軟土地區(qū)高層建筑樁基加固技術的應用研究

李 明

（上?？辈煸O計研究院（集團）股份有限公司，上海 200093）

0 引 言

軟土地區(qū)地下水埋深淺，且淺部有較厚的軟弱土，高層建筑多采用預制樁、灌注樁等樁基礎。由于樁基施工質量缺陷，施工速度過快，或者基坑變形過大、滑坡等原因，造成樁基偏位、脫節(jié)，甚至斷樁等問題[1-3]。樁基質量缺陷往往會造成高層建筑發(fā)生不均勻沉降，進而引發(fā)建筑傾斜、結構開裂等問題，給建筑的正常使用帶來安全隱患。

目前在治理既有建筑不均勻沉降、樁基加固補強、基礎托換等工程中采用錨桿靜壓樁是行之有效的方法[4-9]。但對于樁基加固過程中存在的施工空間狹小、獨立承臺樁基無補樁空間、高地下水位封樁易滲漏等問題，依然是技術難點。

本文通過對某高層建筑的不均勻沉降原因進行研究分析，針對樁基加固設計施工中遇到的上述技術難題提出了綜合治理方法，取得了良好的效果。

1 工程概況

1.1 建筑物概況

某高層建筑為地上11 層住宅樓，建筑長52.80 m，寬15.30 m，高32.55 m。

基礎形式為獨立承臺樁基礎，基礎承臺厚800 mm。樁采用預制鋼筋混凝土方樁，樁長包括33.0 m、32.0 m、31.0 m，樁端持力層為⑤2粉砂夾粉土層，單樁抗壓承載力特征值取1 500 kN。獨立承臺埋深約5.50 m，無地下室。基礎樁位圖見圖1。

圖1 基礎樁位圖Fig.1 Foundation and pile position

根據(jù)檢測資料，文中建筑在基坑開挖后出現(xiàn)了部分偏位樁，低應變檢測結果I類樁31 根，Ⅱ類樁8 根（總樁數(shù)89 根，檢測數(shù)量39 根），檢測報告顯示樁身在樁頂以下10.0～13.0 m 左右存在著輕微缺陷。

原設計單位根據(jù)規(guī)范要求，結合樁基偏位情況，調(diào)整了基礎承臺及連梁的布置，并選取了部分樁進行靜載試驗，檢測結果滿足規(guī)范要求。

1.2 工程地質條件

本工程擬建場地80.5 m深度內(nèi)除表層為素填土外，其余均為第四系全新統(tǒng)-晚更新統(tǒng)濱海-河口相、濱海-淺海相及河口-湖沼相形成的黏性土、粉（砂）性土。根據(jù)場地內(nèi)土層結構、巖性、成因等差異，可分為9個層次。

本工程涉及地層包括①1素填土、①素填土、②1淤泥、②2淤泥質粉質黏土、③1黏土夾粉質黏土、③2粉質黏土夾粉土、③3粉質黏土、④1黏土夾粉質黏土、⑤1粉土、⑤2粉砂夾粉土。一般呈水平層理分布。典型地質剖面見圖2。

圖2 典型地質剖面圖Fig.2 Typical geological profile

根據(jù)巖土工程勘察報告，土層分布及主要物理力學性質如表1所示。

表1 土層分布及主要物理力學性質一覽表Table 1 Main physical and mechanical properties of soil

1.3 建筑變形分析

文中建筑在安裝電梯時，因井道傾斜超過限值導致電梯無法安裝。根據(jù)房屋沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，建筑北側沉降基本收斂，但南側沉降仍不穩(wěn)定。

根據(jù)施工記錄，地下一層于2017年7月完成覆土回填，屋面結構于2017年7月7日施工，基礎上部主要荷載施加完成。截至2017年10月18日，建筑累計沉降21.41～25.06 mm，沉降變形速率為0.05～0.07 mm/d。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，2018年4月19日至2018年6月9日累計沉降量為1.86～4.27 mm，其中南側為2.97～4.27 mm，北側為1.86～2.50 mm，南北向累計差異沉降為0.77～2.41 mm，且差異沉降仍然處于進一步增大趨勢。建筑南側測點的沉降速率超過規(guī)范[10]要求的建筑物穩(wěn)定標準，沉降變形不收斂。

1.4 不均勻沉降原因分析

文中建筑南北向存在不均勻沉降和傾斜，南側沉降不收斂，表明南側部分樁基實際承載力未達到原設計要求。樁基承載力不足主要與地層條件、樁基施工、基坑土方施工等因素有關，分析如下：

（1）場地淺部填土、淤泥及淤泥質粉質黏土土質極差，預制樁沉樁施工，如場地處理不到位，打樁機在沉樁施工時易出現(xiàn)陷機、傾斜等，可能造成樁身受損甚至破壞，進而導致樁基承載力不足。

（2）預制樁沉樁過快產(chǎn)生擠土效應，擠土引起的超孔隙水壓力對預制樁產(chǎn)生水平推力，可能使樁基偏斜、脫節(jié)甚至斷樁，如接頭質量不好更易脫開。

（3）本工程基坑開挖深度約3.5 m 左右，場地淺部土質條件差，如基坑圍護存在變形過大，土方開挖未按要求實施，也會造成樁基偏位、傾斜，甚至斷樁。

1.5 項目的特點及技術難點

（1）原工程樁施工質量不確定性：本工程原有部分樁基發(fā)生偏位，原設計單位根據(jù)樁基檢測和樁位復測結果，調(diào)整了承臺尺寸和連系梁布置。根據(jù)檢測報告，樁基檢測為合格，建筑在結構封頂后南北向出現(xiàn)不均勻沉降，樁基實際質量情況不明，具有不確定性。

（2）狹小空間基坑圍護施工：本工程主樓南側建筑物外墻距臨時圍墻最近約4.8 m，距電纜井最近約4.0 m；西側建筑物外墻距臨時圍墻最近約3.0 m，距電纜井和水管約0.8 m。周邊環(huán)境復雜，基坑圍護施工空間狹小。

（3）狹小空間土方開挖：本工程基礎承臺上部已回土至地面標高，覆土厚約4.7 m，其中一層梁板底面距基礎承臺頂面凈空高度約4.0 m?；A加固前需要挖除覆土，土方開挖在地下一層結構影響范圍內(nèi)，環(huán)境復雜且施工空間狹小，施工難度大。

（4）獨立承臺上新增疊合板：本工程基礎為獨立承臺樁基礎，承臺之間布置連系梁，無法直接在原有承臺上開孔補樁，根據(jù)剛度平衡原理，補樁需對稱布置在原有承臺兩側，需要新增疊合板傳力，使補樁與原有承臺樁基共同承擔上部荷載，以及提供壓樁反力。

（5）電梯井區(qū)域水位高：本工程所處地區(qū)地下水豐富，潛水水位埋深約0.5 m，電梯井底板埋深約5.5 m，底板底水頭高約5.0 m。補樁施工前需要在電梯井底板進行開孔泄壓，將地下水降至底板底以下，保證補樁施工順利進行。

2 狹小空間高層建筑樁基加固方案

2.1 樁基加固方法

本工程根據(jù)沉降觀測數(shù)據(jù)進行反演分析，可僅對南側沉降大側進行補樁，補樁數(shù)量少。采用錨桿靜壓鋼管樁Φ426×12，樁長33 m，以⑤2粉砂夾粉土作為樁基持力層，單樁豎向抗壓承載力特征值取1 500 kN，鋼管樁節(jié)之間通過鋼套管焊接連接。

為了提高南側基礎的整體性，提供補樁平臺，在原有承臺和連梁上新增疊合板，保證新補樁與原有基礎、上部結構之間荷載傳遞。新增筏板及鋼管樁布置圖見圖3。樁頂反力計算結果見圖4。

圖3 新增筏板（陰影部分）及鋼管樁布置圖Fig.3 Layout of new raft (shaded part) and steel pipe pile

圖4 樁頂反力計算結果Fig.4 Calculation results of pile top reaction force

2.2 狹小空間基坑圍護施工技術

文中建筑基礎加固施工前，需要將承臺上的覆土挖除，卸土前要進行基坑圍護。建筑南側外墻緊鄰擋土墻、臨時圍墻及電纜井，西側外墻緊鄰臨時圍墻、電纜井和市政水管，周邊環(huán)境復雜，圍護施工空間狹小。

圍護方案充分利用住宅樓南側原有重力壩及擋土墻擋土，將回填土卸土至重力壩壓頂板。西側采用長度12 m 的32a 槽鋼圍護，水平設H400×400 型鋼支撐。北側空間相對寬松，采用兩級大放坡開挖卸土。東側場地未回填，淺部為建筑垃圾，挖深約2.7 m，采用一級放坡，局部區(qū)域借助建筑剪力墻擋土。基坑圍護平面布置見圖5，南側土方開挖剖面見圖6，西側土方開挖剖面見圖7，南側土方開挖現(xiàn)場見圖8。

圖5 基坑圍護平面布置圖Fig.5 Plan of foundation pit enclosure

圖6 南側土方開挖剖面圖Fig.6 Profile of earth excavation on the south side

圖7 西側土方開挖剖面圖Fig.7 Profile of earth excavation on the west side

圖8 南側土方開挖現(xiàn)場圖Fig.8 Site map of earth excavation on the south side

2.3 獨立承臺樁基礎新增疊合板加固技術

原有建筑基礎形式為兩樁、三樁和四樁承臺加樁基，獨立承臺無法補樁，補樁施工前需要新增筏板將原有承臺基礎和錨桿靜壓樁連為整體。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，本工程南側沉降不穩(wěn)定，僅需在南側補樁，補樁區(qū)域增加疊合板，板厚800 mm。

新增疊合板主要承受樁頂反力、上覆土荷載。通?？赏ㄟ^在承臺頂面、側面進行植筋，頂面植筋提供抗拔力，側面植筋承擔剪力，植筋間距和深度根據(jù)所需抗拔力進行計算確定。本工程在承臺上表面及剪力墻上植筋，植筋采用■20@200，承臺植入深度500 mm。植筋完成后，承臺上表面新老混凝土接觸面進行鑿毛處理，預留樁孔新澆筑疊合板。承臺植筋節(jié)點見圖9。新增承臺疊合板見圖10。

圖9 承臺植筋節(jié)點圖Fig.9 Node of bonded rebars of cushion cap

圖10 新建承臺疊合板Fig.10 New cap composite plate

2.4 低凈空狹小空間土方開挖技術

本工程基坑挖深4.7 m，建筑物一層梁板底面距基礎承臺頂面凈空高度約4.0 m。周邊鄰近管溝、擋土墻，施工空間狹小。不同于常規(guī)土方開挖工作，在建筑內(nèi)部進行土方開挖必須充分考慮既有結構內(nèi)部環(huán)境對土方開挖作業(yè)的影響，要保證挖土施工的便利，也要保護好既有建筑結構。

適用于低凈空狹小空間的土方開挖，需要采用小型機械將開挖土方轉運至出土位置，挖土過程中注意避讓剪力墻、梁柱等結構構件，有條件可采用水平履帶式出土或立體式出土。

結合現(xiàn)場條件，本工程最終采用多臺小型挖土機械，從西到東，依次退挖施工。外側采用中型挖土設備及土方車進行出土駁運。挖土路線見圖11。挖土施工過程中采用明排水及時排除積水。

圖11 挖土路線圖Fig.11 Excavation roadmap

2.5 地下水控制及高水位封樁技術

本工程場地潛水地下水位埋深0.5 m 左右，電梯井板底埋深為5.50 m，水位差為5.0 m，地下水位高。補樁施工前，需要將地下水位泄壓至底板底。

本工程在每個電梯井內(nèi)各開設1 個泄壓孔，采用井內(nèi)明排水泄壓，并在緊鄰電梯井外側新增1 個臨時集水深坑，同步排水泄壓，達到了預期的效果。

為防止補樁封樁后地下室出現(xiàn)滲漏，本工程采用二次封樁技術，設兩道止水條，封樁節(jié)點見圖12。第一次封樁至底板一半厚度，振搗密實，混凝土初凝后，查驗樁孔是否有滲漏點，并及時對滲漏點進行堵漏。待無滲漏點后，采用高強灌漿料封樁至底板面平，確保底板后續(xù)無滲漏問題。

圖12 封樁節(jié)點Fig.12 Pile sealing joint

3 加固效果分析

本工程通過動態(tài)監(jiān)測，為加固設計及施工提供依據(jù)，分析了建筑在補樁加固前后的變形情況。建筑四周共布置了8 個監(jiān)測點，沉降監(jiān)測點（1～8）布置見圖13。各監(jiān)測點的累計沉降速率曲線見圖14，南側和北側的監(jiān)測點平均沉降速率曲線見圖15，圖中數(shù)據(jù)為負表示下沉，數(shù)據(jù)為正表示上抬。

圖13 沉降監(jiān)測點（1～8）Fig.13 Settlement monitoring points (1-8)

圖14 累計沉降速率曲線Fig.14 Cumulative settlement rate curves

圖15 平均沉降速率曲線Fig.15 Average settlement rate curves

補樁施工前（2018-07-01—2018-08-10），南側承臺施工區(qū)域進行卸土開挖，基礎承臺上部荷載減小，局部區(qū)域出現(xiàn)上抬變形。

補樁施工期間（2018-09-01—2018-10-22），南側累計沉降變形-4.23～-1.28 mm，最大沉降變形為-4.23 mm（監(jiān)測點5），平均沉降變形為-2.46 mm，2018 年10 月平均沉降變形速率為-0.10 mm/d。

補樁施工后（2018-10-23—2018-12-25），南側累計沉降變形-7.12～-7.05 mm，最大沉降變形為-7.12 mm（監(jiān)測點7），平均沉降變形為-7.10 mm，2018 年12 月平均沉降變形速率為-0.03 mm/d。

補樁完成后，受覆土回填擾動以及上部二次結構和裝修施工影響，基礎上部荷載有所增加，11 月份沉降有所增大，12 月份后趨于穩(wěn)定。其中，9 月份南側卸土施工，部分點位不具備觀測條件無法觀測，監(jiān)測點8 受回填土施工影響，數(shù)據(jù)有所偏差。住宅樓自補樁后至今沉降穩(wěn)定，達到預期加固效果。

4 結 論

既有建筑周邊環(huán)境日益復雜，樁基事故原因多樣，涉及狹小空間、精細化施工等技術的應用需求將會日益增多。本文通過對某高層建筑基礎加固案例的分析，針對軟土地區(qū)高層建筑樁基加固中遇到的獨立承臺樁基補樁、狹小空間基坑圍護設計施工、高水位封樁等技術難題提出了解決方案，取得了良好的效果，以期為類似工程提供參考。