微型樁技術在既有建筑地基基礎加固改造工程中的應用*

唐 君，雷飛龍，江 寧

(1.建筑安全與環境國家重點實驗室，北京 100013； 2.中國建筑科學研究院有限公司地基基礎研究所，北京 100013； 3.北京市地基基礎與地下空間開發利用工程技術研究中心，北京 100013； 4.五礦地產有限公司，北京 100010)

0 引言

隨著我國經濟的發展、城市功能的更新，既有建筑老齡化問題日益突出。國務院參事、住房和城鄉建設部原副部長、中國城市科學研究會理事長仇保興于2018年表示，我國城市現有400 億m2舊建筑中約有1/3需進行抗震、節能、適老、節水等方面的改造[1-2]。對既有建筑進行增設電梯加固改造以解決垂直交通問題，是城市高質量發展的必然要求。

由于設計要求或施工條件限制，既有建筑地基基礎加固工程一般對施工設備及施工工藝有特殊要求[3-4]。微型樁適用于狹小施工場地條件[5]，其中，小型鉆孔注漿鋼管樁[6-7]是在靜壓鋼管樁技術基礎上發展起來的一種新的加固方法，通過壓力注漿可有效提高樁側摩阻力，具備施工靈活、適應性強、可靠、耐久等特點。

樁底、樁側后壓漿技術通過壓漿方式，使樁周及樁底松軟土體得到有效加強，從而大大提高樁側和樁端阻力，達到提高單樁豎向承載力的目的。其作用機理是在樁體形成后，通過預設的注漿導管及與之相連的樁端、樁側注漿閥注入水泥漿，通過漿液滲擴、擠密和劈裂壓密等方式，消除泥皮和樁底沉渣的固有缺陷，改善樁土界面，使樁端、樁側土體(包括沉渣和泥皮)得到加固，從而提高單樁承載力，減小沉降[8]。

為有效提升既有建筑使用功能，本項目在保證既有建筑物安全的前提下，在有限施工空間內，運用改裝的套管跟進錨桿鉆機成孔，采用注漿鋼管樁聯合樁端、樁側復式注漿工藝的地基基礎加固方案，成功實現了既有建筑微型樁地基基礎加固改造。

1 工程概況

1.1 既有建筑概況

為解決既有建筑垂直交通問題，北京某高校擬在5號教學樓原結構外加建5層電梯。±0.000絕對標高為42.730m，筏板基礎，基礎底標高為-2.650m。 根據巖土工程勘察報告及結構設計要求，擬加建電梯地基承載力及變形均不滿足設計要求，考慮鄰近既有建筑施工空間有限，采用注漿鋼管樁聯合樁端、樁側復式注漿工藝的地基基礎加固方案。

目前，既有建筑改造項目已完成并投入使用，第三方檢測數據顯示該方案滿足規范[8-10]及設計要求。

1.2 工程地質及水文地質條件

根據地質勘察報告，勘探深度范圍內(最深20.00m)的地層，按成因類型、沉積年代可劃分為人工堆積層及第四紀沉積層，并按其巖性及工程特性進一步劃分為5個大層及亞層：①層房渣土，①1層黏質粉土素填土，②層黏質粉土～粉質黏土，②1層砂質粉土～黏質粉土，②2層重粉質黏土～黏土，②3層粉砂～細砂，③層粉質黏土～黏質粉土，③1層砂質粉土～黏質粉土，③2層重粉質黏土～黏土，④層細砂～中砂，⑤層粉質黏土～黏質粉土，⑤1層黏土～重粉質黏土，⑤2層黏質粉土～砂質粉土。

工程典型地質剖面如圖1所示，地層物理力學性質如表1所示。

表1 地層物理力學性質

圖1 工程典型地質剖面

根據地質勘察報告，場地地下水分布情況如表2所示。

表2 地下水分布情況

2 既有建筑地基基礎加固設計

2.1 加固方案

既有建筑地基基礎加固方案以安全可靠、技術先進、經濟合理、保護環境等為原則，綜合考慮教學樓結構、地基基礎及鄰近既有建筑有限施工空間等因素，采用注漿鋼管樁聯合樁端、樁側復式注漿工藝的地基基礎加固方案。

2.2 樁基豎向承載力計算

依據荷載效應標準組合下作用于承臺頂面的豎向力，微型樁采用直徑219mm、壁厚3.5mm鋼管樁，布樁平面如圖2所示。

圖2 鋼管樁布樁平面

在荷載效應標準組合軸心豎向力及偏心豎向力作用下，通過式(1)，(2)計算出柱下群樁中樁基的樁頂作用效應如表3所示。

表3 樁基豎向力結果統計 kN

鋼管樁樁頂嵌入承臺50mm，即設計樁頂標高為-2.600m。綜合考慮有限空間施工條件及樁端持力層參數，鋼管樁設計樁長為8.0m，樁端持力層為④層細砂～中砂層。為有效提高單樁承載力，減小沉降，鋼管樁采用樁端、樁側后壓漿技術，依據JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》[9]，采用二次注漿工藝的注漿鋼管樁樁側摩阻力特征值取值可乘以1.3的系數，計算出鋼管樁單樁豎向承載力特征值為175kN。

在荷載效應標準組合軸心豎向力作用下，樁基平均豎向力Nk≤R(R為豎向承載力特征值，下同)；在荷載效應標準組合偏心豎向力作用下，基樁最大豎向力Nkmax≤1.2R，滿足JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[8]和結構設計要求。同時，鋼管樁抗壓強度及穩定性滿足GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[11]要求。

2.3 樁基沉降計算

鋼管樁樁中心距小于6倍樁徑，樁基最終沉降量計算可采用等效作用分層總和法，根據角點法計算。樁基沉降計算深度Zn按應力比法確定。計算結果如表4所示，滿足《建筑樁基技術規范》[8]和結構設計要求。

表4 樁基沉降結果統計

3 微型樁施工

考慮鄰近既有建筑施工空間有限，鋼管樁施工采用改裝的套管跟進錨桿鉆機成孔及樁端、樁側復式注漿工藝，施工步驟為：施工準備→操作面開挖→鋼管樁定位放線→鉆機就位→鉆進成孔→灌注水泥漿→拔外套筒→下放鋼管→下后壓漿導管→放置樁頂鋼筋籠→樁端、樁側后壓漿。

3.1 鋼管樁施工

鄰近既有建筑有限空間內進行施工作業，對小型化設備尺寸要求較高。對錨桿鉆機進行改裝，以滿足鋼管樁施工要求。同時，根據地質勘察報告，②1層砂質粉土～黏質粉土及②3層粉砂～細砂中存在潛水；④層細砂～中砂存在層間水，采用套管跟進錨桿鉆機成孔以防塌孔。現場根據既有建筑物軸線施測樁位，為保證鋼管樁垂直度偏差≤1%，施工鉆機要做到三腳架頂、鉆桿軸線、樁孔中線在同一鉛垂線上，鉆桿軸線同樁孔中心位置偏差≤2mm。

鋼管樁樁長不得小于設計樁長且樁端應進入持力層④層細砂～中砂≥30cm，當鋼管下放至孔底后，采用錘擊或靜壓鋼管方式，以確保鋼管下端與樁底地基土緊密接觸(見圖3)。鋼管樁內采用水灰比0.5～0.6 的P·S·A32.5純水泥漿壓力灌漿，水泥用量約70kg/m。鋼管內水泥漿接近樁頂時，放置樁頂鋼筋籠，鋼筋籠采取固定措施以防下沉。

圖3 現場鋼管樁施工照片

3.2 后壓漿施工

為有效提高單樁承載力、減小沉降，鋼管樁采用樁端、樁側復式注漿工藝。沿鋼管樁外壁圓周對稱設置2根樁端后注漿導管和2根樁側后注漿導管，并于樁側后注漿導管上距樁底4m位置設置1道樁側注漿閥。后注漿導管采用國標低壓流體輸送用焊接鋼管，樁端注漿導管公稱口徑25mm、壁厚3.25mm，樁側注漿導管公稱口徑20mm、壁厚2.75mm。注漿作業于成樁2d后開始，注漿流量宜≤75L/min 且注漿作業與成孔作業點的距離宜≥10～15m， 注漿參數如表5所示。當注漿總量和注漿壓力均達到設計要求，或注漿總量已達到設計值的75%以上且注漿壓力超過設計值2倍時終止注漿。

表5 注漿參數

4 樁基檢測

依據規范[8-10]，檢測單位對3根鋼管樁進行單樁豎向抗壓承載力檢測。檢測結果表明，在最大試驗荷載350kN作用下，受檢的3根鋼管樁單樁豎向抗壓沉降位移分別為10.25，11.98，10.69mm，單樁豎向抗壓承載力特征值滿足350kN的設計要求。其中，P4號鋼管樁Q-s曲線如圖4所示。由圖4可知，荷載為175kN時，鋼管樁累計沉降量為4.32mm；荷載為350kN時，鋼管樁最終累計沉降量為11.98mm。

圖4 P4號鋼管樁Q-s曲線

5 結語

針對北京某既有建筑于原結構外加建電梯工程，采用注漿鋼管樁聯合樁端、樁側后壓漿方案對地基基礎進行加固。通過微型樁技術在既有建筑加固改造工程中的成功實施，可得出以下結論。

1)采用注漿鋼管樁聯合樁端、樁側復式注漿工藝的地基基礎加固方案，對有限空間既有建筑加固改造合理、有效。

2)相較于單一鋼管樁方案，結合后壓漿技術，可有效提高樁基單樁豎向承載力，控制沉降變形。

3)對于有類似工程地質條件的既有建筑加固改造工程，改裝的套管跟進錨桿鉆機可在有限空間內有效完成成孔作業。