（地质工程专业论文）树根桩在地基加固中的应用研究.pdf

摘要 通过对树根桩托换技术的特点、应用现状及其理论探讨，结合 春园0 1 栋岩( 土) 工程地质的特点和现场场地实际情况，并经综合 的技术经济分析和对比，选择了对建筑物和地基影响扰动较小而承载 力反应敏感的树根桩加固春园0 l 栋地基基础。加固工程后经连续沉 降观测，实践证明该方法既经济、有效，又方便快捷，大大提高了工 作效率，而所采用的都是些常见设备，实施时间短，工艺也不很复杂， 尤其是能对基础下面的地基土有效地进行改良。这不但拓宽了树根桩 的应用范围，解决了因旌工场地狭小面无法施工建设的难题，而且对 我国同类问题的处理具有定的指导意义。 关键词：树根桩托换技术加固处理 r t s e a r c ho na p p i i c a t i o no f r o o tp i l et e c h n i q u e i r e i n f o r c ef o u n d a t i o n a b s t r a c t t h i sp 叩e ri n q u i r e si n t o 廿1 ec h a r a c t e r i s t i c s ，印p l i c a t i o na n dm e o r y o f r o o tp i l e sl u l d e r p 砌n g 触e rc o m b i n i i l g m ef e a t e so fe n 百n e e r i n g g e o l o g ya n da c t u 烈s i 佻a t i o ni nc h u n 弦a nb u i l d i n gn 0 1 a n du s i n g 也e w a yo fc o m p r e h e n s i v et e c l l j l i q u e s a n dc o n t r a s t i n g ，t h ea u 也o rb e l i e v e s t l l a t c h o o s i n g r o o t p i l e r h a v e1 e s si n n u n c et o 也eb u i l d i n g a l l di t s f o u n d a t i o n ，a i l dm o r es e n s i t i v i t y t ob e a r i n gc a p a c i 毋t or e i n f o r c e t h e f o u n d a t i o no ft h ec h u n y t l nb u i l d i n gn o 1 ，a 矗e rc o n t i n u o u ss u b 5 i d e n c e w a t c h i n go f 龇r e i n f o r c ew o r k ，i ti sp r o v e d 雠o u 班跚c t i c e 也a t t h i s t e c l l n i 面ei s b o t he c o n o m i c a la n dc o n v e n i e n t ，a n d r o r k i n ge m c i e n c yi s i m p r o v e dg r e a t l y ，a i l dm ee q u i p m e n t s u s e da r eu s u a la n dm e t i l n ec o s ti s s h o r ta i l dt h et e c h n i q u ei su c o m p i i c a t e d ，e s p e c i a 王i y ，i tc a ni m p r o v et h e e a n hu n d e rt h ef o u n d a t i o ne 虢c t i v e l y nn o to n l yo p e n su p 也es c o p eo f m er o o tp i l e s 印p l i c a t i o n ，b u ta l s oh a sm eu n i q u ee 骶c to nm e s i i 硝1 a t q u e s t i o n s i l lo l l rc o l l l l n y k e y w o r d s ：r o o t p i i e s ，u n d e 印i n i n g t e c 王l r i i q u e ， r e i n f l o r c e ， t r e a t 瑚e m t 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名日期：年月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文：学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名日期：年一一月一日 第一章绪论 1 1 托换技术概述 托换技术( u n d e r p i n n i n g ) f 1 心是指解决对既有建筑物的地基需要处理、基础需 要加固或改建、增层与纠偏；或解决对既有建筑物基础下需要修建地下工程( 包 括地下铁道要穿越既有建筑物) ；或解决因邻近需要建造新建工程而影响到既有 建筑物的安全等问题的技术总称【3 l 。凡进行托换法的工程总称为托换工程。 古代许多大型建筑物，即使地基或基础存在问题，但由于当时缺乏托换技术 的知识，因而许多建造在中世纪的著名大教堂，如英国的e l v 大教堂和法国的 b a u v a i s 大教堂等为此而倒塌。最早的大型托换技术的工程之一是英国的 w i n c h e s t e r 大教堂，在托换加固之前己持续下沉了9 0 0 年之久，在2 0 世纪初由 一位潜水工在水下挖坑，穿过粉土和泥炭到达砾石层，并用混凝土包进行填实而 托换，取得了很好的加固效果，至今该教堂还保存有他业绩的纪念碑【钔。 托换技术的起源可追溯到古代，但是托换技术直到本世纪3 0 年代美国纽约 市兴建地下铁道时才得到迅速的发展。由于在早期地下铁道的穿越工程中，需要 托换加固的工程是大量的、多种类型的和规模很大的建筑物，而在此前，支撑技 术己取得了很大的进展，从而使被托换的工程在技术上成为可能，这就迸一步推 动了托换技术的发展。 目前世界上古建筑的基础加固数量繁多；许多大城市逐步向地下和空中发 展，因而促使大型和深埋的结构物和地下铁道的大量旋工；既有建筑物的改建、 增层和加大使用荷载的工程日益增多，所以国内外的托换工程和托换技术的发展 也突飞猛进，尤其是德国在第二次世界大战后，在许多城市的扩建和改造工程中， 特别是在修建地下铁道工程中，大量地采用了综合托换技术，积累了丰富的经验， 取得了显著的成绩，并已将该项技术编入了德国工业标准i ”。 1 2 托换技术分类 托换技术可根据托换的原理、方法、性质和时间进行分类1 】| 4 】。 1 2 1 按托换的原理分类 ( 一) 补救性托换 凡对既有建筑物的基础下地基土不能满足地基承我力和变形要求而需要进 暂托换考，称为补救性托换( r e m e d i a lu n d e r p i n n i n g ) = l j ”。 当前国内对各城市很多采用旧房增层改建的方法来扩大使用面积，如增层后 地基承载力和变形不满足地基规范要求时，亦需采取补救性托换。它在托换技术 领域中属量大面广的托换工程。 ( 二) 预防性托换 既有建筑物的地基土是能满足地基承载力和变形要求的，但由于邻近要修建 较深的新建建筑物基础、深基坑的开挖、和地下铁道的穿越而需进行托换者，称 为预防性托换1 3 ( p r e e a u t i o n a r yu n d e i n n i n 曲。托换方式也可采用在平行于既有建 筑物而修筑比较深的墙体者，亦可称为侧向托换皿a t e r a lu n d e r p i n i d n g ) 。 ( 三) 维持性托换 有时在新建的建筑物基础上预先设计好可设置顶升的措施，以适应事后预估 不容许出现的地基差异沉降值者，称为维持性托换( m a i n t e n a n c eu n d e r p i n n i n 曲眠 1 2 2 按托换的方法分类 表1 1 是托换技术按托换的方法进行分类。 墨! 二! 蝗托换方法进行的托换技术分类 ! ：苎型垫童堑堡 2 坑( 墩) 式托换 3 桩 式 托 换 ( 1 ) 静压桩托换 ( 一) 项承静压桩托换 ( 二) 预试桩托换 ( 三) 自承静压桩托换 ( 四) 锚杆静压桩托换 ( 2 ) 灌注桩和打入桩托换 ( 一) 螺旋钻孑l 灌注桩托换 ( 二) 潜水钻孔灌注桩托换 ( 三) 人工挖孔灌注桩托换 ( 3 ) 树根桩托换 ( 4 ) 灰土井墩托换 ( 5 ) 灰桩托换 ( 一)石灰桩托换 ( 二)灰土桩托换 三)灰砂土桩托换 4 灌浆托换f ( 1 ) 水泥灌浆托挨 2 ) 硅化灌浆托换 灌浆托换 ( 4 ) 高压喷射灌浆托换 ( 1 ) 加压纠偏 ( 一) 堆载加压纠偏 ( 二) 锚桩加压纠偏 5 纠偏托换 2 ) 掏土纠偏 3 ) 顶升纠偏 4 ) 浸水纠偏 6 其他托换 ( 1 ) 基础减压和加强冈口度托痪 1 2 3 按托换的性质分类 ( ) 既有建筑物地基设计不符合要求 2 一一一一换 ( 二) 既有建筑物增层： ( 三) 既有建筑物纠偏： ( 四) 邻近深基坑开挖或地下铁道穿越 ( 五) 结构物整体迁移。 1 2 4 按托换的时间分类 ( ) 临时性托换； ( 二) 永久性托换。 1 3 托换技术的现状与发展 托换技术是一种建筑技术难度较大、建筑费用较贵、工期较长和责任性较强 的特殊施工方法。要清楚地认识到，对建筑物的托换技术实施，需要丰富的实践 经验，因为它可能危及生命和财产【3 l 。 值得注意的是，由于大型建筑物的托换工程规模较大，施工人员都比较认真 负责和细致小心。相反，对小型托换工程可能存在草率从事的疏忽，而在托换工 程的失败事例中，大多正是由于这个原因所引起的。 一个优秀的结构工程师虽然具有很好的专业知识和实践经历，但未必能提供 对建筑物托换加固的保证；同样，即使是一个著名的岩土工程师，如果不谙熟结 构设计、面对危险建筑物也将束手无策。没有“结构工程”和“岩土工程”知识 两者密切的结合，就不能胜任这种特殊的托换技术；而施工工程师在托换工程中 占有一个十分重要的地位，多数情况下，他也是一个设计者。 鉴于托换工程是一项高度综合性技术，因此最好同时具备丰富的勘察、设计、 施工和科研方面一体化专业单位来承担这一项业务。这样可以积累托换工程的经 验和便于发展提高，国外多数由托换工程的专业公司来承包。 托换技术需要应用各种地基处理技术，因而国内外都将托换技术列入“地基 处理”的内容范畴【6 】【”。同时，一个优秀的托换工程也是一个善于巧妙和灵活地 综合选用各种地基处理方法的工程。 我国的托换技术的数量和规模，随着建设的发展在不断的增长，如锚桩加压 纠偏、锚杆静压桩、基础减压和加强刚度法、碱液加固、浸水纠偏、掏土纠偏、 千斤顶整体顶升等多种托换方法都有很大的创新和特色。我国的托换技术虽然起 步较晚，但随着大规模建设事业的发展，托换法正处于方兴未艾和蓬勃发展的时 期。 1 4 树根桩托换研究的重要性 桩基础是最古老的基础形式之一。早在有文字记载的历史以前，人们就懂得 采用木桩来支承房屋。1 9 8 2 年在智利发掘的文化遗址中所见到的桩大约距今 万二千年至一万四千年。我国采用桩基大约也有六千年的历史了。 到了近代，随着科学技术和生产力水平的提高，桩基已成为在土质不良地区 建造房屋建筑和重型厂房及各种具有特殊要求的建筑物所广泛采用的基础形式 之一。在二十世纪四十年代初，随着大功率钻孔机具的研制成功，在美国出现了 冲( 钻) 孔混凝土灌注桩，随着二次世纪大战的结束，世界经济复苏，高层、超高 层建筑不断兴建，它们大多数选用了钻孑l 灌注桩。二十世纪七十年代后钻孔灌注 桩在世界各地蓬勃发展起来。 我国钻孑l 灌注桩是1 9 6 3 年在河南省诞生的。当时钻孔的孔径仅6 0 7 0 c m ， 采用人工推磨方式钻孔。1 9 6 4 年河南省在公路桥梁工程中成功地采用“人工推 磨”的方式实现了由6 0 l o o c m 钻孔灌柱桩的施工，1 9 6 5 年在全国公路桥梁建 设中迅速推广，随后全国各地开始进行机械钻孔的研究，从而开创了我国钻孔灌 注桩的新局面。 一批批高层、超高层建筑物拔地而起，一座座大桥、特大桥如虹横跨大江两 岸，这些高层、超高层建筑物般均设置在建筑物密度大、人口密集、交通拥挤 的市区，因而基础形式不得不采用非挤土、无噪声的大直径超长灌注桩基础，而 大桥、特大桥一般均跨越大江( 河) 两岸，通常这些地方地质条件较复杂，为满足 通航、施工及桥梁本身稳定与沉降的要求，也不可避免地要采用大口径钻孔灌注 桩基础形式。 改革开放以来，随着我国经济建设的迅猛发展，为适应城市建设、市政改造、 旅游业、交通业的发展，树根桩【3 】【剐【1 0 】( r o o tp i l e s ) 作为一种小直径的就地灌 注钢筋混凝土的钻孔桩，其适用范围非常广泛，它适用于既有建筑物的修复和加 层、古建筑的整修、地下铁道穿越、桥梁工程等各类地基的处理与基础加固，以 及增强土坡或岩坡的稳定性等工程。因而树根桩的问世，使托换技术有了很大的 进步。 根据我国情况，因树根桩如下多方面的因素，致使对树根桩托换技术的研究在 建筑业中占有重要的地位【8 】： ( 1 ) 由于我国悠久的历史，存在许许多多需要进行地基基础加固的古建筑 的维修 ( 2 ) 出于勘察、设计、施工或使用不当，造成既有建筑开裂、倾斜或损坏， 而需要进行地基基础加固。这在软土地基、湿陷性黄土地基、人工填土地基、膨 胀土地基和岩土组合地基上极为常见。 ( 3 ) 与世界各国相比较，我国人均占地很少，农业用地与建设用地矛盾日 益突出，尤其是城市建设用地越来越紧张，致使土地价格持续上涨，真所谓“一 寸土地一寸金”。许多单位在征地十分困难的情况下，或其原所在办公及住宅地 处黄金地带，希望增加使用砸积，要新建房屋投资必然越来越高，雨对既有建筑 进行加固改造，如增层、增加荷载、改建、扩建等就成为节约建设用地，节省投 资的有效途径。 ( 4 ) 我国建国初期至2 0 世纪7 0 年末建造的大量工业建筑、公共建筑和大 量住宅建筑，已接近或超过设计基准期，需要根据建筑现状逐步进行加固改造， 以延长其使用年限。 ( 5 ) 因遭受人为或自然灾害( 如火灾、水灾、风灾、地震等) 造成建筑物的损 坏；需要进行加固改造，以恢复房屋的安全度。 ( 6 ) 因周围环境改变，如地下工程施工、邻近工程的施工和深基坑开挖对 既有建筑可能产生影响而需要进行地基基础加固。 1 s 本课题研究的意义 目前我国运用树根桩托换技术对既有建筑地基基础加固技术的研究虽然还 处于方兴未艾的阶段，需加强对其试验与理论研究，多积累资料，现已取得了一 些成果，且发展异常迅速。近年来全国各地需要进行地基基础加固的既有建筑迅 速增加，而且已经完成了一批风险高、难度大的工程项目，其中包括些国家重 点工程改造项目，取得了可观的经济效益和社会效益。在标准规范编制方面，新 编了国家于亍业标准既有建筑地基基础加固技术规范j 铆】2 3 2 0 ，经建设部 审查，批准为强制性行业标准，自2 0 0 0 年6 月1 日起施行。这有力地促进树根 桩托换技术在既有建筑地基基础加固领域技术进步和发展，更好地将树根桩托换 技术应用于工程实践，更好地服务于社会，切实提高人们的生活环境水平【引。 因此，树根桩托换技术有着广阔的发展前景，特别是在我国南方浅基础( 条 形及柱基) 下松散地层( 砂层、软粘土及松散填土层) ，另外采用树根桩对岩坡 及土坡的稳定加固、地下铁道与地下洞室的加固处理、挡士墙锚固等许多方面都 隧起到良好的f 1 二用，为岩土工程清理捉f 戈二0 新颖的力法l 】。 第二章树根桩的基本特征 2 1 树根桩的概念 树根桩( r o o tp i l e s ) 是在2 0 世纪3 0 年代初由意大利的f o n d e d i l e l l 3 】公司 的f l i z z i 所首创并付之实践的。有的树长在山岭上和丛林中，虽经风雨摇撼和 岁月沧桑，仍可数百年屹立不倒，这主要是根深蒂固，其根系在各个方向与土牢 固地连结在一起，树根桩的加固设想由此而来，其桩蓦形状如“树根”而得名。 英美各国将树根桩列人地基处理中的加筋法( s o i l r e i n f o r c e m e n t ) 范畴。 树根桩是一种小直径的就地灌注钢筋混凝土的钻孔桩i ”】，其直径通常为 l o o 2 5 0 m m 【3 】，有时也有采用3 0 0 m m 的【1 3 】，其长度般为6 2 0 m ，国外最大 达3 0m ”j 。 树根桩的成桩机理是【3 】【8 】【1 0 】：在托换工程使用时，施工时一般先利用钻机在 原有建筑物基础上施工一系列有规贝f j 的钻孔，到达设计标高后，清孔、下敖钢筋 ( 钢筋数量从一根到数根，具体视桩径而定) ，同时放入注浆管，再用压力注入水 泥浆或水泥沙浆；边灌、边振、边拨管( 升浆法) 而成桩。也可放入钢筋笼后再放 碎石，然后注入水泥浆或水泥沙浆而成桩。国外是在钢套管的导向下用旋转法钻 进，我国上海等多数地区施工时都是不带套管的。 根据设计需要，树根桩可以是垂直的或倾斜的；也可以是单根的或成排的； 可以是端承桩，也可以是摩擦桩。树根桩如布置成三维系统的独特方式的网状体 系者称为网状结构树根桩( r n i c u l a t e dr o o tp l l e s ) i ，日本简称为砒渖工法。 2 2 树根桩在国内外的发展现状 树根桩在第二次世界大战后迅速从意大利传到欧洲、美国和日本，开始用于 修复古建筑，进而用于修建地下铁道等的托换工程1 3 】i “。 我国研究树根桩，首先由同济大学推荐，于1 9 8 0 年在室内做了1 5 0 m m 15 0m m 4 0m m 的树根桩成桩试验研究：l 粥i 年在苏州的虎丘塔纠倾工程 中离虎丘塔塔身约4 m 处共进行了三根树根桩的室内外试验研究【1 1 】，施工时经过 监测证明，钻机钻进时的振动对塔身没有影响，此项研究对修复虎丘塔最后采用 压力注浆加固方案提供了可靠的实践依据【1 8 1 ；1 9 8 3 年该校又在上海新卫机器厂 与上海勘察院在现场做了一系列树根桩的载荷试验，对竖桩、斜桩、单桩、群桩、 长桩和短桩的性能进行了试验研究；1 9 8 5 年在上海东湖宾馆加层中，该校又与 上海市基础工程公司台作在国内工程中第一次正式使用树根桩【1 2 l 【2 0 】；继后1 9 8 7 年初，上海市隧道设计院对延安东路越江隧道的盾构穿越黄浦江后到达浦西，向 市中心推进时，沿线的外滩原天文台、纺织品仓库和针织品仓库等建筑先后采用 了树根桩托换加固，取得了有益的实践经验和良好的经济效益。中华人民共和国 行业标准建筑地基处理技术规范o g j7 争一9 1 ) 1 2 i 】在第十一章“托换法”中列 入了树根桩的内容；上海市标准地基处理技术规范( d b j0 8 4 0 _ _ 9 4 ) 【2 ”，将 树根桩列为第十章。对树根桩的设计、施工和质量检验都作了具体的规定；在我 国的上海、北京、云南、湖南、广东和西安黄土地区都有很多工程实例和论文发 表。由此可见，树根桩在我国托换领域内已取得很大的经济效益和技术效果1 2 ”。 在国内外，树根桩已用于古建筑托换加固、建筑物增层、稳定岩石和土质边 坡、厂房基础和设备基础加荷、危房加固、地下铁道穿越和深基坑开挖对既有建 筑物的保护等托换工程0 3 】【8 】【2 ”。树根桩用于基础的托换和地基土的加固，在国际 上己超过了三千多个工程。下面简单介绍国内外几个典型的工程实践，以便能窥 出树根桩在托换工程中独树一帜和巧妙之处【2 6 】。 2 2 1 古建筑托换加固 在古建筑的整修中，古塔、教堂和钟楼这类高耸古建筑的托换加固属于一个 特殊问题。因为塔的力学传递总是特别脆弱，常常要注意在加固时可能从它不可 靠的稳定性发展到灾害；若作临时支撑，又会使邻近塔身的地基土增加附加应力， 从而导致失去平衡，且金属的支撑也会因温度变化而产生肪动应力，所以对这类 古建筑的托换，要求不影响它的微妙平衡状态。意大利罗马s a n d r e ad e l l e f r a t t e 教堂是建于1 2 世纪的古建筑，1 9 6 0 年进行了地基土和上部结构的全面加 固( 图2 一1 ) 。 7 图2 1 意大利罗马s a n d r e a d e l l ef 嘣t e 教堂的托换加固 墙身的加固是采用钢筋插入墙体，并用低压力注浆，成为加筋的砖石砌体。 加固的作用是利用钢筋的表面摩擦力，并借助钢筋交错搭接来保证连续性，这并 不是依靠注入的水泥浆( 也有用树脂) 在砌体内的扩散。加固是从建筑物自上向下 直到地基土为止，与树根桩形成一个连续的整体。 意大利v e n i c e 的b u r a n 0 钟楼的托换加圃也应用了该技术( 1 3 i ( 1 4 l 。该钟楼建 于1 6 世纪，由于地地基土质不好，塔的倾斜已处于极度危险，最后确定的托换 方案是在塔基周边建造树根桩，它与结构物的连接既可承受拉力也可承受压力。 树根桩与桩间土成为个整体构成的稳定力矩，设计时又考虑了塔与树根桩基础 在一起的重心点需接近地面的形心，这样使塔体的稳定性得到明显的改善，而经 树根桩托换的工程可视作为一个整体，这种托换工程的方案构思别具匠心( 图2 2 ) 。 b 图2 2意大利v e m c e 的b u r a n o 钟楼的托换加固。 ( a ) 塔身立面( b ) 加固后的力系( c ) 塔基平面 2 2 2 稳定岩石和土质边坡 采用树根桩稳定p o n r o v e n e r e 岩石峰是另外一个成功的例子【1 3 l 【1 4 1 。 p o n r o v e n e r e 岩石峰在地质岩性上属白云岩，具有不少溶洞，岩体表面布满着各 个方向的裂缝，每当海浪袭击厉害时，便会波及峰顶1 2 世纪建造的世界宗教界 著名的圣彼得教堂的外围砌体，值得令人担忧的是悬崖会破坏，随之教堂也将倒 塌。最后采用了岩石锚杆形成的“网状结构树根桩体系”，并用低压力注浆进行 注密，从而形成了坚固的岩质边坡体系。 图2 3采用树根桩稳定p o r t r o v e n e r e 岩石峰 9 采用网状结构树根桩整治滑坡和土坡也在广泛应用 g 】1 1 3 】1 1 。 图2 4 采用网状结构树根桩整治滑坡 图2 5采用树根桩对土坡的稳定进行加固 2 2 - 3 地下铁道穿越 图2 6 为意大利的s l u c i a 浅埋地下铁道 8 】【”j 。该地下铁道要在城市大 厦的下面穿越，现场的地质条件是粉土和细砂，不能采用注浆托换方案，最后选 定网状结构树根桩方案。首先在地下室内将己建成的网状结构树根桩上用十字交 叉基础梁与原有基础纵横联系起来成为一个整体。其次，又可防止地下铁道开挖 时a 区的卸荷作用。 图2 6意大利的s l u c i a 浅埋地下铁道 l 一网状结构树根桩；2 一在树根桩上加十字交叉基础梁与原有 基础联系起来：3 一原有基础 2 。2 。4 建筑物增层 图2 8 为意大利n a p l e s 市政府办公楼的加层托换【8 】【13 1 。该既有建筑物除地 下室外只有3 层，由于使用上要求增加5 层，同时要求托换加层施工时，市政府 白天仍能保持正常办公。 最后决定的增层方案的步骤是： ( 1 ) 首先在底层靠近原有基础处制作树根桩，然后在桩上筑基础粱，梁上再 筑钢柱子，柱子穿过原有楼面到达屋顶； ( 2 ) 底下3 层旌工是在市府白天办公时间结束后开始。增加的5 层是钢结构 的构架，它可在既有建筑物钓屋顶上进行建造，因而白天也可施工而不影响下面 市府办公； ( 3 ) 待加建5 层完工后就可拆除原有3 层建筑，重建三层时可进行新的分隔和 安装现代化的设旌，并将有关楼板和整个结构联结起来成为整体。 r l l l l l i i 竭 秽融心 一厂 & f 。：；h 图2 8 意大利n a p l e s 市政府办公楼的加层托换 上海服装五厂加层加固厂房基础也应用到该技术。上海服装五厂厂房建于 l98 1 年，主楼五层和副楼四层，因建筑物场地下有暗浜、淤泥质粘土厚达 9 5 m ，至1 9 8 4 年西南角最大沉降达4 8c m ，东端沉降2 0 c m ，沉降差达2 8 c m 。 另外因生产发展的需要，还需要将主楼和副楼加至六层，最后决定采用树根桩托 换加固。 图2 9上海服装五厂加层加固厂房基础 2 3 树根桩的优点 从以上简要介绍国内外的工程实例中可见，树根桩的适用范围非常广泛。它 适用于既有建筑物的修复和加层、古建筑的整修、地下铁道穿越、桥梁工程等各 类地基的处理与基础加固，以及增强土坡或岩坡的稳定性等工程。因而树根桩的 问世，使托换技术有了很大的进步。由此可见，采用树根桩进行托换工程具有如 下优点 3 l 娜o 】 1 6 】f 2 7 ： ( 1 ) 由于使用小型钻机，故所需施工场地较小，只要有平面尺寸1 m l5 m 和净空高度25 m 即可施工，为此可保证工厂继续生产，公用设施继续使用 2 8 l 。 ( 2 ) 承载力高。据有关资料显示，一根直径为1 4 0 哪，长度为4 7 0 m ， 桩瑞进入密实中砂层的微型桩的极限承载力为8 3 5 k n ；完全埋入土中的微型 桩，能提供9 1 0 k n 的安全工作荷载。当微型桩坐在岩石中时，能承受的安全 工作荷载高达2 7 2 0 k n 。 ( 3 ) 施工时噪声小，机具操作时振动也小，不会给原有结构物的稳定带来 任何危险，对已损坏而又需托换的建筑物比较安全，即使在不稳定的地基中也可 进行旌工。 ( 4 ) 施工时因桩孔很小，故而对墙身和地基土都不产生任何次应力，仅仅 是在灌注水泥砂浆时使用了压力不大的压缩空气，所以托换加固时不存在对墙身 有危险；也不扰动地基土和干扰建筑物的正常工作情况； 树根桩托换施工时不改变建筑物原来力的平衡状态，这种原来力的平衡状 态对古建筑通常仅有很小的安全系数，必须将这一点作为对古建筑设计托换加固 的出发点，亦即使丧失了的安全度得到补偿和有所增加。所以，树根根的特点不 是把原来的平衡状态弃之不顾，而是严格地保持它。 ( 5 ) 所有施工操作都可在地面上进行，因此施工比较方便，且没有从基础 下面开挖的危险，无需临时临时支撑结构和大量的改建与恢复工作。 ( 6 ) 桩、承台和墙身联成一体，以及压力灌浆使桩的外表面比较粗糙，使 桩和土间的附着力增加，从而使树根桩与地基土紧密结合，使桩和基础( 甚至和 墙身) 联结成一体，因而经树根桩加固后，结构整体性得到大幅度改善1 2 9 】。 ( 7 ) 能穿透各种地下障碍物，适用于碎石土、砂土、粉土、粘性土、湿陷 性黄土和岩石等各类地基土【3 0 】1 3 ”。 ( 8 ) 沉降量小。工程实践表明：一根直径为2 2 0 m m ，长度为7m 的桩端 进入硬塑粘性土的树根桩，当荷载加至3 1 4 k n 时，桩顶沉降仅为3 8 胁，而 一根桩端进入砂状强风化岩，长度为li m 的微型桩，当荷载加至6 4 8 k n 时， 桩顶沉降仅为2 2 i i i i n 。 ( g ) 由于在地基的原位置上进行加固，竣工后的加固体不会损伤原有建筑 的外貌和风格，这对遵守古建筑的修复要求的基本原则尤为重要。 第三章树根桩的设计理论与计算 3 1 单根树根桩的设计 树根桩基本上是磨擦桩，采用树根桩进行托换时，可认为树根桩在施工时是 不起作用的p ”。此后当建筑物产生极小的沉降时，桩立即起作用承担部分荷载， 且反应迅速，同时减少原基础基底压力。如果建筑物继续下沉，则桩继续分担上 部荷载，减少基底压力，直至树根桩承担建筑物的全部荷载。但在任何情况下最 大沉降将限制在几m m 之内。 树根桩的创始人意大利f l i z z i 认为单根树根桩的设计方法应按如下的思 路考虑：先按图3 一l 求得树根桩载荷试验的p s 曲线【1 3 】f 1 4 1 ，设计人员可根据 被托换建筑物的具体条件，如建筑物的强度和剐度、沉降和不均匀沉降、墙身或 各种结构构件的裂损情况，判断估计经托换后该建筑物所能承受容许的最大沉降 量s 。，根据s 。再在p s 曲线上可求得相应的单桩使用荷载p 。当建筑物出现小 于沉降s 。的s 。时，则相应的荷载p 。，此时则意味着建筑物的部分荷载传递给桩， 而另一部分荷载仍为既有建筑物基础下地基土所承担。因此，较p 。值大很多的 极限荷载p u 并不重要。由此可见，用于托换肘的树根桩是不能充分发挥桩本身 承载能力的。树根桩的承载力主要取决于被托换建筑物的容许沉降量，因此在实 际设计时，据单桩载荷试验资料，按按一般桩基设计方法进行即可。 j ( 1 n n 订 图3 1树根桩载荷试验曲线 当现有地基承载力不能满足目前萄载，或因各种其它情况可能进步增加荷 载，或因沉降将超过地基容许沉降时，此类基础就需要进行托换加固。 当进行树根桩托换加固时，原有地基土的安全系数是很小的，但决不会小于 i ，如果小于i ，则建筑物旱己倒塌。由于树根桩在建造时将不会使安全的储备 量消失，因此由树根桩所托换建筑物的安全系数将是： 4 k 2 k s + k 口 式中k 。1 是原有地基土的安全系数： k p = p 。p a 1 是树根桩的安全系数。 由此可见，经树根桩托换的工程，其安全系数并不等于加固后建筑物下桩的 安全系数，实际上要比桩的安全系数大得多。 若采用树根桩用于承受垂直荷载( 图3 2 ) 1 3 】【8 1 【3 3 ，则原有基础和新建树根 桩基础可考虑共同作用，此时有： q f q 内 q = q o + q = q q 。 式中q 总的外荷载( k n ) ： q o 作用在原有基础上未托换前初始状态的荷载( k n ) ： q 仍作用在原有基础底面下未托换前基底反力的合力( k n ) ： q 一增加外荷载( k n ) ： q 广作用在原有基础上托换后的荷载( k n ) ： q 。作用在树根桩上的荷载( k n ) 。 确定承载力一般可采取如下步骤： 确定原有基础上的容许荷载及树根桩承受的荷载0 。； 决定桩数，使树根桩总的承载力大于q 。； 验算传递到地基土上各桩的容许承载力q 。； 验算与桩极限荷载q u 相比有足够的安全系数的容许承载力q 。； o j 芹。 f t ，f 。 f o l a。、。二 。一 q f 软粘土 j 上 一垒i 1 麓篆囊；= 于 ：乙： 立。 蠹飘 q 。 图3 2 树根桩在托换工程中荷载与沉降分析示意图 另外，桩位布置时要考虑施加荷载的合力重心要与基底重心相重合。在托换 工程完工后，基础的沉降是由桩尖持力层的沉降( s b ) 和桩的弹性压缩( ) 两 部分组成： s 产s b + 一个正确的设计应当是先确定托换的基础所能容许的沉降量，再根据桩的p s 曲线上求得容许的沉降值相对应的q 。值，进而推算出q f 值，这样就可计算 出s h 和s m 值，最后通过上式验证s f 值是否合理。 3 2 网状结构树根桩的设计 网状结构树根桩是个修筑在土体中的三维结构。图3 3 表示在建筑物 附近开挖深基坑时采用网状结构树根桩对既有建筑物防护的侧向托换方案。 对于网状结构树根桩设计时，日本提出了一套设计计算方法，其基本原理是 将树根桩和土间的相互作用为基础，由桩和土组成复合土体的共同作用，将桩与 土围起来的部分视作为一个整体结构，其受力犹如一个重力式挡土结构一样承受 压力、拉力和剪力。这种网状结构作为挡土墙用以稳定土坡和岩坡，保护由于地 铁或隧道等通过邻近建筑物时的侧向托换口】【”。 网状结构的断面设计是一个很复杂的闯题，在桩系内的单根树根桩可能要求 承担拉应力、压应力和弯曲应力。其稳定计算在国外通常是用土力学的方法进行 分析。 由于树根桩在土中起了加筋的作用，因而土中的刚度起了变化，所阱网状结 构树根桩的桩系变形显著减少。迄今为止，对桩与土共同工作的特征，还不容易 做出足够准确的分析。丽桩的尺寸、桩距、排列方式和桩长等参数，国外都是根 据本国实践的经验而制定的。 国外对网状结构树根桩的设计首先必须进行树根桩的布置，再按布置情况验 算受拉或受压的受力模式，对内力和外力进行计算分析。 图3 3 采用网状结构树根桩进行侧向托换 内力方面的分析为： ( 1 ) 钢筋的拉应力、压应力和剪应力； ( 2 ) 灌浆材料的压应力； ( 3 ) 网状结构树根桩中土的压应力； ( 4 ) 树根桩的设计长度； ( 5 1 钢筋与压顶梁的粘着长度； ( 6 ) 网状结构树根桩用于受拉加固时，压顶梁的弯曲压应力。 外力方面的分析为： ( 1 ) 将网状结构树根桩的桩系( 包括土在内) 视为刚体时的稳定性 ( 2 ) 包括网状结构树根桩的桩系在内的天然士体的整体稳定性a 3 2 1 受拉网状结构树根桩的设计和计算 在没有抗拉强度的土中设置的树根桩，就是要使树根桩具有抗拉构件的功 能。 网状结构树根桩用于保护土坡则不需任何开挖。如图3 4 所示，在实际工 程中受拉树根桩可布置在与预测滑动面成4 5 0 + ( p 2 角度的受拉变形方向 另外， 由于滑动面可能有多种方向，而树根桩的布置也可能有多种方向，因此必须考虑 树根桩与受拉变形间的角度误差，故而可将树根桩布置在与土的受拉变形成o o 2 0 0 的角度范围内。 1 内力计算 受拉网状结构树根桩设计时，有两种情况的内力需要计算( 图3 5 ) ：一个是 压顶梁背面的主动土压力计算；另一个是抗滑力计算。 l 1 图3 4 滑动面与网状结构布置的关系图3 5 压顶梁背瑟的作用力为主土压力时 1 - 假想滑动面：2 受拉变形方向：3 - 树根桩布置范围：树根桩拉力计算 4 一网状结构树根桩：5 。各种可能的滑动面： 情况( 1 ) ：按压顶梁背面的作用力为主动士压力时，作用于树根桩的拉力按 下式计算： t r j = p i - h b c o s 1 l c o s0h 1 c o s 日b 式中，t 础一一第i 根树根桩上作用的拉力( k n ) ： 只一一第i 根树根桩上作用的土压力( k p a ) ； h 树根桩的纵向间距( m ) ； b 一一树根桩的横向间距( m ) ； a 土压力作用方向与水平线所成的交角( 。) ； 擎絮孱第 e “，树根桩布置方向与水平线所成的投影角( o ) ： os 一一树根桩水平力向的角度( o ) 。 咖 p i = k 。( y 诅t + q ) 式中k 。主动土压力系数； y 。a i _ 土的饱和重度( k n m 3 ) ： h i 一一由上覆荷载作用面至第i 根树根桩的深度( m ) ； q 一一上覆荷载( 1 ( p 0 。 情况( 2 ) 按抗滑力分析时，作用于树根桩的拉力按下式计算( 图3 6 ) 图3 6 抗滑力分析时树根桩拉力计算 t r = p r ，s l c o s 2 l c o soh l c o se8 式中t r 一一每根树根桩上作用的拉力( k n ) ； p r 一一为避免发生圆弧滑动而需增加的抵抗力( k n m ) ； s 。单位宽度l n l 中树根桩根数； o 。一一滑动力作用方向与水平线所成的角度( o ) 。 2 钢筋拉应力计算： o 。- t r 1 0 3 丸o ；。 式中o 。钢筋的拉应力( n c m 2 ) ； n 一树根桩所受的最大拉力( 1 羽) ； o 。一钢筋的容许拉应力( n 忙m 2 ) ； & 一一钢筋的截面积( c m ：) 。 3 树根桩设计长度 图3 7 所示的滑动面【钔，其锚固区内的树根桩可视为抵抗拉力作用，主动 区内则不予考虑抵抗拉力的能力。 图3 7 树根桩设计长度 1 树根桩；2 锚固区；3 主动区；4 ，滑动面 1 8 l m 。k m a x 1 0 f s p 扭d 。z 一 式中l 。一一树根桩锚固长度( m ) ； d 一一树根桩直径f m ) ； t 。一一树根桩与桩间土的粘着应力( n c m 2 ) ； f 矿前根桩与桩问土的粘着安全系数。 树根桩的设计长度等于树根桩的锚固长度加主动区内的树根桩长度，但其总 长不应小于4 m ，亦即： l = ( l f o + l 。) 4 0 式中l 树根桩设计长度( m ) ： i o _ 一主动区内树根桩的长度( m ) 。 4 钢筋与压顶梁的粘着长度 l m o = t r l o ( 7 c d t c 。) 式中l 。o _ 一钢筋与压顶梁的粘着长度( m ) ； d 钢筋直径( c m ) ； t 龃一钢筋与压顶梁的容许粘着应力( n c m 2 ) 。 当压顶梁的构造不能满足此粘着长度的要求时，应在钢筋顶部加承压板， 5 压顶梁计算 一般压顶梁为钢筋混凝土结构，对作用于树根桩的拉力所引起的应力，压顶 梁应具有足够的承受能力。 6 网状结构树根桩在内的土整体稳定性计算 由于网状结构树根桩的布置与滑动方向成4 5 0 + ( p ，2 的角度，这可约束土的 受拉变形，其加固效果可看作是使土体的粘聚力增大了c 值，增大了小主应力 就可使其与大主应力的比值增大，从而提高土体的强度和增加其稳定性。 c = r 。k p l 7 2 ( h b 2 ) 式中c 增加的粘聚力f 心a ) i r t 树根桩的抗拉破坏强度( k n ) ； k p 被动土压力系数。 k p 气( 7 c ，4 + 中2 )或k p = ( 1 + s i 叩) ( 1 - s i i 坤) 考虑到滑弧可能有多种方向，而树根桩的布置也可有多种方向，所以必须注 意到树根桩和受拉变形方向实际上存在的角度误差，为此要修正附加的粘聚力： c = c o so c o s0b c 式中 c 近似修正后的附加粘聚力f 妞a ) ； e 推算所得土的拉伟变形方向与树根桩布置方向所成的角度( 0 ) i en 树根桩水平方向的角度n 。 3 2 2 受压网状结构树根桩的设计和计算 对于受压网状结构树根桩设计时，可根据网状结构树根桩加固f 包括桩间土 在内) 计算基准面上作用的垂直力n 、水平力h 和弯矩m 计算内力( 图3 8 ) 【1 3 】【1 4 】， 另外，对网状结构树根桩用于深基坑开挖时的支护结构的侧向托换( 图3 3 ) ， 只要已知某设计断面上的n 、h 和m ，亦可进行以下同样方法设计计算。 1 9 图3 8受压网状结构树根桩上的作用力 1 压顶粱；2 树根桩；3 预计滑动面；4 计算滑动面 1 内力计算 计算基准面处的网状结构树根桩加固体 的等值换算截面积和等值换算截面惯性矩( 图 3 9 ) 【1 3 】【1 4 1 为： a r r p = m a p s 2 + b h a p = ( n 1 ) a 6 + & i r r p - m a p x 2 + b h 3 ，1 2 式中a r r p 一计算基准面处，网状结 。 构树根桩加固体的等值换算截面积( c m 2 1 ；图3 9计算基准面示意图 i r r r 计算基准面处，网状结构树根桩加固体的等值截面惯性矩( c m 4 ) ； a p 一根树根桩的等值换算截面积( c m 2 ) ； m 一一树根桩与其周围的弹性模量比( 一般取2 0 0 ) ； n 一一钢筋与砂浆的弹性模量比( 一般取1 5 k s 2 一一计算基准面内包括的树根桩根数： b 、h 树根桩布置的单位宽度及长度( c m ) ； x 计算基准面中和轴至各个树根桩的距离( c m ) ； y 一一计算基准面中和轴至计算基准面边缘的距离( c m ) ： 氏一一树根桩的截面积( c m 2 ) ； 瓜一一钢筋的截面积( c m 2 ) 。 由此求得计算基准面处网状结构树根桩加固体上作用的最大压应力为： or r p - n 1 0 3 a r r p + m 1 0 h y i r r p 式中：。r r p 一一计算基准面处网状结构树根桩加同体上作用的最大压应力( n c m 2 ) ： n 、m 计算基准面处网状结构树根桩加固体上作用的垂直力f k n ) 及弯 矩( k n m ) ： 2 网状结构树根桩加固体中土的压应力计算 式中f _ - 一计算基准面处经修正后地基承载力设计值( n 咖2 ) 3 砂浆与钢筋上的压应力计算 or = m o r r p o 。 0 “= n or 0 _ 。 式中 or 作用于砂浆上的压应力( n c m 2 ) ； o 。 一砂浆压应力设计值( n c m 2 ) ； o ；。作用于钢筋上的压应力( n c m 2 ) ： o 。- 钢筋压应力设计值( n n c m 2 ) 。 4 树根桩设计长度的确定 树根桩设计长度等于计算基准面以下必要固着长度l 。与计算基准面以上长 度l o 之和。 l r o = 氏or ( 7 【d 1 。1 0 ) 式中t ，。树根桩与计算基准面以下土间粘结力设计值( n c 印2 ) ； d 树根桩直径( c m l 。 5 钢筋与压项粱间的粘着长度( l 。) 计算 l 。= a s o 。( 兀d t 。1 0 ) 式中 a s y 一钢筋的截面积( c m 2 ) ； d 钢筋直径( c m ) ； t 。钢筋与压顶梁间粘着力设计值洲c m 2 ) 。 6 网状结构树根桩加固体在内的土体整体稳定性