1、1竖向注浆微型桩在深竖井支护中的应用研究摘要：以实际工程为例，总结了竖向注浆微型桩在深竖井土层中的加固机理，并对竖向注浆的相关技术问题进行了讨论与分析，提出了一些建设性的意见，以达到指导同类工程施工的目的。 关键词：深竖井支护，竖向注浆微型桩，加固机理 中图分类号: TU74 文献标识码: 文章编号: 0 引言 随着中国经济持续快速发展与城镇化水平的提高，中国城市地下空间开发利用得到了大发展，地下空间的开发和利用日趋频繁，地下工程的建设在数量和规模上迅速增加，在土地相对紧张的城市密集区域，只能临近既有建筑周边土体开挖工作面，采取竖井开挖技术作业。竖井经过地表，穿越土层，甚至厚土层，进入风化岩层
2、及稳定岩层进行地下空间的开发。然而，针对面临厚土层失稳，垮塌，既有高耸建筑破坏的综合性岩土工程难题，采用何种快速、高效的竖井支护技术，并保证周边地表建筑物的安全首当其冲。 1. 竖向注浆微型桩的研究现状及特点 微型桩即小直径钻孔灌注桩，又称树根桩，一般桩径在 7-30cm 之间，采用钻孔、强配筋和压力注浆工艺施工，与锚杆类似。最早由意大利FLizzi 于 20 世纪 50 年代提出，80 年代中期我国从国外引入，主要应2用于地基加固与基础纠偏等领域。目前，将微型桩作为桩基抵抗侧向荷载的研究十分匮乏，其相关工程实例也相对较少，设计理论完全来自于以往经验，设计方法完全照搬桩基理论，而全照搬桩基的设
3、计理论。但是微型桩的直径较小，其受力机理与承载力方式有其自身的规律，又不同于一般大直径桩基，因此研究微型桩具有极其重要的工程意义。 应用竖向注浆微型桩进行具有适用条件广泛、工期短、对岩土体影响小、施工安全简单、经济效益高等突出优点。特别是对于竖井工程的尺寸较小、规模不大、场地受限等因素，采用竖向注浆微型桩更能发挥其机动灵活的特点。微型桩主要解决岩土在开挖后支护实施前土体的自立问题，大面积的微型桩可以支撑已完成的锚喷混凝土重量。它通常为钻机成孔后采用压力注浆成桩。其主要特点有：施工机具小，场地狭窄的施工作业区更为适用；施工振动小、低噪音；对土层适应性强，适用于多种土层，软岩层；桩位布置形式灵活多
4、样，梅花形或者矩形排列；承载能力较高。 2竖向注浆微型桩加固原理 喷射注浆法加固地基按两阶段进行：第一阶段为钻机打孔，采用普通或专用的钻机。第二阶段为喷射加固，采用高压水泥浆液体，通过微型花管孔口(或者直接向土中)压注浆液。在注浆压力作用下，向钻孔泵送注浆浆液，以克服地层的初始应力和抗拉强度，使其沿垂直于小主应力的平面发生劈裂，最终与土层颗粒胶结成一个整体，形成强度大、压缩性低、抗渗性好的浆液凝固体。目的在于提高土层加固区土体强度及稳定性，为后继竖直工程体开挖支挡提供有利条件。 3针对不同的地层情况，作用机理有所不同。对于砂及砂砾石层，可按照有效应力的库仑-莫尔破坏标准进行计算。在各向同性地层
5、中，材料的应力状态与下式相符时即将发生破坏： 式中：有效大主应力；有效小主应力；有效内摩擦角；有效凝聚力。 地层中由于注浆压力的作用，将使砂砾石土的有效应力减小。当注浆压力达到下式的标准时，就会导致地层的破坏： 式中：砂或砾石的容量；水的容重；h注浆段深度；地下水位高度；主应力比。 上述公式所代表的破坏机理按莫尔包线来解释，随着孔隙压力的增加，有效应力就逐渐减少而至与破坏包线相切，表明砂砾石土已开始劈裂。对于粘性土地层中，水力劈裂将引起土体固结及挤出现象，从化学角度出发还包括水泥微粒对粘土的钙化作用。 根据竖井主动（被动）土压力公式可知： 式中：主动土压力，被动土压力；q基坑顶面的荷载强度（K
6、Pa） ；C土的内聚力（KPa） ；土的内摩擦角；土的重度（kN/m3） ；对于注浆，使得土体周围浆液凝固体的 C 数值增大，减小，增大。 3工程实例分析 3.1 工程概况 重庆市轨道交通六号线红旗河沟车站为一座地下岛式暗挖车站换乘4站，通风竖井尺寸为 13.1m6.7m，竖井口与理想大厦（砼 26+1F/-2F）平面距离仅约 7m，竖井周边地表覆土为第四系全新统的人工填土层,厚度2.1-8.6m。原设计采用全断面铺设早强砂浆锚杆+挂网喷射混凝土，工字钢进行加强措施，但当施工锁口完成后，土层填筑土层松散，竖井壁局部出现地下渗水，施工时采取向井壁采取止水措施后，渗水得到缓解，继续竖井开挖后，局部
7、土层出现黑色淤泥。且根据竖井周边监测数据显示，水平变形累计值皆有增大趋势，周边建筑物基础暂未出现情况，为减小对周边填土的扰动，为保证既有结构施工安全，现场采取紧急处理方式，将土层回填入坑内，先保证坑内外土体平衡。考虑现场工作面狭小，最后设计调整为竖井周边地表竖向微型桩注浆加固土体，方案为：两排长 10 米，直径 203mm 钢管桩钢管桩，壁厚 t=6mm,梅花型间距500mm650mm,钢管桩嵌入岩层以3 倍桩径，钢管上部 2 米范围内不开孔，沿竖向 2 米以下每隔 30cm,钻两个 10 的孔，出浆孔交错布置;钢管内插 16 工字钢加强初期刚度，早强水泥砂浆填充密实，设置利用施工竖井锁口将两
8、排微型桩形成整体，竖向注浆快速施工。 图 1 加固断面示意图 3.2 有限元计算模型的建立 本文采用通用有限元软件 Midas GTS V.2.0.5 进行施工阶段模拟分析，土体本构模型采用莫尔-库伦模型。衬砌结构采用弹塑性各向同性体材料模拟，锚杆采用线单元模拟，衬砌采用板单元模拟，微型桩注浆加固土层采用等代刚度调整加固土层属性设置。 5竖井开挖分析按照以下施工步序进行工况模拟。工况一，在原始土体上进行竖井锁口施工。工况二，等代模拟微型桩加固土层，调整加固体材料属性。工况三，进行开挖步骤一，即锚喷支护。工况四，进行开挖步骤二，循环开挖步，直至坑底。 3.3 有限元仿真结果分析 计算步骤按照施工
9、阶段顺序进行，首先模拟原始地应力，土体的开挖是在前一计算步骤所得地应力分布的基础上进行的，根据结构整体刚度的改变，按实际开挖方法施加地层释放荷载，并求解开挖后的应力场。3.4 相关分析结果讨论 通过以上模型分析可知，加入微型桩能显著改善结构的应力应变曲线，减少结构与土层的相对位移。 由图 2 对比分析得出：土体应力随着开挖高度的增加而逐渐增大。若不采用微型桩处理，土体最高应力达到 2600KPa，加入微型桩处理后，最大应力减小为 2120 KPa，减小幅度达到 22%；土体位移的变化也较为显著。土体最初状态最大位移为 25mm，采用微型桩处理后，位移逐渐变化为 19mm，减小幅度接近 30%。
10、另外，采用注浆微型桩处理后，对于锚杆和喷射混凝土的受力也有显著的改善。锚杆最初轴向力为 48KN，随着微型桩的加入，锚杆轴力逐渐减小，最后变化为 23KN，降幅率达到50%；在未加入微型桩处理之前，喷射混凝土平面应力为 11MPa，处理之后变化为 4.2MPa，变化幅度如此之大，原因主要为微型桩参与受力之后，为喷射混凝土承担了一部分应力，从而喷射混凝土层面应力减小。 6图 2 加固前后应力、位移、锚杆轴力对比图 3.5 工期优势分析 由开挖竖井施工日志记录数据对比分析：1-4 施工周期（约 20 天）原设计未考虑加固措施，开挖进尺累计深度增速较缓，数据显示每个施工周期开挖深度约 1.25 米；
11、第 5-9 施工周期（约 20-45 天）中停止开挖进尺，进行竖井周围土层微型桩加固；第 10 施工周期竖向注浆加固完成后，达到设计强度，施工开挖进尺加快，第 11-15 施工周期内（约 50-75天） ，开挖深度累计值明显增加，保证周边建筑安全的同时，施工速度明显改善，达到平均每个施工周期 6 米深度。按照实际监测施工进度可见：若进行竖井周围土层微型桩加固，至少在施工进度上可以节省时间。由此推断，加上微型桩加固工期，11 个施工周期即可完成上述项目，至少在工期上提前 30%的时间，为后继工期节省了相当时间。 4.结语 （1）通过实践表明：竖向注浆微型桩加固邻近建筑物土层的方法对于深竖井加固处
12、理行之有效，其施工简单方便，能够很好的起到工程要求的效果。 （2）竖向注浆微型桩解决了竖井软弱土层的强度及稳定性问题，保证了施工的安全。此外，由于竖向注浆微型桩充分利用周边土体的自承能力，减小扰动，与桩锚体系相比，造价低，施工场地受限因素小，机7具小，方便。可以节省施工时间从而降低造价。 （3）竖向注浆微型桩能显著改善土体的应力与变形，并且对结构锚杆与喷射混凝土层的结构性能也有显著改善。 （4）采用竖向注浆微型桩加固后，开挖进尺可以大大加深，使得同时开挖面大面积增大，能有效缩短工程工期。 参考文献 1王丽丽,石开明. 注浆微型桩及其复合地基J. 低温建筑技术,2009,(5)：94-95 2苏
13、荣臻,郑卫锋,鲁先龙. 压力注浆对微型桩抗拔承载力影响的试验对比J. 工业建筑,2011,41(1)：93-97 3段明发. 高速公路路基沉降注浆加固处理J. 工程勘察,2006,(S1):230-231 4陈强,陈炜韬,马青杰. 滑坡含水量对注浆钢管微型桩加固效果的影响J. 公路交通科技,2011,28(9):17-21 5席宁中,赵德刚,于海成. 注浆刚性微型桩复合地基在某工程中的应用J. 建筑科学,2010,26(5):96-98 6陈灿寿,程立国. 微型桩的发展趋势及其重复劈裂注浆机理J. 工程兵工程学院学报,1999,14(2):22-27 7郭亮,周峰,李俊才,刘壮志,苏荣臻. 多次注浆微型桩水平承载力试验与数值模拟分析J. 南京工业大学学报(自然科学版),2010,32(6):64-70 88陈强,陈炜韬,刘世东,马青杰,. 注浆钢管微型桩加固滑坡的试验研究J. 西南交通大学学报,2011,46(5):758-763 9程华龙. 注浆微型桩加固软土地基的机理与设计计算J. 地质科技情报,1999,28(S1):54-56
