樁側(cè)擾動降阻糾傾施工控制技術(shù)應(yīng)用*

郭道通，孫劍平，高 翔，岳慶霞，王朦倩，王清朋

(1.山東建固特種專業(yè)工程有限公司，山東 濟南 250013； 2.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟南 250101；3.山東建大工程鑒定加固研究院有限公司，山東 濟南 250013)

0 引言

高層建筑物糾傾加固是一項難度大、風(fēng)險高、綜合性強的專業(yè)技術(shù)，當(dāng)建筑物的層數(shù)超過一定值時，由于荷載值大所以頂升糾傾有很大風(fēng)險，一般采用迫降糾傾法[1-5]。對采用樁基的高層建筑物糾傾，比較常用的是截樁方式，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時，施工無法實現(xiàn)。當(dāng)采用樁端擾動糾傾時，樁端的位置往往不能精準(zhǔn)定位，且擾動力度如果把握不當(dāng)易發(fā)生突沉，安全性不可控。

相比其他糾傾方法，樁側(cè)擾動迫降糾傾法只需在原建筑物基樁兩側(cè)鉆取豎向孔，通過在直徑100～150mm左右的擾動孔內(nèi)射水?dāng)_動操作來實現(xiàn)建筑物的回傾。不必像基礎(chǔ)下取土迫降糾傾那樣，需在建筑物沉降較小的一側(cè)開挖一定寬度的工作溝；也不像頂升糾傾那樣，需要把建筑物的大部分或整層結(jié)構(gòu)切斷，并且需要大量千斤頂和液壓控制站等許多頂升設(shè)備。該方法施工擾動參數(shù)人為可控且可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整，糾傾全過程變化平穩(wěn)、安全可控。

本文通過樁側(cè)擾動迫降糾傾法在某32層住宅樓糾傾工程的成功應(yīng)用，從檢測鑒定、傾斜原因分析、糾傾加固方案設(shè)計以及糾傾施工的全過程控制，分析研究了樁側(cè)擾動糾傾施工關(guān)鍵控制技術(shù)，總結(jié)了樁基礎(chǔ)高層建筑糾傾施工的關(guān)鍵影響因素。為今后類似高層建筑的糾傾加固施工提供參考。

1 工程概況

某高層建筑結(jié)構(gòu)形式為剪力墻，地下2層、地上32層，東西長34.2m，南北寬17.6m，建筑總高度為94.8m，總建筑面積為14 701.22m2。基礎(chǔ)為樁筏基礎(chǔ)，埋深為7m，基樁為預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁PHC-600 AB130，樁身混凝土強度等級為C80，樁位布置如圖1所示。原設(shè)計樁長為27m，即進(jìn)入第⑩層粉土(單樁豎向承載力特征值為2 200kN)，樁基施工靜壓至第⑧層粉細(xì)砂層時，壓樁力達(dá)到設(shè)計值后隨即終止壓樁，造成實際樁長為12m左右。建筑物南側(cè)、西側(cè)、北側(cè)連接地下車庫，電梯安裝人員在測量電梯井道垂直度時，發(fā)現(xiàn)建筑物存在傾斜情況，發(fā)現(xiàn)傾斜時樓主體結(jié)構(gòu)及與其連接的西側(cè)和北側(cè)車庫結(jié)構(gòu)已施工完畢，南側(cè)車庫結(jié)構(gòu)尚未施工。

圖1 建筑物樁基平面布置

2 工程地質(zhì)條件

基礎(chǔ)范圍及基礎(chǔ)下土層參數(shù)如表1所示。受傾斜建筑物周邊場地降水施工影響，本次糾傾加固施工期間水位埋深較深，穩(wěn)定地下水位埋深基本在建筑物基礎(chǔ)筏板上表面下200mm左右。

表1 基礎(chǔ)范圍及基礎(chǔ)下土層參數(shù)

3 建筑物傾斜數(shù)據(jù)

建筑物實測外墻傾斜數(shù)據(jù)如表2所示，測點布置如圖2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出整個建筑物向東傾斜，最大傾斜率為3.04‰，平均值為2.88‰。南北方向傾斜率平均為0.08‰，基本不傾斜。

表2 建筑物整體傾斜測量數(shù)據(jù)

圖2 測點布置

各沉降監(jiān)測點的沉降速率全部大于0.04mm/d，建筑物沉降還未穩(wěn)定，且東側(cè)沉降速率大于西側(cè)，說明在糾傾加固處理之前，建筑物的東西方向傾斜率還在加大，正持續(xù)向東傾斜。

4 建筑物傾斜原因分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)偏心的復(fù)核計算，本高層建筑物荷載合力的作用點位置與群樁形心基本重合；根據(jù)建筑物沉降變形觀測記錄，本樓主體結(jié)構(gòu)施工階段沉降變形相對比較均勻；又根據(jù)樓層樓板底相對標(biāo)高的測量結(jié)果，顯示樓層樓板傾斜基本相同。結(jié)果表明，在主體結(jié)構(gòu)施工結(jié)束時建筑物并未發(fā)生明顯的傾斜，傾斜是發(fā)生在相鄰地下車庫施工完成之后。其主要原因如下。

1)該建筑物所處原場地東側(cè)大部分位于水坑內(nèi)，西側(cè)位于水坑的邊坡上。建筑物東側(cè)筏板以下表層土體的工程力學(xué)性質(zhì)相比水坑西側(cè)略差，筏板下的地基土體存在一定的不均勻性。由于該樓基樁屬于摩擦樁，筏板和基樁形成復(fù)合樁基，筏板和基樁共同承擔(dān)上部荷載，樓體東西側(cè)筏板以下表層土工程力學(xué)性質(zhì)上的差異，會影響樁基的變形，引起樓東西兩側(cè)變形不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致住宅樓向東傾斜。

2)預(yù)應(yīng)力管樁實際樁長未達(dá)到設(shè)計長度，建筑物的基礎(chǔ)沉降變形量成倍增加，相鄰地下車庫施工結(jié)束時，樓主體結(jié)構(gòu)的沉降變形遠(yuǎn)未結(jié)束，沉降變形速率還相對較大。由于樁長減小，剩余沉降量也相對增加。由于地下車庫與主樓之間未設(shè)置后澆帶，地下車庫與主樓之間存在的不均勻沉降變形會引起主樓傾斜。

5 建筑物糾傾加固設(shè)計方案

5.1 止傾加固

根據(jù)糾傾加固施工前一段時間的測量鑒定結(jié)果顯示，本樓沉降還未穩(wěn)定，東西存在沉降差，樓的傾斜還在不斷加劇，所以要先對建筑物沉降較大的東側(cè)止傾。止傾采用微型鋼管樁，直徑為220mm，進(jìn)入第10層粉土不小于0.5m，并通過承臺與基礎(chǔ)筏板連接。因建筑物東側(cè)基礎(chǔ)下土體力學(xué)性質(zhì)較西側(cè)差，沉降速率又大于西側(cè)，根據(jù)原樁位布置圖，微型樁布置原則為“東密西疏”。樁位布置平面如圖3所示。

圖3 建筑物止傾及加固微型樁平面布置

5.2 建筑物糾傾設(shè)計

根據(jù)原巖土勘察報告可知，建筑物下地基土主要由粉土、黏性土及粉細(xì)砂等構(gòu)成的，按JGJ/T 406—2017《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第5.2.5條，管樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計算公式為：

(1)

根據(jù)計算可知，預(yù)應(yīng)力管樁在本地質(zhì)條件下單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk中總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qsk占大部分(55%～60%)，該管樁為端承摩擦樁。設(shè)法降低管樁的側(cè)摩阻力可有效增大樁基沉降變形的效果，使建筑物在自重的作用下而產(chǎn)生迫降，從而達(dá)到建筑物糾傾的目的。所以決定采用在預(yù)應(yīng)力管樁樁側(cè)設(shè)置擾動孔，擾動孔深度同管樁深度。通過在擾動孔內(nèi)射流取土來降低管樁的側(cè)摩阻力，使樁端產(chǎn)生刺入變形，達(dá)到建筑物回傾目的[6-7]。但是，樁側(cè)具體的射流擾動施工參數(shù)、擾動深度范圍、擾動角度范圍等的確定，目前還沒有一種理論計算公式能夠分析。故采用擾動建模進(jìn)行分析[8]，在樁側(cè)擾動施工前，采用MIDAS/GTS軟件模擬分析樁側(cè)擾動對樁基變形的影響，基本計算過程如下。

1)設(shè)置基本假設(shè)條件 ①采用梁單元模擬基樁；②樁土界面采用接觸面單元，接觸面處于接觸且滑動狀態(tài)。

2)設(shè)定荷載 模擬在樁頂施加大小為2 200kN的集中荷載。

3)在保證樁側(cè)擾動后基樁承載力不失穩(wěn)的前提下，通過多個擾動角度和擾動范圍的模擬擾動比選，選定擾動糾傾方案：基樁雙側(cè)射水取土擾動，擾動孔距樁側(cè)300mm，擾動角度范圍為60°，上下擾動基樁樁長范圍，如圖4所示。按照設(shè)計擾動方案下基樁的沉降約為45mm，如圖5所示，按本建筑物東西測點間距34m計算，回傾值約為1.3‰，所以本高層建筑物的糾傾目標(biāo)值設(shè)置為1.5‰。

圖4 模型示意

圖5 雙側(cè)擾動下樁基沉降曲線

6 建筑物糾傾加固施工過程控制

6.1 建筑物東側(cè)微型鋼管樁止傾加固施工控制

糾傾前的止傾加固是在建筑物沉降較大的一側(cè)施工微型樁。微型樁施工穿透筏板基礎(chǔ)，然后在基礎(chǔ)下土層中泥漿循環(huán)成孔，難免對地基有輕微擾動，止傾施工過程中采用以下兩項措施來減小施工擾動產(chǎn)生的沉降和東西傾斜率的增加。

6.1.1止傾樁施工質(zhì)量控制

建筑物下地基土大多是流動性較強的粉土、黏性土及粉細(xì)砂構(gòu)成，止傾樁成孔施工過程中最重要的是避免塌孔和縮徑現(xiàn)象。塌孔容易造成地基土的流失，從而造成止傾施工的沉降過大傾斜率增加，縮徑會降低止傾樁的承載力，而使微型樁達(dá)不到止傾效果，增加糾傾施工難度。

所以止傾樁成孔施工時及時采用黏土護壁，成孔、注漿、下鋼管等各工種及時銜接，縮短施工擾動時間。保證樁的注漿量及樁端二次壓漿，提高樁的承載力。待微型樁樁身達(dá)到一定強度后及時施工與樓筏板基礎(chǔ)連接的最東側(cè)一排樁承臺，盡快讓微型樁發(fā)揮止傾作用。

6.1.2根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整施工順序

止傾樁施工采用間隔施工，避免區(qū)域內(nèi)集中施工擾動導(dǎo)致局部沉降過大。如東側(cè)止傾施工產(chǎn)生沉降較大時，建筑物東側(cè)施工止傾樁的同時在西側(cè)施工擾動孔，西側(cè)擾動孔施工也是穿透原基礎(chǔ)筏板，并取出基礎(chǔ)下土體，同樣使西側(cè)沉降減小或抵消東側(cè)止傾樁施工擾動沉降而產(chǎn)生的東西沉降差，避免或減小建筑物傾斜率的增加。

通過以上措施，建筑物東側(cè)止傾樁施工完成時，東側(cè)3個觀測點沉降平均為1.57mm，西側(cè)3個觀測點的平均沉降為0.9mm，東西沉降差為0.67mm，按東西測點間距34m可知，止傾樁施工使建筑物傾斜率只增加了0.02‰，且東側(cè)各測點沉降速率明顯減小，表明微型樁止傾達(dá)到了預(yù)期效果，為接下來的糾傾施工提供了條件。

6.2 建筑物樁側(cè)擾動糾傾施工控制

6.2.1樁側(cè)擾動糾傾施工控制原則

1)擾動順序自建筑物沉降小的區(qū)域向沉降大的區(qū)域擾動。

2)先擾動樁側(cè)微型樁孔，后擾動樁側(cè)孔。

3)擾動的區(qū)域分布密度先由疏到密，再由密到疏。

4)在監(jiān)測數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下，樁側(cè)擾動孔內(nèi)的擾動角度范圍以60°不變，樁長范圍內(nèi)由上到下，先擾動至1/3樁長范圍，再擾動至2/3樁長范圍，最后擾動全部樁長范圍。

5)樁側(cè)擾動按照由上到下、循序漸進(jìn)的原則施工，控制建筑物最西側(cè)監(jiān)測點日沉降量不大于1mm/d。

6)當(dāng)建筑物的傾斜率回傾至1.6‰左右時，根據(jù)東側(cè)止傾樁施工產(chǎn)生的沉降數(shù)值及糾傾回傾速率，確定是否減緩或停止糾傾擾動施工。擾動孔平面布置如圖6所示。

圖6 擾動孔布置平面

6.2.2樁側(cè)微型樁孔擾動糾傾施工

任何一個迫降糾傾工程基本都沒有成熟完整的掏土、擾動等參數(shù)的計算公式，都是根據(jù)傾斜建筑物的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式、地質(zhì)條件等實際情況入手，逐步通過試探性的取土、擾動等迫降手段，獲得在傾斜建筑物特定環(huán)境下沉降變形數(shù)據(jù)，然后根據(jù)一系列的實際參數(shù)加強擾動范圍和力度使建筑物沉降回傾。

建筑物西側(cè)布置的加固微型樁先成孔至管樁深度，也作為樁側(cè)擾動孔。從開始在西側(cè)樁側(cè)微型樁孔內(nèi)射水取土施工至西側(cè)沉降速率大于東側(cè)，即已成功啟動回傾，然后逐步增加擾動設(shè)備和擴大擾動區(qū)域，即擾動建筑物西側(cè)所有樁側(cè)微型樁孔，擾動施工方向由西向東反復(fù)施工。在西側(cè)樁側(cè)微型樁孔反復(fù)射水?dāng)_動期間，當(dāng)回傾速率逐漸減小且保持一段時間不變時，即加大每一個擾動孔內(nèi)的射水壓力和擾動時間。增加了擾動時間使擾動孔內(nèi)的地基土比原來上返的多，基礎(chǔ)下地基土得到進(jìn)一步削弱。大流量水泵向孔內(nèi)射水，從孔底開始，上返泥漿帶出地基土，削弱地基承載力，為樁側(cè)擾動提供空間。

6.2.3樁側(cè)擾動糾傾施工

當(dāng)在微型樁孔射水?dāng)_動數(shù)遍后，建筑物的回傾還遠(yuǎn)未達(dá)到目標(biāo)值，此時開始在樁側(cè)擾動孔內(nèi)射水?dāng)_動。按照擾動糾傾施工控制原則，樁側(cè)擾動孔內(nèi)擾動施工控制如下。

1)前期樁側(cè)微型樁擾動孔內(nèi)射水取土擾動，已使預(yù)應(yīng)力管樁周圍土體松動，樁側(cè)擾動孔距離管樁更近，射水取土擾動后使樁側(cè)土體排出也卸去部分樁側(cè)阻力，降低樁基的承載力效果更明顯。按照由西往東、先由疏到密再由密到疏的順序施工，防止擾動過度使建筑物樁基承載力迅速下降而產(chǎn)生局部沉降過大過快的情況發(fā)生。

2)為保證樁側(cè)擾動降阻施工過程中建筑物不會出現(xiàn)突沉的現(xiàn)象，樁側(cè)擾動施工按照循序漸進(jìn)的原則，在監(jiān)測數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下，樁側(cè)擾動孔內(nèi)的擾動角度范圍以60°不變，樁長范圍內(nèi)由上到下，先擾動至1/3樁長范圍，再擾動至2/3樁長范圍，最后擾動全部樁長范圍。擾動糾傾過程中沉降速率控制不能超過1mm/d。

3)糾傾過程中建筑物的沉降一般為：沉降→穩(wěn)定→再沉降→再穩(wěn)定的反復(fù)過程，當(dāng)樁側(cè)擾動糾傾從逐步開始到緩慢進(jìn)行的過程中，建筑物各監(jiān)測點的沉降速率也由小變大，但必須在規(guī)定值之內(nèi)。但隨著各個階段的擾動次數(shù)達(dá)到一定值，射水?dāng)_動對此樁側(cè)范圍內(nèi)的側(cè)阻降低效果已逐漸減小，建筑物沉降回傾速率也逐漸變小，此時即開始下一階段的擾動，使建筑物的沉降回傾速率再平穩(wěn)增大。

當(dāng)樁側(cè)擾動糾傾從1/3樁長范圍到全部樁長范圍的過程中，擾動深度是逐漸增加的，受土壓力及水壓的影響，為了保持建筑物的回傾速率，樁側(cè)擾動孔內(nèi)的射水壓力由12MPa逐漸增加至18MPa，每個孔射水?dāng)_動時間也由原來的10min增加至15min，射流擾動施工如圖7,8所示。

圖7 樁側(cè)擾動剖面

圖8 樁側(cè)擾動示意

6.2.4樁側(cè)擾動施工的動態(tài)調(diào)整

本建筑物的糾傾施工回傾基本是在樁側(cè)擾動階段，但沒有前期微型樁擾動孔射水取土使基礎(chǔ)下土體松動，也不會使樁側(cè)擾動有這么明顯的回傾效果，也避免了直接進(jìn)入樁側(cè)擾動階段需要大力度、大幅降低樁基承載力而產(chǎn)生沉降突變等不可控因素的風(fēng)險。

根據(jù)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，在建筑物的回傾過程中東西方向同一軸線上的監(jiān)測點沉降值要呈線性，南北方向上同一軸線上的監(jiān)測點沉降值要同步。當(dāng)沉降不呈線性或不同步時，需要及時調(diào)整糾傾擾動的區(qū)域和方式。如某個點或區(qū)域沉降較小時，需要在此區(qū)域同時進(jìn)行微型樁孔和樁側(cè)孔的擾動施工，擾動施工根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)循序漸進(jìn)，做到安全可控。

6.3 建筑物西側(cè)擾動區(qū)域注漿加固及微型樁加固施工控制

6.3.1樁側(cè)擾動孔注漿

糾傾達(dá)到目標(biāo)值后，樁側(cè)擾動孔轉(zhuǎn)為地基加固注漿孔，立即進(jìn)行樁側(cè)注漿施工，通過注漿補強擾動的樁側(cè)土體，逐漸恢復(fù)樁周摩阻力，保證建筑物糾傾后的沉降穩(wěn)定和安全使用。

6.3.2西側(cè)微型樁加固施工

西側(cè)微型樁加固施工同東側(cè)止傾樁施工要求。擾動糾傾施工及樁側(cè)擾動孔注漿完成后，建筑物西側(cè)沉降速率會逐漸減小，因西側(cè)微型樁孔在糾傾施工時作為擾動孔進(jìn)行過多遍射水?dāng)_動，部分微型樁孔在繼續(xù)鉆進(jìn)成樁之前已塌孔，所以繼續(xù)成樁施工時也要采取護壁措施并保證樁的灌注質(zhì)量。

西側(cè)微型樁加固施工過程中根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，建筑物的沉降速率逐漸減小且平穩(wěn)，待所有加固微型樁施工完成且建筑物西側(cè)擾動區(qū)域各觀測點的沉降速率全部小于0.1mm/d后，一同施工建筑物東西兩側(cè)剩余加固微型樁承臺[9]。

6.4 本高層建筑物糾傾加固施工全過程

1)根據(jù)設(shè)計方案先進(jìn)行東側(cè)止傾施工，施工過程中采取相應(yīng)措施控制建筑物的沉降，使建筑物傾斜率只微量增加。

2)根據(jù)既定擾動順序開始在微型樁孔內(nèi)射水取土擾動，緩慢啟動建筑物的回傾。

3)樁側(cè)擾動孔內(nèi)射水取土擾動，降低承擔(dān)建筑物大部分荷載的基樁側(cè)摩阻力，使建筑物的回傾速度平穩(wěn)加快。

4)當(dāng)建筑物的傾斜率由3.04‰降至1.6‰時，停止擾動糾傾施工，隨即進(jìn)行西側(cè)地基注漿及微型樁加固施工。

5)跟蹤監(jiān)測貫穿糾傾加固施工全過程，建筑物各沉降監(jiān)測點沉降速率符合規(guī)范要求且平穩(wěn)可控，經(jīng)觀測，建筑物在糾傾加固1個月后的100d內(nèi)各沉降點側(cè)沉降速率已都在0.04mm/d之內(nèi)，符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，建筑物的傾斜率也降至1.5‰，達(dá)到了糾傾加固的效果，沉降觀測點布置如圖9所示。

圖9 沉降觀測點布置示意

7 建筑物糾傾加固施工全過程跟蹤監(jiān)測、科學(xué)分析、動態(tài)調(diào)整

在糾傾加固施工階段要善于對各種檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，準(zhǔn)確判斷傾斜建筑物的受力情況、回傾狀態(tài)，并正確決策下一步的糾傾加固措施。

動態(tài)調(diào)整與糾傾加固施工常說的信息化施工相似，但著重強調(diào)“調(diào)整”。本高層建筑物糾傾施工在監(jiān)測數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下，從開始微型樁孔內(nèi)擾動啟動回傾，逐步加大擾動區(qū)域、力度及時間，微型樁孔和樁側(cè)孔擾動交叉施工，使建筑物的回傾速度平穩(wěn)加快并可控，做到了在監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)下的糾傾施工動態(tài)調(diào)整，保證了糾傾施工安全、可靠、平穩(wěn)、可控。

8 結(jié)語

1)造成建筑物傾斜的因素多種多樣，充分掌握每一個傾斜建筑物的詳細(xì)情況，分析造成傾斜的最主要因素，進(jìn)而有針對性地制定最合適的糾傾加固方案。

2)樁側(cè)擾動能有效降低PHC管樁的承載力，從而使建筑物在自重荷載的作用下沉降實現(xiàn)回傾，但要根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)控制擾動力度。

3)高層建筑物糾傾加固施工是一個精細(xì)化施工管理的過程，各施工階段的技術(shù)控制都要承上啟下，盡最大努力保證糾傾施工百分之百的成功率。

4)建筑物糾傾加固施工全過程跟蹤監(jiān)測、科學(xué)分析、動態(tài)調(diào)整控制技術(shù)在本高層建筑物糾傾加固施工中充分應(yīng)用，并指導(dǎo)施工順利完成，為以后建筑物糾傾加固施工提供了借鑒。