既有建筑加固工程的微型桩技术分析

黄智孟

身份证号码：45020319761109XXXX

摘要：由于既有建筑在加固过程中会受到施工条件及设计条件的限制,因而对于施工工艺以及施工设备要求相对要高。现阶段,对既有建筑进行加固改造的工程越来越多,市场需求越来越大。基于此,本文就简单的工程案例,分析了既有建筑工程在加固施工中应用微型桩技术实际情况,实际工程应用效果表明,微型桩技术在既有建筑加固工程中具有较好的适用性,可推广应用于类似工程。

关键词：既有建筑；加固工程；微型桩技术

引言

目前,由于各种原因而需要对既有建筑进行加固改造的工程日益增多,既有建筑加固的市场需求和市场容量巨大[1-2]。既有建筑加固改造工程,一般首先遇到的就是地基基础的加固问题,一些工程还需要对既有建筑进行地下功能的拓展和开发。既有建筑地基基础加固工程,由于设计要求或者施工条件限制,一般要求加固施工使用的机械设备能够尽可能地紧邻既有建筑或是能够在既有建筑内部施工。因此,既有建筑地基基础加固施工对施工设备的性能及施工工艺一般都有着特殊的要求,目前岩土工程施工使用的常规设备及施工工艺在地基基础加固工程中往往难以适用。结合某既有建筑加固改造工程,为了满足结构加固改造设计及地基基础加固设计要求,使用一种新型的微型桩技术。实际工程应用表明,这种新型的微型桩技术对于既有建筑地基基础加固工程具有较好的适用性,特别适用于需紧邻既有建筑或在既有建筑内部进行地基基础加固施工的工程,且具有成桩效率高、成桩质量易于保证的特点。这种新型的微型桩技术可推广应用于既有建筑地基基础加固等类似工程项目。

1、既有建筑加固改造概况

1.1既有建筑概况

某既有建筑设计、建造于20世纪30年代,东西向长约46m,南北向宽约19.1m。既有建筑地上3层,首层办公用,层高约3.66m,二层为篮球场(东、西两端为看台),层高约6.4m,三层为坡屋盖,层高约7m;地下1层,层高约3m。

既有建筑地上为钢筋混凝土、砌体混合结构,地下室为素混凝土结构,基础为素混凝土条形基础[1]。

1.2既有建筑加固改造建筑、结构设计概况

根据建设方加固改造要求,既有建筑首层局部进行拆除改造,地下室进行功能改造,拆除地下室内部全部承重墙,提供大跨度地下空间,同时地下室向下增加层高。

根据结构设计方案:

(1)原地下室内部纵向承重墙、地下室顶板、横梁全部拆除,在原地下室顶板部位新建托换结构(标高-3.0m以上,在地下室内部新建的梁、板及墙结构),托换首层部分荷载。

(2)托换结构及首层改造完成后,土方开挖到基底,完成-3.0m以下地下室向下加深部分结构的施工。在地下室加深部分结构施工完成后,托换结构及其承担的荷载由新建地下室结构传递到地基基础上。

(3)既有建筑加固改造后±0.0m为原首层室内建筑地面标高,改造后地下室基底相对标高-5.246~-6.960m。相对原基底标高,在原基础内侧向下土方开挖深度约2.3~4m。

1.3钢管桩设计

根据建设方要求,对原地下室的改造及地基基础加固,均需要在原地下室内部进行,并尽量减少加固结构对地下室内部空间的占用。为满足建设方要求及实现结构设计功能,在原基础内侧设计钢管桩,钢管桩中心距地下室外墙的距离为0.5m[2]。

根据结构设计及施工的不同阶段,钢管桩需要满足如下两个方面的功能:

(1)地下室内部土方开挖前,荷载托换结构及首层结构改造施工完成,地下室内部承重墙拆除完毕,在这一阶段,荷载托换结构及其所承担的首层结构荷载由钢管桩承担。

(2)地下室内部土方向下开挖到基底,地下室向下加深部分结构施工完成前,钢管桩作为挡土结构,结合拉锚结构,组成支护结构,保证土方开挖过程中结构的安全[3]。在这一阶段,钢管桩同时还具备第一阶段的功能。

2、钢管桩施工设备及施工工艺

2.1钢管桩施工设备

地下室通道为宽度1.2m的人行楼梯。钢管桩施工前,拆除了原地下室顶板,原地下室梁暂时保留,梁下施工净高2.2m。为满足施工空间限制及钢管桩施工技术要求,在传统钻机基础上进行设备体量和施工能力的改造,改造的微型钻机由北京优博林机械设备有限公司生产。

根据微型钻机长度方向与墙体距离的不同,钻杆中心与墙体的距离在0.4~0.5m以内。微型钻机体量及施工能力满足地下室的施工条件,成桩能力能够满足钢管桩的设计要求。

2.2钢管桩施工工艺

根据地质条件和施工条件的不同,微型钻机可以采用以下两种成孔工艺:

(1)螺旋钻杆成孔工艺。对于孔壁自立性好、不易塌孔的地层,采用干成孔工艺。对于易塌孔地层,可采用水泥浆护壁工艺,成孔完毕后,下放钢筋笼或钢管。

(2)套管跟进成孔工艺。由于外套管兼具护壁功能,因此对地层的适应性要优于螺旋钻杆成孔工艺,同时也适用于有地下水的情况。成孔完毕后,拔出内管,下放钢筋笼,再拔出外套管。当采用钢管桩时,外套管可直接作为钢管桩桩体,此时,成孔、成桩同步完成。套管跟进工艺的缺点是成孔时内管冲进产生泥浆,需采取措施避免泥浆对地基基础产生不利影响。

根据本工程的特点,经现场试钻对比了上述两种成孔、成桩工艺,套管跟进成孔、成桩工艺在施工功效、成桩质量上要显著优于螺旋钻杆成孔、成桩工艺。因此,在工程桩施工时,选用套管跟进成孔、成桩工艺。钢管桩作为外套管在成孔时随着钻进逐节下放,待达到设计孔深及桩长,拔出内管即可成桩,因此成孔、成桩同时完成。采取地面硬化、集水坑、集浆池等措施保护地基基础不受浸泡。

根据微型钻机的性能,钢管桩设计参数及地下室施工条件,采用如图6所示的钢管桩的施工流程与施工工艺。

2.3钢管桩接桩

钢管桩接桩一般采用焊接接桩或硫磺胶泥接桩两种形式[2,4]。根据本工程钢管桩受力特性,可用的接桩方式为焊接接桩。位于地下室横梁下或施工受横梁影响的钢管桩单节长度为1.0m,其他部位为1.2m,一根钢管桩桩节数量为20~25个。采用焊接接桩工艺单个接头焊缝长度约为0.77m,一根钢管桩总焊缝长度为15~20m,焊接接桩时间需要1d左右,且在地下室内部施工,受泥浆影响,接桩质量较难保证。考虑现场施工条件、工期要求、接桩质量等因素,采用工厂定制的连接件进行接桩。

实际接桩施工时,采用连接件接桩具有较高的功效,单个接头接桩时间通常在1min左右,一根桩20~25个接头的累计接桩时间远少于采用焊接接桩的时间。对于接桩连接件,为验证其可靠性及力学性能,在中国建筑科学研究院结构力学试验室进行连接件结构力学试验。连接试件如图8所示,抗拉和抗弯试验各两组,编号为1号,2号,3号和4号。

桩身钢管车丝后有效壁厚5mm,抗拉强度设计值为1168.7kN,抗弯强度设计值为68.5kN•m。根据图9连接试件试验结果,连接件抗拉和抗弯强度值都大于有效壁厚5mm时的设计值,满足设计要求。

3、钢管桩抗压静载检验结果

钢管桩正式施工前,在现场施工试验桩3根。根据研究分析可知,最大加载量500kN对应的变形分别为8.12mm、7.73mm和7.88mm。使用荷载200kN时,3根试验桩的沉降分别为1.1mm、1.4mm和1.49mm。试验桩承载力检验满足设计要求。地下室钢管桩施工时,采用锚桩法对2根工程桩进行承载力检测试验。

总结

总而言之，根据上文的论述可以得知，通过该项目微型桩技术的应用,可以得出如下几点认识。使用的改进的微型钻机,由于体量小,且具备可拆卸、重新组装的特性,具备本项目要求的施工能力,对于该项目具有较好的适用性。结合本工程施工特点提出的微型桩施工工艺,具有成桩效率高、成桩质量易于保证的特点。在既有建筑地基基础加固施工项目中,需要开发新型施工设备、研究新型施工工艺,才能满足既有建筑地基基础加固施工的技术需求。该新型微型桩技术可推广应用于类似工程,特别是受场地影响或设计要求需要紧邻既有建筑或在既有建筑内部进行施工的情况。

参考文献

[1]张绍坤.既有建筑加固工程的微型桩技术[J].资源信息与工程,2016,31(05):132-133.

[2]李湛.既有建筑加固工程的微型桩技术[A].中国土木工程学会土力学及岩土工程分会.中国土木工程学会第十二届全国土力学及岩土工程学术大会论文摘要集[C].中国土木工程学会土力学及岩土工程分会:中国土木工程学会,2015:1.