基底壓樁托換的實踐與分析

王璀瑾 俞 清 王天晴

(1.大連理工大學，遼寧 大連 116024;2.山西省建筑科學研究院，山西太原 030013)

0 引言

地基不均勻下沉導致上部結構傾斜和開裂在建筑物加固工作中屢見不鮮。出現這種問題的原因大致有以下三種:

1)未進行地質勘察或勘察工作疏忽大意，不了解基礎持力層或下臥層土體的具體情況而盲目建設。例如，將房屋建造在未知坡地上，一端為挖土另一端為填土，而設計人員不清楚場地整平前的原始自然狀態或者對其不夠重視。另一種情況是場地自然土層厚薄不均，存在局部軟弱土層而未能發現;2)地基受到了意外因素的影響而局部下沉。例如，雨水或生活生產用水短時間內大量浸入建筑地基;3)上部結構荷載分布不均，而所采用的基礎尺寸與之不相匹配。

無論上述何種原因引起的不均勻下沉，都將對建筑物產生不利的影響。這種影響分為安全和正常使用兩個方面:如果墻體或其他構件開裂可能導致局部破壞或整體坍塌，這將威脅到建筑物的安全;如果沉降差較大，引起地面傾斜或洞口門窗開啟困難將影響到正常使用。因此處理不均勻下沉問題在既有建筑加固中占有較重的分量。

解決此種問題方法很多，但各有利弊，加固設計時應根據具體情況進行分析，綜合考慮建筑物的結構形式、層數、荷載、原基礎形式和布置、施工操作的可能性、處理后所要達到的目標(僅是地基加固還是同時糾偏)等諸多因素，甚至還要考慮經濟投入問題。確定加固方案時，還應進行大量的計算甚至前期試驗工作以確保加固達到預期效果。此外，還要考慮可能帶來的附加沉降及施工期間的安全風險。

某住宅樓地基加固的成功實踐證明鋼管壓樁托換是解決不均勻沉降的好方法，這為山區坡地或高填土地區解決此類問題提供了經驗參考，期望其中的技術細節和施工方法對地基加固設計和施工人員有借鑒作用。

1 工程概況

山西省呂梁某住宅小區平行建造三棟磚混結構住宅樓，如圖1所示，地上7層，地下1層，采用了鋼筋混凝土墻下條形基礎。三棟樓自2008年建成使用至今的沉降一直未達到相對穩定狀態，且沉降極不均勻，在遠離山坡的一端沉降量較大，尤以其中的3號樓最為顯著，樓內住戶入戶后有明顯的坡道感覺，測量發現個別房間兩側樓板高差將近1.5%，已嚴重影響到了住宅的使用。與之相對應的是樓體傾斜和墻體開裂，其中絕對傾斜值達170 mm，相對傾斜率超過7‰。根據GB 50292-1999民用建筑可靠鑒定標準表6.3.5的規定，傾斜量嚴重超過規范規定。而裂縫主要分布于縱墻之上，沿房屋縱向呈倒“八”字狀態。裂縫最寬處甚至可以伸進手指，嚴重影響到了住宅的安全和正常使用。

2 原因分析

2.1 地質勘察

本工程在建設之前沒有進行較為細致的地質勘察工作，僅有部分參考資料，存在一定的主觀盲目性。在發生不均勻沉降之后，為查找原因，進行了詳細的補充勘察。在勘察深度范圍內地基土巖性構成分為3層，自上而下依次為:

第①1層:雜填土，呈雜色，主要由磚塊、爐渣、碎石等建筑垃圾組成，結構松散，層厚大約2 m～3.5 m。因房屋設有地下室，事實上建房時本層已全部挖除。

第①2層:素填土，主要由粉土組成，呈褐黃色，含有云母、氧化物、植物根及少量磚屑、碎石和白灰等。本層層厚沿房屋縱向變化很大，從東端的約1 m至西端的14 m。濕，稍密，標貫平均基數實測值為5.4擊。地基承載力建議值為80 kPa。

圖1 某住宅小區磚混結構示意圖

第②層:粉質粘土，褐黃色～褐灰色，含云母、氧化物、姜石等，夾薄層粉土，房屋西端鉆孔缺失。本層可塑，中壓縮性。標貫平均基數實測值為24.3擊。

第③層:粉質粘土，褐紅色，含云母、氧化物、鈣質結核、菌絲、姜石等，局部夾有薄層粉土?？伤堋菜?，中壓縮性。標貫平均基數實測值為35.9擊。場地內本層未予揭穿，最大揭露厚度為10.5 m。地基承載力建議值為220 kPa。

地下水在自然地面下12.8 m左右，為上層滯水。沿房屋縱向地質剖面如圖2所示。

圖2 房屋縱向地質剖面圖

2.2 原地基處理和基礎方案

3號樓設有一層地下室，采用了鋼筋混凝土墻下雙向條形基礎，基礎寬度平均為1.8 m，從自然地面算起，埋深約為4 m。條基下做了約2 m厚的灰土墊層，下部為素填土(第①2層)。

2.3 不均勻沉降分析

1)土層自然坡度過大、西端軟土層太厚是造成不均勻沉降的首要因素。3號樓東西端第①2層厚度相差13 m，坡度達1∶3，自然地形東高西低。調查得知，西端原為南北向人工填土河溝，填土分數十年完成，其中上層為新近填土，將其作為持力層形成了房屋的先天隱患。地基處理時采用了同一厚度的墊層法，未考慮場地地形特點。當地為山區，限于經濟發展水平和技術條件，草率整平后修房建屋的現象極為普遍，由于所建房屋層數增多，近年來發生不均勻沉降和建筑物開裂司空見慣。

2)造成地基不均勻沉降的第二個原因是地基承載力不足。根據本工程的現狀，建模計算得到的條形基礎線荷載值為353 kN/m，考慮基礎及回填土自重后的平均壓力為:

灰土墊層壓力擴散角θ=28°，軟弱下臥層頂面附加應力為:

修正后的軟弱下臥層承載力為:

因為Pz+Pcz＞faz，所以下臥層承載力不足。

事實上，由于相鄰條基較近且為雙向，考慮灰土壓力擴散角后在下臥層頂面處附加應力疊加現象將更嚴重。由于基底軟弱土層較厚，計算結果表明條基沉降量較大。

3)產生不均勻沉降的第三個原因是相鄰建筑物的影響。從圖1可以看到，緊貼3號樓東端山墻后建了一棟住宅，該住宅未設地下室而直接將端墻荷載施加于3號樓基礎放腳之上，該處條基承載能力嚴重不足，相鄰基礎沉降差過大。

4)地基受水浸泡是基礎不均勻沉降的第四個原因。3號樓東北側自然地勢較高，在山坡下設一排水溝，雨水直接滲入3號樓東北角地基，造成其進一步下沉。

需要說明的是，按自然地形和土層坡度建筑物本應向西端傾斜，正是由于上述第三和第四項原因才使其東端同時下沉較大。這就是圖3倒“八”字形裂縫的合理解釋。

3 方案設計

在產生不均勻沉降之后，也曾采取數種措施進行處理，但效果均不理想。其中主要包括:

1)原基礎外圍做CFG樁。在建筑周圍每隔一定距離機械成孔做成CFG樁以對房屋地基形成圍箍作用。在實施時，因地下水的影響塌孔嚴重，僅做部分樁基而最終作罷。處理基礎外圍無法解決基底土層軟弱問題，不可能達到預期效果。

2)3 號樓北側建地下灰土擋墻。在3號樓北側開挖深度約5 m基槽，用3∶7灰土逐層夯實，形成隔水層。此種方案僅對部分地表雨水滲入地基起作用，無法解決基礎進一步下沉問題。

圖3 壓樁設計示意圖

3)在條基下人工挖孔，做成墻下鋼筋混凝土灌注樁。此種方法施工困難，樁距過大，成本極高。僅做了幾根工程樁無法從根本上解決整樓的不均勻沉降也最終放棄。

4)原條基之間新做鋼筋混凝土梁(板)，形成事實上的局部筏板基礎。3號樓做了2 m厚的灰土層，已接近整體基礎，再做筏板也作用有限。觀測結果表明，雖然形成了局部筏板，但是沉降也未趨于穩定。

顯然，本工程主要應該解決的是基底軟弱下臥層問題，常用的方法是高壓注漿法。樓體已經發生了嚴重的傾斜和開裂，再加上軟弱下臥層厚度過大，注漿所帶來的附加沉降量難以預估，對其處理效果是否能達到要求把握性不大。經反復研究對比，采用基底分段鋼管靜壓進行局部托換較為穩妥，其優勢主要在于:1)干作業施工，不會發生水再次浸入地基現象，避免了加固施工期間發生不可預料的下沉和裂縫加大問題;2)施工作業面小，對已入住和已裝修的住戶影響最小;3)現場布樁靈活，可根據實際荷載需要和單樁施工壓力情況隨時調整樁位;4)效果好，易于掌握。由于采用了靜力壓入(非置換樁)，對地基土有較大擠密作用，改善了土體性能，對進一步下沉的基礎可迅速起到穩定作用;5)可根據勘察報告中軟弱土層的厚度調整樁長，改善了下臥層厚度不均的現象。樁長可穿透軟弱層，消除了軟弱層未來可能的隱患;6)直接利用原基礎上部荷載作為壓樁荷載，除阻止進一步不均勻下沉外可起到一定的抬高局部基礎和糾偏的作用;7)可根據整樓裂縫分布和不均勻沉降現狀采用局部布樁方案，減少加固工程量，降低加固費用。

靜壓樁采用鋼管樁，材料為Q235B，截面為245×7，有效樁長根據上述圖2地質剖面以穿透填土層第①2層進入第③層至少1 m為原則，預估樁長為16 m。根據勘察報告所提供的側阻和端阻，單樁極限承載力計算如下:

單樁承載力設計值為754 kN。

對于上部線載為353 kN/m的條基，若全部由樁承擔時樁距大約為1.3 m，沉降較大條基均按此布樁。根據上述鋼管規格和單樁極限承載力，樁身強度驗算能夠達到要求。

本次基底壓樁托換的目的是阻止沉降較大區域進一步下沉。從房屋建成數年、3號樓中段沉降已基本穩定和降低處理費用的角度出發，僅在東西兩端沉降量較大的區域布樁。壓樁設計示意圖如圖3所示。

4 樁基施工

當考慮條基線載全由樁基承受時，樁基布于承重墻中心線較為穩妥，此時將不產生上下荷載的偏心。但根據3號樓現狀、局部托換的處理思路和減少施工開挖對建筑物的影響等考慮，樁基并未與墻中心線重合，而稍微作了一些偏心處理，但嚴格進行了樁基施工時對原條基放腳的沖切和抗彎驗算，并充分考慮了樁基偏心對條基的扭轉影響。

樁基施工逐一進行，待第一根樁施工完成并達到要求后方可進行第二根樁的基底開挖，以防施工期間產生危險或加劇局部下沉。施工時先行機械挖至基礎放腳，而后人工自條基一側開挖，坑深1.5 m左右，再水平掏土進入基底。

樁段按1 m一節制作，考慮基底操作空間高度采用現場焊接。施工前制作了200 mm，400 mm，600 mm等數種壓樁墊筒，以便與千斤行程匹配。壓樁設備為100 t帶壓力表電動液壓千斤頂，最大行程為200 mm。行程越大施工進度越快，但設備自重也越重。因基坑操作空間狹小，只能人工搬動，故綜合考慮選擇了此種千斤。上述所選鋼管規格和單節1 m長度也是基于此項考慮。為取得經驗和參數，先期進行了試樁。

壓樁采用壓力和樁長雙控要求進行。試樁時發現當壓樁荷載超過預期要求的800 kN、樁長達到約15 m(已進入第③層約2 m～3 m)后，若卸除千斤，則樁頂回彈約20 mm?？紤]到本樓現狀和防止樁基受力滯后，在預估最后一節鋼管的兩側各焊接了雙耳肋板，在壓力達到要求時先在兩側墊入H型鋼頂緊基底，之后再卸除千斤，并根據留下的樁頂空間高度塞入墊筒焊接成樁，最后電焊軟化耳板拆除H型鋼。

通過樁基試驗還發現，在鋼管壓入后停歇24 h～48 h再行壓樁，壓力提高約10%，這說明樁周和樁端土重新固結后承載力有所提高。

基坑回填分兩步進行，首先在基底以下樁基周圍灌入C15素混凝土，待其達到要求后基坑采用2∶8灰土分層回填夯實至要求標高。

5 結語

本工程基礎托換施工于2013年5月順利完成，3號樓壓樁共88根，東西端平均樁長分別為8 m和16 m。此后盡管當地發生了多年不遇的連續暴雨，但沉降觀測未發現有明顯的變化，證明效果理想。在對上部裂縫和其他缺陷進行修補加固之后，小區已安全投入使用。

總結本次加固工程實踐，可以得到以下結論:

1)采用基底壓樁托換是解決地基不均勻沉降行之有效、經濟合理的方法。在基礎持力層或下臥層不滿足要求且厚度較大時優勢更為明顯。

2)基底壓樁托換應根據上部結構荷載、基礎形式、不均勻沉降表現形式和位置、地質情況、施工操作可行性和風險進行詳細的分析計算，選擇合理的樁身規格、樁長和布樁方案、壓樁設備、操作程序等，必要時還應進行現場試樁。

3)對既有建筑的不均勻沉降可采用局部壓樁托換的方法處理，做到對癥下藥。相對于其他方法它的附加沉降量和施工影響最小，受力明確，效果便于預估。

4)基底靜壓樁優于挖孔置換樁，對土體有明顯擠密作用，改善了樁間土的性質，具有迅速穩定地基沉降的作用。

5)基底靜壓樁直接利用上部荷載作為壓樁荷載，既解決了不均勻沉降問題，又節省了工程造價。

［1］JGJ 123-2000，既有建筑地基基礎加固規范［S］.

［2］JGJ 94-2000，建筑樁基技術規范［S］.

［3］GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規范［S］.