树根桩在快速加固既有房屋地基中的作用分析

王文宇，颜 敏，李中国，朱宏伟，蔡德钩，张千里

(1.北京佰嘉置业集团有限公司，北京 102400;2.清华大学 机械工程系，北京 100084;3.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概况

一房屋地上6层地下1层，坐北朝南，地上住宅为钢筋混凝土剪力墙结构，基础形式为筏板基础，筏板下部为素混凝土垫层，其下为级配砂石垫层。由于场地上覆地层承载力较低，无法满足楼房基础承载要求，对地基进行了处理。首先对楼基础范围内的回填土采用满夯处理，然后采用CFG桩进行处理。CFG桩桩径0.4 m，桩间距1.8 m×1.8 m，桩身混凝土强度为C20，桩长以达到岩石持力层作为控制条件。设计要求地基承载力不小于150 kPa，最大沉降量为20 mm，沉降差不大于20 mm。由于遭遇暴雨，雨水大量渗入地基，地基土体浸水后强度降低，地基整体承载能力降低，沉降增大，基础出现不均匀沉降，房屋出现裂缝。

2012年8 月—2013年2月，沉降监测结果显示，该楼东侧沉降大于西侧，东北角、东南角沉降量分别达到23，18 mm;西北角、西南角沉降均＜3 mm;北中角、南中角沉降量在12～18 mm。监测数据分析表明，沉降仍然有增加的趋势，截至2013年5月中旬，最大累计沉降约为40 mm。

2 水文地质条件

该工程所在位置地貌属于山麓坡积裙地貌，地面高差较大，北高南低、西高东低。岩土工程地勘报告表明，场地内筏板基础以下的地层自上而下主要为:①人工填土(粉质黏土素填土，杂填土)，一般厚度为0.3～5.0 m，部分区域达8.4 m;②第四纪坡洪积成因的黏性土(粉质黏土)、碎石土(夹碎石透镜体);③全风化砂岩、页岩和泥岩;④强风化的砂岩、页岩和泥岩。

地下水类型为上层滞水，主要含水层为粉质黏土杂填土，以大气降水、绿化灌溉等为主要补给方式，以蒸发为主要排泄方式。地下水位变化受人为活动和季节性降水影响较大。根据勘察报告，在2010年详勘期间(2009年12月—2010年1月)所有钻孔内均未见地下水。2012年8月补勘期间，地下水稳定水位深度1.3～4.6 m，稳定水位标高75.42～80.14 m(主要为粉质黏土层)。地下水位的上升主要是该地区在2012年夏季多次强降雨所致。

3 沉降原因分析

结合沉降观测结果及水文地质条件对该房屋地基不均匀沉降原因予以分析。

3.1 场地地形、地层条件的影响

场地地貌上属于山麓坡积裙地貌，地面高差较大，北高南低、西高东低。原地形整体为洼地，属典型的汇水地形，暴雨来临，雨水极易在此处汇集，造成地基土体含水量增大。场地粉质黏土层较厚，且起伏较大;粉质黏土层浸水强度降低明显，这些因素使得粉质黏土层成为发生不均匀沉降的主要地层。

3.2 特大暴雨的影响

特大暴雨发生时，该工程地下室尚未回填，地基直接曝露，导致雨水大量渗入地基，地下水位上升。地基土体尤其是粉质黏土层在浸水或含水量增大时，土体强度降低，变形增大，导致地基整体承载能力降低，沉降增大。根据补充勘察资料中动力触探结果，部分回填碎石层和粉质黏土素填土层击数仅为1～2，该部分地层为人工填土层，填料成分杂乱松散，含有碎石、砖块、角砾及生活垃圾等，浸水后土体原有结构破坏，强度降低。

3.3 地基处理不当

依据勘察结果、设计文件及CFG桩施工资料，部分CFG桩存在未达到持力层(强风化岩层)的现象。

由于场地上覆地层承载力较低无法满足楼房基础承载150 kPa的要求，对地基进行了处理。两限楼范围内处理方式为回填后采用1 500 kN级满夯处理，然后采用桩径0.4 m，桩间距1.8 m×1.8 m的CFG桩进行处理，桩长以达到岩石持力层④作为控制条件。

图1为该房屋地基的地质剖面示意图，可以看出，基础下持力层(强风化岩层)起伏较大，呈现短轴方向南深北浅、长轴方向中间深的特点，持力层深度与沉降量有较好的一致性。部分CFG桩未达到持力层，建筑物沉降量较大，与CFG桩未达到持力层有直接关系。

图1 工程地质剖面示意

地基承载力计算如下:

1)CFG桩设计参数

桩间距s=1.8 m;桩的等效加固直径de=1.13s(正方形布桩);桩径d=0.4 m;置换率m=d2/d2e=0.42/(1.13×1.8)2=0.038 67;处理后桩间土承载力特征值fsk=120 kPa;桩间土承载力折减系数β=0.8;桩端岩石端阻极限承载力qpa=1 600 kPa;桩端粉质黏土端阻极限承载力为800 kPa。

2)复合地基承载力特征值计算

①当CFG桩底位于强风化岩层时，桩面积Ap=3.14×0.22=0.125 6 m2，单桩竖向承载力特征值Ra为

复合地基承载力fspk为

②当CFG桩底位于粉质黏土时

从上述计算结果可知，持力层对复合地基的承载力影响十分明显。当持力层未达到设计强风化岩层时，复合地基的承载力只有129.70 kPa，小于设计(150 kPa)要求。

4 树根桩加固地基设计

针对本工程地质条件复杂、空间狭小和工期紧张等困难条件，采用树根桩对房屋地基进行加固。树根桩主要沿地下室外墙内及结构剪力墙附近布置，与剪力墙的距离应以满足施工机械操作空间为宜，整个加固区域布置236根桩。房屋基础平面及树根桩布置见图2。根据沉降观测和地质勘查资料，对地基的内填土层厚度较深的位置适当增加布桩数量;荷载较集中的位置适当增加;其他位置适当布置。

5 树根桩施工工艺

在正式施工前选择有代表性地层进行施工机械性能及注浆工艺试验，确定潜孔钻钻孔、注浆施工参数。该工程施工的主要内容有潜孔钻钻孔、钢花管制作安装、注浆、桩头处理、地面恢复等，施工流程如图3所示。

图2 房屋基础平面及树根桩布置

图3 树根桩施工流程

5.1 潜孔钻钻孔

由于基础下部为人工回填粉质黏土杂填土，夹杂石块，基岩为全风化、强风化的砂岩、页岩和泥岩，为了保证树根桩达到设计深度，必须首先进行钻孔。成孔深度至强风化层下0.5 m，考虑到地下室空间狭小，大型钻孔设备无法作业，钻孔采用QZJ-100D型潜孔冲击钻机，定制钻具为 CR180冲击器，钻头直径为180 mm，该钻机的动力源为15 m3空压机。

前期地基采用CFG桩处理，孔位放样按照地基处理竣工资料和设计图纸避开CFG桩，确定孔位后拆除地下室地面混凝土整浇层，清除整浇层与筏板之间的回填土，采用静力水钻钻透筏板，孔径200 mm，安装好潜孔钻机进行钻孔作业，树根桩的直径为180 mm，桩长自筏板基础至强风化岩层。根据地质勘察资料、钻孔钻进速度及出渣情况，综合判断钻孔是否到达设计持力层，结合附近钻孔情况判断是否终孔，避免钻进时遇到个别块石造成误判。

5.2 钢花管制作安装

钢花管采用壁厚6 mm，直径97 mm的无缝钢管，钢花管在基础褥垫层以下0.5 m处沿钢管轴线每4 cm、沿钢管径向每旋转45°钻6 mm的注浆孔，注浆孔沿钢管四周呈螺旋状布置，注浆孔用胶带或凝胶密封。由于地下室空间限制，为了便于安装，将钢花管切割为1，2，3，4 m的不同长度，在安装时再焊接成需要的长度，为了确保焊接后强度，焊接时使用 3根φ16 mm螺纹钢筋加强，接口处围焊。

钢花管底部采用厚度5 mm的钢板焊接密封，一次PVC注浆管随着钢管安装，绑扎在钢管上，劈裂注浆孔首先采用玻璃胶堵住注浆孔，外侧使用强力胶带缠绕密封，缠绕3～4层，缠绕时要将钢管表面清理干净，将胶带压平粘牢，避免钢管安装时，孔壁泥土进入钢管里，影响二次注浆效果。

5.3 压力注浆

注浆采用二次注浆工艺，注浆泵的最大工作压力应不小于1.5 MPa。

第一次注浆采用1∶(0.4～0.5)水泥浆，注浆采用从孔底向上反向压浆，将孔底的水或泥浆沿着管壁压出来，当孔口返出正常干净的纯水泥浆液约10～15 s后，可停止注浆。此时须观察水泥浆的动态，钢管内是否会漏浆，如孔内水泥浆下降较快，必须马上补浆，待水泥浆稳定后方可进行管内二次劈裂注浆。

第二次注浆材料为M30纯水泥浆，采用分次间歇式注浆，水灰比为0.5∶1，采用P.O42.5R水泥。待第一次注浆稳定并间隔一定时间后进行第二次钢管孔内的压浆，注浆压力应稳定在1.5 MPa以上。

为了保证水泥浆的质量，水泥浆必须使用水泥搅拌机强制进行正反转搅拌，搅拌时间不得少于3 min。

5.4 桩头处理

树根桩注浆结束后，在筏板植筋，与钢管顶部搭接焊的方式，然后用C30微膨胀早强混凝土封口。封口完毕后进行桩头防水处理，桩头封桩后先用10～15 mm厚1∶2.5水泥砂浆抹面，然后涂抹聚合物水泥防水砂浆，分层抹压，顺序为防水素浆→防水砂浆→防水素浆→防水砂浆→防水素浆→防水砂浆，最后用抗压密封剂涂抹在表面。

6 加固效果

为了评价房屋地基加固效果，抽取3根树根桩对其单桩承载力进行检测，确保树根桩的承载力满足设计要求;另外，在地基加固施工期间对楼体的沉降情况进行监测。

6.1 沉降监测

沉降监测共设置了26个沉降监测点，其中1层房屋内部布置7个测点，整个施工过程中对楼体的沉降变形进行监测，选取房屋不同方位的 1，5，8，11，16，19和23号7个代表性测点进行沉降分析。图4为沉降监测结果。

图4 不同测点房屋沉降时程曲线

从图4可以看出:

由于房屋地基地质条件较差，4月28日—5月12日施工准备期间发生较大的不均匀沉降，26个测点的沉降变形在0～12 mm之间，其中东北角的8，23号，中部5号测点沉降均超过10 mm，而且沉降发展趋势明显。

5月12日—6月21日施工期间，由于地质条件较差，易受到地基加固施工的扰动，施工过程中钻孔扰动和注浆后地基土体软化，各测点沉降继续增加，但增加趋势逐渐减缓并趋于稳定。

6月21房屋地基加固施工完毕，树根桩桩体开始发挥承载力作用，6月21—7月22日，连续一个月时间，遭遇3场强降雨，楼体沉降一直保持稳定无增长，表明树根桩加固地基发挥了作用，整个楼体未受到降雨的明显影响。

6.2 树根桩承载力检测

依据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2003)中的有关规定，抽取了3根树根桩对其单桩承载力进行检测，加载采用慢速维持荷载法，最大加载到250 kN。检测结果如表1所示。可以看出，被检测的3根试验桩单桩竖向抗压极限承载力不小于250 kN。

表1 树根桩单桩承载力检测结果

7 结论

1)从本工程的加固效果来看，采用潜孔钻成孔、植入钢花管、二次注浆的树根桩加固方法非常适用于需要快速抢救加固、地质条件复杂、施工场地狭小的房屋地基加固。

2)从楼体沉降监测和树根桩单桩承载力检测的结果来看，树根桩发挥了提高地基承载力的作用，楼体沉降保持稳定，无增长，未受到强降雨的明显影响，单桩承载力满足设计要求，表明树根桩加固房屋地基效果显著。

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 123—2000 既有建筑地基基础加固技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2013.

[2]张定邦，朱金凤.新型CFG桩板结构加固软土地基模拟研究[J].铁道建筑，2012(12):75-78.

[3]闫志刚，张国彬.树根桩技术在基础加固中的应用[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2008，7(1):6-10.

[4]张勇，盛宏光，赵红玲，等.应用钢管微型桩对倾斜楼房进行纠偏加固[J].岩石力学与工程学报，2008，27(增1):3122-3126.

[5]张小兵，王桢，程晓伟.沉降观测在高层建筑物纠倾工程中的应用[J].铁道建筑，2011(8):89-92.

[6]杜嘉鸿，张振山，郭忠堂.树根桩在基础加固工程中的应用[J].西部探矿工程，1997，9(2):5-7.