大直径锚杆静压钢管桩在软土地基建筑加固纠偏中的应用研究

2024-04-21傅吉续

砖瓦 2024年4期

傅吉续秦浩

（1.济宁祥城建设监理有限公司，山东济宁 272400；2.山东建筑大学工程鉴定加固研究院有限公司，山东济南 250014）

城镇化进程下我国修建了大量的住宅和商业建筑，建筑的形体和结构形式也日趋复杂，这对于地基变形的要求也日益严格。修建在软土地基上的建筑工程受到地基处理设计失误、勘察不详尽、岩土力学性质差、施工管理不善等因素的影响，在长期使用过程中极易引发结构的不均匀沉降和地基大沉降，进而导致结构物的开裂甚至倾斜，直接影响结构安全性和正常使用功能，因此，需要对建筑进行纠偏和加固，以控制裂缝和倾斜的进一步发展，回复倾斜率到规范允许范围内。软土地基自身具有大孔隙比、高天然含水量、高压缩性和高灵敏度的特性，在上部结构荷载作用下产生地基局部剪切破坏、地基失稳、整体扰动等不良现象，在这种情况下需要对地基进行地基承载力加固，以避免建筑物发生失稳破坏[1-2]。建筑物的加固纠偏是一种相当复杂的特种技术，目前，既有建筑物的地基加固和纠偏方法众多，应用较为广泛的有扩大基础法、注浆加固法、顶升纠偏法、压桩掏土纠偏法、桩基加固法等。其中，锚杆静压桩法作为桩基加固法的一种，其施工工艺结合了锚杆和静力压桩工艺，在自重大的建筑物沉降控制和纠偏中应用较为广泛[3]。受到施工能力和施工设备的限制，锚杆静压桩使用直径较小且桩长较短，其压桩吨位不足，有关大直径锚杆静压桩用于高层既有建筑基础加固纠偏的应用报道较少[4-5]。

1 工程概况

山东省济宁市某既有高层建筑工程为23层剪力墙结构住宅楼，建筑面积为12169m2，设地下结构1层，结构安全等级二级，地基基础设计等级为甲级，场地特征周期为0.35s，建筑物于2020 年10 月完工进入使用阶段。基础采用预制预应力高强混凝土管桩+筏板基础的联合基础形式，预应力高强混凝土管桩的直径为600mm，桩长为15.5m，数量为116 根，单桩承载力特征值为4500kN，主要设置于结构承重柱下方，桩端持力层为⑥粉质黏土夹粉土层，筏板厚度为800mm，局部厚度900mm，混凝土强度等级为C35，建筑地下室筏板及预应力高强混凝土管桩平面布置如图1所示。

图1 建筑地下室筏板及预应力高强混凝土管桩平面布置/mm

场区地基以黏性土和细砂、中砂为主，存在2 层抗剪强度较低的软土层，分别为②1淤泥质粉质黏土、②2淤泥质黏土，建筑地基土的岩土工程地质参数如表1所示。

表1 场区地基土的物理力学参数

2 地基不均匀沉降分析

建筑物在2022 年3 月出现较为明显的倾斜现象，为了更为详细地了解建筑物的倾斜状况和沉降发展规律，在建筑结构周边布置15个监测点持续监测，监测点编号为S1～S15，监测时间从2022 年3 月5 日持续至2022年4月15日，监测最终得到位移沉降值分布如图2所示。结果表明，建筑物的沉降总体上呈现西侧小、东侧大的变化规律，最大沉降位移发生在S9监测点，沉降值为32.47mm，最小沉降位移发生在S3监测点，沉降值为7.89mm；建筑整体向西北方向倾斜，向西倾斜斜率为0.65‰，向北倾斜斜率为0.98‰，尚且小于规范中有关倾斜斜率不超过2.5‰的限值要求。建筑物的沉降速率较大，对比临近正常无不均匀沉降的楼栋，两者的沉降变形曲线如图3所示。从图3可以看出，倾斜楼栋的沉降速率最大达到0.54mm/d，超过了规范中的最大允许沉降速率0.40mm/d 的要求，且其沉降曲线无明显的收敛趋势，而正常楼栋的沉降值在16d 后趋于收敛，收敛值约为6.5mm，远小于倾斜楼栋的最大沉降位移32.47mm。因此，为了避免建筑物的沉降进一步加剧，引发建筑倾斜超标、地下室开裂漏水、上部结构裂缝等事故，有必要对建筑物的地基进行加固，对建筑物进行纠偏。

图2 监测点平面布置/mm

图3 倾斜楼栋与正常楼栋的沉降时程曲线对比

总体分析场地的地质条件容易发现，场区普遍分布2层相对较厚的软土，分别为②1淤泥质粉质黏土、②2淤泥质黏土，且这两层软土的分布厚度存在显著的差异，表现为东边厚、西边薄，给桩基承载力的不足带来了明显的隐患。此外，2层软土在预应力高强混凝土管桩打桩过程中，极易受到振动扰动，使得土体产生结构性破坏，出现大变形和地基承载力受损的情况，在建筑结构自重作用下逐步出现塑性大变形[6]。

3 大直径锚杆静压钢管桩加固和纠偏方案

综合现有的地基沉降变形、建筑倾斜、结构荷载分布情况，确定采用锚杆静压管桩加固和纠偏方案，以加强软土地基承载力不足的需求[7-8]。施工方案为在地基沉降变形较大的一侧采用直径426mm、厚度14mm的大直径锚杆静压钢管进行补桩，钢管材料强度为Q345B，补桩长度为21.5m，以⑦中砂为桩底持力层，钢管桩内部可以填充C30 素混凝土以提高其刚度，以新补充的钢管桩承担上部荷载，考虑到地下室的高度要求，补充钢管桩节段式压入，每节段长度控制在2m 左右，而在沉降量较小的一侧则采用普通压缩材料封桩的方式进行纠偏，并在该侧通气加压和膨润土注浆迫沉等措施控制施工中的不均匀沉降。

桩基础的承载力是评价加固效果的重要指标，也是评价基础工后沉降的重要前提[9]。为了保证大直径锚杆静压钢管桩的承载力要求，首先施工2根钢管桩作为试桩，现场测试其荷载-沉降曲线，以获得大直径锚杆静压钢管桩的极限承载力和单桩承载力特征值，结果如图4所示。从图4可以看出，2根钢管桩的荷载-沉降曲线变化规律基本一致，在荷载4600kN 之前，荷载与沉降的变形关系接近为线性，而在5800kN以后其沉降速度变大。为此，判断大直径锚杆静压钢管桩的单桩极限承载力均达到了5800kN，单桩承载力特征值不小于2900kN。

图4 大直径锚杆静压钢管桩试桩曲线

4 基于现场沉降变形监测的大直径锚杆静压钢管桩加固效果分析

为了验证大直径锚杆静压钢管桩的加固效果，基于施工全信息化监控系统，对加固期间和加固完成后的建筑物沉降进行监测[10]。选取图2中的沉降监测点S9 和S3 进行对比分析，结果如图5所示。从图5可以看出，采用大直径锚杆静压钢管桩后，沉降监测点S9和S3 的沉降值变化规律基本一致，呈现单调非线性增加并趋于收敛的趋势，在加固阶段（20d 内），建筑角点的沉降呈现非线性增加的趋势，而在加固后阶段（20d 以后），建筑角点的沉降值呈现收敛趋势，其中监测点S9的沉降收敛值为11.79mm，监测点S3 的沉降收敛值为27.57mm，有效调整了加固前的不均匀沉降，达到了加固纠偏的目的。