邻近边坡既有建筑地基加固应用研究

陈伟伟

（中铁十八局集团第四工程有限公司，天津市 300350）

1 引言

建筑用地逐渐减少，使得多数建筑物不得不建设到边坡上。边坡上的建筑与边坡是一个整体，边坡中的土体稳定直接受建筑物的影响，而建筑物的地基位移等则直接受边坡的影响。在建筑地基出现沉降或无法提供足够的地基承载力时，修复以及加强地基基础为建筑物的地基进行加固是当前常用的手段之一［1］。国外的地基加固技术较为成熟［2］，如pisa斜塔通过水泥浆进行环用加固、瑞典皇宫木桩通过打入混凝土桩的方式解决结构倾斜［3］。国内的地基加固技术也于近十几年来不断发展，如肖春喜等人以某边坡上的住宅楼为研究对象，探讨了花管注浆联合喷锚网支护的加固技术［4］，魏焕卫等人研究了既有边坡建筑的土钉墙支护结构加固技术［5］。对于边坡上的建筑，有问题出现时若进行拆除重建，则会导致人财物上出现巨大浪费，因此应优先选择加固改造［6］。加固边坡上的建筑物涉及多领域，有着复杂的技术，进行加固改造有明显的社会经济效益［7］。

2 加固方案

某砖混结构建筑物有57m长度以及14.5m宽度，一层地下结构以及六层地上结构，基础形式为条形的钢筋混凝土。建筑与边坡的关系如下图1所示。该建筑物的地基在使用过程时出现不均匀沉降的情况，导致建筑物出现倾斜，墙体开裂。

图1 边坡与既有建筑位置

2.1 工程加固方案

从现有的观测结果上看，在边坡体的影响下，地基土出现竖向变形，而在建筑荷载的影响下，边坡体又出现侧向位移，当边坡体的位移超过一定的限制时，导致建筑物沉降也随之增大，裂缝数量增多。可知，如果可以将既有建筑物传递到基础的荷载用于边坡土体的加固，那么就可以在降低建筑物荷载的同时保护建筑物。

从现场条件上看，若要在不影响居民正常生活的前提下进行加固，则仅能加固建筑外墙，而无法进行内墙的加固。从现有加固方法出发，提出两部分加固方案，包括在既有建筑地基中使用钢筋混凝土牛腿桩托换法进行加固，在边坡中使用双排桩进行加固，如图2所示。

图2 地基及边坡加固平面示意图

2.2 边坡加固

边坡坡体有较大高度，且边坡垂直度较大，稳定性较差，在自重以及建筑荷载的作用下难以保持稳定，因此需进行加固。从前期分析可以看出，若使用的加固桩体为单排桩，则需要较多的钢筋用量，已经表现为超筋状态，难以满足要求。并且边坡与建筑物距离较近，无法将锚索打入，因此也无法使用锚索抗滑桩。

双排桩具有较大的侧向刚度以及较强的抗倾覆能力，无须增加锚杆或者支撑即可对支护结构的水平位移起到有效的抑制作用。并且，两排抗滑桩通过连梁进行连接，能够控制住结构的转动，有效调整桩身弯矩。因此，考虑通过设置双排抗滑桩的方式加固边坡以控制其侧向位移，如图3所示。

图3 双排桩示意图（单位：mm）

通过理正软件计算边坡稳定性以及双排桩抗倾覆稳定性，可得：边坡整体稳定性，抗倾覆稳定性，均满足要求。

2.3 建筑物地基加固

为确保既有建筑能够正常使用，决定在原有地基上使用牛腿桩托换以进行加固。为避免居民的正常生活受到影响，只能加固建筑外围，因此将两排钢筋混凝土牛腿桩设置到横纵墙交叉处，具体如下图4所示。新增牛腿除了能够有效分担建筑物荷载之外，还能有效降低支护结构侧向变形。

图4 牛腿安装示意图

3 模拟分析

根据项目实际，在建模时以建筑物两倍距离作为模型长度和宽度，以两倍桩长作为模型深度，因此所建立模型的x、y、z方向范围分别为65m、112m以及25m。以自动全局布种的方式划分土体网格，整个模型中共有51885个网格，见下图5所示。对土体x和y方向上的位移进行约束，上部未设置约束，底面三方面均进行约束。分析重力时在土体中施加重力荷载，并在施工分析时将重力荷载添加到建筑物和基础中。

图5 建筑物及土体模型

3.1 建筑物沉降对比分析

本次监测点布置如下图6所示，对比建筑物在工况一：无加固；工况二：双排桩加固；工况三： “双排桩+牛腿桩”加固下的沉降情况，所得结果如下图7所示。

图6 监测点布置示意图

图7 各工况沉降曲线

图8为1线、13线各工况差异沉降曲线，在工况一中，5号测点有21.80mm的沉降最大值，18号测点有19.30mm的沉降最小值，表明建筑物在未进行加固时与边坡越接近时有越大的沉降量。工况二中用于加固的双排桩有800mm的桩径以及7m的桩长，在双排桩间设置有900mm×750mm的冠梁，在5号测点有18.94mm的沉降最大值，相比于工况一约减少了2.84mm，在18号测点约有17.57mm的沉降最小值，相比于工况一约减小了1.73mm，因此可知，通过双排桩对建筑物靠近边坡侧进行加固，提高了地基的承载力，使建筑物沉降在一定范围内受到限制。在工况三中，16号监测点约有10.63mm的沉降最大值，比起工况一约有51.15%的减小，在4号监测点出现8.67mm的沉降最小值，比起工况一约有54.15%的减小。表明建筑物沉降量经过“双排桩+牛腿桩”的方式加固之后大大减小，有明显的加固效果，建筑物整体约有52%的沉降缩小量。

图8 1线、13线各工况差异沉降曲线

在建筑物1线位置处，工况一约有1.54mm的差异沉降量，工况二约有1.08mm的差异沉降量，工况三约有0.32mm的差异沉降量。在建筑物13线上，工况一约有1.26mm的差异沉降量，工况二约有1.07mm的差异沉降量，工况三约有0.42mm的差异沉降量。建筑物在经过第一次和第二次的加固之后，差异沉降量逐渐减小，建筑物在1线和13线上的差异沉降在通过双排桩+牛腿桩的方式进行加固之后有最显著的限制效果，差异沉降曲线见图9所示。

图9 A轴、E轴不同工况差异沉降曲线

在建筑物A轴上，工况一约有1.20mm的差异沉降量，工况二约有0.35mm的差异沉降量，工况三约有1.60mm的差异沉降量。在建筑物E轴上，工况一约有1.20mm的差异沉降量，工况二约有0.28mm的差异沉降量，工况三约有1.69mm的差异沉降量。建筑物1线位置的基础承载力在经过双排桩的第一次加固之后有显著提高，有效限制边坡一侧的土体流动，因此该位置的沉降量有较大减小，有效避免了差异沉降。同理，以双排桩+牛腿桩的方式进行加固也能使建筑物1线位置的沉降受到限制，而因为13线位置未进行加固而有较大的沉降，导致建筑物出现较大的差异沉降，表明以双排桩进行加固时能够有效限制建筑物的整体沉降和差异沉降，而使用双排桩+牛腿桩的方式进行加固时仅能有效限制建筑物整体沉降，而对差异沉降的限制效果较差。

3.2 建筑物应力对比分析

以地上建筑物作为分析对象，分析三种工况下的应力情况，见图10所示。

图10 各监测点不同工况应力

随着不断增加的建筑物高度，各个工况下的建筑物应力在不断减小，但在建筑底部四个角出现最大的应力。工况一中的建筑物底部四个角出现有3.364MPa的最大应力值；工况二中的建筑物底部四个角出现有3.228MPa的最大应力值；工况三中的建筑物底部四个角出现有2.994MPa的最大应力值，可知，建筑物最大应力随着不断加固的建筑物基础在不断减小。

因建筑物最大应力均在其底部四个角出现，因此针对性分析四个点。三个工况均在15号测点出现最大应力。在工况一中有3.35MPa的最大应力，依据相关设计规范，其砌体强度应选择MU25-30，选择M15作为砂浆强度等级；同理，工况二对应的砌体强度为MU30或者MU25，砂浆强度等级对应M10-15；工况三对应的砌体强度等级为MU20-30，砂浆强度等级对应MU10-15。因此建筑物砌体以及砂浆随着不断加固的建筑物基础，所选择的强度等级也可以适当减小。

4 结语

从上述分析中，可以得出如下结论：

（1）对于未进行加固的建筑物，与边坡距离越远，位移就越大；对于采用双排桩支护进行加固的建筑，建筑物沉降与边坡越接近的一侧越小，但因为仅对建筑物一侧土体进行加固，使得建筑物差异沉降未能得到有效抑制，裂缝数量较多；对于采用“双排桩+牛腿桩”进行加固的建筑，其基础承载力得到有效提高，但因为基础不均匀加固，导致差异沉降有所增加。由此可知，通过“双排桩+牛腿桩”的方式进行加固可在最大程度上降低建筑物沉降量，有最为明显的加固效果。

（2）随着建筑物基础的加固，建筑应力逐渐减小，且在基础底部四个角有最大的应力。根据《砌体结构设计规范》，随着不断加固的建筑物基础，建筑物砌体强度和砂浆强度可选择性降低。