掏土法与锚杆静压桩联合纠倾技术在某高层住宅的工程应用

2024-01-16王孜帆西南科技大学四川绵阳621000

砖瓦 2024年1期

王孜帆（西南科技大学，四川绵阳 621000）

既有高层建筑受到设计不规范、施工误差、地质条件变化的影响，使得建筑物结构荷载分布不均，地基出现不均匀沉降，加之在运营期建筑物使用和维护不当，如过度加载、周边基坑开挖或渗漏水导致地基侵蚀等，都会加剧建筑物的倾斜和沉降，严重的导致结构开裂、破坏和影响结构安全性[1]。目前，我国存在着大量的既有高层建筑，这些高层建筑修建于20世纪90年代和21世纪前10年的大基建时期，经过多年的服役出现了各种危害，建筑物地基的加固和纠偏成为一项重要的研究工作[2,3]。

目前，用于既有建筑的纠偏技术众多，有掏土法、地基应力解除法、辐射井射水法和浸水法等[4,5]。其中，掏土法是应用较为广泛的纠倾方法，其原理是在建筑物沉降较小一侧的基底或基础外侧掏出适量的土，以调整整个基础的差异沉降，这种方法具有操作简单、施工过程无须较多机具等特点，但在一些较硬地层中，掏土过程中容易引起土体扰动，导致建筑物的回倾存在不均匀和突变性，因此，需要采取其他辅助措施以控制建筑过快沉降，引起建筑开裂、失稳等隐患[6]。本文以福建省福州市某安置房项目为研究对象，提出掏土法和锚杆静压桩联合纠偏的技术，研究成果可应用于类似工程的纠偏和地基加固处理。

1 工程概况

福建省福州市某安置房项目修建于2005年，总占地面积37825m2，总建筑面积222862m2，由10栋24层的单体建筑组成，均为现浇混凝土框架剪力墙结构，建筑平面图如图1所示。设2层地下室，建筑物南侧紧邻处设置了1 层地下室，2 个地下室之间的间隔约2m～3m，地表±0.000 处的高程为-0.45m，基础结构形式为筏板基础+CFG 复合基桩，并设置有抗震伸缩缝，筏板厚度为650mm，板底高程为-7.55m，底板下设200mm的褥垫层。由于地基处存在②湿陷性粉土，基础原设计时采用CFG 复合计算进行承载力的提升和湿陷性的处治，CFG桩的直径为350mm，采用等边三角形布置，桩中心间距为1.5m，桩底标高为-26.05m，桩长为18.5m，处理后的地基承载力特征值为450kPa。

图1 4#楼建筑平面图

由于建筑物经过多年的使用，4#楼在运营的过程中发现建筑无地下室北侧出现地板裂缝，裂缝处有地下水渗出，在2022年10月建筑物出现了持续沉降，经过检测单位对建筑物布置沉降和倾斜观测，发现布置的25 个监测点中，有12 个监测点的观测值超出《民用建筑可靠性鉴定标准》（GB 50292-2015）中相应限制要求，建筑物最大沉降值达到100mm，最大倾斜1/215，鉴定结论表明需对建筑物基础进行加固和纠偏，以维持其使用年限[7]。收集建筑物在修建时期的地勘报告表明，地基土的土层性质以黏性土为主，特殊土层为②湿陷性粉土，上部主要为不均质的①1杂填土、①2素填土，下部为④粉质黏土、⑤粉土、⑥粉质黏土和⑦粉土，中部夹有一层薄中砂层，为③细中砂层，厚度为1.5m，各地基土的物理力学指标见表1。

表1 建筑地基土物理力学指标

2 纠倾和加固方案的确定

经过研究建筑物的结构形式、使用年限、地质条件和周边环境，确定采用止倾和控倾的双措施进行建筑物的防不均匀沉降和加固，采取掏土法对建筑物进行倾斜纠正[8]。在建筑物北侧沉降较大的地方采用止倾措施，设置止沉桩防止建筑物的进一步沉降，按照桩基承载力计算方法进行计算[9,10]，如公式（1）所示。确定所有止沉桩承担约20%的上部建筑物荷载，因此，设计桩总数为50 根，桩直径为165mm，桩长度为18.5m，桩中心间距为3m；同样的方法，为了防治掏土过程中建筑南侧出现突然沉降或者过快沉降，在南侧采取了控倾措施[9,10]，具体为设置25 根锚杆静压桩，所有锚杆静压桩承担约10%的上部建筑物荷载，静压桩为圆形普通钢管，壁厚为10mm，桩直径为165mm，桩长度为18.5m，桩中心间距为3m。

式中Quk为单桩竖向承载力，kN；li为第i层土的厚度，m；qsik为第i层土与桩体的侧壁摩阻力，kPa；qpk为桩端的土层极限端阻力，kPa；u为单桩的周长，m；Ap为桩端面积，m2。

掏土法的施作主要由南侧两个地下停车场间隙位置挖出的5个辐射井提供操作空间，辐射井位置分别设置在7轴～9轴、18轴～19轴、26轴、35轴和43轴处，辐射井的平面长度为2.5m，平面宽度为1.5m，挖出井深度止筏板底部以下约1.5m，辐射井深度约9.5m，由人工在辐射井内施工[11-12]，对褥垫层下湿陷性粉土进行掏土，掏土孔在平面上呈辐射状，孔直径为100mm，孔中心间距小于1.5m，如图2所示。

图2 建筑纠偏和加固方案

3 掏土孔周边应力变形演化数值模拟分析

掏土孔的变形和受力还是控制纠偏的关键，为了研究掏土孔的纠偏效果，运用数值模拟手段分析掏土孔周边应力变化过程。模拟分析软件为岩土迈达斯GTS软件，掏空直径为100mm，孔周边土体为湿陷性粉土，其本构关系为摩尔库伦屈服准则[13]，岩土体物理力学计算参数见表1，土体泊松比为0.31，搭建的掏土孔数值模型如图3 所示。模型网格划分采用软件内置的矩形网格划分，计算时约束左右两侧的水平位移，上表面和下底面的竖向位移也为零。计算步骤分别为地应力平衡，土层应力和初始位移为零→上部建筑物荷载加载至上表面→掏土孔内土层移除→应力和位移云图生成。

图3 掏土孔数值计算模型

图4 为掏土孔施工时周边土体的应力分布和应变分布。从图4（a）中可以看出，在土体中进行掏土施工后，土体受到扰动，其原位应力发生重新分布，其最大应力发生在圆孔的左右两侧，呈对称分布，圆孔上下应力较低，应力路径也发生偏转，从图中I-I 可以读取应力的最大值为177kPa，应力峰值距离圆孔中心距离为200mm，约为2倍孔直径；从图4（b）中可以看出，与土体的应力变化相适应，土体的最大位移也发生在圆孔的两侧，呈对称分布，其余位置塑性变形较小，从图中IIII 可以读取圆孔的塑性扰动区宽度为390mm（半径为195mm）。综合分析可知，在实际工程掏土过程中，为了避免土体的过分扰动，应控制掏土孔的间距和直径，避免并排孔过密导致土体应力和塑性位移的叠加。