某85 m高層建筑止沉及地基加固技術

彭 濤，馬賢勝，衛 海

(江蘇鴻基節能新技術股份有限公司,江蘇 南京 210019)

0 引言

隨著社會經濟的發展,城市化進程的不斷加速,對于自然資源的大量消耗,過度開采地下水等問題導致地面的區域性下沉,這是我國目前城市建設中遇到的一個比較嚴重的問題;地下水位的下降導致建筑物的沉降是目前建筑出現沉降問題的主要原因;特別是高層建筑出現沉降不均的問題,在國內較為罕見,處理起來難度也非常大,本文以某個高層建筑基礎加固的工程案例闡述高層建筑的止沉與地基加固技術,供相關技術人員參考。

1 工程概述

南京某高層建筑33層,建筑高度85 m,兩層地下室,樁筏板基礎,基礎底標高-10.500 m,樁型為鉆孔灌注樁,樁身的直徑700 mm,樁筏板基礎形式,樁端持力層以④中粗砂層為持力層,有效樁長大約50 m,為摩擦端承樁;靜載試樁的單樁豎向抗壓承載力特征值為4 500 kN;地基基礎設計等級為甲級,樁基設計等級為甲級。

地基土地質情況:①素填土,黃灰—灰色,松散,物質組成繁雜,結構松散,密實度差,填齡短,未固結,非均質,層厚2 m～5 m。②淤泥質粉質黏土,干強度中低、韌性中低,中高壓縮性,低強度地基土,層厚11 m～22 m。③粉質黏土夾粉砂,灰色,軟塑,局部可塑,干強度中低,韌性中低,層厚11.2 m～16.2 m。④中粗砂,灰—灰黃色,密實,密實狀,工程性質較好,埋置深度深,層厚8 m～10 m。⑤強風化砂質泥巖,紫褐色,密實,呈硬塑黏土、密實砂土狀,層厚17.5 m～31.6 m。項目坐落在長江漫灘地貌的地層上,巖層深度較深。

建筑上部結構荷載標準組合值約為26 100多噸,筏板厚度設計值1 m,鉆孔灌注樁70多根,直徑為700 mm,樁長51 m,樁尖進入第⑤層土,端承摩擦型樁,單樁承載力特征值約為4 500 kN。

2020年3月23日施工單位在復核水平線時發現3號樓水平線發生偏移(陽臺一米線為基準,客廳北墻偏移2 cm,樓梯間北墻偏移3.5 cm);樓棟測垂直度發現偏差約20 cm;同時監測沉降數據出現沉降,最大沉降速率0.3 mm/d～0.4 mm/d。主樓外貌見圖1。

本建筑為高層建筑、高度高、結構形式復雜、總重量荷載較大、處在長江漫灘地區地質情況復雜;外部施工影響因素多等情況,決定了地基止沉加固處理的難度較高。

2 沉降原因分析

在主樓南側20多米位置處,主干道路施工綜合管廊如圖2所示,最大開挖深度約10 m,最大降水深度約20 m,對比相關綜合管廊的施工降水時間與主樓的沉降情況,隨著綜合管廊的開挖及降水深度的加深,主樓沉降不斷加劇。根據摩擦樁的工作原理,正常情況下的樁周土體為樁體提供方向向上的摩擦阻力,以提供向上的反力,這是正常的摩擦樁的工作狀態;但是,如果樁周土體由于地下水位下降等原因受到擾動,發生向下的沉降,當土體沉降量超過樁體的位移量時,樁體受到負摩阻力的作用,當負摩阻力及上部荷載值超過樁體的正摩阻力時,樁體就會發生向下的位移,導致房屋的沉降。

本建筑處在小區的角落,只有北側地下室,北側大地庫對建筑沉降起到嵌固作用;工程樁為灌注樁、摩擦端承樁、深度并未入巖層,無法有效的阻止負摩阻力的增加導致的樁基沉降;這也是本工程不均勻沉降的間接因素。

3 止沉及地基加固方案

3.1 止沉方案的選擇

在新建建筑施工過程中已經有各種各樣的地基基礎的加固技術[1-3],但既有建筑出現地基問題時,處理方式卻非常有限,很多方法受到現場條件的限制無法實施。

既有建筑的地基加固工程難度系數高,所需的成本和施工時間通常超過新建建筑,經常會遇到各種不可預見的問題。因此,在加固過程中,必須綜合考慮各種情況,特別是根據建筑結構的特點和土壤條件確定適用的加固方案,然后選擇是否需要加固或使用哪種方案進行加固。在這個過程中,需要綜合考慮幾個方面的因素,即挖掘地基的潛力,采取方案盡可能提高結構的整體剛度,以及盡可能選擇簡單的結構施工方案。換句話說,在處理地基加固問題時,需要綜合考慮各方面的因素。

結合本工程的地質情況、結構形式等因素,綜合考慮,地勘報告巖層深度約七八十米深度,根據多年的止沉經驗,最好的止沉方案是采用某種樁型可以直接深入到巖層中,就可以很快起到止沉的效果,而一般的既有建筑受到建筑本身層高的限制很難施工如此深度的樁。

本工程綜合考慮采用兩種樁型進行此工程的地基止沉加固方案:1)南側外側具備大型機械施工的條件,因此選擇更深更大直徑的后注漿鉆孔管樁;2)在地下室內部由于空間高度限值,只能采用對空間高度要求不高的錨桿靜壓樁進行施工。

根據設計要求,在沉降大的南側外側施工13根深度80 m的直徑700 mm的后注漿鉆孔灌注樁,建筑物地下室內部、中部和北側施工30根深度60 m,φ420 mm×16 mm的錨桿靜壓鋼管樁。灌注樁及錨桿靜壓樁平面布置圖見圖3,后注漿鉆孔灌注樁與主樓之間的連接方式見圖4。

3.2 后注漿鉆孔灌注樁施工

后注漿灌注樁施工工藝,是在灌注樁內設置注漿導管,通過導管及與之相連的樁端、樁側注漿閥注入水泥漿,加固樁端、樁側土體(包括沉渣和泥皮),擴大樁底面積、消除樁底沉渣產生的不利影響,提高灌注樁樁底的承載力,是一項通過提高鉆孔灌注樁承載力從而降低工程造價的成熟施工工藝。

鉆孔灌注樁的后注漿工藝,即壓入高壓的水泥漿克服土體的初始壓應力使土體產生變形破壞,水泥漿沿著劈裂縫隙滲入土體填充空隙,從而起到加固土體的作用;同時樁底部可以使沉渣及樁端附近土體密實,產生“擴底”效應提高樁端承載力;從大量的實驗數據可以看出,不僅樁端阻力提高,樁端下部樁側的一定范圍內樁側阻力也得到大幅提高。

在施工之前,要根據地勘報告,確定樁端所處的土層或巖層,根據土層或巖層的物理特性,同勘察單位、設計單位、監理單位等相關單位先確定一個注漿的參數,并進行實驗,試樁注漿結束后,按照相關要求再進行單樁承載力的實驗,根據實驗的結果確定最終的注漿相關參數值。

施工的工藝步驟如下:

1)制作注漿管:注漿管采用φ45 mm,壁厚2 mm的無縫鋼管,接頭采用套管連接,連接處采用生膠帶纏繞保證密封,注漿管高出地面300 mm,底部凸出鋼筋籠長度200 mm,底部0.5 m范圍內連接袖閥管,管口上部封堵。

2)固定注漿管及下鋼筋籠:注漿管通過扎絲與鋼筋籠連接,固定在鋼筋籠上,隨著鋼筋籠一起下放。

3)澆筑灌注樁的混凝土:采用水下混凝土的澆筑方式澆筑灌注樁的混凝土,澆筑過程中注意保護注漿管。

4)成樁后3 d左右通水開塞:注漿管通水開塞是指在正式的注漿前利用高壓水向管內注清水,疏通注漿管,防止注漿管堵塞,一般情況在混凝土澆筑成樁3 d左右時間,通塞時間控制比較關鍵,決定后期注漿的成敗,通水時間過早可能會破壞混凝土的強度,通水時間過遲,混凝土強度過高,可能沖不開混凝土障礙,致使注漿頭打不開無法注漿,通水后水可以不斷注入并且壓力值穩定表明通水開塞成功。

5)成樁后3 d～8 d后樁底開始注漿:根據試樁的結果確定的注漿參數值:水灰質量比確定為0.65,單樁注漿水泥用量為2.0 t左右。

通常情況為了避免注漿液擴散范圍過遠,一般分批間歇式注漿,按照施工的幾根樁分批進行流水作業可以根據每根樁預埋的注漿管的數量分兩三次進行分次注漿;第一次注漿量約為總量的65%～75%漿液,第二次注漿量約為總量的25%～35%漿液,兩次間歇時間約半小時,這樣既不影響功效,也可以保證注漿的間歇時間。注漿單位應做好注漿的過程控制,應安排專業技術人員及時、有效的做好每根樁的施工記錄。后注漿鉆孔灌注樁施工過程見圖5。

終止注漿的條件如下:

1)單根樁的注入水泥量達到試樁時候確定的要求。

2)單樁注入的水泥量雖然未達到試樁確定的要求,經過多次間歇注漿后仍不能達到試樁確定的水泥量,但注漿壓力值達到試樁確定的要求,并且壓力持續穩定時間不小于2 min。

注漿施工結束后,采用封堵材料把注漿管口封堵。樁基施工完成后,按照設計要求,在灌注樁頂部與主體結構連接的位置設置了側向的剪力墻與主體結構連接,樁與主體結構形成有效的連接從而起到止沉效果(見圖6)。

3.3 錨桿靜壓樁施工

對于發生傾斜或不均勻沉降的建筑物,首選錨桿靜壓樁,因為既有建筑物室內空間小,大型機械無法進場,錨桿靜壓樁設備小,操作靈活;施工噪聲小,不擾民;壓樁力由油壓表反映,樁實際承載力值明確,且壓樁力可以控制。

考慮到上部結構的自重、基礎筏板的厚度、地基土的土層分布和深度等因素綜合考慮,鋼管樁采用φ420 mm×16 mm的鋼管,材質為Q355B每節樁段長度2 m,樁端采用閉口形樁尖,樁節間采用內套管焊接,壓樁力4 500 kN,由于普通的壓樁架不能滿足如此大的壓樁力,因此采用了一種專利技術的大噸位的錨桿壓樁架[4]進行施工。

施工的工藝步驟如下:

1)施工準備:如圖7所示,在本工程中先在被加固的基礎筏板上定位出壓樁孔和錨桿的位置,采用取孔機械進行取孔施工,錨桿為16根直徑32 mm的精軋螺紋鋼,植筋深度900 mm,用高強灌漿料作為黏結劑進行植筋。

2)鋼管制樁加工:如圖8所示,鋼管切割2 m一節,第一節焊接鋼樁尖,鋼管節打好坡口焊接準備等工作。

3)壓樁施工:如圖9所示,就位壓樁架,保障壓樁架的垂直度和穩定性;就位第一節樁,保證第一節樁的垂直度,樁位允許偏差不得超過±20 mm,樁節垂直度允許偏差應為樁節長度的1.0%;壓樁施工應一次連續壓到設計標高,當必須中途停壓時,樁端應停留在軟弱土層中,并且盡量減少停頓時間;樁節接樁采用焊接方式,鋼管樁表面需清除焊面鐵銹,上下節之間的間隙應用鐵片墊實焊牢,采用內套鋼管的方式接樁。

4)帶壓鎖樁:當樁頂壓樁力達到設計的最終壓樁力,同時樁長達到設計樁長后,需要進行封樁,封樁時采用帶壓鎖樁封樁的方式,鎖樁力2 000 kN,采用澆灌灌漿料進行永久封樁。封樁灌漿料強度達到設計強度要求后卸除樁頂帶壓裝置(見圖10)。

3.4 止沉及地基加固后的效果

如圖11所示為建筑物的沉降觀測點布置圖,表1列舉了基礎止沉加固施工前后建筑物的沉降速率的對比,基礎止沉施工后,各建筑物沉降速率符合規范的相關要求。經現場觀察,糾偏施工過程中建筑結構基本穩定,無任何裂縫現象發生。該項目工期短、成本低、基礎止沉效果好,取得了相關單位的一致好評[5-6]。

表1 建筑物加固前后沉降速率變化 mm/d

4 結語

1)后注漿鉆孔灌注樁技術在樁基工程中應用較廣泛,但鮮有應用到地基基礎加固領域;后注漿鉆孔灌注樁技術可以從多個方面提高單樁承載力,控制了樁基的變形,從而達到止沉加固的目的。

2)實踐表明錨桿靜壓樁技術具有獨特的優越性,是其他地基處理方式無法替代的,在地基基礎加固方面不僅技術上可行,經濟效益也比較明顯。

實踐表明后注漿鉆孔灌注樁技術和錨桿靜壓樁技術組合使用,有效地解決了高層建筑的沉降問題,為類似的地基基礎加固技術提供了很高的參考價值。