管井降水在软土区某纠偏工程中的应用

2022-01-09吴连祥杨永生

地基处理 2021年6期

关键词：管井主楼粉土

吴连祥，杨永生

（1. 启东市建筑设计院有限公司，江苏启东 226200；2. 启东市开来房地产有限公司，江苏启东 226200）

0 引言

在软土地区，由于软土具有含水量高、孔隙比大、承载力低的特性，在其地基上进行建筑物修建，若设计或施工中稍有疏忽，就会引起较大的沉降及相应的不均匀沉降，致使建筑物产生整体倾斜，为减少财产损失，需要对倾斜建筑进行纠偏处理。

目前国内常用的纠偏方法主要有两大类：迫降法、顶升法，每一类又包含多种不同的方法，但都是利用地基新的不均匀沉降来调节建筑物已存在的不均匀沉降，以达到新的平衡和矫正建筑物的倾斜[1]。

迫降纠倾是从地基入手，通过改变地基的原始应力状态，强迫建筑物下沉，比顶升法纠倾更经济、施工更简便[2]，应优先选用。已有学者在迫降纠偏方法上进行了卓有成效的研究与实践，其中比较典型的代表有：唐业清教授发明的辐射井射水取土纠倾法[3]、刘祖德教授首创的“地基应力解除法”纠倾方法[4]、徐向东等研发的掏土灌水纠倾法[5]、魏焕卫等对120 m倾斜烟囱采用管井降水法成功实施纠偏[6]。

管井降水形成漏斗型降水曲线，引起周围地基的不均匀沉降[7]，合理利用漏斗型降水曲线的水位差，对倾斜建筑进行纠偏，可以取得较好的技术经济效应，但是工程应用还不够成熟。管井降水是目前应用较广的一种降水方法，具有井距大、井点间相互独立，降水设备和操作工艺简单，工程费用低等优点，探讨采用管井降水纠偏，符合节约资源、提高经济效益、可持续的科学发展观。本文结合工程实例，探讨管井降水在建筑纠偏工程中的应用，以积累工程经验，供今后类似工程参考。

1 工程概况

该工程位于启东市南阳镇江海北路东侧，通海大道南侧，房屋东西长50.6 m，南北宽25.1 m，高度23.6 m，总建筑面积7 435 m2，框架结构，1～7层，南部主楼3跨7层，北部附房1跨1层，水泥土搅拌桩（粉喷）复合地基，柱下交梁基础，基础平面如图1所示。

图1 基础平面图Fig. 1 Foundation plan

场地为长江三角洲软土区，在勘察深度40 m范围内，土层自地面往下分为8个单元层，描述如下：

①素填土：黄褐色，结构松散，强度不均匀，主要成分为粉质黏土、粉土。局部含有建筑垃圾，层厚0.80～2.20 m。

②淤泥质粉质黏土夹粉土：上部黄褐色，下部灰色，流塑（局部软塑），含铁锰质结核及氧化铁斑，摇振反应无，切面稍有光泽，干强度中等，中等韧性，属高压缩性。层中所夹粉土厚度约占淤泥质粉质黏土的1/4。静力触探比贯入阻力ps=0.40～0.70 MPa，层厚2.50～4.00 m。

③淤泥质粉质黏土：灰色，流塑，摇振反应无，切面稍有光泽，干强度中等，中等韧性，属高压缩性。夹薄层粉土，静力触探比贯入阻力ps=0.30～0.60 MPa，层厚3.60～4.20 m。

④砂质粉土：灰色，稍密，很湿，摇振反应迅速，无光泽反应，干强度低，韧性低，属中压缩性。夹薄层粉砂、淤泥质粉质黏土，静力触探比贯入阻力ps=2.50～3.00 MPa，层厚4.70～5.30 m。

⑤粉土：灰色，稍密，很湿，摇振反应迅速，无光泽反应，干强度低，韧性低，属中压缩性。层中所夹淤泥质粉质黏土厚度约占粉土的1/5。静力触探比贯入阻力ps=1.80～2.70 MPa，层厚7.80～8.10 m。

⑥淤泥质粉质黏土：灰色，土质不均匀，软-流塑，频夹砂质粉土，无摇振反应，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，层位较为稳定，静力触探比贯入阻力ps=0.80～1.0 MPa，层厚2.80～3.20 m。

⑦黏质粉土：灰色，土质不均匀，很湿，稍密，稍夹粉质黏土，含贝壳屑，摇振反应迅速，无光泽，干强度低，韧性低。层位较为稳定，静力触探比贯入阻力ps=1.8～2.2 MPa，层厚3.00～3.40 m。

⑧粉质黏土：灰色，土质不均匀，软-流塑，频夹砂质粉土，无摇振反应，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，静力触探比贯入阻力ps=1.2～1.4 MPa，本层未钻穿，层底深度＞40.0 m。

本工程勘探深度范围内只揭露了孔隙水潜水含水层（Q4），主要赋存于②～⑤层土中。主要补给来源为大气降水、地表水以及区域水系，排泄方式以大气蒸发及侧向径流为主，水位变化与季节气候有明显影响，水量较丰富。

根据区域水文地质资料，启东地区第I层承压水主要赋存于距地表60 m以下的粉砂和中砂层中。

各土层的部分物理力学参数见表1。

表1 各土层的部分物理力学参数Table 1 Partial physical and mechanical parameters of each soil layer

2 倾斜情况及原因

2.1 倾斜情况

该工程于2019年4月开工，2020年4月主体结构封顶，2020年7月完成内外粉刷。建筑物施工至2层，开始进行沉降观测，其后每加建1层观测1次，主体结构封顶后每7天观测1次。至2020年7月 23日，主楼平均沉降 119.8 mm，最大沉降152.6 mm，附房平均沉降 63.6 mm，最小沉降52.0 mm，4轴、G轴沉降断面参见图2。建筑物整体倾斜3.26‰，沉降速率0.4 mm/d，由于建筑物的整体刚度较好，未发现结构性裂缝。

图2 沉降断面图Fig. 2 Settlement section diagram

2.2 倾斜原因

本工程±0.00相当于85国家高程3.20 m，上部结构为钢筋混凝土框架，柱下设置钢筋混凝土交梁基础，水泥土搅拌桩（粉喷）复合地基[8]，具体方案为：水泥土搅拌桩桩径500 mm，有效桩长8.5 m，置换率0.3，采用42.5级普通硅酸盐水泥，喷灰量为 55 kg/m，上部 3 m桩体复喷 1次，复喷增量15 kg/m，要求水泥搅拌均匀、充分，加固土体的fcu≥1.6 MPa，单桩竖向承载力特征值Ra≥78 kN，加固后复合地基承载力特征值fspk≥130 kPa。

加固方案剖面如图3所示，基础底标高-2.50 m，相当于85国家高程0.70 m，水泥土搅拌桩底标高-11.30 m，相当于85国家高程-8.10 m，桩端进入第④层砂质粉土层。水泥土搅拌桩加固的土层主要为第②层淤泥质粉质黏土夹粉土和第③层淤泥质粉质黏土，第④层砂质粉土层的加固深度1.5 m左右。地基处理结束后，由质监部门随机抽取9组水泥土搅拌桩单桩复合地基和8根水泥土搅拌桩单桩进行静载荷试验，9组单桩复合地基静载荷试验点p-s曲线均呈缓变形，无明显比例界限，无陡降段，取s/b=0.006所对应的压力值的一半（s为压板沉降量，b为压板宽度）作为试验点的单桩复合地基承载力特征值≥130 kPa，8根水泥土搅拌桩单桩静载试验结果：竖向抗压承载力特征值≥78 kN，均满足设计要求。

图3 复合地基加固方案剖面图Fig. 3 Section drawing of the reinforcement scheme of the composite foundation

复合地基的总沉降量S由复合地基加固区的压缩变形S1和地基压缩层厚度内加固区下卧层的变形S2组成[9]。

复合地基加固区的压缩变形S1按下式计算：

式中：P0为桩群体顶面的附加应力，kPa；Pa0为桩群体底面实体基础附加应力，kPa；h为复合土层的厚度，m；Eh为加固区土体的复合压缩模量，MPa。

加固区下卧层的变形S2采用分层总和法，按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）[10]中有关规定计算。

主楼沉降取C轴或F轴条形基础中心点，计算结果S1=22.9 mm，S2=97.04 mm，S=S1+S2=119.94 mm。附房沉降取 H轴条形基础中心点。计算结果S1=14.29 mm，S2=26.11 mm，S=S1+S2=40.40 mm。主楼与附房的计算沉降差达79.54 mm，这表明S1相差不大，主要相差在加固区下卧层的变形S2上。

由于主楼柱网中间基础空隙约为主楼基础面积的17.5%，主楼条形基础的沉降还受到相邻荷载的影响，因此主楼沉降比计算值还要大，主楼附房的沉降差更大。

主楼与附房上部结构荷载悬殊，地基处理方案设计参数相同，结构设计未设沉降缝，基础梁断面均为600 mm（宽）×1 200 mm（高），刚度较大，主楼、附房基础通过基础梁连结在一起，致使建筑物向荷载大的主楼一侧整体倾斜。

3 纠偏方案及效果

鉴于建筑物的整体倾斜率已达3.26‰，沉降速率0.4 mm/d，仍未稳定，建筑物未发现结构性裂缝，室外散水、道路、场地尚未施工，原定室内外高差90 cm，为防止建筑物整体倾斜超过设计规范4‰的规定，决定先通过管井降水对该建筑物的沉降差进行调整，再根据观测结果决定是否压桩加固。

管井降水纠偏是在建筑物原沉降较小一侧打井抽水，降低后的地下水位是以管井为中心的一个漏斗形曲面，随着降水的持续，曲面半径向外延伸，直至原有地下水位，降水半径也在增加[11]。根据降水时间的长短，降水坡度大约在 1∶10～1∶4。降水后漏斗形曲面以上的土体自重应力增大，产生沉降，降水深度越大，沉降就越大，这就使建筑物离降水井近的一侧产生较大的沉降，离降水井远的一侧产生较小的沉降，从而使建筑物回倾。

3.1 纠偏方案

该工程不均匀沉降表现为主楼（南侧）多，附房（北侧）少，附房的北侧距通海大道32 m，此范围内没有既有建筑，因此在附房的北侧，即原来沉降较小的一侧附近布置管井降水纠偏，不受周边环境的制约。

第②层、第③层土主要是淤泥质粉质黏土，渗透性较差，并已通过处理形成复合地基，而第④、第⑤层土主要是粉土，渗透性较好，具备降水纠偏的水文地质条件。

（1）管井设置

沿附房北侧外围设置 9口降水管井（GJ1～GJ9），布井平面位置如图4所示，井深18 m。

图4 管井和沉降观测点平面布置图Fig. 4 Layout plan of pipe well and settlement observation points

（2）管井施工

采用反循环钻机，泥浆护壁成孔，成孔直径800 mm，中间吊放内径360 mm的无砂混凝土滤管，滤管外包二层80目滤网，沿井孔四周均匀、连续填入滤料，将泥浆挤出井孔。填滤料时，应用铁锹人工下料，不得冲击井壁。滤料为级配和磨圆度较好的中粗砂。成井后，用污水泵反复进行恢复性抽洗，洗至水清砂净为止。

（3）降水纠偏

每口井内采用尼龙绳放置1台50 m3/h的深水潜水泵，配备控制井内水位的自动开关，在井口安装阀门以便调节流量大小。

降水纠偏时，为确保建筑安全，降水深度由浅入深至地面以下 10～15 m，及时观测沉降，根据沉降量的大小，调整降水水位高低，若最大沉降大于5 mm/d，则提升管井水位，反之，降低管井水位。每口管井的降水水位也根据附近沉降点的实时观测数据及时动态调整。管井 GJ5纠偏期间（2020年7月23日至8月27日）降水时程曲线如图5所示。

图5 管井GJ5降水时程曲线图Fig. 5 Time schedule of GJ5 pipe well

为保证纠偏过程中建筑物的安全，纠偏建筑最大沉降速率控制3 mm/d以内。

（4）沉降观测

现场沿建筑物周边原已布置沉降观测点14个，见图4，并在建筑物东北、西北方向设置了2个沉降观测基准点。纠偏期间加强观测，每天不少于 1次，并用经纬仪观测建筑物的倾斜量，每2～3 d观测1次。每天观测水位、水量的动态变化，观察掌握周边建筑物的安全状况，所测及所了解的情况及时汇总研究，发现问题及时调整解决。

（5）注浆封井

建筑物通过纠偏，最大倾斜率控制到2‰以内，即停止纠偏降水，稳定一段时间后，观察沉降情况，确认达到要求后，采用压力灌浆法将纠偏管井用水泥浆灌实，水泥浆水灰比 0.6左右，注浆压力 1～l.2 MPa。

3.2 纠偏效果

2020年7月23日至8月27日实施纠偏降水，通过跟踪观测，共得到 35组沉降数据，建筑物中部4号轴线，H轴、G轴、A轴3个对应的观测点F4、F14、F11沉降随降水时间变化曲线如图6所示。

图6 沉降随降水时间变化曲线Fig. 6 Change curve of settlement with precipitation time

纠偏前后的沉降观测数据汇集于表2。

表2 沉降观测数据表Table 2 Settlement observation data table mm

由图6和表2可以看出，管井降水后各观测点的沉降出现如下特点：

（1）北侧H轴3个观测点（F1、F4、F8）沉降最大，南侧A轴3个观测点（F12、F11、F10）沉降最小，这是因为北侧H轴距降水井最近，南侧A轴距降水井最远，降水深度不同所致。

（2）北侧H轴3个观测点（F1、F4、F8）平均沉降81.53 mm，G轴3个观测点（F13、F14、F9）平均沉降73.67 mm，南侧A轴3个观测点（F12、F11、F10）平均沉降41.93 mm，H轴、G轴、A轴3条轴线东西方向的沉降线基本平行。

（3）降水刚开始几天的纠偏效果明显好于后期，这是因为降水漏斗的半径随着降水时间的增加而增大，建筑物南北两侧的水位差逐渐减小，后期调节沉降的作用不太明显。

（4）自7月23日开始降水至8月27日停止降水，北侧H轴比南侧A轴平均多沉降了39.6 mm，消除沉降差近40 mm，A轴与H轴的平均沉降差缩小至41.6 mm，建筑物的整体倾斜调整至1.67‰，倾斜观测数据与沉降观测计算数据基本一致。

（5）自8月27日至9月24日，降水停止近一个月，北侧H轴3个观测点（F1、F4、F8）平均沉降6.1 mm，G轴3个观测点（F13、F14、F9）平均沉降6.5 mm，南侧A轴3个观测点（F12、F11、F10）平均沉降7.2 mm。沉降速率降至0.24 mm/d，沉降差平均增加1.1 mm，基本趋于稳定。建筑物中部4号轴线，F4、F14、F11降水停止后的沉降曲线如图7所示。