植筋技术在地基基础加固改造工程中的应用

詹闽研

（闽西职业技术学院城乡建筑学院 福建龙岩364021）

钢筋混凝土结构作为我国应用最广泛的结构形式，为我国的城市建设、工业发展等作出了不可替代的贡献。钢筋混凝土结构广泛存在于各类民用建筑、工业建筑以及公路桥梁等工程中，并且其数量仍在逐年快速增长。随着钢筋混凝土结构在我国的不断发展，越来越多已建钢筋混凝土结构因使用功能升级、结构老化或损伤等原因需进行结构改造加固。目前，我国的工程建设行业已经从大规模新建期转变为新建与维护改造并重期，钢筋混凝土结构的加固及改造工程将在行业未来的发展中占据越来越重要的位置［1］。

大量试验表明，植筋技术作为后锚固手段的一种，能够提高新旧混凝土结合面的粘结性能，从而有效加强新旧混凝土结合面的承载能力［2］。然而，我国现行规范《混凝土结构加固设计规范：GB 50367-2013》［3］和《混凝土结构后锚固技术规程：JGJ 145-2013》［4］中，均只对单根植筋锚固的轴向受拉承载力设计值计算作出规定，未对采用植筋技术连接的新旧混凝土结合面抗剪承载力如何确定作出相应规定。抗剪承载力作为新旧混凝土结合面的重要承载能力指标，常常对设计起着控制作用。因此，加固改造工程中如何对采用植筋技术连接的新旧混凝土结合面的抗剪切性能进行定量计算，确保新旧混凝土结合面粘结牢固、传力可靠，是此类工程的一个难点。

1 采用植筋技术连接的新旧混凝土结合面抗剪切性能研究现状

1966 年Birkeland 最早提出了采用植筋技术连接的新旧混凝土结合面抗剪强度的摩擦抗剪理论。在摩擦抗剪理论的基础之上，国内外学者通过各种试验对影响结合面剪切强度的众多因素进行了统计分析，得出了多种剪切强度计算方法。张雷顺等人［5］对新旧混凝土结合面采用植筋技术进行连接的植筋方式进行了试验分析。蒋程等人［6］通过正交试验对比了新旧构件配筋率、连接处截面尺寸以及混凝土强度等级对新旧混凝土截面性能的影响。靳利娜等人［7］通过Z型试件试验，对比研究了凿毛不植筋和既凿毛又植筋2种情况下新旧混凝土结合面的承载性能。王献伟等人［8］研究了植筋钢筋直径、植筋深度和新旧构件配箍率等方面对新旧混凝土结合面抗剪承载力的影响。黄璐等人［9］参考了国内外主要规范中新旧混凝土结合面抗剪强度的相关规定，结合试验数据分析，得出了采用植筋技术连接的新旧混凝土结合面剪切强度的改进计算公式。马椰等人［10］分析研究了植筋根数、布置形式以及植筋深度等因素对新旧混凝土植筋结合面的抗剪切/拉拔承载力的影响。截至目前为止，国内尚未形成统一的计算公式。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

本工程为某电厂电除尘器升级改造工程。该电厂位于重庆市江津区，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，地基基础设计等级为乙级。±0.000 m取同原电除尘器基础施工图，绝对标高为206.00 m。原电除尘器支架基础形式为钻孔灌注桩，桩身直径为600 mm，桩端持力层为中风化砂质泥岩，单桩竖向承载力特征值为1 400 kN。原电除尘器支架立柱、承台混凝土强度为C25。拟将原电除尘器加高，并于原电除尘器后侧新增2个电场，荷载增加，荷载位置改变。

对原电除尘器地基基础进行复核计算。根据复核计算结果，原2 桩承台基础PC3、PC17、PC18、PC19桩基竖向承载力不满足要求，需进行加固。

2.2 地基基础加固方案

因原基础为钻孔灌注桩基础，地基基础加固宜采用新增桩基础加固。由于受现有建（构）筑物的影响，静压、锤击、振动等成桩机械设备无法入场，预制桩基础无法施工，结合本工程土层特征，地下水较贫乏，人工挖孔作业条件较好，故设计采用人工挖孔灌注桩对原地基基础进行加固。

具体加固做法是在原二桩承台基础两端各新增1 根人工挖孔灌注桩。新增人工挖孔灌注桩直径为1 000 mm，桩端持力土层是中风化砂质泥岩。根据计算结果，单桩竖向承载力特征值取1 700 kN。在原钢筋混凝土承台四周和上部用新增钢筋混凝土承台包大，通过新增钢筋混凝土承台将新增基桩和原钢筋混凝土承台、立柱有效连接（见图1）。新增人工挖孔灌注桩、承台采用强度等级为C30 的混凝土。新增承台纵向钢筋和外围箍筋采用HRB400 级钢筋，内部箍筋采用HRB335级钢筋。

图1 桩基加固平面Fig.1 Plane of Strengthening Pile Foundation

2.3 承台新旧混凝土结合面植筋设计

根据已有研究资料，对采用植筋技术连接的新旧混凝土结合面承载力的影响因素主要有：结合面处理方法、界面剂的种类、旧混凝土基层混凝土强度和质量、旧混凝土配筋率、新浇筑混凝土强度和质量、结合面植筋率、植筋深度、胶黏剂的选择和使用、配箍率等。

原钢筋混凝土承台与立柱配筋率均满足文献［3］对植筋构件的要求。根据本工程实际情况，在确保结构安全、加快施工进度、提高经济效益的原则下，对承台新旧混凝土结合面植筋设计成：新增钢筋混凝土承台纵向两侧处与原钢筋混凝土立柱、承台结合面各植入4 排纵向钢筋，钢筋直径为14 mm，一侧共38 根。新增钢筋混凝土承台采用直径为14 mm 的钢筋作为外围箍筋，箍筋间距100 mm；采用直径为10 mm 的钢筋作为內部箍筋，箍筋间距200 mm。为提高新旧混凝土结构的整体性，外围箍筋遇原钢筋混凝土立柱、承台应植入（见图2）。混凝土保护层厚度为40 mm。根据文献［3］第15.2.4条要求，原承台混凝土强度等级为C25，按A 级胶或B 级胶进行计算时，应满足植筋钢筋间距S1≥5d，植筋钢筋与混凝土边缘距离S2≥2.5d。本工程植筋均采用直径为14 mm 的钢筋，则植筋钢筋间距S1≥5d=70 mm，植筋钢筋与混凝土边缘距离S2≥2.5d=35 mm。考虑到现场空间较狭窄，工期紧张，植筋间距若刚好满足规范要求，遇到原结构内部的钢筋干涉时，则无法快速作出调整，必然影响施工进度。故最终设计S1均大于100 mm，S2均大于80 mm。植筋施工时所选用的胶粘剂，其类型和安全性能指标必须符合文献［3］第4 章的要求。浇注新增的混凝土结构部分前，应先将原混凝土结构表面清理干净并凿毛处理，凿毛深度4～5 mm，并涂刷低水灰比的水泥浆类界面剂一道，界面剂厚度0.5～1.5 mm。

图2 植筋钢筋示意图Fig.2 Diagram of Embedded Steel Bar

植筋深度按文献［3］第15章进行计算。因新增钢筋混凝土承台部分与原钢筋混凝土立柱、承台四面均有连接，故新增承台按非悬挑构件进行计算，考虑构件受力状态对承载力影响的系数ψbr取1.0。选用耐潮湿型胶粘剂，植筋孔壁潮湿影响系数ψw取1.1。使用环境温度小于60 ℃，温度影响系数ψT取1.0。防止混凝土劈裂计算系数αspt取1.0，修正系数ψae取1.1。植筋钢筋的抗拉强度设计值fy=360 N/mm2。植筋用胶粘剂的粘结抗剪强度设计值fbd取2.7 N/mm2。通过计算可得植筋锚固深度设计值ld=450 mm。因规范公式是根据充分利用钢材强度的计算模式，按照轴向受拉状态进行计算得到的植筋锚固深度设计值。而承台中部、顶部的纵向植筋钢筋以及植筋箍筋，其受力状态以承受剪力为主。根据已有研究成果，抗剪植筋深度宜为15d左右，故承台中部、顶部的纵向植筋钢筋及植筋箍筋的植筋深度可适当减少。最终设计承台底部纵向钢筋植筋深度为450 mm，承台中部、顶部的纵向钢筋和箍筋植筋深度为300 mm（见图2）。

2.4 承台新旧混凝土结合面承载力复核

2.4.1 抗弯承载力复核

基本组合下承台纵向两侧新旧接结合面处，即图1中1截面弯矩设计值为780 kN·m。根据现行钢筋混凝土结构设计规范、地基基础设计规范，对其进行抗弯承载力计算，可得该截面需配置纵向钢筋As=1 658 mm2。承台横向两侧新增混凝土部分底面共通长配置20 根直径为20 mm 的纵向钢筋（见图3），As=6 280 mm2≥1 658 mm2，即抗弯承载力已满足要求，无需靠植筋钢筋分担。

图3 非植筋纵向钢筋示意图Fig.3 Diagram of General Steel Bar

2.4.2 抗剪承载力复核

荷载基本组合值作用下单根新增基桩承担荷载约为1 200 kN，则新旧承台接触面共需传递2 400 kN。由于我国现行规范未对采用植筋技术连接的新旧混凝土结合面抗剪承载力如何确定作出相应规定，故此处根据已有研究成果和工程实践经验，参考文献［3］中对锚栓承载力计算的规定和文献［9］中的植筋法新旧混凝土界面剪切强度实用设计计算公式，分别对新旧混凝土结合面的抗剪承载力进行计算：

⑴参靠文献［3］中对锚栓抗剪承载力计算的规定，按充分利用植筋钢筋抗剪强度，且偏保守不考虑新旧混凝土结合面的咬合力、摩擦力和化学粘结力进行计算。以原承台混凝土为基材，植筋于其上的纵向钢筋，受到新增承台混凝土竖直向上的支撑力作用。考虑上部原钢筋混凝土立柱的影响，此时平行于剪力方向的边距c1很大，混凝土基材的抗剪承载力必定满足要求，起控制作用的是植筋钢筋的抗剪承载力。单根植筋钢筋可承担剪力约为26 kN，则需要植筋钢筋总数为2 400/26=93 根。承台新旧混凝土结合面处共有植筋钢筋（含纵筋和箍筋）150根，满足要求。

⑵因承台纵向两侧完全对称，仅取其中一侧进行计算。按文献［9］公式νn=0.318fc0.1+0.062ρ fyfc0.86≤0.2fc，仅考虑距离新增基桩最近的纵向钢筋植筋结合面，即图1中1-1截面处新旧结合面进行计算。其中混凝土轴心抗压强度设计值fc=11.9 N/mm2，界面植筋率ρ=0.38%，植筋钢筋屈服强度fy=360 N/mm2。计算可得新旧混凝土结合面剪切强度设计值νn=1.017 N/mm2≤0.2fc。则离新增基桩最近的一侧纵向钢筋植筋结合面抗剪承载力为V=νnA=1 556 kN≥1 200 kN，满足要求。

2.5 承台整体承载力复核

根据文献［3］第5.1.3 条，该工程原钢筋混凝土界面处理及新旧混凝土结合面粘结质量符合规范规定，可按整体截面计算其承载力。

2.5.1 抗弯承载力复核

取柱边截面进行计算，设计弯矩值为2 485 kN·m。根据现行钢筋混凝土结构设计规范、地基基础设计规范，计算可得该截面处需配置底部纵向钢筋As=5 411 mm2。承台横向两侧新增混凝土部分底面共通长配置20 根直径为20 mm 的纵向钢筋，As=6 280 mm2≥5 411 mm2，即未考虑原承台配筋，抗弯承载力已满足要求。

2.5.2 抗剪承载力复核

取柱边截面进行计算，设计剪力值为2 189 kN。根据现行钢筋混凝土结构设计规范、地基基础设计规范，计算可得截面抗剪承载力为4 556.6 kN≥2 189 kN，满足要求。

3 结语

本改造工程于2015年竣工验收后投入使用，结构工作情况良好，满足使用要求。

随着旧房加固、厂房改造等工程的增加，植筋技术也越来越多地应用于新旧混凝土结合面的连接之中。抗剪承载力作为截面的重要承载能力指标，其计算是设计中需要重点考虑的一个问题。由于国内现行规范并未对其作出相应规定，故在设计计算时可参考现有研究成果和国外相应规范，选择适合的理论公式，在承载力计算和构造要求的综合控制下进行植筋设计，并留有适当的富余量，以保证结构安全。