树根桩在金井灌区新晓年渡槽基础处理中的成功运用

谢潮芳　王满林

（长沙县水务局　　长沙县　410100）

树根桩在金井灌区新晓年渡槽基础处理中的成功运用

谢潮芳王满林

（长沙县水务局长沙县410100）

长沙县新晓年渡槽重建工程位于长沙县金井镇金龙村，为金井灌区主干渠桩号3+ 985——4+075的一处输水建筑物，因重建渡槽基础所在区域原址为河道，后填土形成，地下水丰富，砂质层遇水承载力差，1#墩开挖至3m，见砂层，开挖至5m，渗水严重，边坡垮塌。通过树根桩在基础处理中的应用，很好地解决了渡槽基础承载力差、基坑渗漏、开挖边坡稳定问题。

新晓年渡槽基础处理树根桩应用

1 工程现状

1.1工程概况

新晓年渡槽为金井灌区主干渠桩号3+985--4+ 075的建筑物，位于长沙县金井镇金龙村村级公路旁，交通方便。本次重建新晓年渡槽，设计全长90 m，底宽1.2m，侧墙高1.8m，纵坡比为1/1000，共9跨，每跨长10m，跨与跨间设置伸缩缝，侧墙、底板均采用C25混凝土衬砌。

原渡槽结构较为简单，地质勘测共钻5个麻花钻孔，分别为M1、M2、M3、M4、M5，具体数值详见图1。渡槽地基：上部土层厚度（4.2～5.2）m，土层承载力（160～180）kPa，下部为花岗岩风化砂，承载力260 kPa。

图1　原渡槽结构

1.2存在问题

渡槽基础施工过程中，实际地质情况与设计地质情况有出入，各方代表现场查看，原渡槽基础所在区域，原址为河道，后填土形成，地下水丰富，砂质层遇水承载力差，1#墩开挖至3m，见砂层，开挖至5m，渗水严重，边坡垮塌。图2为1#墩现场开挖图，图3为1#墩几天后基坑图。

图2　1#墩现场开挖图

图3　1#墩几天后基坑图

原地勘采用麻花钻钻孔，最深5.2m到达基岩，实际开挖至5m左右，再往内打入一根3m的钢管，能较容易打入基坑，实际（7～8）m未能到达岩基，经业主建议，设计方复核地勘资料，提出基础解决方案。

2 工程地质

2.1地质分析及现场处理措施

设计方对原麻花钻地质情况与实际地质误差大的分析及处理措施如下：

麻花钻钻孔区别于冲击钻钻孔，麻花钻采用手摇式，取芯量少，误差较大，深度有限。不能钻进砂砾石层，且不能取岩层芯样。

设计方组织地质勘测队重新对渡槽基础进行勘测，共钻4个钻孔，分别位于1#墩旁，3号墩旁，5#墩旁，7#墩旁，钻孔目测所得地质参数为（2.2～2.3）m见砂层，3.2m见灰色粘土层，（5.2～6.5）m见强风化岩层，9.5m见基岩。见图4。

图4　渡槽基础地质勘测

经过对比分析，原麻花钻由于受深度及取样量等方面的局限存在一定的误差，现经再次钻孔地质情况显示，相差约1m，由于未出地质文本以及详细的地质分析，未对强风化砂质岩层进行处理，实际开挖过程中，由于采用机械开挖，对原有土层及岩层扰动较大，且渗水严重，砂质岩遇水变散，承载力达不到设计要求。

2.2补充工程地质

工程区地层岩性较简单，由老至新分述如下：

（1）燕山晚期第一次（γ53a）：灰白色二云母花岗岩。上部全风化带厚度（3～4）m，呈灰色、灰白色，风化呈砂状，尚可见岩石结构；强风化带厚度（5～6）m，呈灰白色。该层在工程区广泛分布，两岸山坡有全风化砂出露。

（2）第四系残坡积（Qedl）：为灰黄色、灰色的粘土质砂、粉质粘土等，厚度（4.5～5.5）m。主要分布于耕田及山坡。

（3）第四系人工堆积（Qs）：素填土。为施工期人工填筑的含粘土碎块石，灰黄色、黄红色。填筑较密实。

工程区地下水类型为松散土体的孔隙水。赋存于第四系松散堆积层中，接受大气降水与地表水补给，水量较贫乏。勘探期间，地下水位埋深（0.8～1.5）m。

2.3主要工程地质问题

工程区存在的主要工程地质问题有基坑渗漏问题和开挖边坡稳定问题：

（1）基坑渗漏：由于地下水位埋藏较浅，在基坑施工过程中，存在地表水和地下水经基坑壁向基坑渗漏问题，施工过程中应做好基坑排水、基坑防渗处理。

（2）开挖边坡稳定问题：由于地基土上部的粉质粘土、粘土质砂等结构较松散，在施工开挖过程中，存在边坡稳定问题，施工过程中应做好临时边坡支护处理。

附表为各岩土层开挖坡比和有关桩基础技术参数。

2.4岩土工程性能评价及基础持力层选择

（1）粉质粘土：强度较低、压缩性高，不能作为拟建建筑物的天然地基持力层。

附表　　各岩土层开挖坡比和有关桩基础技术参数　kPa

（2）粘土质砂：其强度较低、压缩性较高，遇水及搅动后力学强度显著降低，不能作为拟建建筑物的天然地基持力层。

（3）全风化二云母花岗岩：风化呈砂状，稍有胶结，尚见岩石结构，但遇水及搅动后力学强度显著降低，不宜作为拟建建筑物的天然地基持力层。

（4）强风化二云母花岗岩：力学性能较好，承载力较高，可作为拟建建筑物的天然地基持力层或桩基础持力层。

根据各岩土层厚度及工程性能，建议渡槽排架采用桩基，以强风化二云母花岗岩作为桩基持力层。

3 工程措施

3.1基础处理措施

本工程因地下水丰富，基础为砂质及粉质粘土地质层，不适合大面积开挖，以及灌浆处理，根据地质分析情况，宜采用桩基础处理，并详细对比松木桩以及树根桩基处理措施。

松木桩基础：松木含有丰富的松脂，而松脂能很好地防止地下水和细菌对其的腐蚀，有“水浸万年松”，直径（Φ150～Φ350），一般长度（3～6）m。当长度过长时，施工以及运输不便，造价过高。

混凝土桩基础：原理类似松木桩基础，分为预制砼桩以及现浇钢筋混凝土桩。预制混凝土桩在运输以及施工过程中均存在一定难度。现浇钢筋混凝土桩较易施工，机械钻孔，扎钢筋笼，以及灌浆等相对施工难度不大，尤以树根桩托换地基加固应用较广，因采用压力灌浆，对桩间软弱土起到一定的加固作用。

3.2树根桩托换地基加固

3.2.1树根桩的特点

树根桩是一种小型钻孔灌注桩，直径为（130～300）mm，桩长（5～25）m。它是利用小型钻机按设计直径，钻进至设计深度，然后放入钢筋笼，同时放入灌浆管，注入水泥浆或水泥砂浆，结合碎石骨料成桩。树根桩可以根据需要做成垂直的，也可以是倾斜的；可以是单根的，也可以是成束的；可以是端承桩，也可以是摩擦桩。

（1）树根桩托换地基加固的特点：树根桩是在地基中设置的小直径（Φ110～Φ300）的就地钻孔桩，实际上是对地基进行桩基托换，因采用压力灌浆，对桩间软弱土起到一定的加固作用。其所需施工场地小，振动小，对已损坏需托换的建筑物比较安全，费用低。

（2）树根桩施工工艺：测量定位、标高控制→护筒的埋设与校正→钻机就位、成孔、清孔→钢筋笼的制作与安放→填卵石料、注浆。

3.2.2树根桩设计参数确定

树根桩严格依据《建筑桩基技施规范》（JGJ94-2008）设计并施工，本次基桩的承载力性状为端承型桩，按成桩方法为非挤土桩，设计直径为Φ300mm，为中等直径桩，基桩的最小中心距依据规范表3.3.3-1，当为端承型桩时，非挤土灌注桩可取2.5d（750mm）；对于嵌入倾斜的完整和较完整岩的全断面深度不宜小于0.4d且不小于0.5m，取基础嵌入强风化层以下0.5m。

箍筋应采用螺旋式，桩顶以下5d范围内的箍筋应加密，间距不应大于100mm，当钢筋笼长度超过4m时，每隔2m设一道直径不小于12mm的焊接加筋钢筋。

桩孔混凝土标号为C25，灌注桩主筋钢筋保护层35mm，承台底面钢筋混凝土保护层厚度为70 mm，上层及侧面保护层厚度50mm。

承台与基坑侧壁间隙回填压实性较好的素土分层夯实，压实度不宜小于0.94。

3.2.3树根桩施工及验收事项

（1）成孔设备就位后，必须平整、稳固，确保在成孔过程中不发生倾斜和偏移。

（2）当采用钻（冲）挖掘成孔时，必须保证桩端进入持力层的设计深度；当采用锤击沉管法成孔时，沉管深度控制以贯入度为主，以设计持力层标高对照为辅。

（3）分段制作的钢筋笼，其接头宜采用焊接，并应遵守国家现行标准《钢筋机械连接通用技术规程》JGJ10、《钢筋焊接及验收规程》JGJ18和《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204的规定。

（4）粗骨料可选用卵石或碎石，其骨料粒径不得大于钢筋间距最小净距的1/3。

（5）桩在施工前，宜进行试成孔。

（6）根据规范要求，总桩数在50根以下的，抽检20%做低应变检测桩的完整性，本工程共40根桩，取8根桩做低应变检测。

4 结构计算

4.1排架基础地基承载力计算

4.1.1满槽水深h=H=1.8m时

（1）均布荷载计算

①槽身自重均布荷载标准值q1为：

q1=（0.4×2.0+1.2×0.2+0.2×0.2+0.1×0.15×2+0.2× 0.1）×25=28.25（kN/m）

槽身自重均布荷载设计值q′1为：

q′1=1.05q1=29.66（kN/m）

②水重均布荷载标准值q2为：

q2=Bh=1.2×1.8×10=21.6（kN/m）

水重均布荷载设计值q′2为：

q′2=1.1q2=1.1×21.6=23.76（kN/m）

③槽身均布荷载标准值总和为：

q=q1+q2=28.25+21.6=49.85（kN/m）

槽身均布荷载设计值总和为：

q′=q′1+q′2=29.66+23.76=53.42（kN/m）

以上各式中：钢筋混凝土的重度采用25kN/m3；1.05为自重的荷载分项系数；1.1为水重的荷载分项系数。

排架承受2G槽=2×（G空槽+G水）=53.42×10/2×2= 534.2kN。

4.1.2排架自重

以最高的排架1#排架为计算单元，其他排架计算相同，为使立柱在竖向荷载作用下为轴心受压构件，立柱中心线与槽身支承中心线相重合。地面以上排架高度为1.92m，基础埋深0.5m，采用C25混凝土，如图5。

图5　排架自重计算单元

排架自重G排为：

G排=（1.1×0.35×2+0.425×0.25）×γh=0.876×25= 21.91（kN）

4.1.3承台自重G台

G台=（0.5×2.1×1.65）×γh=1.7325×25=43.34（kN）

因排架高度不高，为简化计算，计算排架基础地基承载力时不考虑风荷载，计算采用公式：

式中∑N——基础承受的竖向轴力；

A——基础地面面积。

以最不利的1#排架为例，计算得1#排架的基础地基承载力为172.99kPa。

4.2桩基承载力计算

本工程采用经验参数法单桩竖向极限承载力标准值，计算当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值时，按下式估算：

Quk+Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

式中qsik——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，参照《建筑桩基技施规范》（JGJ94-2008）表5.3.5选取；

qpk——极限端阻力标准值，

u——桩身周长；

li——桩周第i层土的厚度；

Ap——桩端面积。计算得：

Quk=Qsk+Qpk=3.14×0.3×（30×1+50×5+100×3.5+ 160×0.5）=3.14×0.3×710=668.82。

单桩竖向承载力特征值Ra应按下式确定：

式中Quk——单桩竖向极限承载力标准值；

K——安全系数，取K=2。根据计算单根竖向承载力特征值Ra=334.41kPa，设置4根，承载力满足设计要求。

5 结　语

金井灌区新晓年渡槽基础处理最终采用树根桩进行基础处理，也是长沙县首次尝试采用树根桩进行渡槽基础处理，目前该工程已经全部施工完毕，经成桩质量检测合格率100%（总桩数的20%做低应变检测）；该基础处理方案的成功运用对今后渡槽及其他水工建筑物需进行软土地基加固处理积累了新的宝贵经验和技术数据，对今后类似基础处理工程有非常好的借鉴和指导作用。

谢朝芳（1982-），女，大学本科，工程师，主要从事小型水利工程设计、施工与管理工作，手机：13974898646；王满林（1981-），男，大学本科，水工地质工程师，主要从事工程勘察、地基处理与基础工程施工等工作。

（2016-07-20）