面向工程地基深层加固效果分析

2023-04-03李建文

中国建筑金属结构 2023年2期

李建文

（北京建工四建工程建设有限公司，北京 100075）

0 引言

随着高层建筑物的不断增加，建筑物因不均匀地质条件带来的沉降问题日趋严重，为高层建筑物的健康快速发展带来隐患。为保证建筑物的健康持续发展，地基加固问题已日趋成为当前建筑施工中必不可少的工作之一。面对当前高层建筑物沉降问题，国内外学者做出了大量研究工作，M Oliaei[1]等研究了蜂窝土工合成材料在地基加固中的应用，利用土工格室加固地基床的数值模拟对单个土工格室加固土壤进行建模。RK Rowe[2]等研究了地基土的粘塑性和土工合成材料增强材料（聚酯、聚丙烯和聚乙烯）的粘弹性行为的综合影响，提出了一种新的定义临界阶段的方法。Zhang H[3]等选择高压旋喷灌浆和套筒阀管灌浆预加固工程方案，建立过江隧道地下开挖陆段围岩注浆预加固方案对比模型。张慧丽[4]，陈庆丰[5]等分别研究了地基加固技术在土木工程中的应用。连峰[6]等进行了桩一网复合地基加固机理现场试验，罗小博[7]等对西北湿陷性黄土区进行了劈裂注浆试验，提出了一种适用于桩径较小的基于桩土应力比计算的复合地基沉降计算新方法。刘慧芳[8]等提出了一种重力式码头地基加固中DCM 桩的设计方法，霍军帅[9]等采用板+桩组合结构的形式对地基进行加固。由此可见，建筑物地基加固的成熟方法有很多种，并在实际案例中均已得到验证。

目前，国内外的研究中在建筑地基加固方面取得了一系列研究成员，但是面向工程地基深层加固效果的研究中，仅限于理论研究阶段，未采用相关的方法进行对建筑物未来沉降趋势的效果进行分析，因此，本文在前人研究的基础上采用数值模拟法分析加固效果预测出未来两年建筑物的沉降程度，并分析加固效果。

1 工程概况

该工程属于商业加住宅用地，总建筑面积为113 500m2，本文以该项目的5 号楼为研究对象，其建筑面积为148 00m2，地上部分18 层，属于剪力墙结构，地下部分为整体地下一层结构，该楼于2015 年4 月15 日开工，项目完成时间为2018年2 月18 日，结构设计使用年限为70 年，项目原地址为由农田和村庄组成，土层由上到下分为杂填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、层粉质粘土夹粉。5 号住宅楼平面图如图1 所示。

图1 5 号楼住宅平面图

2 地基加固的意义

首先，建筑物及构筑物在设计和施工阶段受到自然因素（比如地质条件、水文条件）、社会因素、设备因素等主客观条件的影响，出现地基基础结构开裂、抗震性能不良以及承载力不足等现象，严重影响建筑物的安全使用，在建筑完工后，不得不进行对建筑物进行加固。因此地基加固是确保建筑物质量的重要保障[9]。其次，随着建筑行业的快速发展，房屋建筑的更新换代周期逐渐缩短，房屋建筑的安全性和稳定性受到严重的挑战，而建筑工程的安全性和稳定性牵涉到使用者和消费者的切身利益，因此，地基加固一方面能够消除隐患使建筑物的性能得到保障，另一方面也保护了使用者和消费者的合法权益，同时也体现了以人为本的生产理念，提高建筑施工单位的服务意识，有利于促进建筑行业的可持续发展。再次，地基基础关系着建筑结构的安全性和稳定性，但是由于在地基施工过程中，存在一些不成熟的地方，且无法实现后期的护理标准化，因此，通过后期的加固施工可以保障建筑结构的稳定性和安全性，进而实现建筑质量的提高[10]。最后，建筑地基基础的加固施工技术在世界范围内得到了广泛应用，但由于其涉及施工标准、施工材料和设备的选择、法律规范等因素，造成了该技术的复杂性的特征，因此，该技术还处于摸索阶段，该技术依然不够完善且理论不够成熟，系统化较差，因此，地基加固是完善建筑地基加固理论的客观要求[11]。

3 地基加固方案

由于该工程在交付使用后，多处出现裂缝，且在检测点发现不均匀的沉降现象，为了保障工程质量，维护公众安全，该工程分别在2018 年和2020 年进行了两次加固，第一次采用高压旋喷桩进行加固，第二次采用锚杆静压桩进行加固。

3.1 加固处理方案

第一次加固时间为2018 年7 月，沉降监测结果显示5 号楼出现不均匀的沉降，针对这一现象，项目组专家进行深入讨论，决定采用高压旋喷桩对5 号楼进行加固，加固地点详见图1，共布置500 根8m 长的高压旋喷桩。第二次加固时间为2020 年10 月，由于沉降出现明显趋势且考虑到水泥的凝结时间，经专家讨论提出设计400 根25m 长的锚杆静压桩进行加固。同时设置6 个监测点对5 号楼的沉降问题进行实时检测，监测点设置如图2 所示。

图2 监测点位置图

3.2 监测结果分析

本监测数据截至2022 年8 月，表1 是6 个监测点的实测检测结果，图3 则是根据2015 年8 月到2022 年8 月的沉降量绘制的监测沉降曲线。根据表1 和图3 结果，对监测结果和分析如下。

图3 监测沉降曲线图

表1 侧向位移检测结果

（1）基础不均匀沉降导致建筑结构朝西南方向倾斜，位移达到136mm，在监测点3、6 处设置有伸缩缝，且地下车库为整体结构，在伸缩缝的缓冲作用下和楼体结构的整体性的特征的影响下，迫使沉降呈整体倾斜趋势；（2）监测点4、5 位于5 号楼的东侧，下沉速度较为缓慢，沉降量不明显，保持在15mm 左右，在第二次加固后趋于稳定，监测点3、6 位于5 号楼的中部，第一次加固后沉降有所减缓，但随后却加速下沉，同样在第二次加固后趋于稳定，位于5 号楼西侧的1、2 监测点沉降较大，在第一次加固后并未得到缓解，但是第二次加固后趋于稳定；（3）就总体沉降来说：西侧较之于东侧沉降幅度较大，南侧较之于北侧沉降较大，因此5 号楼呈向西南方向倾斜的趋势；（4）2016 年7 月到2018 年11 月，沉降呈加速上升趋势，2021 年11 月以后，沉降现象趋于稳定，2018 年7月的第一次加固，虽然整体沉降趋势有所变缓，但沉降并未停止，且随着雨季的到来呈现加速沉降趋势，造成这种沉降的主要原因是第一次加固采用的8m 长的高压旋喷桩，未达到限制沉降的要求深度，因此在第二次加固时，采用25m 的锚杆静压桩进行加固后沉降明显得到控制。

4 基于数值模拟法的加固效果分析

虽然经过两次加固后，沉降现象得到有效控制，但是由于该项目属于高层建筑，必须对该项目进行全方位加固效果分析，并预测未来两年的沉降发展趋势，通过对未来两年的沉降发展趋势的预测，才能不断地提高建筑施工质量，保障使用者和消费者的相关权益，逐步提高建筑行业的服务水平。

4.1 模型计算

为了更好地预测未来两年的沉降发展趋势，分析加固效果，本文采用Plaxis-3D 建模分析，如图4 所示，设置模型的长度和宽度取值为200m，土层深度取值为50m。模型中的土体采用摩尔-库伦模型，墙体、顶板（厚度为300mm）、底板（厚度为500mm）采用板单元模型，桩体模型参数详见表2，模型中荷载力直接加压在地下室顶板上，侧面和底面均设置成不可排水。

表2 桩体模型参数

图4 桩基模型

由表2 可见，建筑施工过程中采用的预应力管桩、第一次加固采用的高压旋喷桩和第二次加固采用的锚杆静压桩的泊松比均为0.2，桩长分别为30m，8m，25m，边长分别为：400mm，500m，250mm，弹性模量分贝为38kN/mm2、228kN/mm2、308kN/mm2，由此可见，地基加固与桩长关系较大。

4.2 模拟结果验证与分析

4.2.1 模型结果

5 号楼底板模型的沉降的变化与实际检测数据变化趋势一致，均随着时间的推移而逐渐增大；最大沉降量和最小沉降量以及不均匀沉降差的结果与实际检测数据结果基本接近，且拟合度较好；模型中第二次加固后的沉降变化趋势与实际检测数据结果基本相同。由此可见，该模型具有一定的可靠性。

4.2.2 沉降模拟结果分析

根据实际监控数据和模型数据可知：（1）在建造期间和建造完成后的三年内，5 号楼沉降的趋势较为明显，第一次加固后，虽然存在控制趋势，但是在雨季前后，下降趋势较为明显，在第二次加固后的一年内整体沉降已趋于稳定。出现该现象的主要原因是：建造期间底板承受的荷载逐渐增加，因此沉降随着荷载力的增加呈加大趋势；建造完成后，由于荷载力增加到最大，产生超孔隙水压力，随着压力的逐渐扩散，底板沉降逐渐增大，因此底板沉降随着压力的消散而趋于稳定。（2）5 号楼的沉降由东北向西南方向倾斜，倾斜趋势在第一次加固之前呈上升趋势，在第一次加固之后和第二次加固之前，得到一定程度的控制，但效果不太明显，在第二次加固后，则沉降趋于稳定这是由于淤泥质粉质粘土层厚度分布不均匀造成的，根据该项目的地质条件可知，西南部较之于东北部淤泥质粉质粘土层厚度大。（3）每次加固后5 号楼的沉降都有所降低，第二次加固后，基本趋于稳定，这是由第一次高压旋喷桩桩长限制造成的，由于加固土体依然存在着软土层，且软土层的厚度超过了第一次加固的桩长，因此沉降控制效果不佳，第二次锚杆静压桩长度高达25m，使沉降得到了有效的控制。

因此，通过两次不同方案的加固，在未来的时间内，5 号楼的沉降将会趋于稳定。