基于高层建筑地基加固处理施工技术的研究

2021-08-06李彪奇

新型工业化 2021年4期

李彪奇

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410000）

0 引言

随着我国社会经济的发展，高层建筑呈现层数高、结构体系复杂、施工技术不断更新等特点。当前的高层建筑的受力复杂，对于地基要求更高。高层建筑基础施工是高层建筑的关键环节，由于天然地基无法满足高层建筑的需求，通常需要采用加固技术，确保基础承载力满足高层建筑需求。受到地质条件、施工工艺等方面的影响，桩基方案造价较高，因此采用地基加固的方式，能够降低施工成本，提升地基的稳定性[1]。但是由于当前的地基加固方式较多，施工方式选择难度较大，而且相关的施工技术对环境也会造成影响。所以在桩基加固工程实践中，需要结合工程实际需求、地基加固技术的特点以及施工技术成本，综合对比选用最合适的加固技术，在确保加固后的地基满足高层建筑的基础上，降低工程造价，提升工程效率。本文对高层建筑地基加固技术进行研究，采用工程案例的方式探讨地基加固技术的施工流程以及技术控制要点。

1 工程概述

1.1 工程整体情况

龙湖世纪城项目位于成都新会展片区，地块为带状形较狭长，由1-10栋150米高的塔楼呈一字型展开组成，容积率为9.8，定位为超高层空中豪宅。项目背面朝会展商业街，正面面对天鹅湖二期。景观呈前后台地景观，高差5.4米左右，顶板覆土1-1.2米。景观总面积约40000平米，风格定位为新古典主义。按照《建筑抗震设计规范》，该建筑为乙类建筑，安全等级为1级。

1.2 工程地质构成

提前对该地地基进行检测，该地基土的力学指标如表1所示。

表1 地基土的力学指标

通过地质勘查报告可知，该地区的地基内无不良地质现象，可用于建筑施工。高层建筑的地基开发深度为9-10m，因此需要对该地段的地基进行分析，了解地基结构的力学性能。通过勘查，可知该地段的均匀性较差，分布有卵石、细砂等结构，为了确保地基力学性能满足建筑需求，需要对该地基结构进行加固处理。

1.3 基础方案确定

常见的高层建筑基础类型包括筏板基础、十字交叉条形基础和桩基，具体的基础形式以及应用如下：（1）筏板基础，主要应用于软土地基结构，通过钢筋混凝土筏板基础能够提供足够的支撑；（2）十字交叉条形基础，通过柱网设置横向与纵向的钢筋混凝土条形基础，从而为高层建筑提供基础支撑，该结构主要适用于地基较弱的体制结构，能够为建筑结构提供足够的承载力；（3）桩基，高层建筑常见的基础类型，桩基适用于不同地质结构，通过钢筋混凝土预制、砂石结构等形成桩基结构，为高层建筑提供基础支撑；（4）箱型结构，通过钢筋混凝土箱型结构为建筑提供基础支撑。

为了满足工程建筑的基础要求，需要根据地质结构以及施工实际，选择释放的基础防范以及加固方式。根据《建筑地基基础设计规范》，高层建筑的基础应该确保基础能够提供足够的承载力，避免基础变形。考虑到地质报告以及施工难度，工程采用整体性好、刚度大并且能够适用于多种地质结构的基础。选择方案包括筏板基础、人工挖孔灌注桩等方式，为了确保基础满足高层建筑建设的需求，选择在卵石层加入筏板基础，通过钢筋混凝土后平板，加固地层结构，使该地层结构能够承载较为集中的剪切应力。

2 高层建筑基础设计的意义

2.1 高层建筑的基础设计

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》，高层建筑的建筑高度高于27m的住宅建筑，建筑高度高于24m的其他民用建筑，或建设高度高于10层以上的建筑混凝土结构。高层建筑在遭遇强风、强震时会产生较大的水平侧向力，重量大，会产生沉降作用。高层建筑受力复杂，高层建筑基础施工必须满足高层建筑的工程需求。从工程造价的角度来看，高层建筑的技术施工费用占建筑工程费用的10-20%，占整个工期的20-25%，基础工程在高层建筑工程中占有重要的位置。

2.2 高层建筑基础设计的一般规定

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》的规定，高层建筑基础设计，必须对高层建筑所在的地质状况、周围环境、高层建筑施工条件与使用要求进行综合考虑。高层建筑基础的基本要求是确保满足建筑物的使用要求，避免发生过度沉降和倾斜[2]，并且需要注重建筑物与周围环境、与相邻建筑物的相互影响。当建筑物处于地震带区域时，需要严格遵守当地的高层建筑抗震指标，采取有效的方式加强基础建设，避免由于地基不稳而对建筑物造成损坏。为了确保基础设计满足高层建筑的需求，通常采用整体性好，满足地基承载力的基础结构。

图1 复合桩地基示意图

2.3 高层建筑地基加固常用技术

高层建筑常用的施工技术包括灌浆加固技术、高压旋喷法、CFG桩复合桩技术、砂石垫层换填技术，具体技术以及应用如下：（1）灌浆加固法，灌浆是高层建筑地基施工的常用技术，通过将具有胶结性能和填充材料注入地层中，通过灌浆材料与周边底层产生作用，从而实现地基加固，防止地基变形，灌胶加固法需要结合当地地质条件展开施工；（2）高压旋喷法，高压旋喷是采用高压喷流设备，将泥浆喷入周围土层中，通过钻机与高压旋喷设备的相互作用，能够与周边土体产生混合，并且形成具有较强抗剪切强度的固结体；（3）CFG桩复合桩技术，该技术是采用水泥粉煤灰碎石等进行充分搅拌，形成具有较高强度的桩基，对地基产生加固作用，CFG桩常用语软土地基加固处理，通过将水泥粉煤灰碎石与地基产生作用，能够实现地基排水，强化地基结构，获得良好的加固性能[3]；（4）砂石垫层换填技术，该技术主要应用于高层建筑中埋藏较浅的软土地基结构，通过砂石换填的方式，将软土地基替换为砂砾、粗砂等材料，通过对软土进行替换，实现地基排水，加固地基地作用。砂石垫层换填技术需要按照先深后浅的顺序展开施工，换填结束后需开展压实处理。

3 高层建筑地基加固处理技术

工程采用高压旋喷法加固基础，通过工程钻孔到达相应深度，并且采用高压喷射水泥浆液，与土层形成筏板结构，从而实现加固基础的目的。

3.1 高压旋喷法加固工艺

高压旋喷法主要是利用工程钻机、高压脉冲、喷射装置等设备，将水泥浆液与土层相结合，等胶结硬化后形成较为稳定的基础结构，提升地基承载能力。高压旋喷法适用于软土地基、淤泥、粉土、砂土、碎石土等相关地质，通过水泥浆液与地质结构相互作用，能够排出地基中的水分，加固地基，该方法应用范围广泛，而且加固效果突出，可用于深基础的开挖支撑。高压旋喷法采用高压脉冲泵向土体喷射水泥浆液，并且钻杆以一定速度向上旋转提升，形成加固后的旋喷桩。为了确保工程质量，需要合理选择高压喷射设备，确保高压喷射的施工满足工程需求。而且需要根据土质条件以及工程需求，合理选择旋喷原料。加强对旋喷用水泥浆液的管理，确保水泥浆液原料质量，可适当将加入氯化钙和三乙醇胺等试剂加固硬化速度。

3.2 高压旋喷法加固流程

高压旋喷法加固工艺流程如下：（1）测量与基础选择，首先根据地质结构报告，选择合适的施工地点，并且确定筏板基础的结构构型，明确桩基施工点；（2）布放桩位，按照控制点，布设施工位置，明确桩基的结构以及位置，设置相应的桩位，明确施工点；（3）引孔，根据施工位置采用钻机打孔，为了确保施工顺利以及为后期检测提供便利，需要对打孔的位置、打孔深度以及孔径大小进行控制，避免形成土体隆起；（4）旋喷注浆，采用高速脉冲注入水泥浆液，控制喷射速度，并且缓慢旋转提升喷头，使水泥浆液能够喷射到周围土体，与周围土体形成胶黏作用，从而加固，水泥浆喷射的顺序是从下往上，并且先从中间喷射，再逐渐向外围向上扩展，为了确保水泥浆液与周围土层结合紧密，需要控制喷射速度，旋转上升的速度等参数；（5）回灌补浆，喷射后，再度利用以上方式回灌补浆，增加地基承载力，再度加固基础；（6）桩头处理，灌浆结束后，对桩头进行有效处理，确保桩头标高符合设计；（7）做好施工记录，施工记录是工程施工的真实写照，需要对工程中的施工流程、施工参数、施工异常等进行详细记录，为后续验收以及工程检验提供依据。工程中所用的水泥浆液为高标号的硅酸盐水泥浆液拌合物，所用的钻机型号为SH-30，需要用到旋喷注浆机及其配套装置。

图2 复合地基承压示意图

3.3 桩基承载力计算方法

根据《建筑地基处理技术规范》 JGJ 79-2002 进行计算，需要综合考虑各种因素对于桩基承载力的影响，最终得到桩基承载力的计算公式为：

其中：m为桩对土的面积置换率；Ra为单桩竖向承载力特征值（kN）；Ap为单桩的截面面积（m²）；β为桩间土承载力折减系数，易按地区经验取值，如无经验时可取 0.75～0.95，天然地基承载力较高时取大值；为处理后桩间土承载力特征值（kPa），易按地区经验取值。

3.4 加固效果检测

灌浆后对加固后的地基进行分析，采用现场荷载试验和动力触探试验，检测加固后的地基地力学性能。按照《建筑地基处理技术规范》和《建筑地基基础设计规范》，根据桩基的结构，随机抽取六个试验点检测桩基的承载力，动力触探试验需要根据加固区域选择11个试验点。采用刚性压板作为压板，并且采用1号试验点的原状土作为对照物，采用千斤顶进行加载处理，根据桩基基础选择压力表，按照有关规程进行加压操作；同时采用百分表测量压板沉降量，确定荷载下的样品承受能力以及荷载作用下压板的沉降量。承载力试验结果如表2所示。

表2 地基试验点承载力结果

加固前的地基承载力以未加固的1号样品为标准。所测试的1号加载等级为8级，其余样品加载等级均为10级，试验结果显示，相比起未经过加固处理的1号样品，其他样品的承载力明显提升，而且都能够满足建筑工程承载需求。经过测试表明，采用高压喷射法加固地基，加固后的地基承载力标准值高于350MPa，而且沉降试验显示地基地承载力满足建筑标准，表明该方法能够有效加固地基，确保建筑工程安全。

3.5 经济性对比

本着经济适用的原则，对钻孔灌桩法和高压旋喷法的经济性进行分析。经对比分析，钻孔灌注桩的设计总价远高于高压旋喷法的设计总价，而且钻孔灌桩法的施工工期常，施工时间与检测时间均高于高压旋喷法，环境效益和经济效益较差。高压旋喷法所得的桩基结构适用性广，承载力提升幅度高，而且施工工期短，能够大量节省施工成本。相比于其他的桩基施工方案，高压旋喷法施工能够保护环境，适应环保施工的需求，具有广泛的应用价值，

4 高层建筑地基加固施工控制要点

4.1 水泥浆质量控制

工程所用的混凝土筏板基础厚度大，运输距离长，需要对水泥浆质量以及施工过程水泥浆施工工艺进行严格控制。工程所用的水泥浆为C35混凝土，底板混凝土厚度为2m，施工过程因为大体积混凝土结构内外温差大，容易产生收缩裂缝，需要在施工前以及施工中进行严格控制。施工前对水泥浆的水灰比进行控制，并且运送到现场后搅拌，获得施工所需的浆液。按照工程需求，将水泥浆施工分为三个施工阶段，第1段浇筑后养护6天，在进行第2、3段浇筑，水泥浆浇筑的速度控制在1200m3/天。构建专门的施工队伍，对水泥浆的运输、泵送、浇灌、养护等全过程进行控制，确保施工满足工程需求。

4.2 加固施工设计控制

地基加固施工前，必须做好详细的设计规划。高层建筑基础加固是一项复杂工程，工程耗时长，成本高，合理地设计规划能够选择最优方案，降低施工成本，提升施工效率。本文所研究的工程地基相对稳定，主要是由粉土、砂砾、卵石等组成的结构，地基相对稳定，但是均匀性较差。为了满足建筑工程1级抗争的需求，对各种基础方案进行对中，最终选择合适的地基加固方案，并且在此基础上，合理安排施工顺序、明确施工组织，形成较为完整的施工设计图纸。施工队伍入场后，开展设计交底，确保施工严格按照设计进行[4]。

4.3 加固施工工艺控制

高压旋喷法施工过程中，可能会出现钻机打孔偏移、喷射灌浆控制不住等情况，为了避免施工异常，需要对施工工艺进行严格控制。在本工程的施工过程中，主要的施工问题是未按照相关标准严格施工，产生施工异常，最终停止施工，分析产生异常的原因，解决问题后继续施工。钻机打孔应该严格按照轴线进行，如果发生偏移需立即纠偏。喷射旋转提升应该根据工艺需求控制旋转上升速度，避免因为过快或者过慢影响施工质量。施工过程加强安全管理，确保文明施工，采用培训等方式提高施工人员的安全意识，明确安全控制要点，避免发生施工事故。