微型桩结合灰土桩在黄土地区纠倾加固工程中的应用

李清泉,程晓伟，肖 洋

(1.中铁西北科学研究院有限公司,甘肃 兰州 730002；2.中铁西南科学研究院有限公司,四川 成都 611731)

随着城市化进程,城区面积不断扩大,主城区建设饱和,新城建设难免遇到不良地质条件。如兰州、西宁等区域中心城市,处于河流(黄河、湟水)谷地的主城区建筑饱和之后,都在向河流两侧的湿陷性黄土高山上规划建设新建筑。新建建筑对场地的开挖和回填,必然减小坡面坡度,导致排水不畅。地面积水极易下渗到地基,进而发生因建筑不均匀沉降而导致的建筑倾斜。据不完全统计,仅西宁市南山附近地区,近5年来至少有9座建筑发生地基不均匀沉降,其中2座倾斜较为严重的建筑已经拆除重建；兰州市的九州地区,近3年来,至少5座建筑发生了地基不均匀沉降导致的建筑倾斜。

通过纠倾加固恢复倾斜建筑的使用功能,在经济效益、工期、资源环境、社会影响等方面有巨大的优势。纠倾加固工程由纠倾和加固两部分组成,犹如“打江山和坐江山”,只有加固措施牢固可靠,才能保证建筑长久稳定。目前西北黄土地区常用的既有建筑物地基基础加固方法有锚杆(坑式)静压桩、注浆加固、扩大基础、灰土桩法、树根桩等。这些加固方法在黄土地区或多或少都存在一定的局限性,如注浆法会使湿陷性黄土地基产生较大的附加沉降[1]，静压桩法要克服黄土地基较大的摩阻力等[2]。

经过近年在西北黄土地区纠倾加固工程多次实践,总结出微型桩结合灰土桩的地基基础加固方法,它集合了微型桩与灰土桩两者的优点,并使两种加固方法协同工作,能提供较大的承载力,在多处纠倾加固工程中加固效果良好,为黄土地区高层建筑物纠倾加固工程提供了参考经验。

1 传统微型桩构造

微型桩具有施工简单、承载力较高、控制沉降效果好等优点,自1985年首次在上海应用以来[3],近年来广泛应用于地基加固和基础托换工程中。微型桩多布置在建筑的柱、角点,通过桩顶与建筑基础的连接,将上部结构荷载传递到微型桩上。传统微型桩的结构形式如图1。

图1 微型桩加固基础剖视图Fig.1 Section of foundation reinforcement with micro-pile

传统微型桩首先在基础上开凿钻孔,成孔之后安装钢筋,之后进行孔内注浆,最后通过植筋钢筋混凝土将微型桩与建筑基础连接。传统微型桩的不足之处在于它适用于结构自重较小的多层或低层建筑的地基基础加固,对于自重较大的高层建筑,由于其能提供的承载力有限,加固效果不明显[4]；需要在建筑基础上钻孔施工,难免会破坏原基础的配筋,对建筑基础造成一定损伤；微型桩长径比较大,当地基土对其侧限约束较小时,在上部荷载作用下,易发生挠屈变形[5]。同时,在湿陷性黄土地区,微型桩的施工不能消除或降低地基的湿陷性，且在成桩注浆过程中,浆液中的水分会加重地基湿陷,削弱地基加固效果。

2 微型桩结合灰土桩加固措施

2.1 微型桩结合灰土桩结构

微型桩结合灰土桩的结构特点就是在基础外侧布置微型桩群,微型桩群间增加灰土桩,桩顶通过植筋钢筋混凝土与基础连接为整体。其结构主要由微型桩群、灰土桩和桩顶连接结构构成,其立面图和平面布置图见图2。

图2 微型桩结合灰土桩立面和平面图Fig.2 Section and plane of micro-pile with lime pile

微型桩在基础外侧施工,微型桩钻孔施工不会破坏原基础和地基,采用筏板侧植筋的方式,扩大筏板面积,使微型桩群直接承受外扩筏板基础荷载,基础荷载有效传递到微型桩上。为满足筏板基础抗弯、抗冲剪要求,在筏板顶设置肋梁,肋梁通过与筏板和建筑基础外墙植筋,使其与建筑基础形成整体。

2.2 微型桩结合灰土桩施工工艺

(1)微型桩施工：核对放线位置后,进行钻孔施工,钻孔完成之后,采用高压风进行洗孔,排除孔内沉渣；洗孔之后安装微型桩钢筋,微型桩钢筋采用Φ48焊管外侧帮焊3根Φ18钢筋制作,最后进行孔反压注M30砂浆,确保注浆饱满密实。

(2)灰土桩施工[6]：待微型桩施工完成之后,在微型桩中间内插灰土桩。灰土桩钻孔之后,采用生石灰∶黄土=3∶7的比例拌制灰土,采用人工或者机械方式夯填成桩,灰土桩施工必须夯填密实。依靠生石灰的吸水膨胀作用,挤密微型桩间土体,降低土体湿陷性,提高微型桩的承载力。为方便灰土桩钻孔施工,微型桩可以采用两段焊接而成。灰土桩必须施工在微型桩施工之后,依靠生石灰的吸水膨胀作用,降低地基土的含水量和提高微型桩桩间土的强度。

(3)筏板外扩施工：通过筏板植筋,对筏板进行外扩,外扩筏板座在桩顶上方。微型桩的主筋深入到外扩筏板中,加强筏板与微型桩的连接。同时增加筏板上部肋梁[7],肋梁通过植筋与筏板和建筑外墙连接,使外扩筏板与原筏板变形协调,受力均匀。

2.3 微型桩结合灰土桩优势

(1)灰土桩加固了微型桩中间的土体,在两种桩的协同工作过程中,灰土桩可以限制微型桩侧向位移,降低了微型桩在顶部荷载下的挠屈变形,同时也提高微型桩桩侧摩阻力,提高微型桩的承载力。

(2)通过微型桩和灰土桩施工,将湿陷性黄土置换为钢筋混凝土和三七灰土,同时具有地基换填和复合地基的作用,提高了地基承载力。

(3)桩顶通过外扩筏板与建筑筏板基础连接为一体,扩大了基础面积,同时,建筑荷载通过微型桩传递到较深地层,对控制建筑沉降作用明显。

3 应用实例

3.1 工程概况

甘肃省某小区3#楼为地下1层,地上17层的商住楼。为框架剪力墙结构,平板式筏形基础,地基采用孔内深层强夯法整片处理,处理深度为基础下8 m。一至三层塔楼区域为住宅,其余为商铺,四至十七层均为住宅,建筑总高度为49.7 m,地基处理后,大楼地基承载力特征值为260 kPa,压缩模量为19.8 MPa,黏聚力为32 kPa,内摩擦角为19°。

2013年9月,主体结构封顶,在进行设备安装过程中发现外墙及电梯井存在倾斜现象。根据2015年3月4日的大楼垂直度监测数据得到大楼倾斜情况(图3)。

图3 大楼倾斜方向和倾斜率示意图Fig.3 Schematic diagram of the building’s incline

3.2 纠倾加固措施

经现场勘查,结合第三方检测报告,建筑发生倾斜的主要原因有：①基础偏心严重,筏板偏心距比值e/(0.1W/A)=6.37,虽然设置了后浇带,但是在建筑未完成固结沉降时就进行了后浇带施工，筏板不均匀沉降严重；②地基处理层下部有软弱下卧层,且厚度不均匀,沉降较大侧下卧层厚度较大；③沉降较大侧填土高出另外一侧3.6 m,填土产生的附加应力与地基应力叠加,产生较大的沉降量[8]。

根据对大楼倾斜原因的分析,制定了“水平孔掏土迫降+微型桩结合灰土桩加固”的纠倾加固措施。纠倾加固措施平面图见图4。

图4 纠倾加固措施平面图Fig.4 Plane map showing the engineering measures

具体工程措施为：

(1)纠倾措施：大楼南北向倾斜率较小,在规范允许范围内；设计对大楼的东西向进行单向纠倾。在大楼迫降侧(东)施工竖井和取土巷道,取土巷道内进行钻孔取土施工,钻孔间距20 m,孔径150 mm,取土孔长度不等；共设5个竖井,每个竖井内在筏板上设2束加压锚索,每束锚索设计拉力50 t。钻孔施工达到大楼沉降临界值时进行锚索加压,通过锚索拉力控制大楼沉降,保证精确可控。

(2)加固措施：在大楼加固侧采用微型桩结合灰土桩进行加固,共设5个竖井,每个竖井内布置15根微型桩和8根灰土桩,两种桩径均为150 mm,桩长15 m,加固桩穿过软弱下卧层,深入到稳定地层。

为了使地基基础荷载能较好地传递到微型桩上,将靠近基础的一排微型桩施工在基础平面下部,基础荷载可以直接传递到该排微型桩上；由于需要在基础下部施工微型桩,为了提供足够的施工净高,微型桩作业面低于基础底2 m。该排微型桩采用特殊加工的短轨道钻机成孔、微型桩分段安装的施工方法。

为使微型桩和灰土桩能相互作用,共同受力,在灰土桩顶设置三七灰土垫层和顶板联系梁；微型桩的主筋标高与外扩筏板顶标高相同,加强桩与基础的连接。在施工完成之后,基础底以下2 m高的钻孔施工空间换填为三七灰土和钢筋混凝土。其由下到上的顺序为三七灰土层、素混土垫层、钢筋混凝土顶板、三七灰土层、素混凝土垫层、外扩筏板，加固措施断面图见图5。

图5 加固措施断面图Fig.5 Section of engineering measures

3.3 纠倾加固效果

由于不均匀沉降一直处于发展过程,需先进行地基基础加固工作,以达到止倾效果；完成加固止倾之后,再进行迫降侧的掏土孔施工。项目2015年5月8日开始施工,经过106 d奋战,完成大楼的纠倾加固工作,大楼各控制观测点东西向和南北向的倾斜率均回倾到规范允许范围内。施工完成之后通过了建设单位组织的验收,之后,继续对大楼进行沉降观测,截止到2015年12月10日,大楼的各观测点倾斜率见图6,各沉降观测点时间-沉降量曲线见图7。

图6 3号楼纠倾成果图Fig.6 Results of the inclination-rectifying project

图7 3号楼纠倾时间-沉降量曲线图Fig.7 Plot of time-settlement

从图7可以看出,在纠倾加固的三个阶段,大楼的各观测点沉降量有明显的特征：在地基加固阶段,大楼各观测点均有沉降,日沉降量不大；在掏土纠倾阶段,大楼加固侧和迫降侧差异沉降明显,反映出大楼的迫降回倾过程；在工后监测阶段,沉降曲线日趋平缓,大楼沉降趋于稳定[9]。

其中,6月25日进行微型桩注浆施工,由于注浆对地基土的软化,加固侧各观测点均有沉降发生；7月8日加固侧的微型桩和灰土桩施工完成之后,加固侧各观测点未产生较大沉降,各观测点百日沉降速率最大值由加固前的0.11 mm/d降低至加固后的0.02 mm/d；截止到2015年12月10日,大楼进入沉降稳定期,加固桩起到了迅速止倾的作用，并在控制沉降方面取得了良好的效果。

4 结论及建议

(1)微型桩中间内插施工灰土桩,是对微型桩这种地基基础加固结构的发展,充分利用了微型桩和灰土桩的优点,能提供较大的承载力,较好地控制地基沉降。微型桩应深入到承载力较大的地层,依靠灰土桩对其约束,控制其挠屈变形,提高整体承载力。

(2)灰土桩应在微型桩完成之后施工,以达到挤密桩间土、降低地基含水量、提高微型桩承载力的效果。石灰应采用生石灰,灰土比例可以根据地基含水量和湿陷性适当调整,有条件的应作试桩。

(3)桩顶与既有建筑基础的连接,应考虑原基础抗冲剪、抗弯和新旧结构协调变形因素。

(4)在基础正下方施工微型桩,可以使建筑荷载直接作用在桩顶,加固措施没有全部完成就能取得止倾效果。但是,对加固侧基础正下方地基的开挖减小了基础承载面积,不利于建筑止倾,有利有弊,应慎重采用。

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