某地基沉降辦公樓加固方案研究*

郜寶田

(寧夏建投設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 銀川 750001)

0 前言

地基不均勻沉降是一種常見(jiàn)的典型工程質(zhì)量事故，嚴(yán)重威脅著上部結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和舒適度。合理的地基加固處理方法能夠有效緩解和解除地基沉降的不利影響。

針對(duì)地基不均勻沉降問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量研究，俞建霖等[1]建立了復(fù)合地基沉降理論模型，通過(guò)與數(shù)值模擬對(duì)比驗(yàn)證了該模型的可靠性并確定了影響地基沉降的主要因素。杜永峰等[2]研究發(fā)現(xiàn)地基不均勻沉降將導(dǎo)致隔震建筑上部結(jié)構(gòu)破壞風(fēng)險(xiǎn)增大。郭昭勝[3]采用壓力注漿法對(duì)由于未勘明潛伏沖溝造成磚混結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沉降的地基進(jìn)行加固。Bao等[4-5]研究了在地基不均勻沉降條件下上部結(jié)構(gòu)地震易損性和損傷分布情況，并對(duì)比分析了沉降量、沉降位置及地震對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的影響情況。田昱峰[6]針對(duì)某采煤沉陷區(qū)安置住宅的沉降問(wèn)題，提出聯(lián)合使用堆載與掏土的方法，有效降低了差異沉降量。勝利等[7]采用多種基床系數(shù)對(duì)筏板基礎(chǔ)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，所得沉降實(shí)測(cè)值與經(jīng)驗(yàn)值具有較好吻合度。盧淑雯等[8]針對(duì)發(fā)生地基不均勻沉降的超靜定框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)的還原問(wèn)題，給出了基于結(jié)構(gòu)力學(xué)矩陣位移法還原超靜定框架結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算原理。周漢香等[9]提出采用補(bǔ)樁方法解決原樁基承載力不足的問(wèn)題，從而將結(jié)構(gòu)沉降量控制在可接受范圍。針對(duì)大厚度濕陷性黃土地基沉降問(wèn)題，王鼎等[10]提出內(nèi)外套管組合沉管夯擴(kuò)法來(lái)消除黃土濕陷性帶來(lái)的不利影響。陳軍良[11]結(jié)合位于深厚自重濕陷性場(chǎng)地的高層建筑旋挖灌注樁基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)實(shí)例，詳細(xì)探討了深厚自重濕陷性場(chǎng)地基礎(chǔ)問(wèn)題及解決辦法。王逢睿等[12]以濕陷性黃土區(qū)某實(shí)際工程為案例，系統(tǒng)研究了錨桿靜壓樁的加固效果。然而，建筑結(jié)構(gòu)場(chǎng)地特征及沉降誘因迥異，所采取的相應(yīng)加固處理方法不盡相同，需要具體問(wèn)題具體分析。

本文針對(duì)一棟坐落在深厚濕陷性黃土填土地基上的4層框架結(jié)構(gòu)辦公樓地基沉降問(wèn)題展開(kāi)研究，詳細(xì)探討沉降原因；通過(guò)對(duì)比分析，對(duì)不同加固方案進(jìn)行優(yōu)選。

1 工程概況

1.1 辦公樓結(jié)構(gòu)特征

本工程為4層辦公樓，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)為58.8m，總寬為19.8m，平面布置如圖1所示；底層層高4.2m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.4m?？蚣苤孛娉叽?00mm×600mm，框架梁截面尺寸300mm×600mm，框架柱和框架梁分別采用C35和C30混凝土?；A(chǔ)為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，埋深2.0m，采用淺基礎(chǔ)強(qiáng)夯處理。該工程建成時(shí)間已近10年，現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)外框架梁柱節(jié)點(diǎn)附近出現(xiàn)裂縫，部分裂縫大于5mm，基礎(chǔ)累計(jì)最大沉降量已超過(guò)200mm。因?qū)?0m、深16m的沖溝位于建筑物地基的中下部，中部柱下獨(dú)立基礎(chǔ)沉降大，兩邊柱下獨(dú)立基礎(chǔ)沉降小，差異沉降最大值為70mm。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 建筑場(chǎng)地

建筑場(chǎng)地處于濕陷性黃土工程地質(zhì)分區(qū)Ⅱ區(qū)，即隴東-陜北-晉西地區(qū)。屬中溫帶干旱大陸性高原氣候區(qū)，氣候干燥，雨雪稀少，日照充分，蒸發(fā)強(qiáng)烈，夏季炎熱，冬季寒冷，冷熱變化急劇，季節(jié)溫差大，為典型的大陸性氣候。七月至九月為雨季，年均降雨量為231.3mm，年最大降雨量為491.8mm，標(biāo)準(zhǔn)凍土深度為1.37m。

1.3 地形地貌

地貌單元屬河流沖洪積平原的二級(jí)階地，河谷沖洪積平原沿河流兩側(cè)展布，地勢(shì)平坦，發(fā)育有三級(jí)沖洪積階地，一級(jí)階地窄小而不連續(xù)，分布于河床兩側(cè)，二級(jí)階地是河谷平原的主要組成部分，不連續(xù)，界限較明確，往往形成高出河床10～25m的陡坎，陡坎近直立，寬2～3km。場(chǎng)地原為荒地，溝壑發(fā)育。本工程坐落在近南北走向?qū)捈s40m、深約16m的沖溝上。

1.4 場(chǎng)區(qū)地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，本場(chǎng)地地層為淺層填土，上部以沖洪積及風(fēng)積的黃土狀粉土、黃土狀粉質(zhì)黏土為主，下部為粉土、粉質(zhì)黏土、礫砂及角礫等，土層性狀如表1所示。

土層性狀 表1

1.5 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)附近500m范圍內(nèi)無(wú)地表水系，勘探深度范圍內(nèi)未見(jiàn)穩(wěn)定的地下水，場(chǎng)區(qū)黃土狀粉質(zhì)黏土為相對(duì)隔水層，大氣降水及綠化用水可在黃土狀粉質(zhì)黏土的阻隔下向下滲透，形成水力梯度很小的局部滲流，從而形成上層滯水。

1.6 濕陷性評(píng)價(jià)

依據(jù)野外勘察及室內(nèi)土工試驗(yàn)，場(chǎng)區(qū)素填土、黃土狀粉土、粉質(zhì)黏土性土具有濕陷性，屬輕微～中等濕陷性，濕陷系數(shù)δs為0.015～0.042，計(jì)算的總濕陷量Δs為0～46.0mm；自重濕陷系數(shù)δzs為0.015～0.022，計(jì)算自重濕陷量Δzs為0～42.0mm。綜合分析確定場(chǎng)區(qū)濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)非自重濕陷。

2 結(jié)構(gòu)沉降分析

2.1 地基持力層承載力計(jì)算

依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[13](簡(jiǎn)稱地基基礎(chǔ)規(guī)范)，地基持力層選用②壓實(shí)填土，采用YJKS3.0進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)計(jì)算。選取中柱的聯(lián)合基礎(chǔ)DJ-22(圖1(b))進(jìn)行計(jì)算，基礎(chǔ)寬度b=2.6m，基礎(chǔ)長(zhǎng)度l=5.6m。其總荷載∑(F+G)為1 985.2kN(其中F為上部荷載準(zhǔn)永久組合時(shí)，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力；G為基礎(chǔ)自重+覆土重)，柱下獨(dú)立基礎(chǔ)底面面積A為14.6m2，基底上土自重壓力Pc為16.5kPa。計(jì)算得到的地基持力層承載力及基底壓力如表2所示。從表2數(shù)據(jù)可以看出，地基持力層承載力滿足基底壓力要求，但仍需對(duì)其地基變形進(jìn)行驗(yàn)算。

地基持力層承載力及基底壓力 表2

2.2 軟弱下臥層承載力驗(yàn)算

以基礎(chǔ)DJ-22為研究對(duì)象，選取壓縮模量較小的④黃土狀粉土和⑤2黃土狀粉質(zhì)黏土兩個(gè)土層進(jìn)行驗(yàn)算：

(1)地面至軟弱下臥層頂面總深度d=6.0m，軟弱下臥層上面的土層自上而下分布為1.0m厚填土、1.50m厚壓實(shí)填土、3.0m厚素填土、0.5m厚黃土狀粉土，下臥層承載力特征值取130kPa。

軟弱下臥層頂面處經(jīng)深度修正后地基承載力特征值faz為：

faz=fak+ηdγm(d-0.5)=280.58kPa

式中：fak為地基承載力特征值；ηd為基礎(chǔ)埋置深度的地基承載力修正系數(shù)；γm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度。

基礎(chǔ)底面處平均壓力值Pk為：

Pk=Fk/bl+γdh=176.33kPa

式中：Fk為相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力值；γd為土層加權(quán)重度；h為土層計(jì)算深度。

基礎(chǔ)底面處土的自重壓力值Pc為：

Pc=∑γiti=36.13kPa

式中γi和ti分別為計(jì)算深度范圍內(nèi)第i層土的重度和厚度。

地基壓力擴(kuò)散角θ計(jì)算：上層土壓縮模量Es1=10.0MPa，下層土壓縮模量Es2=2.0MPa，Es1/Es2=5，z/b=1.538，其中，z為基礎(chǔ)底面至計(jì)算土層的距離。由地基基礎(chǔ)規(guī)范表5.2.7查得，地基壓力擴(kuò)散角θ=25°。

相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，軟弱下臥層頂面處附加壓力Pz為：

軟弱下臥層頂面處土自重壓力Pcz為：

Pcz=∑γiti=109.73kPa

Pz+Pcz=144.29kPa

(2)地面至軟弱下臥層頂面總深度d=13.5m時(shí)，軟弱下臥層上面的土層自上至下分布1.35m厚素填土、0.60m厚壓實(shí)填土、4.05m厚素填土、1.50m厚黃土狀粉土、1.0m厚黃土狀粉質(zhì)黏土、5.0m厚黃土狀粉質(zhì)黏土。計(jì)算土層總厚度13.50m。同理計(jì)算可得：

Pz+Pcz=258.41kPa

綜上，按照地基基礎(chǔ)規(guī)范計(jì)算，地基持力層、軟弱下臥層的承載力均滿足要求。

2.3 沉降量計(jì)算

根據(jù)地基基礎(chǔ)規(guī)范第5.3.5條，采用分層疊加法進(jìn)行沉降量計(jì)算：

本工程恒載為51 040.6kN/m2，活載為8 140.4kN/m2；覆土恒載為5 553.0kN/m2，采用準(zhǔn)永久荷載組合進(jìn)行沉降計(jì)算。

選取基礎(chǔ)DJ-22進(jìn)行沉降計(jì)算，總荷載∑(F+G)=1 985.2kN；獨(dú)立基礎(chǔ)底面積A為14.6m2；基底上土自重壓力Pc=16.5kPa；基底附加壓力P0=92.10kPa；沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψ=0.606；計(jì)算土層厚度ΔZ=1.0m；計(jì)算深度Zn=40.15m；壓縮模量Es1-2見(jiàn)表3，壓縮模量當(dāng)量E′為9.51；地基各層土承載力特征值見(jiàn)表1。經(jīng)計(jì)算分層壓縮量之和∑s為119.93mm, 地基最終變形量s為72.72mm。

一般情況下，天然地基的承載力是基礎(chǔ)下面淺層土體被壓縮而提供的反力，只有在淺層形成連續(xù)剪切面才會(huì)導(dǎo)致地基失效。不同于淺層填土，深厚填土地基的關(guān)鍵控制條件為地基沉降；地基中出現(xiàn)的局部塑性變形通常是建筑物不均勻沉降的開(kāi)端，隨著變形累積最終將導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。與上部結(jié)構(gòu)的精確設(shè)計(jì)模型不同，地基設(shè)計(jì)實(shí)踐性更強(qiáng)，其最大難點(diǎn)是基礎(chǔ)基底反力與地基變形關(guān)系的確定。

2.4 沉降因素分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘查，確定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沉降的原因主要來(lái)自如下七個(gè)方面：

(1)場(chǎng)地原為荒地，溝壑發(fā)育。辦公樓地基中分布有寬約40m、深約16m的沖溝，沖溝近南北向分布，平整場(chǎng)地時(shí)，大面積填土，沖溝部位填土不密實(shí)。

(2)地基持力層為淺層土，雖經(jīng)強(qiáng)夯，但影響深度未達(dá)到9m設(shè)計(jì)值，經(jīng)鉆孔取樣試驗(yàn)，影響深度為4.0～5.0m。

(3)場(chǎng)區(qū)濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)非自重濕陷，由于地基長(zhǎng)期浸水，具備濕陷沉降特征。

(4)大厚度填土引起沖溝底土層固結(jié)沉降。填土在自重壓力下將產(chǎn)生固結(jié)沉降，厚度越大，其自重應(yīng)力越大，自重應(yīng)力作用下的固結(jié)沉降幅度也越大。

(5)上部結(jié)構(gòu)自重壓力形成壓縮沉降。

(6)大面積回填時(shí)場(chǎng)地內(nèi)各層土含水量較低，交付使用后，降雨、管道滲漏、綠化用水造成地基長(zhǎng)期浸水，地基承載力和壓縮模量顯著下降，地基的自重應(yīng)力增加，造成地基產(chǎn)生附加固結(jié)沉降。

(7)原淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案不合理。經(jīng)計(jì)算，雖然原淺基礎(chǔ)地基持力層、軟弱下臥層的承載力均滿足地基基礎(chǔ)規(guī)范要求，但未進(jìn)行沉降計(jì)算，且未考慮建筑運(yùn)行環(huán)境對(duì)地基的影響，尤其是深層沖溝浸水的影響。

綜上所述，沖溝內(nèi)地基的固結(jié)沉降和壓縮沉降為主要因素。自沖溝底部向溝壁坡頂方向，場(chǎng)區(qū)填土的分布厚度較大，特別是陡坎處填土厚度差異化加大，加之浸水方向、浸水路徑、浸濕程度的不同，場(chǎng)地產(chǎn)生不均勻沉降是必然的。

3 加固方案的選擇及分析

為了取得較好的加固效果，針對(duì)本工程地基情況，提出如下五種地基加固法并對(duì)其進(jìn)行分析。

(1)高壓旋噴樁復(fù)合地基加固法：加固后地基性能好，但由于設(shè)備無(wú)法進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行操作，故未選用。

(2)靜壓鋼管樁法：基礎(chǔ)下或獨(dú)立基礎(chǔ)邊設(shè)樁，傳力直接，但樁端持力層在基礎(chǔ)下27m處，靜壓條件下小直徑鋼管容易發(fā)生側(cè)向變形，而大直徑鋼管靜壓需要大型液壓設(shè)備，同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)，故未采用。

(3)人工挖孔樁法：由于當(dāng)?shù)丶夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)已禁止本施工法，且安全隱患大，故棄用。

(4)外圍鉆孔樁與加固地基梁結(jié)合法：本工程沉降源于底部沖溝長(zhǎng)期浸水，本方法并不能有效解決，故未采用。

(5)鋼管高壓注漿法：鋼管高壓注漿法采用分層注漿，可有效解決地基沉降問(wèn)題，且操作性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)，故選用該方法。

本項(xiàng)目采用鋼管高壓注漿法，注漿管采用φ48×2.7mm熱軋鋼管，注漿孔以間距1.5m×1.5m呈梅花形布置。實(shí)施過(guò)程中，需要首先進(jìn)行沖溝底部注漿，對(duì)注漿孔布置加以優(yōu)化，以“先外圍，后內(nèi)部”的方式間隔布置。待注漿試孔達(dá)標(biāo)并取得相應(yīng)地層條件下的鉆進(jìn)、注漿參數(shù)后，正式開(kāi)始施工注漿，應(yīng)循環(huán)注漿。第一排注漿孔深度設(shè)置在基礎(chǔ)下16.5m處，注漿孔施工間距不小于5m，注漿層上下間距不大于2m，循環(huán)注漿，避免局部漿液集中造成二次浸水，可二次補(bǔ)強(qiáng)。此外，場(chǎng)區(qū)地面應(yīng)做好室內(nèi)外排水檢查工作，檢查管道、雨水井是否滲漏，考慮綠化用水對(duì)地基土的影響，建議植被土層1 500mm下設(shè)置隔水層。

4 加固效果

施工過(guò)程中設(shè)置了6個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)C1～C6，其中，測(cè)點(diǎn)C1～C4設(shè)置在建筑物4個(gè)角點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)C5，C6設(shè)置在外縱軸中部。每15d觀察記錄1次，共計(jì)11次。平均累計(jì)沉降量為1.43mm，平均累計(jì)沉降速率為0.013mm/d，施工期間累計(jì)沉降量和沉降速率均未達(dá)到報(bào)警值，符合《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026—2020)[14]要求。

5 結(jié)論及建議

(1)針對(duì)深厚埋土地基，不宜設(shè)計(jì)淺層地基基礎(chǔ)方案，而應(yīng)釆用深層地基處理方案，更加安全。

(2)高壓注漿法適用于濕陷性黃土地基加固，在注漿過(guò)程中釆取二次注漿補(bǔ)強(qiáng)可顯著提升注漿效果。

(3)在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)必須全面考慮地質(zhì)因素，以及后期建筑運(yùn)行環(huán)境對(duì)地基安全性的影響，加強(qiáng)對(duì)濕陷、液化、沉降等不利因素的控制。