既有建筑基础加固设计研究

李斌

四川省公路规划勘察设计研究院有限公司 四川 成都 610041

近年来我国建设工程领域高速发展，取得可喜可贺的骄人成绩。随处都可以看到一幢幢高楼拔地而起，一座座大桥气势恢宏，一片片旧城换新颜。我国地形地貌十分复杂，水文地质区域差异很大，地震、洪涝灾害、极端天气频发，种种不利因素都对既有建筑结构提出了严峻挑战。同时人们的物质文化生活日新月异，对居住场所的需求也在不断提高和变化。所以对既有建筑改造加固项目也在逐渐增多，对既有建筑结构的加固设计技术应用也越来越普遍[1-3]。尤其在我国沿海地区的建筑地基具有深厚软土的特点，由于这类软土具有抗剪强度低，压缩模量低，承载力低，建成的建筑很多容易出现不均匀沉降，结构构件产生裂缝，甚至倾斜等工程病害现象。对于出现这些现象建筑结构，就需要认真分析，针对性地进行建筑基础加固设计研究[4-5]、施工处理，把出现的质量隐患消灭在萌芽状态。

本文以实际工程案例，对建筑基础加固设计、施工做了专门的分析和研究，望能给从事建设领域的同仁们一些良好的启示。

1 工程概况

该案例工程位于广东省珠海市某七层办公建筑（裙房为二层），总建筑面积16668m2，建筑高度27.3m。结构类型为现浇钢筋混凝土框架结构。地区地震动峰值加速度为0.10g，地震基本烈度为7度。

1.1 场地地基岩土结构

图1 典型地质剖面图

场地地基岩土可划分如下几层：①新近堆载预压人工填土，厚度7.5～10.0m。②海相沉积（Q4m）的淤泥，可塑，厚度7.20～10.80m。③淤泥质粉砂厚度3.40～9.00m土。④淤泥质土厚度16.10～27.90m。⑤全风化、强风化花岗岩，厚度0.0～4.0m，⑥中风化花岗岩，厚度未揭穿。

1.2 建筑地基基础设计

该工程基础采用预应力混凝土管桩基础。桩型采用国标PHC500AB125,桩长为45m～50m。桩端持力层为中风化花岗岩层，单桩承载力特征值为1300kN。基桩上部设计多桩承台，承台顶面设置基础联系梁。预应力管桩施工采用静压桩施工工艺，静力压桩机（ZYJ680B）终压值控制在3000kN左右。

1.3 工程病害现象

该工程主体结构工程基本完成时陆续发现约20%的基础承台及基础联系梁都出现宽度不等的裂缝（承台最大裂缝宽度达到20mm）。最严重的是发现有两处四桩承台下各有一根桩与承台脱开。

图2 基础承台裂缝

从发现工程病害开始对承台进行沉降观测，通过3个月的沉降观测显示有较多承台沉降10mm～30mm。

2 基础加固设计分析

2.1 工程病害现象分析

从前述的病害现象包括两类：承台出现较大的沉降和承台出现较大的裂缝。以下对这两类现象分别进行分析。

承台出现较大沉降现象表明工程基桩承载力未达到原设计要求。由于该工程尚处于施工建设阶段，在柱脚内力远未达到结构设计所需恒载与活载作用的情况下承台就出现较大的沉降量，故必须对这些部位的柱下承台进行基础加固处理。

较多承台出现超出规范许可范围的较大的裂缝，甚至有两处桩与承台脱开。说明同一承台下的桩在深厚软基中所受的反力差异很大与理想的设计状态（同一承台下各桩反力相同）完全不同，承台受到超出设计范围的剪应力与拉应力的复杂共同作用而产生了上述现象。因此也需对这些承台进行基础加固处理以减小某些桩的过大反力。

2.2 基础加固设计方案抉择

桩基础加固方式无非两种：第一是提高原有桩的承载力，第二是增加桩的数量（补桩）。从设计的角度提高桩的承载力通常采用增大桩径，增加桩长是最直接高效的手段。但对于类似案例工程的既有建筑，是无法实现的。另外就是通过增强桩间土的摩阻力和端阻力也可提高桩的承载力，一般可采用压力注浆的方式进行。但这种方式的经济性及处理效果尚需根据不同的地质条件进行试验验证。本工程案例采用的是第二种桩基础加固方式即在原承台下增加一定数量的基桩（补桩）与原桩共同承担上部结构传来的荷载。

2.3 原有承台下增加桩的限制条件

首先在原有承台下增加桩需考虑施工现场操作的可行性[6]。该工程首层层高3.9m，原承台顶面标高为-0.500m,扣除二层梁高净空高度仅3.6m，也就是补桩施工作业空间。根据该工程地质条件，工程基桩的的长度在45m～50m范围。若采用钻孔、冲孔灌注桩因机械设备的操作空间受限是不能实现的，唯一可行的就是通过静压沉桩的方式选择钢管桩或预制桩，且每节的桩长不能超过3m。

图3 锚杆静压桩机

2.4 锚杆静压桩机工作原理

锚杆静压桩是将压桩反力架通过锚杆与建筑物基础相连接，使建筑物、压桩反力架与桩形成特殊的传力系统，在压桩过程中，利用安装在压桩反力架下的千斤顶，借助建筑物自重提供的压桩反力，把预制短桩逐节压入土层。沉桩时做好每节桩的标记，可以准确知道桩的入土深度。锚杆静压桩机上配有压力表，桩基的承载力也可通过压力表读数直观的确定。

2.5 桩型的选择

根据场地条件选定了压桩设备，就要确定桩的类型。很多工程补桩都选择了钢管桩，它的优点是加工制作简单，施工速度快，桩接头现场焊接施工较为方便，接头质量容易保证。缺点是钢管桩在沿海地区海水的腐蚀环境下耐久性不易保证，钢材价格相对较高，如果工程中需要补桩的数量较多，对加固改造工程造价影响较大。本案例工程通过综合对比分析选择工厂预制混凝土方桩，截面为300mmx300mm。由于预制桩接头连接是一个工程常见的薄弱环节，在相关国家标准中对单根桩的接头数量规定不宜超过3个。由于每节桩长仅有3m，故需要15个左右的接头，远远超过上述标准，因此就需要特别重视桩接头的设计与施工。

2.6 桩接头的设计

图4 预制桩接头设计图

桩接头采用预埋钢矩管+角钢焊接设计，工厂预制桩时钢筋笼主筋先与钢矩管板材内侧可靠焊接后再浇筑桩身混凝土，成为钢矩管桩帽，为保证桩帽内混凝土的浇筑质量，在桩帽位置设置振捣孔与通气孔。钢管桩帽与混凝土桩身形成一个整体。沉桩时桩逐节压入土内，桩与桩连接时四角采用角钢与桩帽钢板竖向焊缝+桩头钢板四周水平焊缝。通过这样的桩接头设计，在施工中预制桩的连接基本上与钢管桩连接一样。

2.7 基础加固设计

根据《建筑桩基技术规范》以及场地地勘报告相应数据计算单桩承载力特征值：

确定补桩数量时不仅需根据设计柱脚内力与原桩的承载力的差值计算后确定，尚应考虑补桩后整个承台受力的均衡性和对称性，尽量减少补桩后桩对承台的附加偏心矩和剪力。同时补桩设计时还收到很多限制条件的制约，承台下补桩需考虑原桩及承台的位置，静压桩属于挤土桩，桩间距需满足相关规范要求。补桩的位置也需增加承台，扩大的承台还必须与原承台协同受力。为保证新增承台与原承台形成一个整体，采用如下措施：①新旧混凝土连接界面人工凿毛处理。②新增承台每面设置钢筋，钢筋笼合围原承台。③新增承台采用提高一个标号的膨胀细石混凝土一次浇筑。

图5 基础加固平面图

图6 基础加固剖面图

3 施工技术要点

3.1 新增桩工厂预制

预制构件利用构件工程进行标准化工业化的加工生产，采用设计标准规格进行制模，可减少工序步骤，降低劳动强度，提高生产效率。采用预制构件厂预制桩对于桩钢筋的加工绑扎质量、焊缝质量、桩主筋的混凝土保护层厚度、桩帽的加工制作精度，桩身混凝土的浇筑质量及蒸压养护等都较容易达到设计要求。

3.2 对承台裂缝处理措施

对开裂的承台在基础加固前需先要采用灌注环氧树脂修补进行处理。处理步骤如下：①裂缝清理：对大于0.5mm裂缝或较深裂缝，为有效封缝，沿缝凿成 V 槽，并用钢丝刷及压缩空气将裂缝内碎屑粉尘清除干净。②设置灌浆嘴或灌浆盒：一般不凿槽的裂缝埋设灌浆盒，凿槽的埋设灌浆嘴。灌浆嘴按裂缝走向设置，间距300mm左右。每条裂缝上必须设置进浆、排气或出浆浆嘴。灌浆盒埋设时先在其底盘上抹一层环氧胶泥，后骑缝粘贴在预定位置上。注浆嘴埋设时先在预定位置钻孔，设置灌浆嘴后用环氧胶泥封闭其底部四周。环氧胶泥配合比(重量比):环氧树脂：邻苯二甲酸二丁脂：乙二胺：水泥=100：(10～12):(6～8):(200～300)。③封缝：先用丙酮清理裂缝两侧，并沿缝敷设少许棉线，以利于浆液的渗透，再沿缝两侧涂一层环氧基液、最后抹一层宽40mm左右的环氧胶泥封缝，抹胶泥时应防止小孔气泡，使其平整、密封。环氧基液配合比(重量比)：环氧树脂：邻苯二甲酸二丁脂：乙二胺 100:(10～20):(6～8)。④检查封缝质量：封缝胶泥固化后即可进行压气试漏。在封缝胶泥处涂刷肥皂水，从进浆嘴压入压缩空气(压力与灌浆压力相同)。观察是否有气泡出现，如有漏气，用胶泥修补，至无气泡出现。⑤灌浆：用手压泵将配制好的浆液沿裂缝由下而上，由一端向另一端压入,进浆后注意观察。当浆液从底部被压到上部时，上部灌浆嘴中会有浆液流出,说明裂缝已被浆液灌满。稳压数分钟后,关闭进浆嘴上的阀门。浆液的渗透深度取决于裂缝的毛细作用和灌浆压力。但灌浆压力过大可能使混凝土构件产生新的劈裂裂缝。灌浆压力常用0.2～0.4MPa。⑥裂缝处理完成后可采用超声波对混凝土裂缝修补效果进行检测。

3.3 新增承台施工要求

锚杆静压桩基施工要提前预埋好锚杆，锚杆是保证能有效将上部结构自重转化为压桩力的关键构件，锚杆的埋设是否牢靠是保证压桩能顺利进行的关键。锚杆一般设4根，锚杆直径需根据最大压桩力，按轴心受拉计算确定。

需根据基础加固设计中补桩的位置预留好桩位孔。桩位孔留400mmx400mm，需保证孔位的垂直度，否则将影响后期沉桩的倾斜度和达到预期的桩的入土深度。

3.4 静压沉桩技术

①沉桩时桩机定位应准确、平稳，保证在施工中不会发生倾斜、移动。

②固定桩机位或沉桩施工时，不得对原有结构造成破坏。

③静压法施工沉桩速度不宜大于1m/min。基桩施工时应对相邻基桩进行水平、竖向位移监测。

④下节桩的接头处宜设置导向箍或其他导向措施。接桩时，上下节桩段应保持顺直，错位不超过2mm;逐节接桩时，节点弯曲矢高不得大于1/1000桩长，且不得大于20mm。手工焊接时宜先在坡口四周上对称点焊4点～6点，待上、下节桩固定后拆除导向箍再分层焊接，焊接宜对称进行。焊接层数不得少于2层，内层焊渣必须清理干净后方能施焊外层，焊缝应饱满连续。接头焊好后应进行外观检查，检查合格后必须经自然冷却6min，方可继续沉桩。

⑤稳压时间应符合下列规定:终压力不大于 1500kN 时稳压时间不宜大于 5s。

⑥观测中每次沉降以0.04mm/d为稳定标准。若施工过程中沉降大于2.0mm/d 则应应立即停止沉桩施工并采取相应应急保护措施。

⑦桩基施工压桩时应以“压桩力控制为主，桩长控制为辅”。“分段跳打，先中间后四周，避免集中于某一区域”的施工顺序。

⑧沉桩施工完毕经检测合格后，需及时对桩头加以封闭。桩与承台间50mm空隙采用细石早强膨胀混凝土浇筑，这样就使压入的桩能够承担建筑物荷载或者与原有地基基础共同承受建筑物的荷载,从而达到提高基础承载能力的目的。

4 结束语

本案例工程总共增加220根桩，60个承台进行了增高加宽处理。沉桩施工也较顺利，通过静载试验确定桩基承载力达到设计要求。地基基础加固处理完毕后，后期沉降观测显示，基础沉降已基本稳定，承台及上部结构也未出现新的裂缝。对既有建筑基础的加固历来都是结构工程的难点，对于单个工程来讲它又是重点，俗话说万丈高楼从地起，做任何事都要打好基础，所以说我们建设领域的同仁们对基础加固工作需引起足够的重视。在基础加固处理过程中，需根据工程本身的结构特点、现有状态、工程病害情况、工程所处的具体环境、地质特点、当地建设经验等因素综合选择适宜的基础加固设计方案。同时还需要参建各单位密切配合，根据工程进展动态协作，最终才能达到我们共同的目标。