树根桩法和压密注浆在市政工程中的应用

一、简述

树根桩是一种小型钻孔灌注桩，可采用各种类型的地质钻机施工。树根桩桩径一般在10~40cm之间，桩长一般在30m以内；可以是各种排列的直桩，也可以是呈网状结构的斜桩。用于侧向围护和垂直支承的树根桩须放置环状钢筋笼，主筋直径常选用Φ12~Φ20mm，箍筋为φ6~φ8mm，箍筋间距一般为200~300mm。水泥宜采用42.5普通硅酸盐水泥，注浆浆液一般有二种：一种采用水泥浆液；一种采用水泥砂浆，砂粒径不宜大于φ0.5mm，砂浆配比(重量比)宜为。0.4~0.5：1.0:0.3(水:水泥:砂)，浆液水灰比以0.4~0.5为宜；碎石粒径一般取φ10~φ25mm。树根桩也可用作防渗桩，作为防渗桩时可在水泥浆液中掺入适量的磨细粉煤灰，其掺量应不超过30%，防渗桩为石子+水泥浆液的素桩，不用放置钢筋笼。

二、树根桩法的优点

1、施工工作面小，平面尺寸一般为2米×3米，净高度为3米，甚至更小，施工灵活。

2、施工时噪音小，夜间施工不影响居民的日常生活；振动小，不会造成施工范围内土体坍塌，对地下管线影响较小，是管线保护的最佳选则。

3、压力注浆可使树根桩与地基土紧密结合，桩与基坑四周土体联结成一个整体，有利于基坑壁四周侧向土体的稳定，确保基坑的安全及地下和地面管线和构筑物的安全。

4、桩径小，施工过程中对地基土几乎不产生扰动。

5、工期短，经济省，节约工程费用。

三、树根桩和压密注浆在自来水管线保护保护工程中的应用

1、工程概述

福州市洋里污水厂厂外管网YGⅡ-02标36#工作井东侧有一根DN400砼质自来水管，南北走向与工作井壁平行，距井边1.8米，埋深2.1米；工作井北侧有一根DN500砼质自来水管，东西走向与工作井壁平行，距井边2.0米，埋深2.4米；施工中采用树根桩和压密注浆对自来水管线进行保护。

2、工艺流程

钻机就位 成孔 清孔 吊放钢筋笼（防渗桩除外 插入压浆管 填筑碎石 压浆 移位。

3、技术要点：

1）钻机安放必须做到横平竖直，机身底部用机台木固定平稳，确保钻机在施工中不发生倾斜移位。

2）桩位偏差应不超出5cm，桩身垂直度误差应不超过1%（设计桩长）。

3）成孔钻进中应采用泥浆或套管护壁，以防止缩孔和坍孔。

4）成孔结束后应用清水清孔直至清水泛出孔口方可进行下一道工序。

5）钢筋笼制作与吊放：钢筋笼应做到随做随用，不得堆压；制作后的钢筋笼应平直。不得使用已锈蚀的或已使用过的废旧钢筋，不得使用已扭曲变形的钢筋笼。钢筋笼每节长以5-6m为宜，节间钢筋搭接焊缝长度为焊接钢筋的10d。钢筋笼应轻吊慢放，避免磁撞孔壁，当钢筋笼放到设计深度后，应立即固定，防止钢筋笼变形和插入土中。

6）压浆管和填筑碎石：压浆管直径可采用φ25~42mm无缝钢管，不宜使用带外束接的（防渗桩除外）压浆管。碎石应经过冲洗和筛分方可使用；填灌时应一铲一铲灌入，不得一筐筐或一车车倒入孔内，填入量应不少于计算空间的0.9倍。压浆压力控制在0.3~0.5Mpa，一般采用一次性压浆，浆液从孔底泛起，直至孔口为止。

7）泥浆处置：施工现场内应设置排污沟、泥浆池和沉淀池，定期将泥浆运到郊外指定地点，严禁将泥浆排入江河或下水道内。

8）用于基坑围护的树根桩，须做顶梁和支撑构件，在浇筑顶梁前宜将桩顶至少凿去30cm厚的砼，露出顶梁主筋与顶梁钢筋笼焊接。

9）树根桩在施工中每三根桩应一组试件，以定桩身砼强度，试件规格一般选用100×100×100mm，每组为三块。

10）在基坑围护中，树根桩作排桩墙体施工 时，应至少跳打二个桩位。

11）在施工中应防止浆液大量流失，当注浆量达到桩身体积计算量的三倍时，应停止注浆分析原因改进工艺。

12）在施工过程中应现场验收施工记录，包括钢筋笼制作、成孔、压浆等各项工序指标考核。

13）工程竣工后的质量检验：在桩顶1.0m处钻孔取砼芯,制成70×70×70mm试块,测定桩身砼强度;在隐蔽前须检验桩位、桩径和桩数；用作侧向围护的树根桩，基坑开挖后还应检查桩的偏斜、缩径、露筋、蜂窝等内容；用于基础承载桩，一个工程的验桩（动载或静载试验）数量不应少于总桩数的60%。

四、设计方案

1、树根桩插入土深度及弯矩计算

根据布氏假定及悬臂荷载与弯矩计算。

（固定及固定的桩弯曲及位移图）中∑E是各主动土压力之和。Ep是被动土压力的一部分，而另一部分被假定的P代替。取∑B=0，则得：

∑E（l-x-a）-x3(Kp- Ka) ＇/6=0 　　　　　 (1-1)

式中＇—换算后的土重度，当为均布荷载，可折土柱高h＇= P/ ，则＇=×(h+h＇)／h；

Ka—主动土压力系数，Ka=tg2(450-/2)

Kp—被动土压力系数，Kp= tg2(450+/2)

将式（1-1）整理得：

x3- 6∑E．Ｘ／［(Kp- Ka) ＇］－6∑E／［(Kp- Ka) ＇］ 　 (1-2)

上式令＝x／（h+）=x／l；Kr=(kp-Ka) ‘（Kr为土的综合土压力系数），代入式（１-２）得：

３＝6∑E （１＋）／(Kr.l2)- 6∑Ea／（Kr.l３）　　　　　　（1-3）

再令m=6∑E／(Kr.l2)；n＝6∑Ea／（Kr.l３）代入式（1-3）得：

３＝m（１＋）－n　　　　　　　　　　　 　（1-4）

m　、n与荷载桩长有关，布氏作一曲线图，由图可查得，由x=.l３可求得x值。

值可由下式计算：

＝eA／（kp-Ka）

桩需插入深度为t＝＋１.2x

已知基坑开挖深度8m，桩下土质为淤泥，考虑减少桩插入深度对插入桩周围3.0m范围内土体采用压密注浆加固（结构图）；土的内摩擦角=35o ,土重度 =18N/m3 ，无地下水。

解：（1）桩插入深度计算；因马路走汽车按轻路面荷载计算，折成P=5KN/m2。

=18KN/m3，则h‘=P/=5/18=0.28(m)

‘=×(h+h‘)/h

=18.63(KN/m3)

Ka=tg2(450-/2)= tg2(450-350/2)=0.27

Kp= tg2(450+/2)= tg2(450+350/2)=3.7

=ea÷((Kp-Ka)

=(8×18×0.27+5*0.27)÷((3.7-0.27)*18)=0.65(m)

l=h+=8+0.65=8.65(m)

∑E=7.57*8*18/2*0.27+5*8*0.27=178.96(KN/m)

a=2/3h=2/3*8=5.33(m)

Kr=(kp-Ka) ‘=(3.7-0.27)*18.63=63.9

m=6∑E/ Krl2=6*178.96/(63.96*8.652)=0.225

n=6∑E.a / Krl3 =6*178.96*5.33/(63.96*8.653)=0.138

由m、n 查布氏理论曲线得=0.625

则x=l=0.625*8.65=5.406(m)

t=+1.2x=0.65+1.2*5.406=7.14(m)

故桩需入土深7.15(m)

树根桩设计长度为14.15m)。

最大弯矩计算

树根桩工作井和接收井为Φ400单排桩，基坑深度为8.0m，桩顶标高在原地面下1.068m处，桩顶设置一道500*800钢筋混凝土围檩，围檩向下3.5m处设置一道［28a双拼槽钢围檩，坑底向下3.0m范围内土体采取压密注浆加固；将树根桩视作简支梁，共有三个支座（第一道钢筋混凝土围檩、第二道［28a双拼槽钢围檩、第三道压密注浆加固土体）。

式中Pa—主动土压力；

　　土重度 ＝18N/m3；

h—基坑深度（m）；

—基坑平均内摩擦角，由于桩外侧土体经过注浆加固故取

＝３５０；

q—各跨间的均布荷载；

　　L—中间一道［28a双拼槽钢围檩上下两跨总长的一半长度；

　　l—中间一道［28a双拼槽钢围檩向下一跨的长度；

解：①深度7米处主动土压力：

Pa＝.h.tg2(450-/2)

＝18*7* tg2(450-350/2)

＝34.14(KN/m2)

②q＝Pa.Ｌ

＝34.14*2.9

＝99(KN／m)

③最大弯矩：

Mmax＝q l2／８

＝99＊2.9２／８

＝104.07(KN.m)

2、树根桩配筋

按等效矩形截面配置纵向钢筋计算，取树根桩采用C25砼，砼轴心抗压强度fc=11.9MPa，钢筋抗拉强度设计值fy=310MPa，保护层厚度αs=40mm，

则rs=200-40=160mm，设钢筋配置为7φ20,As＝2198mm2

有:K=fyAs/fcA=2198*310/(11.9*3.14*2002)=0.455

查表得α=0.304

式中M—钢筋采用单边配筋时桩截面的受弯承载力（KN.m）；

As—全部纵向钢筋的截面积（mm２）；

　　　　Ａ—树根桩截面积（mm２）；

r—树根桩截面半径（mm）；

　　　　rs—纵向钢筋所在圆周的半径（mm）；

　　　　α—对应于受压区砼与全部纵向钢筋截面面积的比值；

采用单边配筋时：　

Y1 = rSin3πα／（1.5α-0.75*Sin2α)

Y2　—2√2*rs/π

M= As .fy(Y1+Y2)

= As .fy(rSin3πα/(1.5α-0.75*Sin22α)+2√2*rs/π)

=2198*310*{200* Sin3(3.14*0.304)/[1.5*0.304-0.75* Sin(2*0.304)]+

2√2*172/3.14}

=1.0557*108=105.571KN.m＞104.07 (KN.m)

故按7φ20进行单边纵向配筋可以满足要求。

现采用均匀四周配筋：每根树根桩配置10φ20，每隔2米布置一根φ12的焊接加强箍筋，树根桩箍筋为φ8@200螺旋筋。

3、树根桩工作井后靠土体稳定计算

①顶管最大顶力：

已知顶管直径Ｄ=1000mm，设计顶管最大顶距L=160米,最大覆土深度5米； 土比重＝１8KN/m3；主动土压力系数Ka=tg2(450-/2) ,被动土压力系数Kp= tg2(450+/2); 土内摩擦角=100；

式中R8 —综合摩阻力KN）；

N4 —刀盘转动切削的迎面阻力（KN）；

F1— 管外壁摩阻力（KN）；

Pt —机头底部以上1/3D1的被动上压力（KN/m2）；

H—管顶土层厚度（m）

f2—采用注浆工艺的摩阻系数取8KN/m2；

R8=N4+F1

Pt=(H+2/3D)tg2(450+/2)

=18*5.5* tg2(450+100/2)

=56.24KN

N4=π/4D2Pt

=3.14/4*1.22*56.24

=63.57KN

F1=f2πDL=8*3.14*1.2*160=4823.04KN

R8=63.57+4823.04=4886.6KN

增加一套中继间顶管最大顶力为2500KN

②树根桩工作井后靠土体稳定计算：

下式中P—顶管最大计算顶力（KN）；

Fp—后靠井壁总被动土压力（KN）；

Fa—顶向井壁总主动土压力（KN）；

B—承压壁宽度（m）；

H—桩顶到底板的深度（m）；

H—地面到桩顶的深度（m）；

λp—被动土压系数；

λa—主动动土压系数；

—土的天然重度(18KN/m3)；

C—按网格截面组成形式取300KN/m2；

树根桩工作井后靠土体稳定系数S=1.2，则≤（Fp-Fa）/S

Fp=B(1/2H2λp+2CH√λp+1-Hλp)

Fa=B(1/2H2λa-2CH√λp+1-Hλa)

P≤B(1/2H2λp+4CH√λp+1-hHλp- 1/2H2λa-hHλa）/S

2500KN≤2.5*[1/2*18*6.52*tg2(450+100/2)+4*300*6.5*

√tg2(450+100/2)+1-18*1*6.5*√tg2(450+100/2)-1/2*18*6.52*

√tg2(450-100/2)-18*1*6.5*√tg2(450-100/2)]/1.2=16332.54(KN)

2500KN≤18025.4(KN)

故树根桩工作井后靠土体稳定

根据计算和36#井的实际情况分析最终采用如下设计方案:原沉井变更为树根桩井，桩径采用D400，设计桩长14.15m，主筋采用10Φ20钢筋，箍筋采用Lφ8＠200螺旋钢筋，砼强度等级为C25，基坑桩顶设置一道800×500钢筋砼压顶梁，基坑中间设置一道[28a双拼槽钢支撑。基坑四周3米范围内采用双液注浆对土体进行加固，坑底向下3米范围采用双液注浆对土体进行加固。

(附施工图)

原设计沉井作为顶管工作井，沉井下沉施工中，沉井四周土体及路面会出现不同程度的下沉现象，由于36#井旁DN500、ND400自来水管为承插式砼管，且排设至今已有23年，为刚性接口管道陈旧，一旦自来水管出现下沉，爆管的风险较大。因此施工中必须确保工作井四周土体及路面不下沉。

经设计、业主、监理、施工单位四方研究和论证，认为采用沉井工艺施工势必造成自来水管下沉，增加自来水管爆管的风险，所以必须改变施工工艺确保施工期间自来水管的安全。

施工单位提出将原设计沉井工艺变更为树根桩井法+压密注浆，施工中树根桩井周围土体不会出现下沉，加之井外侧土体采用压密注浆加固外侧土体不会扰动。基坑开挖过程中树根桩发生位移的可能性较小，能保证自来水管在施工期间的安全。其一：由于树根桩桩径较小，本本工程采用桩径为D400，成孔直径只有400，成孔过程中采取跳打施工工艺，间歇施工，确保注浆过程中不出现穿孔和浆液溢出，加之泥浆护壁因此树根桩周围土体不会出现沉降和侧向滑动；其二：树根桩井四周土体采用压密注浆固结，不仅增强了土体粘聚力，而且增加了抗侧向位移的能力和坑底土体抗隆起的能力；其三：基坑开挖施工中树根桩井内采用钢支撑，增加了树根桩和基坑抗侧向位移的能力，同时树根桩采用悬臂桩设计更提高了基坑的稳定性，安全系数更高。

五、工艺分析、效果和结论

原设计沉井作为顶管工作井，沉井下沉施工中，沉井四周土体及路面会出现不同程度的下沉现象，由于36#井旁DN500、ND400自来水管为承插式砼管，且排设至今已有23年，为刚性接口管道陈旧，一旦自来水管出现下沉，爆管的风险较大。因此施工中必须确保工作井四周土体及路面不下沉。

经设计、业主、监理、施工单位四方研究和论证，认为采用沉井工艺施工势必造成自来水管下沉，增加自来水管爆管的风险，所以必须改变施工工艺确保施工期间自来水管的安全。

施工单位提出将原设计沉井工艺变更为树根桩井法+压密注浆，施工中树根桩井周围土体不会出现下沉，加之井外侧土体采用压密注浆加固外侧土体不会扰动。基坑开挖过程中树根桩发生位移的可能性较小，能保证自来水管在施工期间的安全。其一：由于树根桩桩径较小，本本工程采用桩径为D400，成孔直径只有400，成孔过程中采取跳打施工工艺，间歇施工，确保注浆过程中不出现穿孔和浆液溢出，加之泥浆护壁因此树根桩周围土体不会出现沉降和侧向滑动；其二：树根桩井四周土体采用压密注浆固结，不仅增强了土体粘聚力，而且增加了抗侧向位移的能力和坑底土体抗隆起的能力；其三：基坑开挖施工中树根桩井内采用钢支撑，增加了树根桩和基坑抗侧向位移的能力，同时树根桩采用悬臂桩设计更提高了基坑的稳定性，安全系数更高。

本工程共打设树根桩76根，设置压密注浆孔180个，在自来水管顶设置沉降观测点6个，路面设置沉降观测点12个，在树根桩顶钢筋砼围檩顶设置侧向位移观测点12个；在基坑开挖过程中跟踪观测，自来水管顶6个沉降观测点下沉分别为3mm、2mm、3mm、1mm、2mm、2mm, 路面设置12个沉降观测点沉降均在4mm内，在树根桩顶钢筋砼围檩顶设置12个侧向位移观测点分别为3mm、5mm、2mm、4mm、5mm、3mm、3mm、4mm、2mm、4mm、2mm、3mm；顶管开顶后继续继续跟踪观测，各点均无明显沉降，树根桩无明显位移。

根据36#井采用树根桩法+压密注浆对自来水管进行保护的实例，证实深基坑采用树根桩井和压密注浆相结合对抑制土体水平位移、控制建筑物和管线沉降是可行的可靠的。

[建筑]树根桩法在市政工程中的应用2