软土地区不均匀沉降原因分析及加固技术

李 川,马 勇

(广东省水利水电科学研究院，广东省岩土工程技术研究中心，广东 广州 510635)



软土地区不均匀沉降原因分析及加固技术

李 川,马 勇

(广东省水利水电科学研究院，广东省岩土工程技术研究中心，广东 广州 510635)

以某配电房地面出现大面积不均匀沉降导致配电设备无法正常运作为基础，根据微型钢管桩的承力机理和施工工艺，结合现场工程地质条件，提出了一种较为实用的软土上微型桩基础加固方法，实践证明，该技术既简单节省又切实可行。

不均匀沉降；软土；加固技术；微型钢管桩

1 工程概况

微型钢管桩[1]是一种小口径的钻掘桩，主要是由钢管、注浆混凝土和钢管外水泥浆固结体组成。钢管常选用建筑上的无缝或有缝钢管，管径一般小于300 mm，钢管的连接可采用内套或外套钢管进行上下节焊接。当对钢管灌注水泥浆后，浆体可从钢管底部的出浆孔处溢出，在钢管与钻孔壁之间形成水泥浆固结体，可以有效地防止钢管锈蚀及增强钢管与钻孔壁之间的连接，提高桩的承载力。微型钢管桩受荷载后，钢管起双重作用，纵向受压承受荷载，环向受拉约束管内水泥浆桩体，桩体在受到侧向约束下，横向变形受到阻止，形成三向受压的应力状态，水泥浆桩体抗压强度大幅度提高，桩身水泥浆的承载能力也相应提高，从而大大提高了桩的承载力和抗弯性能。本工程位于佛山市南海区桂城街道三山港口路西侧，其厂区内厂房为二层框架结构，配电房位于一层厂房(配电房结构图见图1)。因配电房地面出现大面积不均匀沉降而引起配电设备不同程度倾斜，致使配电设备无法正常运作，整个厂区因此而停电，给厂区的正常生产生活带来极大的不便。

该场地地质情况，根据钻探资料，该厂区地处珠三角珠江口河流冲积平原地带，厂区底下有深厚淤泥层，配电房位置由上往下有填土层、淤泥质土层、砂质粘性土层、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩等。各土层分述如下：

人工填土：全场分布，灰～灰黄色，由粉质粘土砂土新近回填，底部夹薄层耕土，稍湿，结构松散，

图1 配电房结构示意

层厚0.5～1.80 m。

淤泥质土：全场分布，灰黑色，饱和，局部流塑，含粉砂、有机质、腐殖质及贝壳，稍具腐臭，韧性低，层厚11.15～27.80 m，平均层厚16.67 m。

粉质粘土：灰～灰白色，湿，可塑为主，局部软塑或硬塑，含粉细砂，稍有光滑，无摇震反应，干强度中等，韧性中等。层厚0.80～9.50 m。

细中砂：浅灰～灰白色，石英质，含粉砂及粗砂，少量粘粒，级配较好，饱和，中密，局部稍密。层厚1.40～13.00 m。

强风化泥质砂岩：棕红色，岩芯较破碎，岩芯呈半岩半土状，岩质较软，发育少量中风化岩。层厚1.00～10.00 m。

中风化泥质砂岩：棕红色，岩芯稍破碎，岩芯呈短柱状及块状，岩质较硬。层面埋深20.00～35.20 m。表1为土层物理力学性质指标。

表1 土的物理力学性质指标

2 建筑物不均匀沉降的原因分析

厂区地处珠三角珠江口河流冲积平原地带，厂区底下有深厚淤泥层(约20 m)，淤泥层强度低，含水量高，压缩性大，由于自身及其上面填土层重力作用会慢慢产生固结沉降。当场地配置较重荷载的设备时，沉降加速，同时，场区自身地下水位的下降也会加速场地的沉降，而厂房结构本身由于有桩基础支撑而未产生沉降，因而造成厂区内多处厂房结构未沉降而地面沉降，致使多处地面结构与地面脱开，或者靠近结构处沉降小、远离结构处沉降大而造成损坏。场区内这种不均匀沉降现象以后会随着厂区正常运作后重型设备投入使用、工人等活荷载的增加及时间的推移而进一步加重。随着地面沉降的加剧，可能会在基础桩桩周产生负摩擦力，加重基础桩的负担，严重时甚至可能会断桩，影响厂房结构的安全。

3 加固设计

经对厂区配电房建筑资料的现场踏勘，考虑到厂房(配电房)结构采用桩基础，且现状中厂房(配电房)结构并没产生明显沉降，因而采取的加固措施只针对配电房承载设备的地面，不改变厂房原有的基础结构。同时，由于配电房空间狭小(约20 m×10 m，顶高约4 m)，重型机械难于展开作业，因而提出采用小直径钻孔灌注桩(直径为400 mm)和井字型梁板的加固措施，以使配电房设备荷载、活荷载由桩基承担，不再产生较大沉降，加固后产生的沉降可符合配电设备的使用要求。

基础加固采用小直径钻孔灌注钢管桩，共布置10条桩。钻孔直径400 mm，预估深度约30 m，钻进过程中根据实际地质情况，以钻入中风化岩控制桩长。桩芯内插无缝钢管，钢管直径168 mm，壁厚5.0 mm。桩身灌注水泥砂浆和碎石。桩须钻入中风化岩0.5 m或入强风化岩4.5 m，单桩承载力设计值为282 kN。加固设计方案见图2及图3。

图2 加固桩梁平面布置示意

图3 地面恢复及基础平面布置示意

施工钢管桩后，在钢管灌注桩桩顶上配井字地梁，地梁平面尺寸为400 mm×500 mm，砼为C 25，采用双面配筋4C 25。井字梁面上施工地板，地板覆盖配电房地面，不与结构基础连接，砼为C 25，采用双面双向配筋B 12@100。

在上述基础加固工程完成后，对配电房恢复原状，按佛山市南海怡信电力工程有限公司图纸恢复配电房原有电缆沟和设备基础。

以上为整个加固设计的做法，下面对加固设计的荷载进行验算。

根据业主提供的图纸，配电房内设备重量不超过300 kN，加固地梁的重量为90 m×0.4 m×0.5 m×25 kN/m3=450 kN，加固地板的重量为150 m2×0.2 m×25 kN/m3=750 kN，地面活荷载及基础重量为150 m2×5.0 kN/m2=750 kN，则总荷载为2 250 N，共布置10根桩，分项荷载系数按γ=1.25，则每根桩承受荷载为281 kN。

根据地质报告，配电房对应的钻孔资料为ZK49、ZK50、ZK47三个钻孔，由于这3个钻孔地质变化较大，综合按最不利情况考虑，则每根桩穿越土层为：填土层3.0 m、淤泥质土层21.0 m、强风化层1.0 m，桩端钻入中风化岩不少于0.5 m或入强风化岩不少于4.5 m。

根据桩基规范《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[2]，桩的单桩极限承载力可按下式计算

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

式中qsik为桩侧第 层土的极限侧阻力标准值；qpk为极限端阻力标准值；u为桩身周长；li为桩周第 层土的厚度；Ap为桩端面积。

其中，填土层qsik取值25 kPa，淤泥质土层qsik取值25 kPa，考虑场地土层沉降，这两个土层按负摩阻力考虑，强风化岩层qsik取值200 kPa，qpk取值2 000 kPa，中风化岩层qsik取值500 kPa，qpk取值6 000 kPa，则每一单桩极限承载力特征值为:

入中风化岩的桩

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

入强风化岩的桩

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

单桩设计承载力：Ra=0.5×Min(Quk1，Quk2)=282 kN>281 kN

故加固的桩基可满足配电房内荷载的要求。

4 本次钢管桩加固的关键技术

4.1 确保每根钢管桩的竖向承载力

淤泥层钢管桩的承载能力由两部分控制——桩身强度和桩底端承力

1) 桩身强度：本次钢管灌注桩桩径为400 mm，采用桩芯内插无缝钢管，钢管直径168 mm，壁厚5.0 mm。钢管的强度按235 MPa计算，钢管承载力可达600 kN。 水泥砂浆按M25计，砼抗压约3 140 kN。 合计桩身强度可达3 740 kN，远大于单桩承载力特征值，因此桩身强度按281 kN承载力设计是足够的。

2) 桩端承载力：根据第4节的计算结果可知，桩端承载力可以满足设计值的要求。

3) 按桩身强度和端承强度均满足设计承载力281 kN的要求，但是桩底的端承力，是要确保在整个钢管桩施工过程中，钢管桩底面和钻孔岩面有良好的接触，才能实现。如二者发生脱开，即界面不连续，则桩端阻力会完全消失，只靠桩侧阻力无法支撑结构荷载。

在实际施工操作中，要求钢管下管时必须到岩面，管底残渣必须清理干净。必要时可加锤击力，不可将清渣工作留在压浆前。尽可能减少桩底沉渣及桩周泥皮对桩竖向承载力的影响。

4.2 确保桩底和岩面密贴接触

钢管的密度为7.85 g/cm3，淤泥的密度为1.65 g/cm3，钻孔泥浆的密度大约为1.35 g/cm3。因此钻孔开好以后，单靠钢管的自重，即可自沉到清好渣的孔底，因此只要能保证灌浆时钢管不上浮，桩底和岩面有良好的接触便可达到。

实际施工操作中，要求工人在钢管桩灌浆前，尽可能对钢管施加较大预应力，其目的一则防止灌浆时钢管上浮，保持桩底和岩面无缝接触，另外也使钢管预先受一定的压应力，减少真正承力时的变形下沉。

4.3 消除压密沉降

确保钢管桩管节之间、桩底和岩石之间做到无缝连接，消除各连接点的压密沉降，保证整个结构系统，只产生受力后压缩变形沉降。

5 结论

在本工程案例中，之所以出现厂区地面大面积沉降是由于场区底下有深厚淤泥层，淤泥压缩而造成地面不均匀沉降，同时，厂房结构由于有桩基支承而沉降较小，因而造成厂房结构和地面脱开的现象。经本次加固后，配电房地面下沉已完全停止，并且不受四周环境(如地下水位下降)变化的影响，配电设备已完全恢复正常且至今一直正常运行，本次的加固工程完全达到目的。

在以后的软土地区类似工程中，如果出现地面大面积沉降、厂房地面有设备重荷、且设备对沉降、倾斜要求较高时，则应对厂房地面进行加固处理，加固处理措施应因地制宜，具体问题具体分析，选择合适的加固手段。本文所提出的钻孔微型钢管灌注桩加固手段，也是切实可行的参考手段之一。

[1] 谷伟平，李国雄，蒋利民，等. 微型钻孔嵌岩钢管灌注桩[J]. 岩土工程学报，2000，22(3)：344-347．

[2] 建筑桩基技术规范：GJ 94 — 2008[S]. 北京: 中国建筑工业出版社， 2008．

[3] 杜秀忠， 李思平， 杨光华， 等. 珠海某大面积新区软基处理设计及监测[C]∥中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集(下册)， 2003: 860-865．

(本文责任编辑 马克俊)

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，高级工程师，从事岩土工程研究工作。

TU473.1

B

1008-0112(2016)09-0025-04