群樁建筑物糾傾實踐與數值模擬分析

馬海果，李啟民

(中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京 100083)

0 引言

隨著世界經濟的發展和人口的增加，沿海城鎮逐漸向濱海地區發展，海岸工程建設方興未艾。但是，海洋地質在工程地質和水文地質方面都具有特殊性，并對海岸建(構)筑物產生較大影響[1-2]，甚至導致一些建(構)筑物出現傾斜等建筑病害。

一般情況下，海洋地質從上至下分布著厚層淤泥、淤泥質土、砂礫(互層、夾層、夾薄層)、基巖等。淤泥與淤泥質土在工程上稱為軟土，其特點是含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低、且具有十分明顯的流變性。所以，海洋地質很容易給海岸工程造成隱患。

本論文研究了埋深20 m的群樁基礎建筑物在糾傾過程中的力學效應與變形機制。樁基礎建筑物，尤其是埋深較大的長樁基礎以及密度較大的群樁基礎，糾傾難度大、風險大，其成功案例報道也較少。本研究項目的成功實施，將給群樁基礎的高層建筑糾傾，以及海洋地質影響提供理論依據和實踐經驗。

1 項目概況

1.1 群樁商住樓概況

某商住樓位于海口市北部，為7層鋼筋混凝土框架結構,建筑面積3 000 m2，建筑高度23.6 m。該商住樓1層為辦公室，層高3.6 m；2層～7層為住宅，層高均為3.2 m。商住樓的樓面和屋面均為現澆鋼筋混凝土板，板厚100 mm。框架柱截面為400 mm×450 mm，主框架梁截面為250 mm×600 mm，填充墻為焦渣空心磚，外立面采用瓷磚裝飾。商住樓采用沉管灌注樁群樁基礎，樁徑480 mm，樁長19 m，樁端置于中粗砂層中，樁端標高-20.0 m，單樁承載力700 kN，共布樁116根，樁位布置如圖1所示。

該商住樓北側與某商業大廈的施工工地毗鄰。該商業大廈建筑面積為36 556.8 m2，由一棟21層寫字樓和一棟18層公寓組成，地上高度分別為78.2 m和64.8 m，地下2層地下室，樁基礎。商業大廈基坑平面尺寸為52 m×108 m，設計開挖深度為8.65 m，放坡開挖，坡度57°,土釘墻支護。基坑在緊靠商住樓的一側從上到下布置了4排土釘,土釘為Φ25的鋼筋，孔徑130 mm，長度為8 m～9 m，水平間距1.2 m。基坑在商住樓一側布置了5口降水井，井徑800 mm，井深14 m。商業大廈基礎樁完工后進行了2周不間斷的基坑降水，接著進行全面開挖，降水井內水位一直維持在-10 m以下。基坑開挖施工到第55天時，相鄰的商住樓已向基坑方向(北面)傾斜了283 mm。

1.2 地質條件

該場地地下水位平均埋深4.20 m，從地表往下的地層分別為：①填土，厚1.2 m，承載力50 kPa；②淤泥，厚1.7 m，承載力40 kPa；③飽和中砂，厚2.4 m，承載力130 kPa；④軟塑狀淤泥(含中細砂)，厚2.2 m，承載力90 kPa；⑤軟黏土(含細砂)，厚2.0 m，承載力140 kPa；⑥流塑～軟塑狀淤泥(含中細砂)，厚7.6 m，承載力80 kPa；⑦黏土，厚0.7 m，承載力160 kPa；⑧中砂，承載力190 kPa。

2 群樁基礎商住樓糾傾實踐

建(構)筑物糾傾方法主要包括迫降法、抬升法、預留法、橫向加載法和綜合法等共五大類30多種方法，其中迫降法應用最為廣泛[3]。該商住樓糾傾工程采用了間歇式降水產生負摩阻力的方法(即負摩阻力法)，迫使傾斜建筑物反向沉降。間歇式降水不僅能有效地減少對周圍環境產生負面影響，而且能使糾傾工作更好地達到協調、平穩、安全、可控的效果。但是，商住樓周圍的復雜環境，西側20 m是一棟9層框架結構的花園大廈(樁基礎)，東南側12 m是一棟新建3層磚混結構辦公樓(筏板基礎，埋深0.8 m，且沒有進行地基處理)。所以，商住樓糾傾工程的實施必須確保相鄰建筑物的安全,以及樓內居民和工作人員正常生活、工作。

從4月份開始，在商住樓南側各軸線延長線上分別建造降水井(但是在東西兩側的①,②軸線之間；⑩，軸線之間分別只做1口降水井)，共10口降水井(見圖2)；在商住樓北面建造了5口觀測井。為了保證周圍建筑物的安全，分別在辦公樓前修建了一道15 m長的地下止水墻和2口回灌井，在花園大廈前修造3口回灌井。降水井采用半邊封閉井，井徑800 mm。

6月份開始對商住樓進行糾傾，通過抽水控制各降水井的水位，使降水漏斗曲線以上的地基土固結沉降[4-5]，對商住樓的基礎樁產生負摩阻力，形成下拉荷載，迫使群樁下沉[6]。由于在地基土中形成的降水曲線是以降水井為中心隨半徑的增大而逐漸上升，所以距離降水井較近的樁基沉降量大，遠離降水井的樁基沉降量小，這樣便可以迫使建筑物整體平穩回傾。商住樓糾傾的規律可總結為：每次間歇式降水時間控制在10 h～15 h。當水位降至1/2樁長時，建筑物開始回傾，每次回傾量約為6 mm～9 mm。當水位降至3/4樁長時，每次回傾量約為9 mm～15 mm。回灌井應持續回灌，有效地保護周圍環境免受降水的影響。

7月下旬，商住樓殘留傾斜量減小到63 mm，小于“建筑樁基技術規范”中允許傾斜值0.4%的規定，整棟建筑物的結構完好無損。由于保護措施得力，相鄰的花園大廈未受任何影響，相鄰的辦公樓沒有出現危害其安全的裂縫。

3 數值模擬分析

3.1 建模

Plaxis 3D是進行巖土工程變形與穩定性分析的三維有限元軟件，其核心分析程序的可靠性得到了國際工程界與學術界的長期考核與驗證。它具有簡潔的圖形界面、清晰的建模流程、強大的計算及后處理功能；具有復雜的特性功能來處理巖土體的非線性、各向異性及時間相關性；能模擬復雜的水力條件、土與結構相互作用及動力荷載[7]。Plaxis 3D的計算結果得到了巖土工程界的廣泛認可。

為了研究降水引起的地層差異性沉降對群樁基礎的影響，利用Plaxis 3D建立了如圖3所示的三維有限元模型。具體建模情況如下：

1)幾何模式。模型的長、寬都為50 m，深為22 m，初始水位為-4 m。從地表往下的地層依次為填土、淤泥、中砂、淤泥質黏土、中砂等。土體的本構關系采用了能考慮壓縮硬化和土體剛度隨應力狀態變化的土體硬化模型(HS)，該模型可用于模擬砂土、黏土、淤泥等。

2)結構模式。模型中承臺采用板單元模擬，梁采用梁單元模擬。灌注樁采用Embedded樁單元模擬，各樁施加垂直向下的158 kN荷載。采用井單元模擬抽水井，采用地下水滲流面邊界條件模擬觀測井。劃分網格且對各結構的網格進行加密。

3)分布施工模式。限制模型側邊界的法向位移，完全限制底邊界的位移，頂邊界可自由移動。第一步僅激活土層，用“K0”過程生成初始應力。第二步激活承臺、梁、樁及荷載，該過程采用塑性計算。第三步激活抽水井及地下水滲流面邊界條件，該過程采用能考慮水力邊界條件隨時間變化的完全流固耦合進行計算。

3.2 降水后孔隙水壓力變化分析

如圖4所示，通過軟件輸出抽水前后模型中部yoz截面處孔隙水壓力云圖。抽水后抽水井附近孔隙水壓力值明顯減小，形成降落漏斗。根據土力學之父太沙基的有效應力原理，孔隙水壓力減小會導致土顆粒承受的有效應力增加，巖土骨架將因此釋水壓密，表現為地層沉降，孔隙水壓力減小幅度不同，地層沉降量亦不同。

3.3 土體豎向位移分析

如圖5所示，抽水井間歇式降水12 h后，其附近地層沉降呈漏斗狀分布，其沉降值隨距抽水井距離的增加而減小。第1排樁、第2排樁、第3排樁(即軸線、軸線、?軸線上的樁基礎)分別距抽水井2 m,6.2 m,11.6 m。第1排樁的豎向沉降平均值為0.9 mm，第2排樁的豎向沉降平均值為0.41 mm，第3排樁的豎向沉降平均值為0.19 mm。抽水井與第1排樁之間的土體豎向沉降平均值為5.78 mm，為第1排樁平均沉降量的6.42倍；第1排樁與第2排樁之間的土體豎向沉降平均值為3.84 mm，為第2排樁平均沉降量的9.37倍；第2排樁與第3排樁之間的土體豎向沉降平均值為2.24 mm，為第3排樁平均沉降量的11.79倍。樁與土的最大沉降值均位于近抽水井處，最小沉降值均位于遠抽水井側。

3.4 負摩阻力分析

當灌注樁附近的土體沉降值大于樁沉降值時，會在灌注樁表面形成豎直向下的負摩阻力。在負摩阻力的作用下，樁基發生沉降，進而導致建筑物沉降。選取建筑物東側(即軸線上)的3根樁為研究對象，分析距抽水井不同位置處，樁基負摩阻力的變化規律。

當地下水位下降后，水位以上的土體固結沉降，在各樁上部均產生負摩阻力。以軸線為例(見圖6)，基礎東側zoy截面距抽水井2 m處樁側摩阻力中性點位于-11.33 m處，其負摩阻力的最小值為-69.44 kN/m；基礎東側zoy截面距抽水井6.2 m處樁側摩阻力中性點位于-8.57 m處，其負摩阻力的最小值為-27.14 kN/m；基礎東側zoy截面距抽水井11.6 m處樁側摩阻力中性點位于-6.77 m處，其負摩阻力的最小值為-16.23 kN/m。可見，側摩阻力中性點的位置隨著距抽水井距離的增大而逐漸上移，負摩阻力的最小值也隨著距抽水井距離的增大而逐漸減小，即隨著距離的增加樁承受的總負摩阻力逐漸減小，與孔隙水壓力的分布規律一致。基礎各軸線距抽水井相同距離處的樁側摩阻力中性點相近，距抽水井不同距離處的樁負摩阻力變化規律近似。不同位置處樁的負摩阻力最小值均位于飽和中砂層中，這是因為飽和中砂層滲透系數較其他土層更大，故其釋水沉降量更大，導致負摩阻力更大。

3.5 承臺豎向位移分析

由于框架建筑物的承重柱均嵌入在群樁承臺內，所以可用承臺的沉降量近似代表建筑物的沉降量。由圖7可以看出，抽水后承臺的豎向沉降量隨著距抽水井距離的增大而逐漸減小。軸線上的承臺距離抽水井最近，其沉降量最大，平均豎向沉降值為1.02 mm。軸線上的承臺距離抽水井較遠，其沉降量較小，平均豎向沉降值為0.49 mm。?軸線上的承臺距離抽水井最遠，其平均豎向沉降值僅為0.20 mm。

值得注意的是，通過對圖5和圖7進行比較，樁基承臺的沉降量略大于單樁沉降量，這正是“群樁效應”現象之一，即群樁基礎沉降量大于單樁基礎。

4 結語

本文通過糾傾工程實踐和數值模擬分析，揭示了沿海場地負摩阻力在群樁建筑物糾傾過程中主導作用，并得出以下結論：1)在含有砂層或砂土交互層的場地，采用間歇式降水方式(即負摩阻力法)對傾斜建筑物進行糾傾扶正可取得較好的效果。但是，粉細砂粒大量流失時，對基礎樁產生的負摩阻力更大，應該加以控制。2)采用“負摩阻力法”糾傾時，群樁基礎的沉降量大于單樁基礎。樁端持力層為中粗砂層時，基樁的端阻力和側阻力在建筑物回傾過程中逐漸增大，一般情況下可以不再進行防復傾加固。3)樁基建筑物糾傾工程具有地域性強、時空效應顯著、環境影響大、技術難度高等特點。因此，樁基建筑物糾傾工程應認真分析地質條件、環境條件、氣象條件等因素，真正做到因地制宜，對癥下藥。