微型嵌岩钢管桩在基础加固托换中的应用分析

阮志忠

广东金穗丰实业有限公司 广东 广州 510000

引言

随着我国房屋加固改造升级的兴起，在建筑物基础加固或基础托换工程实践中，经常遇到建筑物加层改造或建筑物改造（改变其使用功能），使基础荷载增大或改变了结构的受力分布，使原有建筑物的地基和基础难以支承上部结构的自重和外荷载，引起的基础承载力不足。为确保原有建筑物的安全和正常使用，需要对建筑物地基基础进行基础加固或托换。对目前现有托换桩型存在的局限性比较大，部分托换工程无法解决时，而微型嵌岩钢管灌注桩可以弥补上述缺陷。

微型嵌岩钢管灌注桩由于其施工所需机械设备较简单易于改装，施工灵活适合狭窄空间，可以不受场地及净高的限制，便于对已有建（构）筑物地基的加固处理；其施工直径较小，单桩竖向承载力高，沉降变形量小，不会对建筑物产生较大的附加沉降变形。而钢管本身刚度和抗剪强度大[1]，管材强度高，方便加工制作，可以焊接或丝扣连接，桩长容易调控，质量可靠，适合不同的空间的加工制作，如果管内再充填砂浆或水泥结石体，则能承受较大的竖向承载压力及抗弯性能，该桩型在加固工程实践应用中（如广州市棠溪四社八层旧厂升级改造、天水酒店加固等），证实了其桩的可靠性和优越性。

作者以广州市越秀区某花园别墅的加固工程为例，着重分析研讨分享该项目的微型嵌岩钢管桩的设计、施工、质量控制与检测等关键问题，为类似工程性质和岩土条件地基加固作借鉴。

1 工程概况

该别墅建于20世纪90年代，为三层半，建筑占地面积约150m2，桩基础采用ф300锤击灌注桩，因别墅升级改造，在别墅区域范围内开挖二层地下室，开挖深度约7.60m，基坑支护釆用钻孔灌注桩+钢支撑的支护结构，止水采用双管旋喷，因基坑开挖后原基础桩摩阻力失去作用，其单桩竖向承载力不能满足目前建筑的荷载要求，而该建筑物改造上级其布局及功能很大程度上进行了调整，改变了原结构的受力分布，为确保基坑开挖过程中上部建筑物的正常使用。

为满足该要求，经设计复核后，对所有柱位进行钢管桩基础托换处理，将上部荷载通过钢管桩传递至微风化岩层中，而钢管桩既可以作为基坑开挖过程中起到支承作用和基础托换作用，同时也作为完成地下室后建筑物的桩基础。

由于该栋别墅建筑已完成多年，首层净高度约3.30～3.50m；根据场区的工程地质条件，以及施工场地的限制，采用微型嵌岩钢管桩施工简便灵活，工期短、质量可靠，单桩承载力高，且不会对建筑物产生附加沉降，不影响上部建筑物的正常使用。

2 工程地质条件

根据场地的工程地质勘察资料分析，本场地位于二沙岛，距离珠江边约150.00m，其地层由上而下分布如下：人工填土层（Qml）、冲积层（Qal）、残积层（Qel）和基岩（K）包括强风化岩、中风化岩和微风化岩（见表1）。

表1 工程地质地层统计

3 微型嵌岩钢管桩的设计

设计时考虑到基坑开挖过程中，不影响建筑物的正常使用，根据现场的施工环境条件，受净高度的影响（净高约3.30～3.50m）考虑到施工方便、施工灵活，单桩承载力高，在众多基础托换加固方案中，选择了质量可靠，便于施工的微型嵌岩钢管桩进行基础托换加固设计。

3.1 微型嵌岩钢管桩的设计[2-3]

根据广东省标准《建筑地基基础设计规范》（DBJ15-31-2016）的有关要求，以及结合同类工程经验来设计。微型钢管灌注桩设计参数如下：

3.1.1 微型嵌岩钢管灌注桩单桩竖向承载力特征值Ra： 钢管桩承载力设计特征值按公式(1)计算：

式中：R：钢管桩竖向承载力特征设计值(kN)；

Quk：钢管桩竖向承载力极限值(kN)；

γsp：钢管桩桩侧、桩端综合抗力分项系数，取2。

微型嵌岩钢管灌注桩单桩竖向承载力特征值Ra：

按嵌岩桩公式（2）计算，不考虑桩周摩阻力：

frs、frp：分别为桩侧及桩端基岩的单轴抗压强度；本工程取13.5 MPa

Ap：桩身的横截面积，取钢管外径计算(m2)

Up：入岩钢管的截面周长桩身周边长度(m)

C1、C2：为系数，根据岩石破碎程度和清孔情况等因素决定，一般可取C1=0.45、C2=0.03

hr：嵌入基岩的深度(m) 本工程设计为5 m

3.1.2 桩身承载力验算。桩身承载力考虑钢管与砼的共同工作：

式中：fa：钢管抗压强度设计值

Apa：钢管横截面面积

fc：注浆砼轴心抗压强度设计值

Apc：注浆体桩身横截面面积

ψc：侧向约束条件下砼抗压强度的提高系数，可取ψc=2.5

3.1.3 稳定性验算。当基岩埋藏较深穿过淤泥等软弱土层时，应对弱土层段桩身进行稳定性验算，根据现有现场情况可按下式验算：

式中：Lo——在淤泥等软弱土层范围内的桩身长度

D ——桩身钢管外径

本工程软弱土层约4.00 m，稳定性验算结果为Lo/D=28<80；满足要求

3.2 本工程微型嵌岩钢管桩的设计

微型嵌岩钢管灌注桩单桩竖向承载力特征值Ra由（2）式计算：Ra=983kN

竖向承载力设计特征值：R=983/2=491.5kN。

本工程设计微型钢管灌注桩单桩竖向承载力特征值要求为450kN。

钢管桩成孔口径设计ф200mm，有效桩长设计8.00～9.00米。钢管桩要求桩端进入微风化泥质粉砂岩5m为宜，钢管要求为Q345材质，直径为ф140mm，管壁厚为5mm。

钢管灌注桩的布置，根据建筑物的布局，上部轴力不同要求，原建筑9根柱中，每个承台按设计荷载要求分别布置钢管桩3～6根不等，在原桩基旁补钻钢管桩；新增加13根柱中，每个承台按设计荷载要求分别布置钢管桩2～3根不等，新增加柱位之桩基础，按设计布置要求施钻。

本工程一共布置钢管灌注桩59根。

注浆方法：采用孔底注浆法，注浆时浆体从钢管底部的出浆孔溢出，在钢管与钻孔壁之间形成水泥固结体，以达到握裹钢管，防止钢管锈蚀；增强钢管与孔壁土（岩）之间的黏结，提高桩的承载力。

注浆材料：采用普通硅酸盐水泥R42.5，水泥浆液配比为：水灰比为0.45～0.50。浆体强度为M30；灌浆采用静压注浆，注浆压力控制在0.25～0.5 MPa。

3.3 钢管桩与承台及柱的连接

该建筑原承台埋深在±0.00下约-2.00m，承台高为0.80m，本次钢管桩托换的承台埋深在±0.00下约-1.00m，承台高为1.00m，在完成基坑开挖后浇筑新承台，新承台在地下室底板下，底板厚度450mm，承台高为800mm，完成新承台后浇筑负二层柱及楼板，再浇筑负一层柱及楼板，柱与原建筑物柱相连接，然后切除托换承台、原建筑物承台和钢管及原建筑物桩，至此整个托换加固工程已完成。

钢管桩托换的承台和柱的钢筋采用钢筋焊接的方式连接在一起，施工时采用凿出钢筋混凝土柱基的钢筋焊接钢管桩的钢管，以及在柱内植筋的方法确保钢管桩与柱连结牢固，合理传力，整体受力。

4 工程施工效果

本次托换加固施工过程中对建筑物进行沉降规则，观测结果显示该建筑物沉降变量微小，建筑结构没有产生裂缝，由此可见，微型钢管桩基础托换加固的方法可行。

由于受到建筑工程的场地限制，不能在加固的基础上进行钢管桩的静载试验，但从连续三年的沉降观测数据显示，仅在3～5mm变化，也可说明其单桩竖向承载力特征值均达到设计要求；由此可见，按前述单桩竖向承载力计算公式计算微型钢管灌注桩的单桩竖向承载力设计值是可行的（附基坑开挖完成后的微型嵌岩钢管桩基础加固托换照片图1）。

图1 微型嵌岩钢管桩基础加固托换

5 结束语

微型嵌岩钢管桩，是一种成孔口径小的就地灌注桩，具有桩截面小，单桩竖向承载力高，沉降变形量小，且施工简便，穿透能力强，适用于各种不同的土质条件，质量可靠等特点，具有很大的经济价值和良好的社会效益，广泛应用于室内加基础工程、建筑物增层、建筑物改造、 地基不均匀沉降事故处理、岸（基坑）边及地下洞室上方建筑物的基础托换、旧房地基加固或改造工程等，是一种值得推广应用的地基加固方法。

微型嵌岩钢管灌注桩施工所需机械设备较简单，易于改装，其施工机械设备占地面积小、机械高度小，适用于狭窄空间，不受净高限制，施工及桩位布置灵活，使桩位布置更为合理。

微型嵌岩钢管灌注桩因桩孔孔径小，对基础和地基土几乎都不产生附加应力，施工时对原有基础影响小；极少产生附加沉降，不影响建筑物的正常使用。

微型嵌岩钢管灌注桩，钢管外侧的水泥浆固结体，入岩一定深度且利用桩与岩体的黏结力，大大提高了桩的竖向承载力。