某85 m高层建筑止沉及地基加固技术

2024-01-05马贤胜

山西建筑 2024年2期

彭涛，马贤胜，卫海

(江苏鸿基节能新技术股份有限公司,江苏南京 210019)

0 引言

随着社会经济的发展,城市化进程的不断加速,对于自然资源的大量消耗,过度开采地下水等问题导致地面的区域性下沉,这是我国目前城市建设中遇到的一个比较严重的问题;地下水位的下降导致建筑物的沉降是目前建筑出现沉降问题的主要原因;特别是高层建筑出现沉降不均的问题,在国内较为罕见,处理起来难度也非常大,本文以某个高层建筑基础加固的工程案例阐述高层建筑的止沉与地基加固技术,供相关技术人员参考。

1 工程概述

南京某高层建筑33层,建筑高度85 m,两层地下室,桩筏板基础,基础底标高-10.500 m,桩型为钻孔灌注桩,桩身的直径700 mm,桩筏板基础形式,桩端持力层以④中粗砂层为持力层,有效桩长大约50 m,为摩擦端承桩;静载试桩的单桩竖向抗压承载力特征值为4 500 kN;地基基础设计等级为甲级,桩基设计等级为甲级。

地基土地质情况:①素填土,黄灰—灰色,松散,物质组成繁杂,结构松散,密实度差,填龄短,未固结,非均质,层厚2 m～5 m。②淤泥质粉质黏土,干强度中低、韧性中低,中高压缩性,低强度地基土,层厚11 m～22 m。③粉质黏土夹粉砂,灰色,软塑,局部可塑,干强度中低,韧性中低,层厚11.2 m～16.2 m。④中粗砂,灰—灰黄色,密实,密实状,工程性质较好,埋置深度深,层厚8 m～10 m。⑤强风化砂质泥岩,紫褐色,密实,呈硬塑黏土、密实砂土状,层厚17.5 m～31.6 m。项目坐落在长江漫滩地貌的地层上,岩层深度较深。

建筑上部结构荷载标准组合值约为26 100多吨,筏板厚度设计值1 m,钻孔灌注桩70多根,直径为700 mm,桩长51 m,桩尖进入第⑤层土,端承摩擦型桩,单桩承载力特征值约为4 500 kN。

2020年3月23日施工单位在复核水平线时发现3号楼水平线发生偏移(阳台一米线为基准,客厅北墙偏移2 cm,楼梯间北墙偏移3.5 cm);楼栋测垂直度发现偏差约20 cm;同时监测沉降数据出现沉降,最大沉降速率0.3 mm/d～0.4 mm/d。主楼外貌见图1。

本建筑为高层建筑、高度高、结构形式复杂、总重量荷载较大、处在长江漫滩地区地质情况复杂;外部施工影响因素多等情况,决定了地基止沉加固处理的难度较高。

2 沉降原因分析

在主楼南侧20多米位置处,主干道路施工综合管廊如图2所示,最大开挖深度约10 m,最大降水深度约20 m,对比相关综合管廊的施工降水时间与主楼的沉降情况,随着综合管廊的开挖及降水深度的加深,主楼沉降不断加剧。根据摩擦桩的工作原理,正常情况下的桩周土体为桩体提供方向向上的摩擦阻力,以提供向上的反力,这是正常的摩擦桩的工作状态;但是,如果桩周土体由于地下水位下降等原因受到扰动,发生向下的沉降,当土体沉降量超过桩体的位移量时,桩体受到负摩阻力的作用,当负摩阻力及上部荷载值超过桩体的正摩阻力时,桩体就会发生向下的位移,导致房屋的沉降。

本建筑处在小区的角落,只有北侧地下室,北侧大地库对建筑沉降起到嵌固作用;工程桩为灌注桩、摩擦端承桩、深度并未入岩层,无法有效的阻止负摩阻力的增加导致的桩基沉降;这也是本工程不均匀沉降的间接因素。

3 止沉及地基加固方案

3.1 止沉方案的选择

在新建建筑施工过程中已经有各种各样的地基基础的加固技术[1-3],但既有建筑出现地基问题时,处理方式却非常有限,很多方法受到现场条件的限制无法实施。

既有建筑的地基加固工程难度系数高,所需的成本和施工时间通常超过新建建筑,经常会遇到各种不可预见的问题。因此,在加固过程中,必须综合考虑各种情况,特别是根据建筑结构的特点和土壤条件确定适用的加固方案,然后选择是否需要加固或使用哪种方案进行加固。在这个过程中,需要综合考虑几个方面的因素,即挖掘地基的潜力,采取方案尽可能提高结构的整体刚度,以及尽可能选择简单的结构施工方案。换句话说,在处理地基加固问题时,需要综合考虑各方面的因素。

结合本工程的地质情况、结构形式等因素,综合考虑,地勘报告岩层深度约七八十米深度,根据多年的止沉经验,最好的止沉方案是采用某种桩型可以直接深入到岩层中,就可以很快起到止沉的效果,而一般的既有建筑受到建筑本身层高的限制很难施工如此深度的桩。

本工程综合考虑采用两种桩型进行此工程的地基止沉加固方案:1)南侧外侧具备大型机械施工的条件,因此选择更深更大直径的后注浆钻孔管桩;2)在地下室内部由于空间高度限值,只能采用对空间高度要求不高的锚杆静压桩进行施工。

根据设计要求,在沉降大的南侧外侧施工13根深度80 m的直径700 mm的后注浆钻孔灌注桩,建筑物地下室内部、中部和北侧施工30根深度60 m,φ420 mm×16 mm的锚杆静压钢管桩。灌注桩及锚杆静压桩平面布置图见图3,后注浆钻孔灌注桩与主楼之间的连接方式见图4。

3.2 后注浆钻孔灌注桩施工

后注浆灌注桩施工工艺,是在灌注桩内设置注浆导管,通过导管及与之相连的桩端、桩侧注浆阀注入水泥浆,加固桩端、桩侧土体(包括沉渣和泥皮),扩大桩底面积、消除桩底沉渣产生的不利影响,提高灌注桩桩底的承载力,是一项通过提高钻孔灌注桩承载力从而降低工程造价的成熟施工工艺。

钻孔灌注桩的后注浆工艺,即压入高压的水泥浆克服土体的初始压应力使土体产生变形破坏,水泥浆沿着劈裂缝隙渗入土体填充空隙,从而起到加固土体的作用;同时桩底部可以使沉渣及桩端附近土体密实,产生“扩底”效应提高桩端承载力;从大量的实验数据可以看出,不仅桩端阻力提高,桩端下部桩侧的一定范围内桩侧阻力也得到大幅提高。

在施工之前,要根据地勘报告,确定桩端所处的土层或岩层,根据土层或岩层的物理特性,同勘察单位、设计单位、监理单位等相关单位先确定一个注浆的参数,并进行实验,试桩注浆结束后,按照相关要求再进行单桩承载力的实验,根据实验的结果确定最终的注浆相关参数值。

施工的工艺步骤如下:

1)制作注浆管:注浆管采用φ45 mm,壁厚2 mm的无缝钢管,接头采用套管连接,连接处采用生胶带缠绕保证密封,注浆管高出地面300 mm,底部凸出钢筋笼长度200 mm,底部0.5 m范围内连接袖阀管,管口上部封堵。

2)固定注浆管及下钢筋笼:注浆管通过扎丝与钢筋笼连接,固定在钢筋笼上,随着钢筋笼一起下放。

3)浇筑灌注桩的混凝土:采用水下混凝土的浇筑方式浇筑灌注桩的混凝土,浇筑过程中注意保护注浆管。

4)成桩后3 d左右通水开塞:注浆管通水开塞是指在正式的注浆前利用高压水向管内注清水,疏通注浆管,防止注浆管堵塞,一般情况在混凝土浇筑成桩3 d左右时间,通塞时间控制比较关键,决定后期注浆的成败,通水时间过早可能会破坏混凝土的强度,通水时间过迟,混凝土强度过高,可能冲不开混凝土障碍,致使注浆头打不开无法注浆,通水后水可以不断注入并且压力值稳定表明通水开塞成功。

5)成桩后3 d～8 d后桩底开始注浆:根据试桩的结果确定的注浆参数值:水灰质量比确定为0.65,单桩注浆水泥用量为2.0 t左右。

通常情况为了避免注浆液扩散范围过远,一般分批间歇式注浆,按照施工的几根桩分批进行流水作业可以根据每根桩预埋的注浆管的数量分两三次进行分次注浆;第一次注浆量约为总量的65%～75%浆液,第二次注浆量约为总量的25%～35%浆液,两次间歇时间约半小时,这样既不影响功效,也可以保证注浆的间歇时间。注浆单位应做好注浆的过程控制,应安排专业技术人员及时、有效的做好每根桩的施工记录。后注浆钻孔灌注桩施工过程见图5。

终止注浆的条件如下:

1)单根桩的注入水泥量达到试桩时候确定的要求。

2)单桩注入的水泥量虽然未达到试桩确定的要求,经过多次间歇注浆后仍不能达到试桩确定的水泥量,但注浆压力值达到试桩确定的要求,并且压力持续稳定时间不小于2 min。

注浆施工结束后,采用封堵材料把注浆管口封堵。桩基施工完成后,按照设计要求,在灌注桩顶部与主体结构连接的位置设置了侧向的剪力墙与主体结构连接,桩与主体结构形成有效的连接从而起到止沉效果(见图6)。

3.3 锚杆静压桩施工

对于发生倾斜或不均匀沉降的建筑物,首选锚杆静压桩,因为既有建筑物室内空间小,大型机械无法进场,锚杆静压桩设备小,操作灵活;施工噪声小,不扰民;压桩力由油压表反映,桩实际承载力值明确,且压桩力可以控制。

考虑到上部结构的自重、基础筏板的厚度、地基土的土层分布和深度等因素综合考虑,钢管桩采用φ420 mm×16 mm的钢管,材质为Q355B每节桩段长度2 m,桩端采用闭口形桩尖,桩节间采用内套管焊接,压桩力4 500 kN,由于普通的压桩架不能满足如此大的压桩力,因此采用了一种专利技术的大吨位的锚杆压桩架[4]进行施工。

施工的工艺步骤如下:

1)施工准备:如图7所示,在本工程中先在被加固的基础筏板上定位出压桩孔和锚杆的位置,采用取孔机械进行取孔施工,锚杆为16根直径32 mm的精轧螺纹钢,植筋深度900 mm,用高强灌浆料作为黏结剂进行植筋。

2)钢管制桩加工:如图8所示,钢管切割2 m一节,第一节焊接钢桩尖,钢管节打好坡口焊接准备等工作。

3)压桩施工:如图9所示,就位压桩架,保障压桩架的垂直度和稳定性;就位第一节桩,保证第一节桩的垂直度,桩位允许偏差不得超过±20 mm,桩节垂直度允许偏差应为桩节长度的1.0%;压桩施工应一次连续压到设计标高,当必须中途停压时,桩端应停留在软弱土层中,并且尽量减少停顿时间;桩节接桩采用焊接方式,钢管桩表面需清除焊面铁锈,上下节之间的间隙应用铁片垫实焊牢,采用内套钢管的方式接桩。