导坑式人工挖孔托换桩技术

李素娟,任宇涛,席亚军,韩晓雷

(1.北京中冶设备研究设计总院有限公司,北京100029;2.中国恩菲工程技术有限公司,北京100038;3.河北省建筑科学研究院,河北石家庄050021;4.西安建筑科技大学,陕西西安710055)

0 引 言

托换技术或称基础托换,是指既有建筑物进行迁移或加固改造时,对整体结构或部分结构进行合理托换,改变荷载传力途径的工程技术[1]。从实际工程对托换的要求不同,托换技术可分为补救性托换、预防性托换、维持性托换三种类型[2-3]。

导坑式人工挖孔托换桩适用于既有建筑因勘察、设计、施工或使用不当,增层、纠倾、移位、改建、古建筑保护,遭受邻近新建建筑、深基坑开挖、新建地下工程或自然灾害的影响等而需对其地基和基础进行加固的建筑物。因其施工难度较高,设计计算中存在着很多的不确定性,导致该技术目前应用还较少,在现行的相关规范中也尚未对其论述提及。

1 导坑式人工挖孔托换桩技术介绍

导坑式人工挖孔托换桩技术是一种成功应用于西北黄土地区的地基基础加固方法[4],其在拟托换建筑物基础旁边开挖1.0 m×1.0 m的矩形施工导坑,深度为基底下1.2 m～1.5 m以方便施工为最佳,然后朝基础位置水平向挖至托换桩位,再竖向挖至设计持力层,所挖桩孔径大小视地基承载力及施工人员情况而定,成桩后灌注混凝土或混凝土+抛石(抛石混凝土)至基础底面上30 cm～50 cm处即可,如图1所示。如需减小桩周负摩阻力,可在桩周设置隔离层。

图1 人工挖孔托换桩示意图

该技术的主要优点是:①受力明确,托换质量有保证;②单桩承载力高、造价低、孔径和孔型不受限制;③施工用具简便,施工方便,灵活机动,工作面小,多个班组能同时开挖进行平行作业,对缩短工期有利;④施工中无振动,避免了机械钻孔对拟加固建筑物的进一步影响;⑤施工过程基本不影响建筑物的正常使用;⑥对周围环境不会产生污染,成孔直观,可直接检验土质,清净孔底,易于保证混凝土施工质量。是一种值得推荐和推广的建筑物基础托换方法。但目前有关导坑式人工挖孔托换桩技术的相关报道在我国仍然较为少见。2000年6月由建设部颁发施行的行业标准《既有建筑物地基基础加固技术规范》[5](JGJ123-2000)中也未提及导坑式人工挖孔托换桩技术。

2 导坑式人工挖孔托换桩设计和施工

2.1 加固机理及计算方法

在拟进行基础托换的建筑物基础底面下,导坑式人工挖孔托换桩采用人工挖土并由手摇辘轳或人工二次倒运出土(渣),形成桩孔后安放钢筋笼并灌注混凝土而成桩,使得桩端置入地基深部较好的持力层中,并将建筑物的部分或全部荷载传至该土层,从而达到减小基底下地基土的附加应力,制止沉降的发展,达到加固的目的。该法虽成功地解决了许多工程问题,但理论研究较少,设计计算多为半经验法。根据以往的工程经验及相关的托换桩静载荷试验资料,建议按以下方法设计托换桩数:

式中:n为设计桩数;F为拟加固基础承受的竖向荷载设计值;k为托换率,即托换桩承载力与被加固建筑物基础竖向荷载之比,一般取0.5～1.0较为合适;γa为施工质量控制等级影响系数(可根据桩孔质量、混凝土拌合方式、混凝土浇筑工艺等综合确定),A级时取1.0,B级时取0.9;γ为承载力分项系数,一般取1.5～2.0,设计者可根据拟加固建(构)筑物的重要性取值;Q为单桩承载力设计值;Quk为单桩极限承载力,可参考《建筑桩基技术规范》[6](JGJ-2008)中的单桩竖向极限承载力标准公式:

式中:u为基桩表面周长;qsik为桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值;li为第i层土的厚度;qpk为极限端阻力标准值;Ap为桩端面积。

2.2 桩位布置

在建筑物基础托换加固工程中托换桩的桩位应通过被托换建筑物的整体受力分析确定并尽可能靠近受力点的中心或两侧布置,使之在刚性角(对刚性基础)范围内,以减小基础的弯矩,如:对条形基础可布置在基础的中线;柱下独立基础可根据柱的实际受力状况对称布置;筏基可布置在靠近荷载大的部位以及基础边缘,尤其是角部等部位,同时应考虑基础的架越效应。

2.3 施工工艺

施工准备→开挖导坑→开挖桩孔→成孔检验→安放钢筋笼→灌注桩身混凝土→地面恢复

(1)施工准备。根据设计图纸定出桩位,清理桩位周边堆放物及影响施工的不安全因素,设置警示牌;对于在室外的桩位应在孔口上搭设防雨棚,防雨棚高度以利于人员作业为佳,在孔口四周做好排水措施;选择适合本场地的提土工具,注意出土道路的走向。

(2)开挖导坑。因大多数情况下,被加固建筑物室内有混凝土硬化地面、基础下有厚实的灰土垫层,故需预先准备好破碎机具,导坑位置以距桩位水平向距离最短为佳。

(3)开挖桩孔。相邻柱基下的托换桩应错位开挖,严禁同时在相邻柱基下同侧开挖,同一柱基下一侧托换桩混凝土强度达到75%设计强度以上时,方可进行另一侧托换桩挖孔作业。施工中应做好照明、通风、桩壁支护及降水措施、桩底人员与地面人员之间应设通话联系工具。

桩孔施工应采取必须的安全措施:①孔内必须设置应急软爬梯供人员上下;使用的手摇辘轳、电葫芦、吊笼等应安全可靠,不得使用麻绳和尼龙绳吊挂或脚踏井壁凸缘上下。电葫芦宜用按钮式开关,使用前必须检验其安全起吊能力;②每日开工前必须检测井下的有毒、有害气体,并应有足够的安全防范措施。当桩孔开挖深度超过10 m时,应有专门向井下送风的设备,风量不宜少于25 L/s;孔口四周必须设置护栏,护栏高度不低于0.8 m;挖出的土石方应及时运离孔口,不得堆放在孔口周围,机动车辆的通行不得对井壁的安全造成影响;施工现场的一切电源、电路的安装和拆除必须遵守现行行业标准《施工现场临时用电安全技术规范》[7](JGJ46-2005)的规定。

(4)成孔检验。可依照先行《建筑桩基技术规范(JGJ94)》有关章节要求执行。

(5)安放钢筋笼。钢筋笼制作、安装的质量应符合下列要求:①钢筋笼的材质、尺寸应符合设计要求及表1钢筋笼质量标准规定;②钢筋笼应分段制作,接头宜采用搭接或机械连接(因受导坑的影响,竖井里很难进行纵筋的焊接操作),应遵守国家现行标准《钢筋机械连接技术规程》[8](JGJ107-2010)和《混凝土结构工程施工质量验收规范》[9](GB50204-2011)的规定;③加劲箍宜设在主筋外侧,当因施工工艺有特殊要求时也可置于内侧;④导管接头处外径应比钢筋笼的内径小100 mm以上;⑤搬运和吊装钢筋笼时,应防止变形,安放应对准孔位,避免碰撞孔壁和自由落下,就位后应立即固定。

表1 钢筋笼质量标准

(6)灌注桩身混凝土。安放钢筋笼后经检查无误,各项指标达到设计要求后,即可灌注混凝土。此处可根据项目的具体情况选择普通混凝土或膨胀混凝土。

2.4 托换施工监测方法

在施工过程中及施工完成后的半年内,应对被托换建筑物进行变形监测(以沉降观测为主),建筑物的监测是通过设置在建筑物上的沉降观测点的高程测量、被托换建筑物墙体裂缝宽度量测、构筑物倾斜观测来实施的。沉降观测点的布置应根据建筑物的体型、结构类型、工程地质条件等因素综合考虑,并要求便于监测和不易遭到破坏,可根据《工程测量规范》[10](GB 50026-2007)《建筑变形测量规程》[11](JGJ 8-2007)《国家一、二等水准测量规范》[12](GB/T12897-2006)进行操作。建议同时采用两种监测手段同时监测。

3 实 例

(1)中国飞机强度研究所某试验基地厂房,因建造年代久远地基浸水湿陷,导致墙体开裂及部分排架柱沉降,最大沉降量达到18 cm,墙体出现内外通透的裂缝,从而影响到厂房的安全及吊车的行驶。用 Φ=800 mm,L=8 m混凝土桩对其进行托换和顶升,并对围护结构进行加固,目前该厂房已安全使用6年。

(2)西安某单位厂房,位于自重湿陷性黄土场地。地基湿陷等级属Ⅱ(中等)～Ⅲ(严重)级。2003年雨季局部遇水湿陷,导致墙体和地面产生裂缝,2007年1月3日至1月10日,发现裂缝剧烈活动,增宽至2 cm,上下延伸距离0.5 m～2.0 m左右。对该厂房基础用 Φ=750 mm,L=25 m混凝土桩进行托换加固,后经18个月变形观测,表明已加固部分沉降变形趋于稳定。

(3)青海省某商场综合楼扩建工程,因紧贴原有商场大楼开挖11.8 m深基坑,开挖会导致原有商场基础悬空(原有商场为桩基,桩长4.5 m～5 m),后用 Φ=800 mm,L=15 m混凝土桩进行原有商场基础支撑和托换,辅之以锚杆将桩体与商场地下室拉接,目前该综合楼及原有商场已使用4年,未发生不均匀沉降等问题。

(4)陕西临潼某疗养院办公楼位于湿陷性黄土场地,因连续降雨导致地基浸水而产生不均匀沉降,使墙体开裂5 mm～10 mm,内外透光。用 Φ=700 mm,L=13 m混凝土桩进行托换和顶升,辅之以高压注浆加固土体,顶升后墙体裂缝基本闭合。

(5)陕西省某单位友谊西路地下车库基坑支护工程,基坑深7.6 m。为防止紧贴坑壁的原有4层办公楼下沉、倾斜,在办公楼条基下用 Φ=800 mm,L=7.5 m混凝土桩进行托换,现车库已使用2年时间,办公楼未出现裂缝及倾斜。

4 结 论

本文所介绍的托换工艺能使桩端置于承载力较高的土层,在基础产生很小附加沉降的前提下就获得了加固承载力,因此,能及时制止建筑物沉降的发展,若辅之以顶升工艺还可使建构筑物抬升,这是导坑式人工挖孔托换桩技术的显著特点之一。和其他土建工程相比,托换工程有其特殊性和复杂性。其设计和施工不可分割,设计人员同时宜是施工人员,且要随时对施工过程中揭露出的问题进行设计补充更改。从事托换加固工程的技术人员不但需具备岩土工程和结构工程方面的理论知识,也需具备这两方面的实践经验才能胜任。

[1]李爱群,吴二军,高仁华,等.建筑物整体迁移技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[2][美]H.F.温特科恩,方晓阳主编.基础工程手册[M].钱鸿缙,叶书麟等译,北京:中国建筑工业出版社,1983.

[3]叶书麟,汪益基,涂光祉,等.基础托换技术—既有建筑物地基基础加固[M].北京:中国铁道出版社,1991.

[4]任宇涛,韩晓雷,李素娟.人工挖孔托换桩在湿陷性黄土地基事故处理中的实践[J].工业建筑,2010,40(6):118-122.

[5]中华人民共和国建设部.JGJ123-2000.既有建筑地基基础加固技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[6]中华人民共和国建设部.JGJ94-2008.建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[7]中华人民共和国建设部.JGJ46-2005.施工现场临时用电安全技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[8]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ107-2010.钢筋机械连接技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[9]中华人民共和国住房和城乡建设部.国家质量监督检验检疫总局.GB50204-2011.混凝土结构工程施工质量验收规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[10]中华人民共和国建设部.GB50026-2007.工程测量规范[S].北京:中国计划出版社,2008.

[11]中华人民共和国建设部.JGJ8-2007.建筑变形测量规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[12]国家测绘局.GB/T12897-2006.国家一、二等水准测量规范[S].北京:中国标准出版社,2006.