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某高层建筑物室内联合迫降纠偏加固方法的应用

| 来源:网友投稿

郭俊杰

(上海长凯岩土工程有限公司 上海 200093)

地质条件较好地区,建筑物通常采用天然地基,不仅可以节省工期,还可以节省造价,是一种优势比较明显的地基选型方案。由于设计缺陷、地基处理施工质量、局部软弱土体、深层软弱层、室外堆土、基坑开挖、降水、土体湿陷等原因,天然地基的建筑物极易发生不均匀沉降,引起建筑物倾斜、结构开裂等问题,严重影响结构安全和正常使用。

建筑物出现不均匀沉降且沉降速率无收敛趋势时,需要先进行基础加固,使建筑物处于稳定状态。锚杆静压桩是一种常用的基础加固方法,且有丰富的成功案例,对于沉降较大侧,可以采用预应力封桩的方法快速止沉,对于沉降较小侧可采用注浆和预留沉降的方法进行被动纠偏[1]。基础加固完成后,可对建筑物进行纠偏,主要有顶升纠偏和迫降纠偏。对于纠偏量不大的建筑物,迫降纠偏方法具有成本低、施工风险小等优势。付斌[2]在建筑物沉降较小一侧的室外开挖辐射井,辐射井内设置若干射水孔,通过高压水冲走土体,降低地基土强度,完成了上海一幢5层砌体结构房屋的迫降纠偏。在辐射井迫降纠偏方法的基础上,配合室外斜孔掏土的方法,可以提高迫降纠偏的效率[3]。袁开军等人[4]采用注浆的方法对基础进行加固,并采用分批掏土纠偏的方案解决了北京某11层高层建筑的严重倾斜与地基沉降不稳定的问题。张勤羽[5]提出了一种在软土地区建筑物沉降较小一侧的基底取土的纠偏方法,通过减少地基土支撑面积,在上部荷载的作用下,增加地基土有效应力,加速沉降。在湿陷性黄土地区,孙琪等人[6]提出了多竖井开挖分批水平掏土迫降+锚索加压调控+钢管桩与灰土桩加固的综合纠偏加固措施。对于有桩基的建筑物,可采用截桩的方法降低地基承载力,加速沉降较小一侧的沉降,陈立荣[7]提出的截桩可控纠偏技术较早在国内实施应用,近几年新型截桩迫降技术也有较多成功案例[8-9]。

目前常用的迫降纠偏方法大多在室外施工[10-11],很难兼顾项目的保密性;
单一的掏土纠偏或者辐射井冲水纠偏的效率较低;
而截桩迫降纠偏不仅成本较高,而且具有一定的“突沉”风险。以往案例大多为多层建筑,具有地下室的高层建筑迫降纠偏鲜有报道。

本文结合安阳某11层高层住宅项目,避开常规迫降纠偏方法的短处,提出在室内施工,采用锚杆静压桩预应力封孔技术快速控制沉降,并采用掏土联合冲水振捣进行迫降纠偏,高效解决建筑物倾斜问题,为迫降纠偏提供了一种新的综合处理方案。

1.1 项目概况

安阳某一高层住宅地上11 层+1 层阁楼,地下1层。地下1层层高为2.75 m,上部各层层高均为2.9 m,房屋高度32.50 m,室内外高差为0.6 m,东西长约42.8 m,南北宽约14 m,为现浇钢筋混凝土剪力墙结构。基础采用天然地基,持力层为第①层粉土,承载力特征值为120 kPa;
修正后的地基承载力为203 kPa,基础形式为筏板基础,板厚600 mm,埋深3.45 m。

主体结构完成后,进行安装工程施工时发现,电梯安装困难,建筑物出现较严重不均匀沉降,且无收敛趋势,亟需进行基础加固和纠偏处理。

1.2 地质条件

原勘察报告根据钻探和标贯试验结果,揭露出场地土层主要有粉土和粉质粘土组成。自上而下各土层分布情况及主要物理力学指标如表1 所示,典型地质剖面如图1所示。

表1 场地土体主要物理力学指标Tab.1 Main Physical and Mechanical Indexes of Site Soil Mass

图1 典型地质剖面Fig.1 Typical Geological Section (mm)

1.3 沉降及倾斜监测结果分析

根据沉降观测数据,建筑物沉降状况可分为如下3个阶段(沉降观测点平面布置如图2所示):

图2 沉降观测点平面布置Fig.2 Plane Layout of Settlement Observation Points (mm)

⑴第一阶段:主体结构施工,2017年8月~2017年11 月。从处理前监测点沉降曲线(见图3)中可知,主体结构在从一层施工至阁楼的过程中,沉降量不断增加,沉降速率逐渐变大。东南角沉降最大,累计沉降量达到65.93 mm;
西北角沉降最小,累计沉降量为31.71 mm;
南北最大倾斜已达到0.113%,最大沉降速率4.89 mm/d。2017年12月~2018年1月为停工状态,东南角最大沉降量为7.06 mm,沉降速率有所趋缓。

图3 处理前监测点沉降曲线Fig.3 Settlement Curve of Monitoring Points before Treatment

⑵第二阶段:填充墙、抹灰、安装等施工,2018年2月~2018年8月。监测数据显示,第二阶段沉降速率随着荷载的增加迅速加快,东南角第二阶段沉降量达到103.79 mm。

⑶第三阶段:观测阶段,2018年9月~2018年10月。第三阶段基本无荷载增加,但是建筑物的沉降未趋于稳定,南侧平均沉降速率仍大于0.04 mm/d。

通过各阶段的监测结果可以表明,地基承载力无法满足上部荷载要求,最大倾斜已达到0.284%(处理前)。如果再不采取加固措施,建筑物差异沉降不断增大,将严重影响结构安全和后期使用。

1.4 不均匀沉降原因分析

对比分析原勘察报告中该区域各层土标贯击数(见表2)可以看出,建筑物基底下土层的平均标贯击数呈现西大东小的趋势,与西侧沉降小,东侧沉降大的特征相吻合。

表2 标准贯入击数统计Tab.2 Statistical of Standard Penetration Blows

从补充勘察的双桥静力触探结果(见图4)同样可以看出,在基底以下约7 m范围内,建筑物东南角以下的土体qc值和fs值明显低于建筑物西南角以下的土体。东、西侧地基承载力特征值差异明显,后期沉降量也会有较大差异。

图4 双桥静力触探对比曲线Fig.4 Comparison Curve of Double Bridge Static Penetration Test

天然地基持力层为第①层粉土,施工过程中易受扰动。勘察单位提供的验槽报告显示,基槽内顶部地基土受扰动。而施工时,基底土体很难做到差异化处理。

现场踏勘发现,建筑物西侧部分地基土由于受林木影响,地基土含水量较低,承载力较大。

综合考虑原勘察报告的标准贯入试验结果、补充勘察的双桥静力触探结果、现场施工情况、周围环境等因素,建筑物发生不均匀沉降的主要原因是东侧地基承载力相对于西侧低,现场施工时未对东、西侧天然地基进行区别处理。随着上部荷载的增加,东南区域(沉降观测点M5、M6、M7)沉降速率远大于西北区域,从而东、西侧差异沉降不断加大。

设计方案分两个部分,第一部分为沉降较大区域的基础加固,第二部分为沉降较小区域的迫降纠偏。

2.1 基础加固方案

加固处理时建筑物已完成填充墙施工,地下室空间狭小,最大净高不足2.9 m,业主要求全部处理工作均在室内完成。因此,选择锚杆静压钢管桩进行基础加固。

针对基底土体分布的特点,在地下室东南区域,先施工第一批钢管桩,桩型为ϕ273×8,材质Q235,桩长约16 m,桩端持力层位于第⑥层粉质粘土中,ϕ273×8 桩顶锚入底板底面以上约10 cm,ϕ273×8 钢管顶插入H200×200×8×12传力型钢(顶面高出底板顶面约10~20 cm,后期放置千斤顶进行预应力封桩),单桩承载力特征值为550 kN,以压桩动阻力控制为主,桩长控制为辅,终桩动阻力不小于1 100 kN。压桩完成后,采用预应力封桩技术使钢管桩快速承受上部荷载。预应力封桩如图5所示。

图5 预应力封桩Fig.5 Prestressed Pile Sealing

迫降纠偏完成后,为防止建筑物后期有过大的沉降,需施工第二批钢管桩,桩型为ϕ219×8,材质Q235,桩长约16 m,桩端持力层位于第⑥层粉质粘土中,ϕ219×8 桩顶锚入底板底面以上约10 cm(无传力型钢,后期不进行预应力封桩),单桩承载力特征值为425 kN,终桩动阻力≥850 kN。封桩前,在第二批钢管桩顶部设置不同厚度的泡沫板(厚度2~7 cm,详见图6),根据建筑物倾斜情况,预留后期沉降量。

图6 基础加固平面布置Fig.6 Foundation Reinforcement Layout Plan

2.2 迫降纠偏方案

迫降纠偏采用的是多种纠偏方法联合使用的综合方案。

首先在沉降较小区域,利用第二批锚杆静压钢管桩的压桩孔(孔径约300 mm,深度打穿底板),在底板下掏土,掏土直径≥1.5倍压桩孔,深度≥2 m。通过在基底掏土,可减少底板与地基土的接触面积,增大土体应力,加速沉降。

然后在掏土孔内采用高压水冲刷地基土(高压水不大于1 MPa)。高压水由注浆泵泵送,端部连接钢叉,高压水从钢叉端部冲出。冲刷地基土的同时,钢叉不断振捣掏土孔侧壁和底部地基土(见图7)。通过高压水冲刷和振捣,可迅速破坏部分地基土结构,降低地基土承载力,迫使基础下沉。冲刷和振捣土体的频率不小于2~3 次/h,每孔单次3~5 min,每天24 h 不间断扰动土体,直至基础沉降达到预定沉降量,建筑物倾斜满足设计要求。

图7 冲水振捣示意图Fig.7 Schematic Diagram of Flushing and Vibrating

最后,快速施工第二批锚杆静压钢管桩,钢管桩施工完成后,采用碎石填充掏土孔,并在桩顶预留泡沫板再封桩,完成纠偏全部工作。

3.1 桩身强度验算

ϕ219×8 钢管桩计算参数:t/d=8/219=1/27.4,d<600 mm,桩身局部压屈验算:

式中:t为钢管壁厚;
d为桩径;
N为最大压桩动阻力;
fy为钢材抗压强度设计值;
As为钢管截面面积。

ϕ273×8 钢管桩计算参数:t/d=8/273=1/34.1,d<600 mm,桩身局部压屈验算:

N<fyAs=215×3.14×(0.273×0.273-0.257×0.257)/4×1 000=1 431.21 kN。

桩身强度满足《建筑桩基技术规范:JGJ 94—2008》要求。

3.2 单桩承载力验算

采用闭口钢管桩,λp=1,按下列公式计算钢管桩单桩竖向极限承载力标准值Quk:

式中:Qsk、Qpk分别为总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值;
u为桩身周长;
li为桩周第i层土的厚度;
Ap为桩端面积。

经计算,ϕ219×8 和ϕ273×8 钢管桩单桩竖向极限承载力标准值为851.34 kN和1 101.76 kN。

3.3 地基沉降验算

原基础采用天然地基,第一批压桩区域地基土承载力较低,第二批压桩区域地基土受到掏土联合冲水振捣的影响,底板下地基土全按软土考虑。因补打的钢管桩以控制沉降为主,间距较大(>6倍桩径),所以迫降纠偏后的最终沉降s按照减沉复合疏桩基础进行计算(计算结果如图8所示)。

图8 沉降等值线Fig.8 Settlement Contour

式中:ψ为沉降计算经验系数;
ss为由承台底地基土附加压力作用下产生的中心点沉降;
sp为由桩土相互作用产生的沉降。

通过计算可知,采用掏土联合冲水振捣迫降的方法,可以使基础最大迫降约12 cm。

⑴在第一批施工钢管桩区域(沉降较大区域)的底板上开孔,孔径约300 mm,要求打穿底板和垫层;

⑵在压桩孔附近种植锚杆;

⑶安装压桩反力架,分节施工第一批钢管桩(ϕ273×8 钢管),单节钢管长度1~2 m,终桩时以压桩动阻力控制为主,桩长控制为辅;

⑷在ϕ273×8钢管桩顶部施加预应力,预应力不小于1 000 kN,然后采用灌浆料快速封桩,并恢复顶层钢筋;

⑸在第二批施工钢管桩区域(沉降较小区域)的底板上开孔,孔径约300 mm,要求打穿底板和垫层;

⑹利用第二批底板开孔,在底板下进行掏土;

⑺在掏土孔内对地基土进行冲水和振捣扰动,开始对建筑物进行迫降纠偏;

⑻采用与第一批施工钢管桩同样的方法,分节施工第二批钢管桩(ϕ219×8钢管);

⑼在ϕ219×8钢管桩顶部设置泡沫板,用碎石填充掏土孔,最后再封桩。

纠偏过程中加强对建筑物的沉降观测,人工监测不小于2次/d,根据沉降速率,动态调整地基土的扰动强度和频率。

5.1 单桩承载力满足设计要求

ϕ273×8 钢管桩施工过程中间隔0.6 m 记录一次压桩动阻力,将压桩动阻力曲线与补勘双桥静力触探曲线对比(见图9)可以发现,压桩动阻力随着静探曲线的波动而起伏变化,两者变化趋势保持一致,桩端入土深度达到16 m 时,桩端位于较硬持力层,单桩承载力较高。

图9 压桩动阻力与静力触探对比曲线Fig.9 Comparison Curve between Dynamic Resistance of Pile Pressing and Static Penetration Test

压桩完成后,对ϕ273×8钢管桩进行静荷载试验。从Q-s曲线(见图10)可以看出,最大加载值达到1 400 kN时,桩顶累计沉降约12 mm,满足设计和《建筑桩基技术规范:JGJ 94—2008》要求。

图10 静载荷试验Q-s曲线Fig.10 Q-s Curve of Static Load Test

5.2 纠偏加固效果明显

迫降纠偏工作从2019年2月底开始至2019年4月底结束,从开始处理后监测点沉降曲线(见图11)可以得出,建筑物西侧的沉降随着冲水振捣工作的持续而稳定增加,其中西北角观测点M2 最大迫降高度达到89 mm,而建筑物东侧观测点M5 和M6 从基础加固完成后基本无变化。

图11 开始处理后监测点沉降曲线Fig.11 Settlement Curve of Monitoring Points after Starting Processing

2019 年5 月初全部纠偏加固工作完成后,建筑物的沉降一直保持稳定状态。截止2019 年9 月底,大于100 d 的沉降数据显示,建筑物的变形速率为0.01~0.02 mm/d,满足《建筑变形测量规范:JGJ 8—2016》界定的趋于稳定状态要求。

文章结合工程实践,对在室内进行迫降纠偏的综合方法作了详细说明。根据相关数据,可以得出如下主要结论:

⑴ 迫降纠偏前应对沉降较大区域进行基础加固,并采用预应力封桩的方法,快速控制该区域的沉降,从而可以减少后期纠偏工作量;

⑵在室内进行掏土联合冲水振捣的综合纠偏方法,不仅对周边环境影响极小,而且可以持续稳定的迫使基础发生沉降,迫降速率可控,效果显著;

⑶迫降纠偏完成后,对迫降区域进行基础加固,并用泡沫板预留一定沉降量,可控制后期总沉降量,避免出现“超纠”问题。

综合迫降纠偏加固技术的成功应用,可以有效解决具有地下室高层既有建筑不均匀沉降的问题,为处理类似问题提供了一种新的设计和施工思路,具有显著的经济效益和社会效益。

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