，形成三向受壓的應力狀態，水泥漿樁體抗壓強度大幅度提高，樁身水泥漿的承載能力也相應提高，從而大大提高了樁的承載力和抗彎性能。本工程位于佛山市南海區桂城街道三山港口路西側，其廠區內廠房為二層框架結構，配電房位于一層廠房(配電房結構圖見圖1)。因配電房地面出現大面積不均勻沉降而引起配電設備不同程度傾斜，致使配電設備無法正常運作，整個廠區因此而停電，給廠區的正常生產生活帶來極大的不便。

該場地地質情況，根據鉆探資料，該廠區地處珠三角珠江口河流沖積平原地帶，廠區底下有深厚淤泥層，配電房位置由上往下有填土層、淤泥質土層、砂質粘性土層、強風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖等。各土層分述如下：

人工填土：全場分布，灰～灰黃色，由粉質粘土砂土新近回填，底部夾薄層耕土，稍濕，結構松散，

圖1 配電房結構示意

層厚0.5～1.80 m。

淤泥質土：全場分布，灰黑色，飽和，局部流塑，含粉砂、有機質、腐殖質及貝殼，稍具腐臭，韌性低，層厚11.15～27.80 m，平均層厚16.67 m。

粉質粘土：灰～灰白色，濕，可塑為主，局部軟塑或硬塑，含粉細砂，稍有光滑，無搖震反應，干強度中等，韌性中等。層厚0.80～9.50 m。

細中砂：淺灰～灰白色，石英質，含粉砂及粗砂，少量粘粒，級配較好，飽和，中密，局部稍密。層厚1.40～13.00 m。

強風化泥質砂巖：棕紅色，巖芯較破碎，巖芯呈半巖半土狀，巖質較軟，發育少量中風化巖。層厚1.00～10.00 m。

中風化泥質砂巖：棕紅色，巖芯稍破碎，巖芯呈短柱狀及塊狀，巖質較硬。層面埋深20.00～35.20 m。表1為土層物理力學性質指標。

表1 土的物理力學性質指標

2 建筑物不均勻沉降的原因分析

廠區地處珠三角珠江口河流沖積平原地帶，廠區底下有深厚淤泥層(約20 m)，淤泥層強度低，含水量高，壓縮性大，由于自身及其上面填土層重力作用會慢慢產生固結沉降。當場地配置較重荷載的設備時，沉降加速，同時，場區自身地下水位的下降也會加速場地的沉降，而廠房結構本身由于有樁基礎支撐而未產生沉降，因而造成廠區內多處廠房結構未沉降而地面沉降，致使多處地面結構與地面脫開，或者靠近結構處沉降小、遠離結構處沉降大而造成損壞。場區內這種不均勻沉降現象以后會隨著廠區正常運作后重型設備投入使用、工人等活荷載的增加及時間的推移而進一步加重。隨著地面沉降的加劇，可能會在基礎樁樁周產生負摩擦力，加重基礎樁的負擔，嚴重時甚至可能會斷樁，影響廠房結構的安全。

3 加固設計

經對廠區配電房建筑資料的現場踏勘，考慮到廠房(配電房)結構采用樁基礎，且現狀中廠房(配電房)結構并沒產生明顯沉降，因而采取的加固措施只針對配電房承載設備的地面，不改變廠房原有的基礎結構。同時，由于配電房空間狹小(約20 m×10 m，頂高約4 m)，重型機械難于展開作業，因而提出采用小直徑鉆孔灌注樁(直徑為400 mm)和井字型梁板的加固措施，以使配電房設備荷載、活荷載由樁基承擔，不再產生較大沉降，加固后產生的沉降可符合配電設備的使用要求。

基礎加固采用小直徑鉆孔灌注鋼管樁，共布置10條樁。鉆孔直徑400 mm，預估深度約30 m，鉆進過程中根據實際地質情況，以鉆入中風化巖控制樁長。樁芯內插無縫鋼管，鋼管直徑168 mm，壁厚5.0 mm。樁身灌注水泥砂漿和碎石。樁須鉆入中風化巖0.5 m或入強風化巖4.5 m，單樁承載力設計值為282 kN。加固設計方案見圖2及圖3。

圖2 加固樁梁平面布置示意

圖3 地面恢復及基礎平面布置示意

施工鋼管樁后，在鋼管灌注樁樁頂上配井字地梁，地梁平面尺寸為400 mm×500 mm，砼為C 25，采用雙面配筋4C 25。井字梁面上施工地板，地板覆蓋配電房地面，不與結構基礎連接，砼為C 25，采用雙面雙向配筋B 12@100。

在上述基礎加固工程完成后，對配電房恢復原狀，按佛山市南海怡信電力工程有限公司圖紙恢復配電房原有電纜溝和設備基礎。

以上為整個加固設計的做法，下面對加固設計的荷載進行驗算。

根據業主提供的圖紙，配電房內設備重量不超過300 kN，加固地梁的重量為90 m×0.4 m×0.5 m×25 kN/m3=450 kN，加固地板的重量為150 m2×0.2 m×25 kN/m3=750 kN，地面活荷載及基礎重量為150 m2×5.0 kN/m2=750 kN，則總荷載為2 250 N，共布置10根樁，分項荷載系數按γ=1.25，則每根樁承受荷載為281 kN。

根據地質報告，配電房對應的鉆孔資料為ZK49、ZK50、ZK47三個鉆孔，由于這3個鉆孔地質變化較大，綜合按最不利情況考慮，則每根樁穿越土層為：填土層3.0 m、淤泥質土層21.0 m、強風化層1.0 m，樁端鉆入中風化巖不少于0.5 m或入強風化巖不少于4.5 m。

根據樁基規范《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)[2]，樁的單樁極限承載力可按下式計算

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

式中qsik為樁側第 層土的極限側阻力標準值；qpk為極限端阻力標準值；u為樁身周長；li為樁周第 層土的厚度；Ap為樁端面積。

其中，填土層qsik取值25 kPa，淤泥質土層qsik取值25 kPa，考慮場地土層沉降，這兩個土層按負摩阻力考慮，強風化巖層qsik取值200 kPa，qpk取值2 000 kPa，中風化巖層qsik取值500 kPa，qpk取值6 000 kPa，則每一單樁極限承載力特征值為:

入中風化巖的樁

Quk1=0.4×3.14×3.0×(-25)+0.4×3.14×21.0×(-25)+0.4×3.14×1.0×200+0.4×3.14×0.5×500+0.2×0.2×3.14×6 000=565 kN

入強風化巖的樁

Quk2=0.4×3.14×3.0×(-25)+0.4×3.14×21.0×(-25)+0.4×3.14×4.5×200+0.2×0.2×3.14×2 000=628 kN

單樁設計承載力：Ra=0.5×Min(Quk1，Quk2)=282 kN>281 kN

故加固的樁基可滿足配電房內荷載的要求。

4 本次鋼管樁加固的關鍵技術

4.1 確保每根鋼管樁的豎向承載力

淤泥層鋼管樁的承載能力由兩部分控制——樁身強度和樁底端承力

1) 樁身強度：本次鋼管灌注樁樁徑為400 mm，采用樁芯內插無縫鋼管，鋼管直徑168 mm，壁厚5.0 mm。鋼管的強度按235 MPa計算，鋼管承載力可達600 kN。 水泥砂漿按M25計，砼抗壓約3 140 kN。 合計樁身強度可達3 740 kN，遠大于單樁承載力特征值，因此樁身強度按281 kN承載力設計是足夠的。

2) 樁端承載力：根據第4節的計算結果可知，樁端承載力可以滿足設計值的要求。

3) 按樁身強度和端承強度均滿足設計承載力281 kN的要求，但是樁底的端承力，是要確保在整個鋼管樁施工過程中，鋼管樁底面和鉆孔巖面有良好的接觸，才能實現。如二者發生脫開，即界面不連續，則樁端阻力會完全消失，只靠樁側阻力無法支撐結構荷載。

在實際施工操作中，要求鋼管下管時必須到巖面，管底殘渣必須清理干凈。必要時可加錘擊力，不可將清渣工作留在壓漿前。盡可能減少樁底沉渣及樁周泥皮對樁豎向承載力的影響。

4.2 確保樁底和巖面密貼接觸

鋼管的密度為7.85 g/cm3，淤泥的密度為1.65 g/cm3，鉆孔泥漿的密度大約為1.35 g/cm3。因此鉆孔開好以后，單靠鋼管的自重，即可自沉到清好渣的孔底，因此只要能保證灌漿時鋼管不上浮，樁底和巖面有良好的接觸便可達到。

實際施工操作中，要求工人在鋼管樁灌漿前，盡可能對鋼管施加較大預應力，其目的一則防止灌漿時鋼管上浮，保持樁底和巖面無縫接觸，另外也使鋼管預先受一定的壓應力，減少真正承力時的變形下沉。

4.3 消除壓密沉降

確保鋼管樁管節之間、樁底和巖石之間做到無縫連接，消除各連接點的壓密沉降，保證整個結構系統，只產生受力后壓縮變形沉降。

5 結論

在本工程案例中，之所以出現廠區地面大面積沉降是由于場區底下有深厚淤泥層，淤泥壓縮而造成地面不均勻沉降，同時，廠房結構由于有樁基支承而沉降較小，因而造成廠房結構和地面脫開的現象。經本次加固后，配電房地面下沉已完全停止，并且不受四周環境(如地下水位下降)變化的影響，配電設備已完全恢復正常且至今一直正常運行，本次的加固工程完全達到目的。

在以后的軟土地區類似工程中，如果出現地面大面積沉降、廠房地面有設備重荷、且設備對沉降、傾斜要求較高時，則應對廠房地面進行加固處理，加固處理措施應因地制宜，具體問題具體分析，選擇合適的加固手段。本文所提出的鉆孔微型鋼管灌注樁加固手段，也是切實可行的參考手段之一。

[1] 谷偉平，李國雄，蔣利民，等. 微型鉆孔嵌巖鋼管灌注樁[J]. 巖土工程學報，2000，22(3)：344-347．

[2] 建筑樁基技術規范：GJ 94 — 2008[S]. 北京: 中國建筑工業出版社， 2008．

[3] 杜秀忠， 李思平， 楊光華， 等. 珠海某大面積新區軟基處理設計及監測[C]∥中國土木工程學會第九屆土力學及巖土工程學術會議論文集(下冊)， 2003: 860-865．

(本文責任編輯 馬克俊)

Cause Analysis and Reinforcement technique of Differential Settlement of Soft Soil Area

LI Chuan, MA Yong

(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower,Guangdong Geotechnical Engineering Research Center, Guangzhou 510635, China)

Based on the bearing mechanism and construction technology of micro steel pipe piles, combined with field engineering geological conditions, a more practical method about micro steel pipe piles on soft soil foundation reinforcement is proposed with the large-scale uneven settlement of a certain distribution room, which leads to normal operation of power distribution equipment. Practice has proved that the technology is simple and practical.

uneven settlement； soft soil； reinforcement technology； micro-steel pipe pile

2016-03-30;

2016-08-20

李川(1973)，男，本科，高級工程師，從事巖土工程研究工作。

TU473.1

B

1008-0112(2016)09-0025-04