樁基逆作法在微型樁受力機理中的應用

張素娟

摘要：在總結了微型樁用于增層與改造時的特點（主要包括壓力注漿提高微型樁承載力的機理、微型樁與原有基礎間的剛性連接）的基礎上，通過分析微型樁用于建筑物增層與改造時的受力特點，采用建筑物樁基逆作法的原理，對微型樁與原有地基的受力機理進行了分析，提出了基于樁端刺入變形與樁間土壓縮的樁—土—（基礎）承臺共同作用分析方法。

關鍵詞：微型樁共同工作樁基逆作法增層與改造荷載分擔比

中圖分類號：TU74 文獻標識碼：A

近年來隨著城市建設的不斷發展，建筑物增層與改造的比例逐漸增大，而微型樁因其具有施工場地小、施工方便、對周圍環境和地基土影響小、適應性強等優點而被廣泛的應用于建筑物增層與改造的地基加固和托換工程中。但在微型樁設計時，一般沿用傳統的樁基設計方法，由微型樁來承擔全部的新增荷載，不考慮原有地基基礎承擔荷載的能力，造成了不必要的浪費。

1.微型樁簡介

微型樁亦稱樹根樁（root pile）或小樁，不僅可施工成豎向樁，還可施工成斜樁相互交叉形如樹根，所以也被被稱為樹根樁，實質是就地壓漿灌注的小直徑灌注樁。微型樁經過壓力注漿可與地基土緊密結合，微型樁現廣泛應用于各種土木工程中，如舊房改造、房屋加層、古建筑的加固糾偏、防洪堤壩加固、建筑（構筑）物加固防震、新建建筑物基礎、危房地基處理、不均勻沉降事故、地下洞室塌陷事故處理、滑坡處治、路堤加固、基坑支護、基礎開挖擋土等工程中。

微型樁用于增層與改造處理基礎時，微型樁與上部結構的連接方式主要有兩種方式：

（1）微型樁穿過原基礎：當原基礎為寬度較大鋼筋混凝土且基礎時，微型樁可穿過原基礎，在原基礎下通過二次灌漿或擴孔鉆頭將該部分樁體擴大，原基礎表面鑿毛沖洗干凈后，刷界面劑或素水泥漿并作插筋。

（2）微型樁在原基礎外側：

當建筑物原基礎為剛性基礎或原基礎寬度較小時，微型樁一般在原基礎外側做承臺梁，為保證承臺梁與原圈梁之間結合緊密，承臺梁應加入適量膨脹劑，同時施工中注意振搗緊密。

從微型樁與原有基礎的連接方式上看，微型樁與原有基礎連接緊密堅固，為簡化分析可以認為是剛性連接。

2.微型樁-土荷載分擔比計算現狀

在傳統的樁基設計中，所有上部結構的荷載被認為是由樁承擔，承臺（或筏）不分擔上部結構的荷載。但從國內外的實際的工程資料來看，承臺（或筏）是承擔上部結構荷載的，如英國的海德公園其筏基承擔的荷載為40%，更有實例表明筏基承擔的荷載可達到60%，因此，在傳統的樁基實際方法不考慮承臺（或筏）的分擔作用，這是不符合實際的。

目前對于微型樁的研究大多集中在豎向承載力方面，且處于室內研究和現場試驗階段，完整的理論研究很少。在《既有建筑地基基礎加固技術規范》（JGJ123-2000）中規定：微型樁單樁豎向承載力可通過單樁載荷試驗確定；當無試驗資料時，也可按國家現行標準《建筑地基基礎設計規范》有關規定估算，一般不考慮樁間土對新增荷載的分擔比。山東建筑大學鑒定加固所孫劍平等人在大量的微型樁工程應用中，通過試驗研究和分析，提出了微型樁單樁豎向承載力建議計算公式，區分樁側不同土質情況對樁側摩阻力及樁端阻力乘以不同的提高修正系數。而在役建筑物的基礎在原有建筑物的荷載作用下，固結沉降已經或基本上完成，原基礎與其下地基土是緊密接觸的且為剛性連接，滿足樁土共同工作的條件。所以可以應用復合樁基的理論進行樁-土-基礎（承臺）的共同工作分析，用允許沉降量來進行控制，合理確定樁土荷載的分擔比。

3.根據微型樁在建筑物增層與改造中受力特點，分析其樁土共同工作的機理

3.1微型樁-土荷載分擔問題的機理

由于微型樁主要是用于建筑物增層與改造中應用，且具有特殊的施工工藝，因此微型樁及原有基礎下土體的受力情況與普通樁有所不同。

第一階段：在初始階段，新增荷載首先由土承擔，基礎下土體在荷載產生的附加應力作用下產生沉降，則新增荷載開始向樁轉移，土承擔的荷載比例逐漸減少；隨著建筑物荷載的增加，荷載較多地傳給具有較大剛度的樁，而較少分配給土。

第二階段：隨著時間的發展，樁承擔的荷載逐漸增大，樁側摩阻力首先達到極限值；隨著荷載的進一步增大，樁端阻力也達到極限值，樁端刺入變形急劇增大，基礎下土體承擔的比例逐漸增大，樁承擔的荷載比例逐漸減少，建筑物的沉降速率相應的減少。而土分擔的荷載則相應的減少。

從上面的分析來看，樁與地基土的荷載分擔比例是一個反復循環、協調的過程，同時伴隨著一個土體壓密和強度增長的過程。該過程歷史的長短主要取決于樁間土的性質。當樁間土為飽和粘土時，歷時將很長，反之若樁間土透水性強，或為非飽和土，則歷時較短。

3.2基于樁端刺入變形與樁間土壓縮的樁—土—（基礎）承臺共同作用分析

微型樁用于建筑物增層與改造時的受力情況與樁基逆作法基本相同，分為兩個階段。第一階段：原有建筑物總荷載，此時（時間為）相當于一般的淺基礎；第二階段：樁間土和樁承擔和建筑物增層與改造時的新增荷載。為便于理論分析，將基礎計算分為三個步驟進行。

第一步，在作用下，淺基礎時的沉降及最終沉降量；

第二步，微型樁施工完畢后，在的作用下，帶樁基礎的最終沉降（即等于增加荷載前已完成的基礎沉降量與原荷載作用下未完成的沉降量），此時需考慮樁土共同作用導致基礎剛度的增大，由公式（1）計算：

=+ (1)

其中，即為 時刻淺基礎下土的固結度，可通過一維固結理論估算求得。

式中：—作用下基礎最終總沉降；—封樁前淺基礎的沉降；—不壓樁的淺基礎最終總沉降； —淺基礎的剛度；—帶樁基礎的剛度。

第三步：在增加荷載作用下，帶樁基礎的沉降，由基于刺入變形的樁土共同作用分析計算。

對地基基礎進行加固或增加荷載的既有建筑，其基礎最終沉降量可按公式（2）確定：

S=+=++（）≤ [S] （2）

式中：S—基礎最終沉降量；

—地基基礎加固前或增加荷載前已完成的基礎沉降量，可由沉降觀測資料確定或根據當地經驗估算；此處=；

—原建筑荷載作用下加樁后的基礎沉降量，可由沉降觀測資料推算或根據前述經驗公式估算。當原建筑物荷載下基礎沉降已經穩定時，此值應取零；

（）—在新增荷載作用下，考慮微型樁加固區的樁土共同作用時，由樁長范圍內土層的壓縮量與樁端下土層的壓縮量之和組成； 由樁側摩阻力、樁端阻力及基礎（承臺）分擔荷載在樁間土中產生的附加應力用分層總和法計算；由樁端、樁側阻力及基礎（承臺）分擔荷載在樁端以下土中產生的附加應力用分層總和法計算。帶樁基礎的沉降由公式（3）計算得：

（）=++ = + （3）

其中 為樁身的壓縮量 ；為樁端下土層的壓縮量；為樁端的刺入量，系指樁端相對于周圍土體的剪切位移。和 都代表由于群樁基礎全部荷載作用下樁端以下土的壓縮量，可以認為他們相等，即：=

其中樁身彈性壓縮量由公式（4）計算：

= （4）

式中：p(z) 為軸向力沿樁長的分布，—樁截面積，—樁的彈性模量。

從基礎（承臺）與其地基土保持接觸的條件可按公式（5）寫為：

+＝ （5）

如果樁身壓縮量很小可以忽略不計，公式（5）可改寫為

＝ （6）

從上式可以看出，只有樁端刺入量等于樁端以上樁間土的壓縮量時，基礎（承臺）與其下土才保持接觸，即發揮樁與基礎（承臺）的共同作用。

結束語

本文提出了微型樁基于樁端刺入變形與樁間土壓縮的樁—土—（基礎）承臺共同作用的分析原理，為確定微型樁的樁土分擔比例奠定了基礎。

參考文獻

[1]龔維明，蔣永勝，施明征等．高層建筑樁基逆作法應用研究[J].建筑結構學報.2000(6)：69-71.

[2]中國建筑科學研究院.JGJ94-2008建筑樁基技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[3]夏雋軒.高層建筑樁基逆作法應用研究[J].建筑遺產，2013年第五期.