錨桿靜壓樁加固高層建筑中不均勻拖帶沉降控制的探索與應(yīng)用

江岳春

(上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司， 上海 200093)

0 引言

地基基礎(chǔ)施工工期長(zhǎng)，隱蔽性大，加之地質(zhì)條件不確定性大，常常成為隱患最大的區(qū)域。出現(xiàn)很多沉降、傾斜超規(guī)范要求的建筑物，嚴(yán)重影響建筑物安全，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大威脅。

錨桿靜壓樁[1-6]作為有效的基礎(chǔ)加固手段，在既有建筑加固領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但對(duì)于高層建筑，由于其自重大，施工中拖帶沉降明顯，尤其原來(lái)沉降較大側(cè)，引起傾斜進(jìn)一步加劇，設(shè)計(jì)施工中需采取有效的措施控制不均勻拖帶沉降的發(fā)展。本文以昆山市某高層建筑的基礎(chǔ)加固為實(shí)例，介紹了具體加固方案，不均勻拖帶沉降控制的探索與應(yīng)用。

1 工程概況

工程位于江蘇省昆山市，為常規(guī)高層住宅，于2014年4月竣工并入住，投入使用2年后，因散水開(kāi)裂和電梯維修，發(fā)現(xiàn)建筑傾斜和沉降不穩(wěn)定。

1.1 建筑概況

本工程地上部分分為兩個(gè)單元，分別為33層和34層，地下均為1層，中間設(shè)變形縫。建筑外包尺寸長(zhǎng)60m，寬19m，高度約為99m，其外墻邊線距離河道藍(lán)線最近約15m，通過(guò)連通道與地下室連通。

1.2 結(jié)構(gòu)概況

本次加固樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，剪力墻結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.01g)，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場(chǎng)地類別Ⅳ類，場(chǎng)地特征周期0.65s[7]，地面粗糙度類別為B類。

本工程基礎(chǔ)形式如下：采用樁筏基礎(chǔ)，選用φ700鉆孔灌注樁，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為水下C35。根據(jù)本工程巖土工程勘察報(bào)告，③3層粉土夾粉砂，灰色，濕～很濕，中密～密實(shí)，土質(zhì)不均，整個(gè)場(chǎng)地均有分布，其靜力觸探比貫入阻力Ps平均值為13.3MPa，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N平均值約為43.7擊，土質(zhì)佳，是本工程建筑物較理想的樁基持力層。同時(shí)，③3層在樓棟位置分布較為均勻，無(wú)明顯地層起伏現(xiàn)象。選取③3層粉土夾粉砂為樁端持力層，工程樁樁長(zhǎng)52.0m。單樁豎向抗壓承載力特征值取3 200kN，單樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值取6 400kN。地下室底板相對(duì)標(biāo)高為-4.500m，樁頂錨入底板100mm,底板厚度為1 250mm，底板外圍距墻軸線出挑900mm。地下室底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，抗?jié)B等級(jí)為P6?；A(chǔ)墊層厚度為150mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15。

1.3 傾斜狀況

自2017年1月起進(jìn)行沉降及傾斜觀測(cè)，截止2017年6月28日各監(jiān)測(cè)點(diǎn)傾斜情況見(jiàn)圖1。新增最大沉降為5.09mm，新增最小沉降為0.98mm，總傾斜率約為向南3.31‰～4.51‰，向西0.20‰～1.32‰，沉降速率約為0.006 ～0.041mm/d，其中0.006 mm/d為沉降較小側(cè)(北側(cè))的沉降速率，0.041mm/d為沉降較大側(cè)(南側(cè))的沉降速率。

圖1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)傾斜情況

擬加固建筑南北向超過(guò)高層建筑物地基變形允許值2.5‰(根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[8]中的第5.3.4條及表5.3.4，對(duì)于高層建筑的整體傾斜，當(dāng)60m

2 工程地質(zhì)條件

2.1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

根據(jù)本工程巖土勘察報(bào)告，場(chǎng)地地形平坦，隸屬于太湖湖蕩平原地貌單元。各層土及主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

土層及其主要物理力學(xué)性質(zhì) 表1

2.2 本工程地質(zhì)條件特點(diǎn)

(1)本場(chǎng)地屬相對(duì)穩(wěn)定區(qū)，土層分布較穩(wěn)定，底板以下土層均由②2,②3,③2,③3,④1,④2層組成，且各層起伏較小。

(2)本工程原工程樁持力層為③3層粉土夾粉砂，該土層中密～密實(shí)，土質(zhì)不均，在灌注樁成孔時(shí)，容易出現(xiàn)坍孔，造成沉渣較厚。

(3)本工程場(chǎng)地屬建筑抗震不利地段，場(chǎng)地埋深20m以內(nèi)③2層粉土為不液化土層。

3 建筑傾斜分析

3.1 原設(shè)計(jì)樁基沉降復(fù)核

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[9]中的第5.5.14條，對(duì)原設(shè)計(jì)樁基沉降進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。樁端平面以下地基中由基樁引起的附加應(yīng)力，采用樁徑影響的明德林(Mindlin)解計(jì)算，樁基最終沉降量采用以Mindlin應(yīng)力計(jì)算公式為依據(jù)的單向壓縮分層總和法計(jì)算。經(jīng)復(fù)核計(jì)算，樁基沉降較為均勻，樁基沉降最大值為4.6cm，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.2 樁基承載力狀況

根據(jù)本工程樁基低應(yīng)變、高應(yīng)變及靜載荷試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告，工程樁大部分為Ⅰ類樁，部分為Ⅱ類樁，無(wú)Ⅲ，Ⅳ類樁，工程樁承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 傾斜原因分析

根據(jù)本工程地層、樁基施工工藝、檢測(cè)報(bào)告及對(duì)原工程樁沉降的計(jì)算復(fù)核，原工程樁設(shè)計(jì)和施工均滿足規(guī)范要求。出現(xiàn)不均勻沉降和傾斜的原因分析如下：

(1)鉆孔灌注樁樁底沉渣影響

本工程工程樁為鉆孔灌注樁，持力層為③3層粉土夾粉砂，該土層中密～密實(shí)，土質(zhì)不均，在灌注樁成孔時(shí)，容易出現(xiàn)坍孔，造成沉渣相對(duì)較厚。由于未進(jìn)行后注漿處理，當(dāng)樁底沉渣厚度過(guò)大或沉渣厚度不均時(shí)，將導(dǎo)致部分灌注樁產(chǎn)生較大沉降，進(jìn)而引起上部結(jié)構(gòu)的不均勻沉降和建筑傾斜等問(wèn)題。

(2)堆土影響

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)第8.5.2條規(guī)定，由于欠固結(jié)軟土、濕陷性土和場(chǎng)地填土的固結(jié)，場(chǎng)地大面積堆載、降低地下水位等原因，引起樁周土的沉降大于樁的沉降時(shí)，應(yīng)考慮樁側(cè)負(fù)摩擦力對(duì)樁基承載力和沉降的影響。傾斜樓棟南側(cè)存在1～2m的綠化堆土，建筑周圍土體固結(jié)沉降，可能會(huì)引起樁的拖帶沉降。

(3)河道清淤影響

小區(qū)內(nèi)河道于2016年進(jìn)行抽水清淤治理，其河道水土壓力減小有可能引起駁岸以外土體出現(xiàn)沉降，從而使樁基產(chǎn)生拖帶沉降。

4 基礎(chǔ)加固方案

4.1 本工程加固處理特點(diǎn)

根據(jù)原工程竣工資料以及監(jiān)測(cè)資料，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘，本工程加固處理具有如下特點(diǎn)：

(1)本工程為高層建筑物，高度達(dá)99m，沉降傾斜率為3.31‰～4.51‰，不均勻沉降引起的傾斜超過(guò)規(guī)范限值，且不均勻沉降仍在發(fā)展中，基礎(chǔ)加固應(yīng)及時(shí)進(jìn)行。

(2)根據(jù)建筑物特點(diǎn)及樁基形式，本工程不宜采取主動(dòng)糾偏處理措施。

(3)底板厚度1 250mm，實(shí)施樁基加固工作需在底板上開(kāi)孔施工，難度較高。

(4)由于基礎(chǔ)底板埋深約5.7m，底板下有一定水壓，施工過(guò)程中如底板開(kāi)洞應(yīng)充分考慮排水措施。

(5)根據(jù)竣工驗(yàn)收資料，工程樁樁身及承載力檢測(cè)均符合要求，因此工程樁處理具有一定不確定性，基礎(chǔ)加固應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)可靠度。

(6)基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)方案，應(yīng)充分考慮相應(yīng)措施，有效控制基礎(chǔ)加固過(guò)程引起的進(jìn)一步傾斜。

4.2 加固方案

根據(jù)本工程上部結(jié)構(gòu)荷載分布及傾斜狀況，采用錨桿靜壓鋼管樁進(jìn)行基礎(chǔ)加固，并通過(guò)在沉降較大側(cè)(南側(cè))采用預(yù)應(yīng)力封樁和在沉降較小側(cè)設(shè)置可壓縮材料封樁，同時(shí)在沉降較小(北側(cè))側(cè)樁端充氣加壓排水和膨潤(rùn)土注漿迫沉等措施控制施工中不均勻沉降。

4.3 基礎(chǔ)加固措施

(1)單樁設(shè)計(jì)

錨桿靜壓鋼管樁采用φ426×14，以③3層為樁基持力層，樁長(zhǎng)為36m(單節(jié)樁按2～3m控制)，C20混凝土填芯；為了控制壓樁拖帶沉降，樁端設(shè)置6m長(zhǎng)樁靴段，樁靴段鋼管采用φ159×12，單樁豎向承載力特征值取2 200kN。

(2)錨桿靜壓鋼管樁補(bǔ)樁原則

通過(guò)反演分析推測(cè)問(wèn)題樁分布范圍及其單樁剛度。通過(guò)推測(cè)的單樁剛度(圖2)擬合計(jì)算沉降(圖3)，直至符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)差異沉降趨勢(shì)。

圖2 單樁剛度取值分區(qū)圖

圖3 未加固時(shí)樁基沉降等值線圖/mm

單樁剛度取值 表2

根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載分布及問(wèn)題樁分布情況，進(jìn)行樁基補(bǔ)強(qiáng)布樁，在沉降較大側(cè)適當(dāng)增加補(bǔ)樁密度，調(diào)整荷載形心與群樁形心偏差在合理范圍，補(bǔ)樁后樁基沉降(圖4)滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)第5.3.4條及表5.3.4的規(guī)定，體型簡(jiǎn)單的高層建筑基礎(chǔ)的平均沉降量不大于200mm。

圖4 加固后樁基沉降等值線圖/mm

4.4 不均勻沉降控制措施

(1)帶壓力停樁和預(yù)應(yīng)力封樁

在沉降較大側(cè)盡量減校壓樁拖帶沉降和樁發(fā)揮承載力過(guò)程中產(chǎn)生的沉降，具體措施為：壓樁過(guò)程中采用帶壓力停樁，壓樁完成后采用預(yù)應(yīng)力封樁(圖5)，使樁盡快發(fā)揮承載力。

預(yù)應(yīng)力封樁即在封樁時(shí)不撤壓樁反力架，采用送樁器一端頂住鋼管樁，另一端上置千斤頂后頂住樁架反力梁，通過(guò)千斤頂施加荷載，保持千斤頂荷載不變，澆筑封樁混凝土，待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，拆除千斤頂及壓樁反力架，從而達(dá)到對(duì)鋼管施加預(yù)應(yīng)力。

(2)設(shè)置可壓縮材料封樁

為了使后期沉降較小側(cè)有一定的沉降量，從而起到被動(dòng)糾偏作用，在沉降較小側(cè)墊厚度為3～5cm的泡沫板封樁(圖6)。

圖5 帶壓力停樁和預(yù)應(yīng)力封樁

圖6 柔性材料封樁

(3)反壓

為了平衡沉降較大側(cè)的壓樁拖帶沉降，也為了抵消傾斜引起的附加彎矩，在沉降較小側(cè)借助已施工錨桿樁的抗拔力，在底板上利用千斤頂施加壓力(圖7)。

(4)充氣加壓排水

在沉降較小側(cè)樁端進(jìn)行充氣加壓排水，在樁端形成負(fù)孔壓，擾動(dòng)樁端土層，實(shí)現(xiàn)迫降糾偏，從而引起沉降較小側(cè)產(chǎn)生一定沉降(圖8)。

圖7 反壓措施裝置示意圖

圖8 充氣加壓排水措施

(5)對(duì)壓

本工程主要傾斜為南北方向的傾斜，在施工過(guò)程中南側(cè)與北側(cè)壓樁同步進(jìn)行，且沉降較小側(cè)多次加載、卸載，加大對(duì)沉降較小側(cè)的擾動(dòng)，從而控制傾斜的發(fā)展。

(6)膨潤(rùn)土注漿迫沉

原理：向土體注膨潤(rùn)土漿液，擾動(dòng)土體，減小土體強(qiáng)度，削弱單樁剛度，造成建筑物沉降量增加。

方法：采用靜壓設(shè)備將注漿管壓入設(shè)計(jì)深度，通過(guò)注漿泵將漿液壓入土體，施工過(guò)程為噴漿—提鉆桿—噴漿，從而削弱原工程樁剛度，產(chǎn)生沉降，靜壓法注漿糾偏裝置示意圖見(jiàn)圖9。

圖9 靜壓法注漿糾偏裝置示意圖

5 監(jiān)測(cè)措施

5.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備

(1)在建筑外墻周邊設(shè)置了可靠的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用常規(guī)水準(zhǔn)儀在基礎(chǔ)加固施工期間按一天一測(cè)的頻率進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)。

(2)在建筑物地下室外墻內(nèi)布置靜力水準(zhǔn)儀[10](圖10)，實(shí)行自動(dòng)化24h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)云技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)在手機(jī)及電腦客戶端查閱監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。設(shè)定預(yù)警值，可實(shí)現(xiàn)郵件自動(dòng)報(bào)警。

圖10 靜力水準(zhǔn)儀

5.2 數(shù)據(jù)分析

對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行信息化監(jiān)測(cè)，以保證整個(gè)施工過(guò)程的安全可靠。沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖11。沉降及南北向差異沉降發(fā)展趨勢(shì)見(jiàn)圖12，13。由圖13可見(jiàn)，2018年1月2日至2018年12月26日累計(jì)沉降為9.27～58.15mm，其中基礎(chǔ)加固施工期間(2018年1月2日至2018年7月5日)引起的拖帶沉降為6.17～53.45mm。基礎(chǔ)加固施工期間引起的南北向傾斜率(主要傾斜方向)為1.75‰～2.04‰，在設(shè)計(jì)預(yù)估范圍之內(nèi)。

100d左右時(shí)間(2018年9月10日至2018年12月26日)的平均沉降速率0.009mm/d，小于0.01mm/d，符合《建筑變形測(cè)量規(guī)范》(JGJ 8—2016)[11]中第7.1.5條第4款的規(guī)定：當(dāng)最后100d的最大沉降速率小于0.01～0.04mm/d時(shí)，可認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖13可看出，基礎(chǔ)加固施工期間有一定的拖帶沉降，且原沉降較大側(cè)沉降大于原沉降較小側(cè)，傾斜進(jìn)一步發(fā)展，但施工結(jié)束后，沉降速率快速趨穩(wěn)，加固效果明顯。

圖11 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖12 沉降發(fā)展趨勢(shì)(2018年1月2日至2018年12月26日)

圖13 南北向差異沉降發(fā)展趨勢(shì)(2018年1月2日至2018年12月26日)

6 結(jié)論

本項(xiàng)目采用錨桿靜壓鋼管的基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)方案，實(shí)施過(guò)程中采取一系列不均勻拖帶沉降控制的方法，并應(yīng)用信息化監(jiān)測(cè)設(shè)備，精細(xì)化施工。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，加固措施切實(shí)有效，不均勻拖帶沉降在可控范圍?；A(chǔ)加固施工完成后，100d左右時(shí)間(2018年9月10日至2018年12月26日)平均沉降速率已小于0.01mm/d，符合沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

該項(xiàng)目順利通過(guò)專家組的驗(yàn)收，并由第三方鑒定公司出具鑒定報(bào)告，鑒定結(jié)論為：在正常使用和維護(hù)條件下，在目標(biāo)年限內(nèi)滿足安全性要求。截止發(fā)稿時(shí)該建筑物使用正常，無(wú)新增明顯開(kāi)裂等情況。