逆作微型钢管桩复合地基承载变形特性及应用

魏应乐，马海龙

（1.安徽水利水电职业技术学院 建筑工程学院，安徽 合肥 230061；2.浙江理工大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310018）

微型桩桩径一般介于70 ～ 300 mm 之间，长径比大于30［1］。根据桩体材料及施工特点，微型桩的桩型分为树根桩、钢筋混凝土预制桩、钢管桩、灌浆钢管桩等。

微型桩主要应用于既有建筑物增层改造的基础加固中，具有场地适应性强、对岩土体扰动小、施工速度快等优点，也用于滑坡治理［2］。李湛等［3］对实际工程应用效果的研究表明，微型桩技术在既有建筑地基基础加固工程中具有较好的适用性，可推广应用于类似工程。孙训海等［4］指出，软土地基采用微型桩复合地基，比纯桩基础更具有经济性，且能有效减少建筑物后续沉降，满足控制地基变形及建筑物整体倾斜的要求。

Nirmali Borthakur 等［5］论述了饱和软土中微型桩对中低层建筑物荷载的适用性，分析两组模型试验指出，微型桩复合地基能够提供较高的竖向承载力，具有广泛的应用前景。

即使微型桩的桩径比较小，如果采用挤土桩（预制方桩），仍有一定的挤土效应。Mohammadreza Khanmohammadi 等［6］采用有限元法，计算了饱和黏土中打入预制微型桩过程中，超固结比、水平土压力系数、打入速度、土的渗透系数等对土体应力状态的影响，施工引起的超孔隙水压力会出现挤土效应。因此，即使采用微型桩加固地基，也不能忽略挤土影响。施工过程中应合理控制微型桩施工顺序和施工速度，避免过度扰动基［4］。

Joon-Shik Moon 等［7］研究了桩的施工方法、砂土相对密实度、桩径等对微型桩侧摩阻力的影响，指出微型桩的侧摩阻力比钻孔灌注桩侧摩阻力更高。刘源等［8］进行了微型桩室外足尺试验，获得了不同桩长复合地基桩间土强度提高系数、桩间土强度发挥系数、单桩承载力发挥系数以及桩土应力比等。结果表明，复合地基破坏时，桩间土强度能得到有效发挥，单桩承载力发挥系数比规范推荐值0.8 ～ 0.9大，可达1.12 ～ 1.56，说明桩的作用很明显。宗钟凌等［9］研究揭示，注浆后微型钢管桩抗压极限承载力提高75% ～ 150%。

研究表明，褥垫层材料性质及厚度影响复合地基承载力。王正振等［10］研究指出，复合地基设计中宜考虑采用良好的垫层材料和较大的垫层厚度来提高其承载力。

姜文雨等［11］认为，刚性桩复合地基存在中性面，并分析了大长径比刚性桩桩侧摩阻力，中性面的存在影响复合地基承载力，所以刚性桩长径比亦不宜过大。杨光华等［12］提出，当桩底置于可靠持力层时，软土复合地基的沉降可以简化为桩的沉降加褥垫层的压缩沉降的方法。

刘兵民等［13］则认为，土体的侧限和桩土共同作用是微型桩基础研究的重点和方向，通过工程实践，针对不同的地基、桩基形式及荷载分布，明确其工作机理的规律性和特殊性，将对今后微型桩基础的应用有非常重要的意义。

根据微型桩的上述特点，结合软土地基上的某6 层住宅楼的地基加固问题，分析微型钢管桩加固对该6 层住宅楼的适用性，并探讨切实可行的复合地基加固方案。

1 工程背景

某小区十余栋6 层住宅楼，建于20 世纪90 年代，上部地基土为淤泥质粉质黏土，厚约6.0 m，采用粉喷桩加固地基，加固后复合地基承载力要求达到120 kPa。住宅楼建造后，出现了较大沉降及不均匀沉降，其中两栋住宅不均匀沉降大，墙体开裂严重、条形基础多处断裂，鉴定为危房，决定拆除重建。重建原则是原址重建，户型、面积不变。

经多方面考虑，初步确定采用逆作微型钢管桩加固既有地基。

2 微型钢管桩加固适用性分析

为了慎重起见，在加固方案确定前，采用PLAXIS 2D 岩土工程分析软件，计算粉喷桩复合地基及微型钢管桩复合地基加固特性差异。土体采用摩尔-库伦模型，粉喷桩、钢管桩采用弹性模型，粉喷桩直径500 mm，弹性模量500 MPa，钢管桩外径114 mm，壁厚4 mm，弹性模量200 000 MPa。

粉喷桩及钢管桩桩端，均设置在第4 层粉质黏土层，桩长7.4 m。

地层参数表见表1。

表1 地层参数表Tab.1 Soil parameters

2.1 复合地基竖向变形

图1、图2 分别为粉喷桩复合地基竖向变形云图（图中单位：mm）。沉降云图直观显示了粉喷桩复合地基的沉降分布极不均匀，沉降主要集中在上部。钢管桩复合地基沉降分布相对均匀，影响深度可达桩端下1 倍桩长以下。

图1 粉喷桩复合地基竖向变形云图Fig.1 Vertical deformation cloud map of cement jetting pile on composite foundation

图2 钢管桩复合地基竖向变形云图Fig.2 Vertical deformation cloud map of steel pipe pile on composite foundation

为进一步分析沉降分布特征，图3 给出了粉喷桩、钢管桩复合地基沉降沿深度分布；图4 给出了两种复合地基在某一深度处压缩量分布。

图3 复合地基沉降沿深度分布Fig.3 Settlement of composite foundation along depth

图4 复合地基压缩量沿深度分布Fig.4 Compression of composite foundation along depth

图3 显示，微型钢管桩复合地基沉降远小于粉喷桩复合地基，沉降仅为粉喷桩复合地基的26%。钢管桩加固区范围内（7.4 m）的压缩量为10.4 mm，桩底以下压缩量为20.2 mm。粉喷桩加固区范围内（7.4 m）的压缩量为93.6 mm，桩底以下压缩量为32.2 mm。

图4 显示，钢管桩复合地基变形沿深度的压缩量比较均匀，在16 m 处的压缩量仍接近上部的压缩量。粉喷桩复合地基沿深度的压缩量主要集中在7.4 m 以上，桩端以下的压缩量远小于桩端以上的压缩量。

由图1 看出，粉喷桩复合地基变形特性接近天然地基的变形特性，主要集中在上部加固区，而桩底以下土的压缩占比很小，粉喷桩复合地基没有起到明显的控制沉降的作用。

由图2 看出，微型钢管桩复合地基表现为桩基础的沉降特征，即沉降量主要由桩底以下土层的压缩构成。

2.2 桩荷载传递

图5 是荷载沿桩身传递情况。粉喷桩属于柔性桩范畴［14］，刚度较小，桩身的压缩量大，存在临界深度问题，荷载不能有效传递到桩端。

图5 桩身轴力分布Fig.5 Distribution of pile body axial force

微型钢管桩尽管直径较小，但属于刚性桩，仍能将荷载通过桩体传递到桩端，传递到桩端的荷载占桩顶荷载的17%，表明钢管桩能将荷载传递到深处土层。

粉喷桩桩顶荷载为27 kN，钢管桩桩顶荷载则为71 kN，作用在粉喷桩顶的轴力远小于作用在钢管桩顶的轴力，表明作用在粉喷桩复合地基桩间土的荷载远大于作用在钢管桩复合地基桩间土的荷载，钢管桩在复合地基中的分担荷载约为粉喷桩的2.6 倍。

粉喷桩复合地基不能通过桩体将荷载传递到桩端以下，荷载仍集中在加固区的上部，导致粉喷桩复合地基压缩量大，如果粉喷桩桩体质量不均匀，则加固后的地基就会不均匀，这样会产生较大差异沉降。

这些分析结果验证了房屋安全鉴定报告中提及的建筑物开裂的可能原因。

经分析，微型钢管桩加固后的复合地基在承载特性、变形特性等方面均满足要求，决定采用微型钢管桩对本案既有地基实施加固。

3 微型桩复合地基实施

3.1 桩型及施工方法

根据以上分析，本工程采用微型钢管桩，钢管直径114 mm，壁厚4 mm，采用敞口施工，容许土体进入钢管内形成土塞，降低挤土效应。由于钢管桩的直径较小，可以保证钢管桩在既有粉喷桩之间布置，既有粉喷桩的存在不影响钢管桩的施工，亦不破坏粉喷桩。

微型钢管桩的施工有先压法和后压法。先压法即在建筑物的基础施工前就将桩压入土内，又称顺做法，需要有配重提供压桩反力，增大了施工成本。后压法则利用建筑物的自重提供压桩反力，将桩压入地基土内。

针对本工程，根据单桩设计承载力（压桩力是单桩设计承载力的1.5 倍，压桩力是动阻力，动阻力要小于静阻力），确定住宅楼施工到某个楼层后，利用住宅楼已经形成的自重提供压桩反力。钢管桩开始施工，住宅楼的施工亦在进行，所以这里的钢管桩施工称为逆作法施工，在住宅楼施工到三层楼面时，开始施工微型钢管桩。

由于既有条形基础厚度为300 mm，垫层厚度100 mm，共计400 mm 厚度的既有条形基础及垫层作为微型钢管桩复合地基的垫层使用，见图6。新基础在既有基础上面浇筑，见图7。

图6 既有基础上浇筑垫层Fig.6 Cushion on existing foundation

图7 既有基础上的新基础Fig.7 New foundation on existing foundation

3.2 复合地基承载力计算

考虑到既有粉喷桩的施工长度长短不一（鉴定报告指出最短的粉喷桩长为3.0 m），采用微型钢管桩复合地基，不考虑既有粉喷桩的加强作用，仍采用原状土的相关承载力计算。

3.2.1 单桩承载力计算

根据JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》，当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值Quk时，按下式估算：

式中：qsik为桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值；qpk为极限端阻力标准值。

根据表1 地层参数，桩长7.5 m，桩顶在地面以下1.3 m，计算单桩承载力极限标准值Quk=142 kN，单桩承载力特征值Ra=71 kN。

3.2.2 复合地基承载力计算

基础底面积A=726 m2，桩数n=397 根，单桩截面积Ap=0.010 202 m2，置换率m=0.006 711，单桩承载力特征值Ra=76 kN。

不考虑既有粉喷桩对地基承载力的提高作用以及被拆除房屋对地基土的预压效应，采用天然地基承载力fsk=80 kPa 计算复合地基承载力特征值fspk：

式中：λ为强度发挥系数；m 为置换率；β为强度发挥系数。

计算处理后复合地基承载力满足120 kPa 的要求。

3.3 单桩静载荷试验

钢管桩全部施工完毕后，进行单桩竖向抗压静载荷试验。按照1.5%比例进行试桩的抽检试验，共6 根试桩，试桩结果见表2。

表2 试桩结果Tab.2 Testing results of piles

在最大荷载140 kN 作用下，6 根桩的最大沉降量均未超过10 mm，约在7 ～ 10 mm 之间，回弹率均大于54%，表明在140 kN 的作用下，桩还在弹性范围内工作。基桩检测报告确定本工程单桩承载力特征值满足设计要求，单桩承载力特征值不小于70 kN。

采用微型钢管桩加固后，两年内实测住宅楼最大沉降量不大于15 mm，达到了加固效果。

4 结论

针对住宅楼地基采用粉喷桩加固后出现较大沉降，导致住宅楼拆除，以及在原址上重建住宅楼面临的诸多问题，分析了粉喷桩复合地基、微型钢管桩复合地基的承载特性，获得以下结论：

（1）粉喷桩复合地基压缩区域主要分布在加固区，变形特性接近于天然地基。微型钢管桩复合地基压缩区域主要在桩端以下，变形特性接近于桩基础。

（2）作用在粉喷桩顶的荷载远小于作用在微型钢管桩顶的荷载，作用在粉喷桩复合地基桩间土的荷载远大于作用在钢管桩复合地基桩间土的荷载。

（3）粉喷桩顶荷载不能有效传递到桩端土，微型钢管桩顶荷载能够传递到桩端土，从而有效利用桩端土，达到减少沉降的目的。

（4）逆作微型桩是既有建筑物地基加固的一种可行方法。