步进式注浆工法在深厚填土地基建筑物抬升中的应用

2020-08-07崔学栋

建筑施工 2020年4期

崔学栋

北京恒祥宏业基础加固技术有限公司北京 100097

随着我国经济的高速发展，大量建设工程如雨后春笋般纷纷落地。在施工过程中，现有平坦地形地貌能大大减轻工程中的土方工程量。但现实情况往往是现有地形地貌高低起伏，为达到施工目的，必然存在大量填方、挖方工程，填方厚度在几米甚至几十米的情况都会出现。坐落在这种深厚填土基础上的建筑物虽按照要求必须进行地基处理，但是受现有勘察设计的局限性及施工过程中的各种操作疏忽等因素的影响，在建成后仍然出现各种影响使用的不均匀沉降。对这类建筑物抬升纠偏的需求在近年来明显增长。

注浆技术经过多年的工程实践，已经在建筑物抬升纠偏等方面取得了较为广泛的应用[1]。由于注浆工程在理论研究上的欠缺，现实情况下注浆效果的好坏更多地与施工单位的经验密切相关。

许多注浆工程往往只停留在“头痛医头，脚痛医脚”的阶段，哪里沉降注哪里，抬升到位就撤场，并没有针对基础发生不均匀沉降的原因进行根源性整治。这就很容易导致建筑物发生二次沉降，二次沉降后再次注浆抬升的不良循环。

本文根据在深厚填土多次注浆抬升建筑物的施工经验，优化完善后提出步进式注浆工法，此方法从根源上解决了由于深厚填土不均匀性和高压缩性造成的建筑物不均匀沉降问题。

1 工法介绍

步进式注浆工法分为3个步骤，具体如下：加固补强垫层→地基抬升加固平台→柱下桩基支撑。

1.1 加固补强垫层

为了保证强度和排水畅通，设计时通常在深厚填土的建筑物筏板下铺设砂石垫层。该工法首先对筏板以下的砂石垫层进行渗透注浆，此时浆液渗入砂石间的孔隙，固结砂石，从而形成了新的结构体，增加砂石垫层的强度和密实度。

同时，通过浆液胶结作用与垫层上部筏板紧密胶结连在一起，形成加厚的筏板基础。加厚的筏板基础也能保证后续抬升力的均匀分布，避免出现局部抬升速度过快，在抬升过程中产生新的裂缝。

1.2 地基抬升加固平台

当对垫层加固补强施工完毕后，对垫层以下一定深度的地基进行压密注浆。在压密注浆过程中，刚开始注浆时，浆柱的直径和体积较小，压力主要是水平方向的，此时浆柱挤压周围土体；随着注浆量的加大，浆柱体积增加，将产生较大的向上压力，此时浆柱抬升倾斜建筑物[2]。由于填土属于非饱和土，故压密注浆挤密效果较明显，同时填土多为人工填土，不均匀性较高，压密注浆的浆液总是挤向不均地基中的薄弱土区，从而使土体的变形性质均一化。

通过压密注浆后，地基承载力增加，土体的强度和防渗性能得到改善。

1.3 柱下桩基支撑

当垫层加固补强和地基抬升加固平台施工完毕后，由于土中已注入大量浆液，由原先的天然重度变为复合重度，大大增加了土体的自重应力。注浆前后的重度关系如公式（1）所示。

式中：γ复合——注浆后复合地层重度；

γ浆液——浆液重度，γ浆液＝（1 000 W＋3 100）/ （1＋W），W为水灰比；

γ填土——填土重度；

a——注入率。

为了控制复合土层变形，在抬升加固平台下施作不规则圆柱体的复合桩基。复合桩基由浆液注入填土层的浆液柱凝固形成。如果填土地基内有桩基，则复合桩基即在原有桩基周围注浆形成，复合桩基的形状类似上小下大的扩底桩形状。

该桩底面积和桩身直径较大，不但扩大了桩底支撑面积，又增加了桩周的摩阻力，复合桩基的存在也会减少建筑物的沉降。在进行设计时，将注入地基中的浆液作为新增加的附加应力考虑，不规则桩基的承载力至少能承担这部分荷载。计算复合桩基沉降时，可以参考复合地基沉降计算模型。

通过层层加固的方式，加固补强垫层、地基抬升加固平台和不规则复合桩基形成支撑体系，实现建筑地基提高承载力，稳固地基的目的，使地基达到沉降稳定状态。步进式注浆工法如图1所示。

图1 步进式注浆工法示意

2 工法原理及适用性分析

在步进式注浆工法中，地基加固平台和不规则复合桩基借鉴了地基处理中散体桩复合地基原理。其具体的原理如下：注浆形成的复合地基包括注浆加固区和注浆加固区间土两部分，因此，可以建立如图2所示的简化模型，将注浆加固区视作桩体，而注浆加固区间土则视作桩间或桩周土体。

图2 注浆加固地基简化模型

简化成上述模型主要是基于以下原因：

1）注浆加固地基注浆加固区由于注浆作用，具有一定的黏结性，其破坏形式以侧向挤出破坏为主。注浆加固区可进行压缩，其破坏形式与散体桩相同，因此步进式注浆工法相关计算可借鉴散体桩的计算方法。

2）由于注浆加固土层为填土，注浆加固区需要周边土体的围箍作用才能维持注浆加固区形状，这与散体桩的性状一致。

3）在上部荷载作用下，注浆加固区依靠周边填土提供的被动土压力维持注浆加固区的平衡，这与散体桩的承载性状一致[3]。

上述模型与真正的散体桩有所不同，散体桩桩身没有黏结强度，而注浆加固区有一定黏结强度；注浆加固区横断面也大于散体桩。但是忽略这些不同点，注浆加固地基模型对地基承载力以及控制变形是偏于安全的。

现有注浆抬升技术，在高压注浆抬升过程中，有可能对建筑物基础形成冲击性破坏，导致基础底部局部起鼓，甚至开裂。针对此问题，步进式注浆工法区别于直接在建筑物基础底部注浆抬升的粗暴式注浆。

首先，通过对砂石垫层的加固补强，提高了垫层和筏板的强度和整体性，其次，才是对地基的加固抬升。2次注浆使得抬升力较为均匀地传递到建筑物基础，较为柔和地抬升建筑物。若抬升效果不理想，仍可依靠后复合桩基压密注浆来弥补抬升效果。

现有注浆抬升时注浆孔开孔多、孔径大，对建筑物基础破坏较大，步进式注浆工法在施工时一孔多用。施工时，采用后退式注浆工法，一个注浆孔深部完成复合桩基，浅部完成垫层加固补强和地基加固抬升，实现一孔高效化，减少对建筑物基础的破坏。

现以西南某地区的典型工程为例进行阐述。

3 工程实例

3.1 工程概况

西南某地区商贸城（4F/2F）地块长约330 m，宽约310 m，基础为筏板基础，地基处理采用强夯法。该地区原始地形为沟槽地带，原有一南西—北东—东流向的溪沟，后作为山谷型弃土场，十余年间已进行多次大规模回填，现状地势总体呈南西高、北东低的高低平台与斜坡交错状地形。

填埋场内形成多处人工填土斜坡，经勘察可知，填土未经分层碾实，多抛填形成，坡表无明显滑动拉伸的痕迹。场内地表标高232.50～264.74 m，相对高差约30 m，土堆顶表平缓，呈上缓下陡趋势，其间无高陡的大型人工填土边坡，坡脚多有水渗出，现弃土场内未见滑坡，库容稳定，全场内无原生基岩出露。

根据勘察报告可知，工程场地主要有第四系全新统素填土和粉质黏土、侏罗系下统珍珠冲组的砂岩、砂质泥岩组成。

素填土为人工回填，主要由粉质黏土、砂岩泥岩块碎石组成，碎块石含量约占25%，粒径大小5～35 cm，堆填时间1～15年不等；局部为杂填土，主要为建筑垃圾及少量生活垃圾，稍湿，上部松散、中部稍密、下部稍密-中密；钻探揭示厚度4.5～65.8 m，主要分布于整个场地。

（1）专业定位不太明确．很多高校现有的信息与计算科学专业人才培养目标一般只概略性说明人才培养的总体要求和范围，忽略了结合自身学校的特色和定位对人才培养目标进行详细清晰的说明，从而导致在培养人才时目标不明确，定位不清晰．

粉质黏土残留于岩面之上，厚度小，棕黄色。

砂质泥岩主要为泥质结构，厚层状构造，矿物成分主要为黏土矿物，主要为泥质胶结，局部砂质含量较高；分布广泛，揭露最大铅直厚度36.27 m，为场地主要岩性。

砂岩为细-中粒结构，中厚层状构造，为钙质胶结，主要矿物成分为石英和长石；分布较广泛，揭露最大铅直厚度13.05 m，为场地内次要岩性。

施工监测显示，自2016年1月至2017年4月，发生了不同程度的不均匀沉降，沉降量26～183 mm。根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》的规定，场区为高压缩性土，框架结构的工业与民用建筑相邻柱基的沉降差的允许值为0.003L，因此，根据JGJ 123—2012《既有建筑地基基础加固技术规范》的规定，需对该单元楼进行地基基础纠偏及加固。

3.2 沉降原因分析

根据工程勘察资料、沉降观测数据等资料分析和现场踏勘了解可知，造成本建筑产生不均匀沉降的原因为以下5个方面。

1）工程地基主要是由人工填土组成的，地基土受压后差异沉降严重，地基均匀性很差，因回填土层厚度大，且存在较大碎石，虽经过强夯处理，仍存在软弱下卧层和土层虚浮现象，软弱下卧层强度不够是导致基础沉降的原因之一。

3）根据勘察报告可知，场地原为冲沟，后为弃土场。原先地下水在重力的作用下，向场地内低洼地汇集，达到一定的水位高度后外排。在场地回填后，周围高地的水仍会渗流进回填土的地基内部，达到一定的程度后，地下水便可以在填土地基内自由地流动。水的流动会带走土中细小颗粒，这个过程会造成土中孔隙率增大，从而引起地基下沉[4]。

4）场地内回填土压缩性高，局部浸水湿陷特征比较明显，因此在地下水作用下，局部回填土发生湿陷，造成地基下沉。

5）由于勘察外业工作是在4月份完成的，勘察钻探孔深度内地下水贫乏。而雨季集中在5～10月，同时地下水类型主要为松散堆积填土中的孔隙水。鉴于商贸城建设周期较长，建设周期必定跨越雨季。设计人员和施工人员对防水措施重视不够，导致部分雨水渗入填土，故必然会降低填土承载力。

3.3 抬升方案设计与施工

本项目采用步进式注浆工法进行抬升，垫层加固补强注浆范围厚0.6 m，地基加固平台处理厚度4.4 m，从而形成厚5.0 m的整体加固平台。柱下桩基设计在主要承重柱下，出于经济性考虑，不规则桩基分为长桩和短桩。具体设计参数如表1所示。

注浆施工工艺采用WSS注浆技术，浆液选为A、C无收缩双液浆，将松软的土层固结形成新的结构体，A、C无收缩浆液凝结硬化后，不收缩。形成的结构体强度高、抗渗性强，能达到地基承载力要求[5]。浆液配比如表2所示。

表1 具体设计参数

3.4 注浆抬升效果

注浆效果检查评定标准和方法根据注浆目的而定[6]。在注浆施工过程中，频繁观测结构的变形监测点，对发现沉降速率大的区域进行反复注浆加固，以达到理想的注浆效果。

整个注浆抬升工程于2017年7月完成，根据第三方监测机构监测报告显示，自2017年7月14日至2019年5月28日为止，商贸城主体数据无明显变化，相对稳定。

3.5 小结

由于深厚填土地基的不均匀性和高压缩性，地基处理的不到位，该商贸城发生不均匀沉降。如果只是单纯注浆抬升建筑物，由于填土未固结到位，注浆体随着下层填土固结随同上层建筑物再次沉降的情况极易发生。

步进式注浆工法借鉴于散体桩复合地基概念，地基加固平台对浅层填土进行挤密压实，在抬升建筑物的同时，提高填土的承载力；不规则复合桩基处理深度较深，控制复合土层的变形，弥补地基加固平台的抬升效果。抬升施工过程中配合WSS工法，更加精确地控制注浆范围，可保证加固抬升平台和复合桩基的有效半径，避免造成浆液浪费和污染[7-8]。

通过商贸城主体监测数据可知，注浆抬升后2年内主体楼相对稳定，说明该工法在深厚填土中的建筑物抬升效果是长期持续稳定。