微型钢管桩加固既有基础变形特性研究的学习体会

二、文献概况与工程背景

孔纲强等人在《建筑科学与工程学报》2022年第39卷第5期发表的这篇论文，依托河南理工大学锅炉房既有基础加固工程，开展了微型钢管桩群桩加固既有基础的变形特性现场试验研究。该文优化了微型钢管桩群桩的施工步骤，将既有灌注桩基础与柱身简化为一端固接一端简支梁模型，并通过现场试验验证了模型的准确性。

对于钢管制造和焊接行业而言，微型钢管桩作为一种新兴的加固技术，其钢管的制造质量、焊接接头性能和施工工艺控制直接影响加固效果。微型钢管桩通常采用小直径钢管（外径一般为Φ32~Φ89mm），通过振动或静压方式打入既有基础周围的土体中，通过群桩效应改善基础承载力和减小不均匀沉降。

二、试验方案与模型简化

2.1 工程背景与试验设计

试验依托的锅炉房既有基础加固工程，面临既有建筑结构不能中断使用、加固施工空间受限等挑战。微型钢管桩作为一种微创加固技术，能够在不破坏既有结构的前提下，通过增加基础周围的桩体来改善基础的承载特性和变形性能。

试验设计考虑了两种群桩施工顺序：顺逆结合施工顺序和单一逆时针施工顺序。这两种施工顺序的差异在于桩体打入的方向控制，顺逆结合施工通过交替改变打入方向来减小土体扰动的累积效应。

2.2 简化模型验证

论文将既有灌注桩基础与柱身简化为一端固接一端简支梁模型。这一简化模型的合理性在于：既有灌注桩基础通常嵌入土体较深，桩顶与柱身的连接可以视为固接；而柱身顶部的边界条件相对简化，可视为简支。通过现场试验数据的对比验证，证明了该简化模型能够较好地反映实际结构的变形特性。

三、变形特性分析

3.1 地表位移与柱体变形

试验测得了微型钢管桩群桩施工过程中既有柱子的位移和两柱之间的地表位移以及柱子角度的变化规律。结果表明：

1. 顺逆结合的群桩施工顺序相对优于单一逆时针压桩顺序，地表位移最大值可以减少约50%。
2. 顺逆结合施工顺序引起的地表位移最大值为既有上部柱子位移的1/6，而单一逆时针施工顺序引起的地表位移最大值为既有上部柱子位移的1/4。
3. 两种施工顺序试验条件下，位移与应力最大值一般出现在第3根桩或第4根桩施工过程中。

3.2 施工顺序的影响机理

顺逆结合施工顺序之所以优于单一逆时针施工顺序，其机理在于：先施工的微型钢管桩会对周围土体产生一定的遮帘加筋作用，后施工桩朝此方向造成的土体扰动和位移相对减小。这种遮帘加筋效应类似于土体中的应力重分布，先施工桩周围的土体因受到约束而变得相对密实，后施工桩在朝此方向打入时，土体扰动被先施工桩"遮挡"，从而减小了整体土体位移。

3.3 临界施工阶段

位移与应力最大值出现在第3根桩或第4根桩施工过程中，这一发现具有重要的工程指导意义。这表明在群桩施工中，前几根桩的施工对土体扰动的影响最为显著，随着施工的进行，土体的应力状态逐渐趋于稳定。因此，在施工过程中，应当对前几根桩的施工过程进行重点监测，及时调整施工参数，避免对既有结构造成过大影响。

四、与钢管制造及焊接工艺的结合

4.1 微型钢管桩的制造要求

微型钢管桩的制造质量直接影响加固效果和施工安全性。由于微型钢管桩的直径较小（通常为Φ32~Φ89mm），其制造工艺与常规大直径钢管存在显著差异：

1. 壁厚均匀性：小直径钢管的壁厚均匀性要求更高，壁厚偏差过大会导致桩体在打入过程中产生偏斜或屈曲。
2. 圆度控制：圆度偏差会影响桩体与土体的接触状态，进而影响桩侧摩阻力和端承力的发挥。
3. 端部加工：桩尖的加工质量直接影响桩体的贯入阻力，需要精确控制桩尖的几何形状和焊接质量。
4. 焊缝质量：对于焊接钢管桩，焊缝的完整性至关重要，任何焊接缺陷都可能在打入过程中成为应力集中点，导致桩体断裂。

4.2 焊接工艺控制要点

微型钢管桩的焊接接头是桩体的薄弱环节，在打入施工过程中承受着复杂的应力状态。焊接工艺控制应当重点关注以下环节：

1. 接头形式选择：根据桩体直径和施工条件，选择合适的接头形式（如坡口对接、承插焊等）。
2. 焊接热输入控制：小直径钢管的焊接热输入应严格控制，避免热影响区过大导致材料性能下降。
3. 焊后检测：对关键焊缝进行UT或MT检测，确保无裂纹、未熔合等致命缺陷。
4. 防腐处理：焊接接头是防腐的薄弱环节，应进行特殊的防腐处理（如热镀锌、涂覆防腐层等）。

4.3 钢管材质选择

微型钢管桩的材质选择需要综合考虑强度、韧性、焊接性和成本等因素。常用的材质包括Q235、Q345和Q390等碳素结构钢和低合金结构钢。对于打入施工条件较为恶劣（如硬土层、卵石层）的工程，建议选用Q345或Q390材质，以提高桩体的抗弯和抗冲击能力。

五、关键思考与工程启示

5.1 施工顺序优化的工程价值

该研究揭示的施工顺序对加固效果的影响，为微型钢管桩加固工程提供了重要的施工指导。顺逆结合施工顺序能够显著减小地表位移和柱体变形，这对于既有结构的加固具有重要意义。在实际工程中，应当根据既有结构的变形敏感性和周边环境条件，合理选择群桩施工顺序。

5.2 监测与反馈控制

试验结果表明，位移与应力最大值出现在第3根桩或第4根桩施工过程中。这一发现提示，在群桩施工中应当建立实时监测与反馈控制机制。通过监测地表位移、柱体变形和桩体应力等参数，及时调整施工顺序和施工参数，确保既有结构的安全。

5.3 长期性能与耐久性

该研究主要关注施工过程中的变形特性，但对于微型钢管桩加固工程的长期性能和耐久性，仍有待深入研究。微型钢管桩在长期服役过程中，可能受到腐蚀、土体固结、温度变化等因素的影响，其承载力和变形特性可能发生变化。未来研究若能结合长期监测数据，将有助于完善微型钢管桩加固设计方法。

六、总结

孔纲强等人的这篇研究通过现场试验，揭示了微型钢管桩群桩施工顺序对既有基础变形特性的显著影响，提出了顺逆结合施工顺序优于单一逆时针施工顺序的结论。作为钢管制造与焊接领域的技术人员，我深刻认识到微型钢管桩的制造质量是加固工程成功的物质基础。小直径钢管的壁厚均匀性、圆度精度和焊缝完整性，直接关系到桩体的施工安全性和加固效果。在工程实践中，应当建立从钢管制造、焊接质量、施工过程到长期监测的全过程质量控制体系，确保微型钢管桩加固工程的安全性和可靠性。该研究提出的施工顺序优化策略和变形控制方法，为既有基础加固工程提供了实用的技术指导，值得在类似工程中推广应用。