坑式靜壓樁用于建筑物不均勻沉降的加固研究

劉 挺，尹文哲，卜永紅

(1 中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院有限公司， 西安 710077；2 陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司， 西安 710082；3 長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院， 西安 710061)

1 工程概況

某工程主樓為采用剪力墻結(jié)構(gòu)的住宅，結(jié)構(gòu)高度96.45m，地上32層，標(biāo)準(zhǔn)層層高2.90m；地下2層，層高分別為4.00，6.05m。裙房為采用框架結(jié)構(gòu)的商業(yè)，結(jié)構(gòu)高度9.15m，地上2層，1，2層高分別為4.50，4.20m；局部無地下室，局部地下2層，地下層高與主樓地下室相同。該工程于2016年竣工，在使用過程中，裙房填充墻逐漸出現(xiàn)裂縫，經(jīng)過多次墻面粉刷修補(bǔ)，至2019年5月，個(gè)別部位因裂縫寬度過大已難以修補(bǔ)。

受業(yè)主委托，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查，分析墻體產(chǎn)生裂縫的原因，提出注漿法、錨桿靜壓樁、坑式靜壓樁等處理方案供業(yè)主參考，最終采用坑式靜壓樁對(duì)沉降過大的裙房基礎(chǔ)進(jìn)行托換加固，本文對(duì)加固的設(shè)計(jì)及施工方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

2 裂縫分布形態(tài)及成因分析

2.1 原設(shè)計(jì)方案

查閱原設(shè)計(jì)圖紙并與業(yè)主交談，了解到該工程主樓采用素混凝土剛性樁復(fù)合地基，樁端持力層為中砂，基礎(chǔ)采用1 300mm厚平板式筏基，基礎(chǔ)底標(biāo)高-11.45m；裙房自基礎(chǔ)或地下室頂面以100mm寬防震縫與主樓脫開，結(jié)構(gòu)平面布置見圖1。因項(xiàng)目整體大開挖，裙房局部無地下室，導(dǎo)致該區(qū)域基礎(chǔ)落在基坑開挖肥槽回填土上，回填土厚度自主樓開挖基坑底標(biāo)高至裙房基礎(chǔ)底約9m，至建筑室內(nèi)完成面厚度約11m。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖

裙房與主樓貼建，大部分無地下室裙房靠近主樓一側(cè)的框架柱落到主樓筏板上，另一端框架柱基礎(chǔ)落到回填區(qū)域。無地下室裙房基礎(chǔ)下大厚度回填土處理是否密實(shí)是確保上部結(jié)構(gòu)安全的重要因素。

最初的無地下室裙房基礎(chǔ)方案采用獨(dú)立基礎(chǔ)，底標(biāo)高均為-2.000m，地基處理采用3∶7灰土自基坑開挖底標(biāo)高分層夯填至-2.100m標(biāo)高處，要求壓實(shí)系數(shù)不小于0.95，處理后地基承載力特征值不小于180kPa。

依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)[1]，換填墊層厚度超過3m既不經(jīng)濟(jì)，施工質(zhì)量也難以保證，裙房產(chǎn)生不均勻沉降的可能性非常大。因此，在設(shè)計(jì)方的建議下，由業(yè)主召集專家對(duì)該地基處理方案進(jìn)行專門論證，設(shè)計(jì)方根據(jù)論證結(jié)果修改了處理方案，即先采用素土分層夯填至-2.100m標(biāo)高，壓實(shí)系數(shù)不小于0.96，再采用DDC擠密樁進(jìn)行擠密，采用沉管成孔，孔徑400mm，樁距850mm，樁長(zhǎng)應(yīng)保證樁端進(jìn)入原坑底內(nèi)500mm或樁端至原支護(hù)坡面，等邊三角形布置，孔內(nèi)采用素土回填，并在樁頂設(shè)500mm厚3∶7灰土褥墊層。同時(shí)將裙房基礎(chǔ)由獨(dú)立基礎(chǔ)改為整體性好、剛度大的條形基礎(chǔ)。

2.2 裂縫分布形態(tài)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，在無地下室裙房靠近主樓一端的隔墻上裂縫較明顯。第一處裂縫呈單向斜裂縫，位于1層；第二處裂縫呈豎向通縫，屬隔墻整體與結(jié)構(gòu)構(gòu)件脫開形成，同樣位于1層；第三處裂縫的形態(tài)與第一處類似，位于2層，裂縫寬度較第一處小。裙房隔墻裂縫分布及形態(tài)見圖2。主樓3層(即裙房屋面上一層)住戶陽臺(tái)填充墻瓷磚表面有細(xì)微裂縫，陽臺(tái)側(cè)窗及陽臺(tái)門開啟不順暢，住戶多次投訴。

主樓主體結(jié)構(gòu)的梁、柱、墻上均未發(fā)現(xiàn)裂縫。仔細(xì)觀察鄰主樓一側(cè)的裙房主體結(jié)構(gòu)上梁柱節(jié)點(diǎn)處，發(fā)現(xiàn)梁根部有非常細(xì)微單向斜裂縫。

對(duì)采用相同地基處理方案的其他樓棟進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其均使用良好，未出現(xiàn)明顯裂縫。

2.3 裂縫形態(tài)分析

裂縫形態(tài)分析是查找裂縫產(chǎn)生原因最直接的方法。對(duì)本工程裂縫的寬度、分布及形態(tài)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)與其他采用相同地基處理方案的單體相比，該區(qū)域DDC擠密樁處理的大厚度回填土施工質(zhì)量稍差，導(dǎo)致主樓及裙房存在沉降差，裙房的沉降量稍大于主樓，進(jìn)而導(dǎo)致商業(yè)裙房2層隔墻及3層住戶陽臺(tái)隔墻產(chǎn)生裂縫。但從主體結(jié)構(gòu)上的裂縫寬度來看，主樓及裙房的主體結(jié)構(gòu)是安全的，不存在安全隱患。

圖2 裙房隔墻裂縫分布及形態(tài)

(2)DDC擠密樁褥墊層以上的房心土回填不密實(shí)是造成裙房1層隔墻裂縫明顯較寬的主要原因。

(3)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)裙房在使用過程中，1層的空調(diào)室外機(jī)冷凝水管未接入管網(wǎng)，長(zhǎng)期在1層室內(nèi)地面散排并聚集，分析其為引起裙房沉降量過大的重要誘因。這一推斷可從后期加固施工開挖導(dǎo)坑時(shí)挖出的土含水量明顯偏大得到印證。

3 處理措施建議

基于前述分析，就處理措施向業(yè)主提出如下建議：

(1)物業(yè)管理部門加強(qiáng)使用階段的維護(hù)，重點(diǎn)檢查該區(qū)域內(nèi)的地下管線、衛(wèi)生間及屋面排水系統(tǒng)是否工作正常，是否有管線漏水的現(xiàn)象。如有，應(yīng)及時(shí)維修，不得向地下滲水。

(2)建議將1層商鋪出現(xiàn)較嚴(yán)重裂縫的隔墻拆除，重新對(duì)墻下房心土進(jìn)行夯實(shí)，砌筑時(shí)在墻底增設(shè)基礎(chǔ)圈梁并與主體結(jié)構(gòu)可靠拉結(jié)。商鋪內(nèi)商戶自理的鋼樓梯不應(yīng)以非承重隔墻為支座，梯柱應(yīng)單獨(dú)設(shè)基礎(chǔ)。

(3)從現(xiàn)場(chǎng)情況看，除了1層隔墻裂縫較嚴(yán)重外，2層隔墻及3層住戶陽臺(tái)隔墻出現(xiàn)的裂縫及窗戶開啟不順暢的現(xiàn)象并不十分嚴(yán)重，建議待主、裙樓自然沉降穩(wěn)定后對(duì)門窗修理、對(duì)墻體局部粉刷修補(bǔ)即可。該方案費(fèi)用小，但周期可能較長(zhǎng)，業(yè)主需委托有資質(zhì)的沉降觀測(cè)單位對(duì)主、裙樓進(jìn)行沉降觀測(cè)，何時(shí)達(dá)到沉降穩(wěn)定存在不確定性。

(4)如業(yè)主希望在現(xiàn)階段盡快解決裙房與主樓的沉降差，需采取措施對(duì)無地下室裙房的地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固。

業(yè)主對(duì)上述建議進(jìn)行了仔細(xì)分析，經(jīng)過權(quán)衡最終確定采用可靠方法對(duì)裙房基礎(chǔ)進(jìn)行加固，確保企業(yè)信譽(yù)不受影響。

4 加固方案

4.1 地質(zhì)概況

根據(jù)業(yè)主提供的地質(zhì)勘察報(bào)告并結(jié)合原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖可知，自裙房基礎(chǔ)下土層分別為：經(jīng)擠密后的素填土，層厚約9m；粉質(zhì)黏土，褐黃色～灰黃色，有少量針狀大孔隙，孔隙壁附著灰色粘粒膠膜，含蝸牛殼碎片，見褐色氧化鐵及錳斑，局部夾粉土薄層或透鏡體，飽和，呈可塑～軟塑狀態(tài)，厚度7.0～8.5m，層底埋深16.5～18.3m；中砂，灰黃～淺灰色，砂質(zhì)比較純凈，主要礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，含少量礫砂和圓礫，磨圓度較好，飽和，密實(shí)，厚度33.2～34.5m，層底埋深51.0m。

4.2 加固方案對(duì)比

從地基濕陷性、壓縮性、承載力以及現(xiàn)場(chǎng)的施工條件等方面進(jìn)行地基基礎(chǔ)的加固分析，該項(xiàng)目可采用的加固方法有注漿法、錨桿靜壓樁、坑式靜壓樁[2-6]。

注漿加固適用于砂土、粉土、黏性土和人工填土等地基加固，可提高地基土的承載力、減少地基變形和不均勻變形[7]。但在注漿過程中，漿液擴(kuò)散范圍較大，漿液會(huì)向地基外擴(kuò)散，造成無效注入損失，處理效果可控制性較差[8]。

坑式靜壓樁加固適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土、濕陷性黃土和人工填土且地下水位較低的地基加固。施工時(shí)采用既有建筑自重做反力，用千斤頂將樁段逐段壓入土中。千斤頂上的反力梁可利用原有基礎(chǔ)下的基礎(chǔ)梁或基礎(chǔ)板[7]。這種方法施工速度快，施工無振動(dòng)、無噪音、無污染，不影響上部結(jié)構(gòu)正常使用，且處理效果可控。

此外，本工程土層分布較厚的中砂，承載力特征值fak=300kPa，壓縮模量Es1-2=30MPa，是理想的持力層，適宜采用靜壓樁。

錨桿靜壓樁除了加載方式以外，其工作原理及適用范圍與坑式靜壓樁類似。但錨桿靜壓樁在封樁時(shí)需要卸荷，在解決由于回彈現(xiàn)象而導(dǎo)致的后期沉降方面不如坑式靜壓樁。盡管目前錨桿靜壓樁已有不卸荷封樁技術(shù)，但其工藝復(fù)雜，施工較為困難，實(shí)際應(yīng)用較少[9]。

經(jīng)對(duì)比，最終確定采用坑式靜壓樁對(duì)裙房基礎(chǔ)進(jìn)行加固。

5 坑式靜壓樁加固方案的設(shè)計(jì)與施工

5.1 加固設(shè)計(jì)

在條形基礎(chǔ)下分別布置7根坑式靜壓樁進(jìn)行托換加固，具體樁位見圖3。布樁區(qū)域?yàn)槿箻浅两迪鄬?duì)較大區(qū)域，其余未見明顯沉降的區(qū)域未布樁，以此控制裙房整體變形協(xié)調(diào)。

圖3 坑式靜壓樁平面布置圖

設(shè)計(jì)時(shí)要求上部結(jié)構(gòu)傳至條形基礎(chǔ)的荷載均由靜壓樁承擔(dān)，靜壓樁布置于混凝土條形基礎(chǔ)中心，但不破壞基礎(chǔ)。靜壓樁樁端穿過DDC擠密樁處理區(qū)域進(jìn)入中砂層不小于500mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)16.0m，為預(yù)制鋼筋混凝土方樁，樁截面200mm×200mm。

單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk計(jì)算公式為[10]：

(1)

式中：u為樁身周長(zhǎng)，m；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；qpk為極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；AP為樁端面積，m2；li為樁周第i層土厚度，m。

式(1)中，基底以下回填土厚度9.32m，考慮負(fù)摩阻力影響，按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[10]5.4.4條及表5.4.4-2，自樁頂算起的中性點(diǎn)深度ln=0.5l0,其中l(wèi)0為樁周軟弱土層下限深度，填土層樁側(cè)極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值取24kPa；其余各層土均為原狀土且不具有濕陷性，樁側(cè)極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值按地勘報(bào)告取值。按式(1)計(jì)算的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk=614kN，單樁豎向承載力特征值Ra=Quk/2=307kN，按300kN取值。

依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[11]式8.5.11驗(yàn)算樁身強(qiáng)度，靜壓樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)取C35。

5.2 加固施工

地基加固前，應(yīng)采取措施斷絕本樓一切可能滲入地基的水源。沿基礎(chǔ)邊緣開挖垂直導(dǎo)坑，尺寸不小于1 000mm×1 000mm，至基礎(chǔ)下2m，再沿基礎(chǔ)底挖水平導(dǎo)坑至設(shè)計(jì)樁位，條形基礎(chǔ)下部開挖寬度依據(jù)各基礎(chǔ)寬度確定。導(dǎo)坑開挖應(yīng)避免基礎(chǔ)下大面積連通施工，應(yīng)保證施工人員安全，必要時(shí)做好坑壁支護(hù)。

壓樁時(shí)，壓樁力不得小于單樁豎向承載力特征值的2倍，且持續(xù)時(shí)間不應(yīng)小于5min。設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試壓調(diào)整，采用樁長(zhǎng)和單樁承載力特征值雙指標(biāo)控制。每樁壓樁深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，施工單位應(yīng)會(huì)同建設(shè)、監(jiān)理單位驗(yàn)收樁長(zhǎng)，各方確認(rèn)后方可進(jìn)行下一組靜壓樁施工。靜壓樁施工順序必須采用跳打法，以減小附加沉降。

成樁后采用鋼管混凝土短柱對(duì)樁頂進(jìn)行不卸載托換以減少卸荷效應(yīng)的影響。具體操作方法為：壓完最后一節(jié)樁后，采用一對(duì)如圖4所示的鋼牛腿對(duì)扣放置在樁頂，用另外兩個(gè)輔助千斤頂在鋼牛腿兩側(cè)均勻加壓，壓力值滿足要求后，撤出中間的千斤頂，放入鋼管混凝土短柱，放入鋼板頂緊，最后撤走兩個(gè)輔助千斤頂及鋼牛腿，托換完成。鋼管采用φ159×6無縫鋼管，用C30混凝土填滿。

圖4 不卸荷封樁用鋼牛腿

托換結(jié)束后宜盡快對(duì)操作導(dǎo)坑進(jìn)行回填，采用3∶7灰土分層夯實(shí)回填至基礎(chǔ)底面下600mm，用C30微膨脹早強(qiáng)混凝土把原基礎(chǔ)、托換鋼管及靜壓樁澆筑成整體，見圖5。

圖5 坑式靜壓托換樁加固示意圖

施工中應(yīng)采取措施確保不得損傷原有結(jié)構(gòu)。施工結(jié)束后，對(duì)建筑物室內(nèi)外管溝進(jìn)行全面檢修，保證管道不漏水，溝內(nèi)不積水、不滲水。

6 工程啟示

(1)建筑物發(fā)生不均勻沉降往往是多種因素共同作用的結(jié)果。本工程中隔墻出現(xiàn)裂縫只是表象，大厚度回填土施工質(zhì)量差，擠密效果不佳已經(jīng)埋下隱患，受到空調(diào)冷凝水長(zhǎng)時(shí)間滲入后，在上部結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力作用下，導(dǎo)致裙房的沉降量相對(duì)主樓過大，隔墻出現(xiàn)裂縫，而一層房心土未夯實(shí)又加大了1層墻體裂縫。以往工程中，建設(shè)單位對(duì)主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工的安全及質(zhì)量相當(dāng)重視，但對(duì)非主體結(jié)構(gòu)以及工程交付的后期維護(hù)往往缺乏足夠重視。從本工程中可以看出，確保合格的工程質(zhì)量，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都缺一不可。

(2)當(dāng)結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則或者高度相差太大時(shí)，上部結(jié)構(gòu)往往通過設(shè)縫脫開，但相鄰處框架柱或者墻體基礎(chǔ)又未脫開，導(dǎo)致同一結(jié)構(gòu)單元無法均勻沉降，增加了地基出現(xiàn)不均勻沉降的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)附加內(nèi)應(yīng)力，輕者導(dǎo)致隔墻或者梁、柱出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重時(shí)可能危及主體結(jié)構(gòu)安全。因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了消除沉降差時(shí)，建議同一結(jié)構(gòu)單元從基礎(chǔ)就應(yīng)徹底脫開。

(3)當(dāng)基礎(chǔ)下部存在大厚度回填土?xí)r，土的固結(jié)是個(gè)長(zhǎng)期的過程，無論采取何種措施進(jìn)行工程處理，仍不可避免地出現(xiàn)沉降。因此，遇到這種情況，應(yīng)首先考慮將基礎(chǔ)置于可靠持力層，或者采用樁基礎(chǔ)，應(yīng)盡量避免將大厚度回填土作為持力層。

7 結(jié)語

本文以具體工程為例，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研隔墻及主體結(jié)構(gòu)上的裂縫分布規(guī)律，對(duì)裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，對(duì)處理方案進(jìn)行了對(duì)比，并對(duì)坑式靜壓樁加固設(shè)計(jì)及施工方法做了詳細(xì)介紹。該工程經(jīng)加固后效果良好，加固區(qū)域未再發(fā)生明顯沉降，同時(shí)，與未加固區(qū)域的沉降差基本協(xié)調(diào)，可供類似工程的處理參考借鑒。