锚杆静压桩加固高层建筑中不均匀拖带沉降控制的探索与应用

江岳春

(上海勘察设计研究院(集团)有限公司， 上海 200093)

0 引言

地基基础施工工期长，隐蔽性大，加之地质条件不确定性大，常常成为隐患最大的区域。出现很多沉降、倾斜超规范要求的建筑物，严重影响建筑物安全，给人民生命财产安全造成重大威胁。

锚杆静压桩[1-6]作为有效的基础加固手段，在既有建筑加固领域得到了广泛的应用，但对于高层建筑，由于其自重大，施工中拖带沉降明显，尤其原来沉降较大侧，引起倾斜进一步加剧，设计施工中需采取有效的措施控制不均匀拖带沉降的发展。本文以昆山市某高层建筑的基础加固为实例，介绍了具体加固方案，不均匀拖带沉降控制的探索与应用。

1 工程概况

工程位于江苏省昆山市，为常规高层住宅，于2014年4月竣工并入住，投入使用2年后，因散水开裂和电梯维修，发现建筑倾斜和沉降不稳定。

1.1 建筑概况

本工程地上部分分为两个单元，分别为33层和34层，地下均为1层，中间设变形缝。建筑外包尺寸长60m，宽19m，高度约为99m，其外墙边线距离河道蓝线最近约15m，通过连通道与地下室连通。

1.2 结构概况

本次加固楼结构设计使用年限为50年，剪力墙结构。结构安全等级二级，地基基础设计等级为甲级，建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度(0.01g)，设计地震分组第一组，场地类别Ⅳ类，场地特征周期0.65s[7]，地面粗糙度类别为B类。

本工程基础形式如下：采用桩筏基础，选用φ700钻孔灌注桩，桩身混凝土强度等级为水下C35。根据本工程岩土工程勘察报告，③3层粉土夹粉砂，灰色，湿～很湿，中密～密实，土质不均，整个场地均有分布，其静力触探比贯入阻力Ps平均值为13.3MPa，标准贯入击数N平均值约为43.7击，土质佳，是本工程建筑物较理想的桩基持力层。同时，③3层在楼栋位置分布较为均匀，无明显地层起伏现象。选取③3层粉土夹粉砂为桩端持力层，工程桩桩长52.0m。单桩竖向抗压承载力特征值取3 200kN，单桩竖向抗压极限承载力标准值取6 400kN。地下室底板相对标高为-4.500m，桩顶锚入底板100mm,底板厚度为1 250mm，底板外围距墙轴线出挑900mm。地下室底板混凝土强度等级为C35，抗渗等级为P6。基础垫层厚度为150mm，混凝土强度等级为C15。

1.3 倾斜状况

自2017年1月起进行沉降及倾斜观测，截止2017年6月28日各监测点倾斜情况见图1。新增最大沉降为5.09mm，新增最小沉降为0.98mm，总倾斜率约为向南3.31‰～4.51‰，向西0.20‰～1.32‰，沉降速率约为0.006 ～0.041mm/d，其中0.006 mm/d为沉降较小侧(北侧)的沉降速率，0.041mm/d为沉降较大侧(南侧)的沉降速率。

图1 各监测点倾斜情况

拟加固建筑南北向超过高层建筑物地基变形允许值2.5‰(根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[8]中的第5.3.4条及表5.3.4，对于高层建筑的整体倾斜，当60m

2 工程地质条件

2.1 场地工程地质条件

根据本工程岩土勘察报告，场地地形平坦，隶属于太湖湖荡平原地貌单元。各层土及主要物理力学性质参数见表1。

土层及其主要物理力学性质 表1

2.2 本工程地质条件特点

(1)本场地属相对稳定区，土层分布较稳定，底板以下土层均由②2,②3,③2,③3,④1,④2层组成，且各层起伏较小。

(2)本工程原工程桩持力层为③3层粉土夹粉砂，该土层中密～密实，土质不均，在灌注桩成孔时，容易出现坍孔，造成沉渣较厚。

(3)本工程场地属建筑抗震不利地段，场地埋深20m以内③2层粉土为不液化土层。

3 建筑倾斜分析

3.1 原设计桩基沉降复核

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[9]中的第5.5.14条，对原设计桩基沉降进行复核计算。桩端平面以下地基中由基桩引起的附加应力，采用桩径影响的明德林(Mindlin)解计算，桩基最终沉降量采用以Mindlin应力计算公式为依据的单向压缩分层总和法计算。经复核计算，桩基沉降较为均匀，桩基沉降最大值为4.6cm，满足相关规范要求。

3.2 桩基承载力状况

根据本工程桩基低应变、高应变及静载荷试验检测报告，工程桩大部分为Ⅰ类桩，部分为Ⅱ类桩，无Ⅲ，Ⅳ类桩，工程桩承载力均满足设计要求。

3.3 倾斜原因分析

根据本工程地层、桩基施工工艺、检测报告及对原工程桩沉降的计算复核，原工程桩设计和施工均满足规范要求。出现不均匀沉降和倾斜的原因分析如下：

(1)钻孔灌注桩桩底沉渣影响

本工程工程桩为钻孔灌注桩，持力层为③3层粉土夹粉砂，该土层中密～密实，土质不均，在灌注桩成孔时，容易出现坍孔，造成沉渣相对较厚。由于未进行后注浆处理，当桩底沉渣厚度过大或沉渣厚度不均时，将导致部分灌注桩产生较大沉降，进而引起上部结构的不均匀沉降和建筑倾斜等问题。

(2)堆土影响

根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)第8.5.2条规定，由于欠固结软土、湿陷性土和场地填土的固结，场地大面积堆载、降低地下水位等原因，引起桩周土的沉降大于桩的沉降时，应考虑桩侧负摩擦力对桩基承载力和沉降的影响。倾斜楼栋南侧存在1～2m的绿化堆土，建筑周围土体固结沉降，可能会引起桩的拖带沉降。

(3)河道清淤影响

小区内河道于2016年进行抽水清淤治理，其河道水土压力减小有可能引起驳岸以外土体出现沉降，从而使桩基产生拖带沉降。

4 基础加固方案

4.1 本工程加固处理特点

根据原工程竣工资料以及监测资料，并结合现场踏勘，本工程加固处理具有如下特点：

(1)本工程为高层建筑物，高度达99m，沉降倾斜率为3.31‰～4.51‰，不均匀沉降引起的倾斜超过规范限值，且不均匀沉降仍在发展中，基础加固应及时进行。

(2)根据建筑物特点及桩基形式，本工程不宜采取主动纠偏处理措施。

(3)底板厚度1 250mm，实施桩基加固工作需在底板上开孔施工，难度较高。

(4)由于基础底板埋深约5.7m，底板下有一定水压，施工过程中如底板开洞应充分考虑排水措施。

(5)根据竣工验收资料，工程桩桩身及承载力检测均符合要求，因此工程桩处理具有一定不确定性，基础加固应充分考虑结构可靠度。

(6)基础加固设计方案，应充分考虑相应措施，有效控制基础加固过程引起的进一步倾斜。

4.2 加固方案

根据本工程上部结构荷载分布及倾斜状况，采用锚杆静压钢管桩进行基础加固，并通过在沉降较大侧(南侧)采用预应力封桩和在沉降较小侧设置可压缩材料封桩，同时在沉降较小(北侧)侧桩端充气加压排水和膨润土注浆迫沉等措施控制施工中不均匀沉降。

4.3 基础加固措施

(1)单桩设计

锚杆静压钢管桩采用φ426×14，以③3层为桩基持力层，桩长为36m(单节桩按2～3m控制)，C20混凝土填芯；为了控制压桩拖带沉降，桩端设置6m长桩靴段，桩靴段钢管采用φ159×12，单桩竖向承载力特征值取2 200kN。

(2)锚杆静压钢管桩补桩原则

通过反演分析推测问题桩分布范围及其单桩刚度。通过推测的单桩刚度(图2)拟合计算沉降(图3)，直至符合现场实测差异沉降趋势。

图2 单桩刚度取值分区图

图3 未加固时桩基沉降等值线图/mm

单桩刚度取值 表2

根据结构荷载分布及问题桩分布情况，进行桩基补强布桩，在沉降较大侧适当增加补桩密度，调整荷载形心与群桩形心偏差在合理范围，补桩后桩基沉降(图4)满足《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)第5.3.4条及表5.3.4的规定，体型简单的高层建筑基础的平均沉降量不大于200mm。

图4 加固后桩基沉降等值线图/mm

4.4 不均匀沉降控制措施

(1)带压力停桩和预应力封桩

在沉降较大侧尽量减校压桩拖带沉降和桩发挥承载力过程中产生的沉降，具体措施为：压桩过程中采用带压力停桩，压桩完成后采用预应力封桩(图5)，使桩尽快发挥承载力。

预应力封桩即在封桩时不撤压桩反力架，采用送桩器一端顶住钢管桩，另一端上置千斤顶后顶住桩架反力梁，通过千斤顶施加荷载，保持千斤顶荷载不变，浇筑封桩混凝土，待混凝土达到一定强度后，拆除千斤顶及压桩反力架，从而达到对钢管施加预应力。

(2)设置可压缩材料封桩

为了使后期沉降较小侧有一定的沉降量，从而起到被动纠偏作用，在沉降较小侧垫厚度为3～5cm的泡沫板封桩(图6)。

图5 带压力停桩和预应力封桩

图6 柔性材料封桩

(3)反压

为了平衡沉降较大侧的压桩拖带沉降，也为了抵消倾斜引起的附加弯矩，在沉降较小侧借助已施工锚杆桩的抗拔力，在底板上利用千斤顶施加压力(图7)。

(4)充气加压排水

在沉降较小侧桩端进行充气加压排水，在桩端形成负孔压，扰动桩端土层，实现迫降纠偏，从而引起沉降较小侧产生一定沉降(图8)。

图7 反压措施装置示意图

图8 充气加压排水措施

(5)对压

本工程主要倾斜为南北方向的倾斜，在施工过程中南侧与北侧压桩同步进行，且沉降较小侧多次加载、卸载，加大对沉降较小侧的扰动，从而控制倾斜的发展。

(6)膨润土注浆迫沉

原理：向土体注膨润土浆液，扰动土体，减小土体强度，削弱单桩刚度，造成建筑物沉降量增加。

方法：采用静压设备将注浆管压入设计深度，通过注浆泵将浆液压入土体，施工过程为喷浆—提钻杆—喷浆，从而削弱原工程桩刚度，产生沉降，静压法注浆纠偏装置示意图见图9。

图9 静压法注浆纠偏装置示意图

5 监测措施

5.1 监测设备

(1)在建筑外墙周边设置了可靠的监测点，采用常规水准仪在基础加固施工期间按一天一测的频率进行人工监测。

(2)在建筑物地下室外墙内布置静力水准仪[10](图10)，实行自动化24h实时监测，并通过云技术，可实现在手机及电脑客户端查阅监测数据。设定预警值，可实现邮件自动报警。

图10 静力水准仪

5.2 数据分析

对施工全过程进行信息化监测，以保证整个施工过程的安全可靠。沉降监测点布置见图11。沉降及南北向差异沉降发展趋势见图12，13。由图13可见，2018年1月2日至2018年12月26日累计沉降为9.27～58.15mm，其中基础加固施工期间(2018年1月2日至2018年7月5日)引起的拖带沉降为6.17～53.45mm。基础加固施工期间引起的南北向倾斜率(主要倾斜方向)为1.75‰～2.04‰，在设计预估范围之内。

100d左右时间(2018年9月10日至2018年12月26日)的平均沉降速率0.009mm/d，小于0.01mm/d，符合《建筑变形测量规范》(JGJ 8—2016)[11]中第7.1.5条第4款的规定：当最后100d的最大沉降速率小于0.01～0.04mm/d时，可认为已达到稳定状态。

由图13可看出，基础加固施工期间有一定的拖带沉降，且原沉降较大侧沉降大于原沉降较小侧，倾斜进一步发展，但施工结束后，沉降速率快速趋稳，加固效果明显。

图11 沉降监测点布置图

图12 沉降发展趋势(2018年1月2日至2018年12月26日)

图13 南北向差异沉降发展趋势(2018年1月2日至2018年12月26日)

6 结论

本项目采用锚杆静压钢管的基础加固设计方案，实施过程中采取一系列不均匀拖带沉降控制的方法，并应用信息化监测设备，精细化施工。监测数据表明，加固措施切实有效，不均匀拖带沉降在可控范围。基础加固施工完成后，100d左右时间(2018年9月10日至2018年12月26日)平均沉降速率已小于0.01mm/d，符合沉降稳定标准。

该项目顺利通过专家组的验收，并由第三方鉴定公司出具鉴定报告，鉴定结论为：在正常使用和维护条件下，在目标年限内满足安全性要求。截止发稿时该建筑物使用正常，无新增明显开裂等情况。