论文部分内容阅读
摘要：在总结了微型桩用于增层与改造时的特点（主要包括压力注浆提高微型桩承载力的机理、微型桩与原有基础间的刚性连接）的基础上，通过分析微型桩用于建筑物增层与改造时的受力特点，采用建筑物桩基逆作法的原理，对微型桩与原有地基的受力机理进行了分析，提出了基于桩端刺入变形与桩间土压缩的桩—土—（基础）承台共同作用分析方法。
关键词：微型桩共同工作桩基逆作法增层与改造荷载分担比
中图分类号：TU74 文献标识码：A
近年来随着城市建设的不断发展，建筑物增层与改造的比例逐渐增大，而微型桩因其具有施工场地小、施工方便、对周围环境和地基土影响小、适应性强等优点而被广泛的应用于建筑物增层与改造的地基加固和托换工程中。但在微型桩设计时，一般沿用传统的桩基设计方法，由微型桩来承担全部的新增荷载，不考虑原有地基基础承担荷载的能力，造成了不必要的浪费。
1.微型桩简介
微型桩亦称树根桩（root pile）或小桩，不仅可施工成竖向桩，还可施工成斜桩相互交叉形如树根，所以也被被称为树根桩，实质是就地压浆灌注的小直径灌注桩。微型桩经过压力注浆可与地基土紧密结合，微型桩现广泛应用于各种土木工程中，如旧房改造、房屋加层、古建筑的加固纠偏、防洪堤坝加固、建筑（构筑）物加固防震、新建建筑物基础、危房地基处理、不均匀沉降事故、地下洞室塌陷事故处理、滑坡处治、路堤加固、基坑支护、基础开挖挡土等工程中。
微型桩用于增层与改造处理基础时，微型桩与上部结构的连接方式主要有两种方式：
（1）微型桩穿过原基础：当原基础为宽度较大钢筋混凝土且基础时，微型桩可穿过原基础，在原基础下通过二次灌浆或扩孔钻头将该部分桩体扩大，原基础表面凿毛冲洗干净后，刷界面剂或素水泥浆并作插筋。
（2）微型桩在原基础外侧：
当建筑物原基础为刚性基础或原基础宽度较小时，微型桩一般在原基础外侧做承台梁，为保证承台梁与原圈梁之间结合紧密，承台梁应加入适量膨胀剂，同时施工中注意振捣紧密。
从微型桩与原有基础的连接方式上看，微型桩与原有基础连接紧密坚固，为简化分析可以认为是刚性连接。
2.微型桩-土荷载分担比计算现状
在传统的桩基设计中，所有上部结构的荷载被认为是由桩承担，承台（或筏）不分担上部结构的荷载。但从国内外的实际的工程资料来看，承台（或筏）是承担上部结构荷载的，如英国的海德公园其筏基承担的荷载为40%，更有实例表明筏基承担的荷载可达到60%，因此，在传统的桩基实际方法不考虑承台（或筏）的分担作用，这是不符合实际的。
目前对于微型桩的研究大多集中在竖向承载力方面，且处于室内研究和现场试验阶段，完整的理论研究很少。在《既有建筑地基基础加固技术规范》（JGJ123-2000）中规定：微型桩单桩竖向承载力可通过单桩载荷试验确定；当无试验资料时，也可按国家现行标准《建筑地基基础设计规范》有关规定估算，一般不考虑桩间土对新增荷载的分担比。山东建筑大学鉴定加固所孙剑平等人在大量的微型桩工程应用中，通过试验研究和分析，提出了微型桩单桩竖向承载力建议计算公式，区分桩侧不同土质情况对桩侧摩阻力及桩端阻力乘以不同的提高修正系数。而在役建筑物的基础在原有建筑物的荷载作用下，固结沉降已经或基本上完成，原基础与其下地基土是紧密接触的且为刚性连接，满足桩土共同工作的条件。所以可以应用复合桩基的理论进行桩-土-基础（承台）的共同工作分析，用允许沉降量来进行控制，合理确定桩土荷载的分担比。
3.根据微型桩在建筑物增层与改造中受力特点，分析其桩土共同工作的机理
3.1微型桩-土荷载分担问题的机理
由于微型桩主要是用于建筑物增层与改造中应用，且具有特殊的施工工艺，因此微型桩及原有基础下土体的受力情况与普通桩有所不同。
第一阶段：在初始阶段，新增荷载首先由土承担，基础下土体在荷载产生的附加应力作用下产生沉降，则新增荷载开始向桩转移，土承担的荷载比例逐渐减少；随着建筑物荷载的增加，荷载较多地传给具有较大刚度的桩，而较少分配给土。
第二阶段：随着时间的发展，桩承担的荷载逐渐增大，桩侧摩阻力首先达到极限值；随着荷载的进一步增大，桩端阻力也达到极限值，桩端刺入变形急剧增大，基础下土体承担的比例逐渐增大，桩承担的荷载比例逐渐减少，建筑物的沉降速率相应的减少。而土分担的荷载则相应的减少。
从上面的分析来看，桩与地基土的荷载分担比例是一个反复循环、协调的过程，同时伴随着一个土体压密和强度增长的过程。该过程历史的长短主要取决于桩间土的性质。当桩间土为饱和粘土时，历时将很长，反之若桩间土透水性强，或为非饱和土，则历时较短。
3.2基于桩端刺入变形与桩间土压缩的桩—土—（基础）承台共同作用分析
微型桩用于建筑物增层与改造时的受力情况与桩基逆作法基本相同，分为两个阶段。第一阶段：原有建筑物总荷载，此时（时间为）相当于一般的浅基础；第二阶段：桩间土和桩承担和建筑物增层与改造时的新增荷载。为便于理论分析，将基础计算分为三个步骤进行。
第一步，在作用下，浅基础时的沉降及最终沉降量；
第二步，微型桩施工完毕后，在的作用下，带桩基础的最终沉降（即等于增加荷载前已完成的基础沉降量与原荷载作用下未完成的沉降量），此时需考虑桩土共同作用导致基础刚度的增大，由公式（1）计算：
=+ (1)
其中，即为 时刻浅基础下土的固结度，可通过一维固结理论估算求得。
式中：—作用下基础最终总沉降；—封桩前浅基础的沉降；—不压桩的浅基础最终总沉降； —浅基础的刚度；—带桩基础的刚度。
第三步：在增加荷载作用下，带桩基础的沉降，由基于刺入变形的桩土共同作用分析计算。
对地基基础进行加固或增加荷载的既有建筑，其基础最终沉降量可按公式（2）确定：
S=+=++（）≤ [S] （2）
式中：S—基礎最终沉降量；
—地基基础加固前或增加荷载前已完成的基础沉降量，可由沉降观测资料确定或根据当地经验估算；此处=；
—原建筑荷载作用下加桩后的基础沉降量，可由沉降观测资料推算或根据前述经验公式估算。当原建筑物荷载下基础沉降已经稳定时，此值应取零；
（）—在新增荷载作用下，考虑微型桩加固区的桩土共同作用时，由桩长范围内土层的压缩量与桩端下土层的压缩量之和组成； 由桩侧摩阻力、桩端阻力及基础（承台）分担荷载在桩间土中产生的附加应力用分层总和法计算；由桩端、桩侧阻力及基础（承台）分担荷载在桩端以下土中产生的附加应力用分层总和法计算。带桩基础的沉降由公式（3）计算得：
（）=++ = + （3）
其中 为桩身的压缩量 ；为桩端下土层的压缩量；为桩端的刺入量，系指桩端相对于周围土体的剪切位移。和 都代表由于群桩基础全部荷载作用下桩端以下土的压缩量，可以认为他们相等，即：=
其中桩身弹性压缩量由公式（4）计算：
= （4）
式中：p(z) 为轴向力沿桩长的分布，—桩截面积，—桩的弹性模量。
从基础（承台）与其地基土保持接触的条件可按公式（5）写为：
+＝ （5）
如果桩身压缩量很小可以忽略不计，公式（5）可改写为
＝ （6）
从上式可以看出，只有桩端刺入量等于桩端以上桩间土的压缩量时，基础（承台）与其下土才保持接触，即发挥桩与基础（承台）的共同作用。
结束语
本文提出了微型桩基于桩端刺入变形与桩间土压缩的桩—土—（基础）承台共同作用的分析原理，为确定微型桩的桩土分担比例奠定了基础。
参考文献
[1]龚维明，蒋永胜，施明征等．高层建筑桩基逆作法应用研究[J].建筑结构学报.2000(6)：69-71.
[2]中国建筑科学研究院.JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[3]夏隽轩.高层建筑桩基逆作法应用研究[J].建筑遗产，2013年第五期.
关键词：微型桩共同工作桩基逆作法增层与改造荷载分担比
中图分类号：TU74 文献标识码：A
近年来随着城市建设的不断发展，建筑物增层与改造的比例逐渐增大，而微型桩因其具有施工场地小、施工方便、对周围环境和地基土影响小、适应性强等优点而被广泛的应用于建筑物增层与改造的地基加固和托换工程中。但在微型桩设计时，一般沿用传统的桩基设计方法，由微型桩来承担全部的新增荷载，不考虑原有地基基础承担荷载的能力，造成了不必要的浪费。
1.微型桩简介
微型桩亦称树根桩（root pile）或小桩，不仅可施工成竖向桩，还可施工成斜桩相互交叉形如树根，所以也被被称为树根桩，实质是就地压浆灌注的小直径灌注桩。微型桩经过压力注浆可与地基土紧密结合，微型桩现广泛应用于各种土木工程中，如旧房改造、房屋加层、古建筑的加固纠偏、防洪堤坝加固、建筑（构筑）物加固防震、新建建筑物基础、危房地基处理、不均匀沉降事故、地下洞室塌陷事故处理、滑坡处治、路堤加固、基坑支护、基础开挖挡土等工程中。
微型桩用于增层与改造处理基础时，微型桩与上部结构的连接方式主要有两种方式：
（1）微型桩穿过原基础：当原基础为宽度较大钢筋混凝土且基础时，微型桩可穿过原基础，在原基础下通过二次灌浆或扩孔钻头将该部分桩体扩大，原基础表面凿毛冲洗干净后，刷界面剂或素水泥浆并作插筋。
（2）微型桩在原基础外侧：
当建筑物原基础为刚性基础或原基础宽度较小时，微型桩一般在原基础外侧做承台梁，为保证承台梁与原圈梁之间结合紧密，承台梁应加入适量膨胀剂，同时施工中注意振捣紧密。
从微型桩与原有基础的连接方式上看，微型桩与原有基础连接紧密坚固，为简化分析可以认为是刚性连接。
2.微型桩-土荷载分担比计算现状
在传统的桩基设计中，所有上部结构的荷载被认为是由桩承担，承台（或筏）不分担上部结构的荷载。但从国内外的实际的工程资料来看，承台（或筏）是承担上部结构荷载的，如英国的海德公园其筏基承担的荷载为40%，更有实例表明筏基承担的荷载可达到60%，因此，在传统的桩基实际方法不考虑承台（或筏）的分担作用，这是不符合实际的。
目前对于微型桩的研究大多集中在竖向承载力方面，且处于室内研究和现场试验阶段，完整的理论研究很少。在《既有建筑地基基础加固技术规范》（JGJ123-2000）中规定：微型桩单桩竖向承载力可通过单桩载荷试验确定；当无试验资料时，也可按国家现行标准《建筑地基基础设计规范》有关规定估算，一般不考虑桩间土对新增荷载的分担比。山东建筑大学鉴定加固所孙剑平等人在大量的微型桩工程应用中，通过试验研究和分析，提出了微型桩单桩竖向承载力建议计算公式，区分桩侧不同土质情况对桩侧摩阻力及桩端阻力乘以不同的提高修正系数。而在役建筑物的基础在原有建筑物的荷载作用下，固结沉降已经或基本上完成，原基础与其下地基土是紧密接触的且为刚性连接，满足桩土共同工作的条件。所以可以应用复合桩基的理论进行桩-土-基础（承台）的共同工作分析，用允许沉降量来进行控制，合理确定桩土荷载的分担比。
3.根据微型桩在建筑物增层与改造中受力特点，分析其桩土共同工作的机理
3.1微型桩-土荷载分担问题的机理
由于微型桩主要是用于建筑物增层与改造中应用，且具有特殊的施工工艺，因此微型桩及原有基础下土体的受力情况与普通桩有所不同。
第一阶段：在初始阶段，新增荷载首先由土承担，基础下土体在荷载产生的附加应力作用下产生沉降，则新增荷载开始向桩转移，土承担的荷载比例逐渐减少；随着建筑物荷载的增加，荷载较多地传给具有较大刚度的桩，而较少分配给土。
第二阶段：随着时间的发展，桩承担的荷载逐渐增大，桩侧摩阻力首先达到极限值；随着荷载的进一步增大，桩端阻力也达到极限值，桩端刺入变形急剧增大，基础下土体承担的比例逐渐增大，桩承担的荷载比例逐渐减少，建筑物的沉降速率相应的减少。而土分担的荷载则相应的减少。
从上面的分析来看，桩与地基土的荷载分担比例是一个反复循环、协调的过程，同时伴随着一个土体压密和强度增长的过程。该过程历史的长短主要取决于桩间土的性质。当桩间土为饱和粘土时，历时将很长，反之若桩间土透水性强，或为非饱和土，则历时较短。
3.2基于桩端刺入变形与桩间土压缩的桩—土—（基础）承台共同作用分析
微型桩用于建筑物增层与改造时的受力情况与桩基逆作法基本相同，分为两个阶段。第一阶段：原有建筑物总荷载，此时（时间为）相当于一般的浅基础；第二阶段：桩间土和桩承担和建筑物增层与改造时的新增荷载。为便于理论分析，将基础计算分为三个步骤进行。
第一步，在作用下，浅基础时的沉降及最终沉降量；
第二步，微型桩施工完毕后，在的作用下，带桩基础的最终沉降（即等于增加荷载前已完成的基础沉降量与原荷载作用下未完成的沉降量），此时需考虑桩土共同作用导致基础刚度的增大，由公式（1）计算：
=+ (1)
其中，即为 时刻浅基础下土的固结度，可通过一维固结理论估算求得。
式中：—作用下基础最终总沉降；—封桩前浅基础的沉降；—不压桩的浅基础最终总沉降； —浅基础的刚度；—带桩基础的刚度。
第三步：在增加荷载作用下，带桩基础的沉降，由基于刺入变形的桩土共同作用分析计算。
对地基基础进行加固或增加荷载的既有建筑，其基础最终沉降量可按公式（2）确定：
S=+=++（）≤ [S] （2）
式中：S—基礎最终沉降量；
—地基基础加固前或增加荷载前已完成的基础沉降量，可由沉降观测资料确定或根据当地经验估算；此处=；
—原建筑荷载作用下加桩后的基础沉降量，可由沉降观测资料推算或根据前述经验公式估算。当原建筑物荷载下基础沉降已经稳定时，此值应取零；
（）—在新增荷载作用下，考虑微型桩加固区的桩土共同作用时，由桩长范围内土层的压缩量与桩端下土层的压缩量之和组成； 由桩侧摩阻力、桩端阻力及基础（承台）分担荷载在桩间土中产生的附加应力用分层总和法计算；由桩端、桩侧阻力及基础（承台）分担荷载在桩端以下土中产生的附加应力用分层总和法计算。带桩基础的沉降由公式（3）计算得：
（）=++ = + （3）
其中 为桩身的压缩量 ；为桩端下土层的压缩量；为桩端的刺入量，系指桩端相对于周围土体的剪切位移。和 都代表由于群桩基础全部荷载作用下桩端以下土的压缩量，可以认为他们相等，即：=
其中桩身弹性压缩量由公式（4）计算：
= （4）
式中：p(z) 为轴向力沿桩长的分布，—桩截面积，—桩的弹性模量。
从基础（承台）与其地基土保持接触的条件可按公式（5）写为：
+＝ （5）
如果桩身压缩量很小可以忽略不计，公式（5）可改写为
＝ （6）
从上式可以看出，只有桩端刺入量等于桩端以上桩间土的压缩量时，基础（承台）与其下土才保持接触，即发挥桩与基础（承台）的共同作用。
结束语
本文提出了微型桩基于桩端刺入变形与桩间土压缩的桩—土—（基础）承台共同作用的分析原理，为确定微型桩的桩土分担比例奠定了基础。
参考文献
[1]龚维明，蒋永胜，施明征等．高层建筑桩基逆作法应用研究[J].建筑结构学报.2000(6)：69-71.
[2]中国建筑科学研究院.JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[3]夏隽轩.高层建筑桩基逆作法应用研究[J].建筑遗产，2013年第五期.