房屋基础加固与顶升技术应用研究

张志沛，魏在豪

(西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

0 引 言

随着城市化进程的加快，黄土地区的基础设施建设也越来越多，但由于软弱土层、湿陷性土层及地下水波动等因素，极易导致地基承载力不足、地面塌陷、不均匀沉降等严重危害建筑物安全的地质现象[1-4]。 国内学者对此进行了大量研究，廖剑霖通过分析咸阳某区域内房屋不均匀沉降的治理方案与监测结果，得出在治理湿陷性土层地基不均匀沉降时的优解[5]。

阳光小区商铺楼框架结构发生不均匀沉降。该项目地基基础均为沉管灌注桩，柱下独立承台，桩长 22 m，持力层为卵石层，无地下室。分析原因是由于之前经过基础开挖，并回填杂填土与灰土垫层至楼房基础之下。杂填土成分杂乱，含砖、瓦碎片等垃圾，且灰土垫层使用的白灰经检测不合格，达不到强度标准。后经过雨季下雨，导致基础下土层渗水，杂填土与不合格的灰土垫层遇水破坏其原来的力学性质，承载力下降，导致软土地基沉降引起的不均匀沉降，所以急需治理。

该研究项目经检测公司检测鉴定，建筑出现部分梁板裂缝，由于不均匀沉降导致顶点水平位移超限，但沉降未超过规范限定范围，经后期监测，该结构沉降已趋于稳定。为确保房屋、附属设施及人员的使用安全和满足房屋的抗震安全性，对该结构进行顶升纠偏。

文中以阳光小区商铺楼为经典案例分析导致建筑物发生倾斜的主要原因，论述和总结2种纠偏方法的特点和适用范围[6-7]。结合阳光小区商铺楼纠倾加固工程的实际案例，分析了其不均匀沉降产生的主要原因，优先采用托换桩根据现场实际情况，综合考虑，提出正确可行的纠倾加固方案。在纠倾加固过程中对建筑物进行严密的监测，用监测数据指导施工，使得纠倾加固工作最终完成，并对黄土地区类似工程提供借鉴。

1 工程概况及地质特征

1.1 工程概况

根据施工图纸显示，监测点位平面布置如图1所示。

图1 建筑物沉降监测点位平面布置Fig.1 Plane layout of building settlement monitoring points

2层砖混结构，独立基础。基础埋深-2 m。楼房的混凝土梁、板、柱及屋面部分均已完成。此楼房共有21个承重柱，其中1#～9#基础沉降较大，其余基础沉降均较小。1#～7#柱北侧原有地下室基坑支护工程，其多道土钉墙打入其基础下部，基坑回填时使用杂填土回填。1#～7#基础下部含有1 m厚灰土垫层，其质量不合格，空隙过大，还具有湿陷性，最终导致各基础沉降。其梁与地面均有不同程度开裂，最大宽度达到2 cm。8#～21#基础地基土不稳定，所以需要加固。其中，1#～9#基础沉降量如图2所示。

图2 基础累计沉降量Fig.2 Cumulative settlement of foundation

1.2 场地工程地质条件

研究地点在咸阳地区北部，位于中国渭河断层下陷咸阳盆地的中段，咸阳西南向上半部凸起。场区内部地貌地理单元为中国渭河北岸I级典型台阶平原地带，其内部地形地势整体相对比较平坦。

根据钻探过程所得的黑色岩芯土层资料分析可得：第1层体系土层被广泛称为黑色杂填土(Q42ml)：第四系砂岩体系土层是全新的一个非传统人工式的堆积层，色杂。主要成因是由于上层黄土的沉积形成。成分混乱，层厚0.40～4.10 m。且依照钻孔得知基础下含有1 m厚的灰土垫层，经检测该灰土强度不合格，白灰与土不成形，甚至破坏了原状土的物理力学性质。

第2个层土为黄土状土(Q41eol+al)，第四系全新统风积～冲积层，呈现灰黄色。土质疏松多孔，含有植物的根系，底部出露时可见黑色的黑色土壤，黑色的黑土分布较为连续。层底埋深1.60～5.70 m，层厚1.10～4.70 m，层底标高388.68～390.23 m。

第3层泥壤为黄土状的粉质粘性黏土(Q32al+eol)，第四系上的更新统冲积～风积层，灰黄色。大的孔隙地发育，土质比较均匀，包括了大量的褐黄色和淡红绿的氧化铁斑点状条纹和蜗牛壳的碎片[6]。层底埋深5.80～11.30 m，层厚3.50～7.10 m，层底标高383.13～385.86 m。

第4层为地下持力层，土质主要成分是粉质黏土(Q32al)：第4个系上更新统冲积层，浅灰黄至褐～深白色至灰色。有微小孔隙，微显层理。土质均匀，含有少量的灰和棕黄色含有抗氧化剂和铁的深色斑点、条纹和类似蜗牛壳的角质碎片[7]。层厚3.10～6.80 m。

经试验实测到该场区稳定的地下下潜水位平均埋深6.2～7.8 m，属于大型孔隙式地下潜水。

第1层杂填土成分杂乱，性质不稳定；第2层黄土状土土质疏松，性质亦不稳定，遇水后易发生崩塌，且强度急剧降低，维持自身稳定性的能力较差[8]。

2 方案设计

针对建筑物不均匀沉降问题，常用的治理思路可分为2大类：一是地基加固，控制沉降，适用于上部荷载过大、沉降差值较小的建筑物，主要有锚杆静压桩法和注浆法等[9-11]；二是地基加固联合建筑物纠偏，主要适用于沉降差值大或结构简单、荷载小的一类建筑物，包括挖土迫降法、压桩法、截桩法、顶升法等[12-14]。迫降方式是通过将建筑物沉降较小一侧的土体和地基混凝土部分进行挖掘和凿除，使建筑回倾，但会降低建筑标高[15]。顶升方法主要是将建筑物进行整体的顶升，通过对建筑物各个部位进行顶升力的调节，使得建筑物沿着特定的某一点或者是某条直线向另外一个整体的平面方向转动而使之回到原位。

顶升纠倾主要分为整体法和断截面法。整体法是将建筑从基础到上部结构整体进行顶升，可以保证建筑整体不受到破坏。断截面法是在柱子某一标高处设置托换梁系，将柱所受荷载转换至顶升装置，切断柱截面后进行顶升。断截面法需断开基础和上部结构的连接，施工难度较小，成本较低。

2.1 国内外加固纠偏研究

国内外常用的建筑物纠偏新技术有：旋喷桩法、浸水法、压密注浆法、锚杆静压桩法、琐升法、应力解除法、触变法、桩身卸荷法、降水法、静力压桩法等。其中：①旋喷桩多用于软土或湿陷性黄土等较厚软土层的地区。旋喷桩可以直接穿过自重湿陷性土层和饱和黄土状粉土层，直接坐落在稳定持力层上，使上部大部分荷载通过旋喷桩体传递到持力层上。旋喷钻机小巧，可以进入室内施工，并可以穿过基础放大脚使桩体直接支撑在基础底下。但是同样存在施工难度大的特点[16]。②浸水纠偏法：这是在建筑物倾斜的一侧地基中注水，引起地基湿陷的纠偏方法。浸水纠偏法适用于含水量低于，湿陷系数大于的湿陷性黄土或填土地基上建筑物的纠偏工程[17]。③压密注浆法：用很稠的浆液灌入事先在地基土内钻进的孔中并挤向土体，在注浆处形成浆泡，浆液的扩散对周围的土体产生压缩。改善了土体的强度和防渗性能，同时也改变了土体物理力学性质，提高了软土地基的承载力[18]。④锚杆静压桩纠偏法：这是在倾斜一侧建筑物基础上设置压桩架，凿桩孔，将桩压入地基中的纠偏方法。锚杆静压桩真空吸泥法在房屋建筑纠偏中的应用法适用于地基地层较软弱，没有孤石、树根以及持力层埋藏较浅的地基[19]。⑤顶升纠偏法：这是在沉降量较大一侧的墙或柱体上，设置若干千斤顶，以其顶升力进行纠偏的方法，它适用于建造在深厚的软土地基上建筑物的纠偏工程。⑥应力解除法(钻孔排泥纠偏法：是在沉降量较小一侧，用钻机均匀钻孔，造成地基侧向应力解除，使基底下游泥向外挤出，引起地基下沉的纠偏方法，它适用于建造在厚度较大的游泥地基上建筑物的纠偏。⑦静力压入桩纠偏法：适用于建在局部松填土、游泥等地质条件较差的地基上的条形与单独基础建筑物的纠偏工程，该法是以基础底面为反力支托，在基础下地基中压桩的办法进行建筑物纠偏。

2.2 人工预制桩托换法加固原理

人工预制桩托换法加固机理主要是将建筑物上部的结构荷载经过桩身传递至地基相对于较好、更深的支撑层，减轻对原来基础支撑层的负担，从而实现控制建筑物的沉降和不均匀沉降。人工预制桩托换施工工艺是对既有的建、构筑物进行地基基础加固的一种施工工艺，它以对原有建筑物的自重作为托换的反力，在导坑内用人工液压千斤顶进行预压已经浇筑好的桩基础，使桩体产生微小的变形，然后使用钢管托换掉千斤顶，把预应力施加到原来的基础上，然后把托换的钢管、桩和基础都浇筑在一起，从而达到控制建筑物沉降及不均匀沉降的目的[20]。人工预制桩托换是既有建、构筑物地基基础加固的一种施工工艺，它以原有建筑物的自重为托换反力，在导坑内用液压千斤顶预压已浇筑好的桩基础，使桩体产生微小变形，然后用钢管托换掉千斤顶，把预应力施加到原基础上，然后把托换钢管、桩和基础浇筑在一起，达到消除隐患，加固既有建、构筑物的目的[21]。

2.3 综合治理加固方案选择

项目位于黄土地区，根据调查发现基础承载力降低的主要原因是基础下方的湿陷性黄土和淤泥质粘土。且本工程周边路面多次改造，室内地面已低于路面标高，不利后续使用，故采用顶升法较为适宜。由沉降观察结果来分析，可知该区域的建筑物沉降仍然在持续发展，不均匀的沉降依旧在逐渐加剧，这也就表明淤泥质粉状黏土层的承载性沉降尚未最终得到完成。不均匀沉降的进一步扩张很有可能会直接导致上部结构次应力的扩大，造成墙体乃至桥梁的开裂，后果会不堪设想。因此，该建筑物的管理和加固措施必须首先采用适当的加固措施来控制沉降的加剧，然后在此基础上通过选择有效的纠倾加固方法来扶正建筑物，最后再进行抗复倾加固，唯有这种方式才能够帮助扶正该建筑物并且保证不再度出现倾斜。为此所选择的纠偏式加固解决方案所遵循的指导性原则有3点：①确保了建筑物的绝对安全；②施工时应摈弃那些容易产生引起淤泥质粉状黏土振捣扰动的处理办法(尤其是例如灌浆等)，以尽量减少黏土在施工中所附加的沉降；③地基加固纠偏方案中应当妥善处理好地基加固与纠偏之间的关系、施工顺序，并严格遵循信息化施工的原则执行、经济合理、施工简单及符合规范的要求。根据上述对于加固纠偏的指导思路参考了总沉降量太多及不均匀沉降所产生的主要原因进行了分析，经过多年的科学论证和解决方案的比较，决定予以加固纠偏决定釆用托换桩+旋喷桩+压密注浆的综合治理方法对此商铺楼进行治理[22]。

3 施工工艺

3.1 托换桩处理过程

因为1#、2#、3#、7#、8#沉降均较大，所以使用坑式托换静压桩对上述5个基础进行处理。托换桩承载力计算使用一般直径竖向承载力特征值，按下式计算

Ra=Qsk+Qpk=μp∑qsiali+qpaAp

式中Qsk为单桩总侧阻力特征值；Qpk为单桩总端阻力特征值；μp为桩身周长；qsia为桩第i层土的侧阻力特征值；li为土层厚度；Ap为桩端面积；qpa为极限端阻力特征值。

据勘察报告得知，第1层土为杂填土；第2层土为黄土状土，C=32.0 kPa，φ=16.0°；第3层土为黄土状粉质黏土，C=26.0 kPa，φ=17.0°；第4层为粉质黏土。

查表得qsia(第1层土)=0；qsia(第2层土)=50；qsia(第3层土)=90；qsia(第4层土)=85；第4层土为持力层，qpa=2 700。计算过程见表1。

表1 托换桩承载力计算Table 1 Calculation table of bearing capacity of underpinning pile

如图3所示，将一个坑式测试托盘转换静压桩的准确位置坐尺作为准确标识，按此坐标定义准确位置在该桩柱体外侧向上开掘一个导坑，再在该桩原有的柱体基础底部按照柱体设计方案图纸所示准确的桩基位置图来衡量坑式测试静压桩的准确位置。根据主体施工工艺图纸所示的基础加固流程要求对主体基础结构进行分层加固，确保各个基础加固点的处理点没有任何错误。开挖时，基坑的地下开挖开掘深度以高层建筑物主体基础底部地面的开挖宽度要求为准，深度一般控制为2 000 mm，导坑的地下洞口开挖宽度为800 mm×1 200 mm，开挖时根据地下地方土质硬化状况和需要对其主体作出安全支护，预防地下土方的突然塌陷。随后在进行安放第1节桩时，发现应及时地进行校正其桩的垂直度，安装一个表式式的千斤顶加压桩并同时从头开始依次进行压桩加压，每节桩都压后应同时进行校正一次桩的垂直度。在第1节桩与加压桩全部连接完成后，进行第2节桩压接桩和再次加压的连桩，接桩时必须采用直接焊缝方式连接，要求特点是接桩焊缝饱满。依据接桩压力测量表的接桩读数，在不接桩能够完全满足接地上部的接桩承载力时，继续对桩进行上部接地试桩检测压桩，知道上部是否接桩能够完全满足接桩上部的受力荷载。托盘转换读数过程中不需要经常依靠一个压力器写表的值来读数，压力器读表的值不得读数超过60 kPa。当整个千斤顶能够满足各种设计性能要求时，用钢管托换的2头牛腿把整个千斤顶全部进行托换，随后把整个托替桩全部安装到钢管位于托替桩的顶部中心，钢管上部要再铺设一层钢板，并把它们全部焊接牢固。当上述各种填料操作均匀配合结束后，即可重新开始承台面的浇筑和填料返回填，基础底部在标高以下的操作基坑内采用一层素质混凝土砼进行浇筑，形成支撑平台，将引水坑回填到地面，并平整场地[23]。

图3 静压托换桩布置Fig.3 Layout of static pressure underpinning pile

当托换桩处理完毕后，1#基础顶升99 mm，2#基础顶升44 mm，3#基础顶升8 mm，7#号基础顶升29 mm，8#基础顶升4 mm。

3.2 托换桩监测

对此类工程应当布设沉降观测，每个基础布设一个沉降观测点。自加固开始到结束期内，一天监测一次沉降，此后的20 d内每5 d周观测一次；此后30 d可以安排10 d一次。并设计监测预警值，施工期间也许会产生一定的沉降量，15～20 mm范围内属于正常情况，若大于20 mm时，应立即查找原因并上报。经过监测发现，当托换桩处理完毕后，1#基础顶升99 mm，2#基础顶升44 mm，3#基础顶升8 mm，7# 基础顶升29 mm，8#基础顶升4 mm。但顶升后各基础仍有不同程度沉降如图4所示。分析得知虽然上述5个基础被托换桩顶升，但地基土仍不满足要求，所以后续工艺仍需继续进行。

图4 托换桩施工后累计沉降量Fig.4 Cumulative settlement after underpinning pile construction

3.3 旋喷桩处理过程

在基础被换托桩顶升稳定后，进行旋喷桩打桩处理。当旋转回喷桩涂刷托架更换桩架在作业现场进行处理完成后，对4#,5#,6#,9#建筑基础两侧的混凝地基层及土体基层进行了旋转回喷桩涂刷处理，其中，4#,5#,6#楼的基础两侧各分别打4个旋转回喷桩，共8个旋转回喷涂刷桩；9#楼的基础两侧各分别打3个旋转回喷桩，共6个旋转回喷桩。高压式旋转型喷桩切削系统是它是一种利用一台大型高压泵将其中水泥和砂浆液通过一个钻杆置于端头的一个特制螺旋喷头，以高速的横向水平旋转方向高速喷入基层土体，借助于水泥液体的强大冲击力高速切削固体土层，同时通过钻杆一面以一定的旋转速度缓缓进行横向旋转，一面低速提升(每次提升可达到18 cm～25 cm/min)，使得基层土体与其中水泥和砂浆充分的相互搅拌和加水混合比较均匀直至凝固，形成一种整体具有一定使用强度的大型圆柱形固体粘结体，可以直接使土体地基结构得到极大强化。

图5 旋喷桩与压密注浆孔布置Fig.5 Layout of jet grouting pile and compaction grouting hole

其中，旋喷桩直径为500 mm，水灰比为1∶1，注浆压力为20～30 MPa，钻头旋转速度为8～25 r/min，喷嘴流量为50～90 L/min。

由于旋喷桩处理过程中对地基土有微量的附加沉降，所以应跳桩施工。

3.4 地基压密注浆加固技术

加固了4#,5#,6#,9#这4个有沉降趋势的基础地基土后，对场地进行大面积压密注浆处理如图4所示，注浆孔分布于各基础与楼梯柱旁，并且在原有地梁附近布设间距2 m的注浆孔。其中，①型注浆孔孔深8.5 m，共43个；②型注浆孔孔深5 m，共91个。注浆使用水泥砂浆与水玻璃的双液注浆法。首先进行了双液配比实验，得知当水泥砂浆与水玻璃比为1∶0.03时，浆液凝固时间为30 min；比例为1∶0.02时，浆液凝固时间为60 min；比例为1∶0.01时，浆液凝固时间为120 min。根据现场施工情况，当水玻璃占比大时，浆液凝固过快，不能有效的向土体空隙里发散流动，所以选用1∶0.01的比例作为双液浆液进行注浆。

初次施工浇筑基层注水砂浆时其浆料压力作用范围一般控制在0.2～0.3 MPa之间。灌浆用水量和进料流量的额定压力控制范围一般控制在0.3～0.6 MPa之间。每次现场灌浆必须特别注意的是防止由于灌浆压力太高而直接导致灌浆基坑内的土质受到损害，具体的现场灌浆浇筑压力也还是可以在现场灌浆浇筑的实际情况下进行做些微妙的手动调整。先根据压密施工注浆橡胶布置要求效果图，用自动钻机或者其他人手自动钻对其进行钻孔深度探测检查可以达到所布置要求的压密注浆橡胶深度，孔径90 mm，并对其进行钻孔探测其内部地质活动状态，然后在孔内插入一条钻孔直径30 mm的压密注浆橡胶射管，在其顶部1.0～1.5 m的管壁上进行钻孔并设有一个注浆孔，在设有注浆孔的射管之外还壁上应分别设有套管，在设有注浆孔的射管与橡胶套管之间还应采用压密砂浆射管填塞。地基基础土层套管表面的各个空隙处应采取1∶1水泥砂浆套管进行强力填塞，而后用力拔出土层套管，用强力压浆泵将基层水泥混砂浆套管压浆送入土层放射管而完全渗透到地基土层的各个孔隙中，水泥浆套管应连续一次用力压入，不得一次中断。注浆首先由一次稀浆加浓开始，逐步向浓浆加浓。灌浆时采用喷射喷拔管一次灌浆沉降至达到整个孔道深度后，自下而上依次向下分段连续进行灌浆，分段后喷拔管连续灌浆一次直至管道孔口满。注浆宜用小间隙连续灌注，第1组小或大孔径的注浆灌灌完毕后，又继续灌第2组、第3组。注浆堵口做好后，拔出一个注浆堵口管，留孔隙并使用1∶1水泥砂浆材料填塞密实的注浆堵口。

4 加固效果及监测

该工程基础经加固投入使用至今已有2 a，经过用户反映未发现，未发现墙体开裂；根据沉降监测发现当旋喷桩与压密注浆施工完毕后，监测得各基础沉降不再变化，证明此综合加固措施效果稳定。最终沉降量如图6所示。

图6 压密注浆施工后累计沉降量Fig.6 Cumulative settlement after compaction grouting construction

降曲线基本处于稳定状态，沉降量不再增加，表明建筑物不均匀沉降趋势得到了有效控制，且表现出一定的纠倾效果，使建筑物倾斜率及沉降速率满足国家相关规范要求[24]，基础沉降得到了有效控制，加固效果显著，达到了预期目的。

5 结 论

1)国内外对于因杂填土、黄土渗水而导致的房屋基础不均匀沉降的防治方法仍然在不断地阶段中，本工程使用了托换桩、旋喷桩与压密注浆的施工工艺对此商铺楼基础进行顶升，对地基土进行加固，效果显著。

2)在沉降较大的房屋基础底面使用托换桩打入地下坚固地层，利用反作用力顶升基础，以消除沉降，并使基础牢固。通过分析可以看出旋喷桩和压密注浆技术对地基的加固作用是明显的，旋喷桩的桩身阻力、桩端反力作用可以提高基础的承载力。压密注浆的浆体取代了注浆范围的土体，在注浆邻近区存在大的塑性变形区，离浆泡较远的区域土体发生弹性变形，使桩间土的密实度得到很大程度的提高。通过该综合治理施工措施，使得旋喷桩与梁柱基础形成一个完整稳固体，袖阀管注浆加固了杂填土与不合格的灰土垫层，配合托换桩，综合加固房屋基础，使基础不再产生不均匀沉降。

3)利用托换桩、旋喷桩与压密注浆对倾斜严重的建筑物进行顶升纠偏，是一种切实可行，有效快速的纠偏加固方法，特别是针对湿陷性黄土、淤泥质粘土或其他高压缩性土层时，效果更为突出。加固和纠偏过程中，实施信息化施工，控制好施工细节，则顶升纠偏效果完全能得到保证。

4)在房屋顶升加固领域，还需要不断地总结经验，完善内容。此商铺楼基础加固顶升技术的综合措施对今后类似的工程具有借鉴意义。