某高层建筑物室内联合迫降纠偏加固方法的应用

郭俊杰

(上海长凯岩土工程有限公司 上海 200093）

0 引言

地质条件较好地区，建筑物通常采用天然地基，不仅可以节省工期，还可以节省造价，是一种优势比较明显的地基选型方案。由于设计缺陷、地基处理施工质量、局部软弱土体、深层软弱层、室外堆土、基坑开挖、降水、土体湿陷等原因，天然地基的建筑物极易发生不均匀沉降，引起建筑物倾斜、结构开裂等问题，严重影响结构安全和正常使用。

建筑物出现不均匀沉降且沉降速率无收敛趋势时，需要先进行基础加固，使建筑物处于稳定状态。锚杆静压桩是一种常用的基础加固方法，且有丰富的成功案例，对于沉降较大侧，可以采用预应力封桩的方法快速止沉，对于沉降较小侧可采用注浆和预留沉降的方法进行被动纠偏［1］。基础加固完成后，可对建筑物进行纠偏，主要有顶升纠偏和迫降纠偏。对于纠偏量不大的建筑物，迫降纠偏方法具有成本低、施工风险小等优势。付斌［2］在建筑物沉降较小一侧的室外开挖辐射井，辐射井内设置若干射水孔，通过高压水冲走土体，降低地基土强度，完成了上海一幢5层砌体结构房屋的迫降纠偏。在辐射井迫降纠偏方法的基础上，配合室外斜孔掏土的方法，可以提高迫降纠偏的效率［3］。袁开军等人［4］采用注浆的方法对基础进行加固，并采用分批掏土纠偏的方案解决了北京某11层高层建筑的严重倾斜与地基沉降不稳定的问题。张勤羽［5］提出了一种在软土地区建筑物沉降较小一侧的基底取土的纠偏方法，通过减少地基土支撑面积，在上部荷载的作用下，增加地基土有效应力，加速沉降。在湿陷性黄土地区，孙琪等人［6］提出了多竖井开挖分批水平掏土迫降+锚索加压调控+钢管桩与灰土桩加固的综合纠偏加固措施。对于有桩基的建筑物，可采用截桩的方法降低地基承载力，加速沉降较小一侧的沉降，陈立荣［7］提出的截桩可控纠偏技术较早在国内实施应用，近几年新型截桩迫降技术也有较多成功案例［8-9］。

目前常用的迫降纠偏方法大多在室外施工［10-11］，很难兼顾项目的保密性；单一的掏土纠偏或者辐射井冲水纠偏的效率较低；而截桩迫降纠偏不仅成本较高，而且具有一定的“突沉”风险。以往案例大多为多层建筑，具有地下室的高层建筑迫降纠偏鲜有报道。

本文结合安阳某11层高层住宅项目，避开常规迫降纠偏方法的短处，提出在室内施工，采用锚杆静压桩预应力封孔技术快速控制沉降，并采用掏土联合冲水振捣进行迫降纠偏，高效解决建筑物倾斜问题，为迫降纠偏提供了一种新的综合处理方案。

1 工程概况

1.1 项目概况

安阳某一高层住宅地上11 层+1 层阁楼，地下1层。地下1层层高为2.75 m，上部各层层高均为2.9 m，房屋高度32.50 m，室内外高差为0.6 m，东西长约42.8 m，南北宽约14 m，为现浇钢筋混凝土剪力墙结构。基础采用天然地基，持力层为第①层粉土，承载力特征值为120 kPa；修正后的地基承载力为203 kPa，基础形式为筏板基础，板厚600 mm，埋深3.45 m。

主体结构完成后，进行安装工程施工时发现，电梯安装困难，建筑物出现较严重不均匀沉降，且无收敛趋势，亟需进行基础加固和纠偏处理。

1.2 地质条件

原勘察报告根据钻探和标贯试验结果，揭露出场地土层主要有粉土和粉质粘土组成。自上而下各土层分布情况及主要物理力学指标如表1 所示，典型地质剖面如图1所示。

表1 场地土体主要物理力学指标Tab.1 Main Physical and Mechanical Indexes of Site Soil Mass

图1 典型地质剖面Fig.1 Typical Geological Section （mm）

1.3 沉降及倾斜监测结果分析

根据沉降观测数据，建筑物沉降状况可分为如下3个阶段（沉降观测点平面布置如图2所示）：

图2 沉降观测点平面布置Fig.2 Plane Layout of Settlement Observation Points （mm）

⑴第一阶段：主体结构施工，2017年8月～2017年11 月。从处理前监测点沉降曲线（见图3）中可知，主体结构在从一层施工至阁楼的过程中，沉降量不断增加，沉降速率逐渐变大。东南角沉降最大，累计沉降量达到65.93 mm；西北角沉降最小，累计沉降量为31.71 mm；南北最大倾斜已达到0.113%，最大沉降速率4.89 mm/d。2017年12月～2018年1月为停工状态，东南角最大沉降量为7.06 mm，沉降速率有所趋缓。

图3 处理前监测点沉降曲线Fig.3 Settlement Curve of Monitoring Points before Treatment

⑵第二阶段：填充墙、抹灰、安装等施工，2018年2月～2018年8月。监测数据显示，第二阶段沉降速率随着荷载的增加迅速加快，东南角第二阶段沉降量达到103.79 mm。

⑶第三阶段：观测阶段，2018年9月～2018年10月。第三阶段基本无荷载增加，但是建筑物的沉降未趋于稳定，南侧平均沉降速率仍大于0.04 mm/d。

通过各阶段的监测结果可以表明，地基承载力无法满足上部荷载要求，最大倾斜已达到0.284%（处理前）。如果再不采取加固措施，建筑物差异沉降不断增大，将严重影响结构安全和后期使用。

1.4 不均匀沉降原因分析

对比分析原勘察报告中该区域各层土标贯击数（见表2）可以看出，建筑物基底下土层的平均标贯击数呈现西大东小的趋势，与西侧沉降小，东侧沉降大的特征相吻合。

表2 标准贯入击数统计Tab.2 Statistical of Standard Penetration Blows

从补充勘察的双桥静力触探结果（见图4）同样可以看出，在基底以下约7 m范围内，建筑物东南角以下的土体qc值和fs值明显低于建筑物西南角以下的土体。东、西侧地基承载力特征值差异明显，后期沉降量也会有较大差异。

图4 双桥静力触探对比曲线Fig.4 Comparison Curve of Double Bridge Static Penetration Test

天然地基持力层为第①层粉土，施工过程中易受扰动。勘察单位提供的验槽报告显示，基槽内顶部地基土受扰动。而施工时，基底土体很难做到差异化处理。

现场踏勘发现，建筑物西侧部分地基土由于受林木影响，地基土含水量较低，承载力较大。

综合考虑原勘察报告的标准贯入试验结果、补充勘察的双桥静力触探结果、现场施工情况、周围环境等因素，建筑物发生不均匀沉降的主要原因是东侧地基承载力相对于西侧低，现场施工时未对东、西侧天然地基进行区别处理。随着上部荷载的增加，东南区域（沉降观测点M5、M6、M7）沉降速率远大于西北区域，从而东、西侧差异沉降不断加大。

2 基础加固纠偏设计方案

设计方案分两个部分，第一部分为沉降较大区域的基础加固，第二部分为沉降较小区域的迫降纠偏。

2.1 基础加固方案

加固处理时建筑物已完成填充墙施工，地下室空间狭小，最大净高不足2.9 m，业主要求全部处理工作均在室内完成。因此，选择锚杆静压钢管桩进行基础加固。

针对基底土体分布的特点，在地下室东南区域，先施工第一批钢管桩，桩型为ϕ273×8，材质Q235，桩长约16 m，桩端持力层位于第⑥层粉质粘土中，ϕ273×8 桩顶锚入底板底面以上约10 cm，ϕ273×8 钢管顶插入H200×200×8×12传力型钢（顶面高出底板顶面约10～20 cm，后期放置千斤顶进行预应力封桩），单桩承载力特征值为550 kN，以压桩动阻力控制为主，桩长控制为辅，终桩动阻力不小于1 100 kN。压桩完成后，采用预应力封桩技术使钢管桩快速承受上部荷载。预应力封桩如图5所示。

图5 预应力封桩Fig.5 Prestressed Pile Sealing

迫降纠偏完成后，为防止建筑物后期有过大的沉降，需施工第二批钢管桩，桩型为ϕ219×8，材质Q235，桩长约16 m，桩端持力层位于第⑥层粉质粘土中，ϕ219×8 桩顶锚入底板底面以上约10 cm（无传力型钢，后期不进行预应力封桩），单桩承载力特征值为425 kN，终桩动阻力≥850 kN。封桩前，在第二批钢管桩顶部设置不同厚度的泡沫板（厚度2～7 cm，详见图6），根据建筑物倾斜情况，预留后期沉降量。

图6 基础加固平面布置Fig.6 Foundation Reinforcement Layout Plan

2.2 迫降纠偏方案

迫降纠偏采用的是多种纠偏方法联合使用的综合方案。

首先在沉降较小区域，利用第二批锚杆静压钢管桩的压桩孔（孔径约300 mm，深度打穿底板），在底板下掏土，掏土直径≥1.5倍压桩孔，深度≥2 m。通过在基底掏土，可减少底板与地基土的接触面积，增大土体应力，加速沉降。

然后在掏土孔内采用高压水冲刷地基土（高压水不大于1 MPa）。高压水由注浆泵泵送，端部连接钢叉，高压水从钢叉端部冲出。冲刷地基土的同时，钢叉不断振捣掏土孔侧壁和底部地基土（见图7）。通过高压水冲刷和振捣，可迅速破坏部分地基土结构，降低地基土承载力，迫使基础下沉。冲刷和振捣土体的频率不小于2～3 次/h，每孔单次3～5 min，每天24 h 不间断扰动土体，直至基础沉降达到预定沉降量，建筑物倾斜满足设计要求。

图7 冲水振捣示意图Fig.7 Schematic Diagram of Flushing and Vibrating

最后，快速施工第二批锚杆静压钢管桩，钢管桩施工完成后，采用碎石填充掏土孔，并在桩顶预留泡沫板再封桩，完成纠偏全部工作。

3 方案计算分析

3.1 桩身强度验算

ϕ219×8 钢管桩计算参数：t/d=8/219=1/27.4，d＜600 mm，桩身局部压屈验算：

式中：t为钢管壁厚；d为桩径；N为最大压桩动阻力；fy为钢材抗压强度设计值；As为钢管截面面积。

ϕ273×8 钢管桩计算参数：t/d=8/273=1/34.1，d＜600 mm，桩身局部压屈验算：

N＜fyAs=215×3.14×（0.273×0.273-0.257×0.257）/4×1 000=1 431.21 kN。

桩身强度满足《建筑桩基技术规范：JGJ 94—2008》要求。

3.2 单桩承载力验算

采用闭口钢管桩，λp=1，按下列公式计算钢管桩单桩竖向极限承载力标准值Quk：

式中：Qsk、Qpk分别为总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值；u为桩身周长；li为桩周第i层土的厚度；Ap为桩端面积。

经计算，ϕ219×8 和ϕ273×8 钢管桩单桩竖向极限承载力标准值为851.34 kN和1 101.76 kN。

3.3 地基沉降验算

原基础采用天然地基，第一批压桩区域地基土承载力较低，第二批压桩区域地基土受到掏土联合冲水振捣的影响，底板下地基土全按软土考虑。因补打的钢管桩以控制沉降为主，间距较大（＞6倍桩径），所以迫降纠偏后的最终沉降s按照减沉复合疏桩基础进行计算（计算结果如图8所示）。

图8 沉降等值线Fig.8 Settlement Contour

式中：ψ为沉降计算经验系数；ss为由承台底地基土附加压力作用下产生的中心点沉降；sp为由桩土相互作用产生的沉降。

通过计算可知，采用掏土联合冲水振捣迫降的方法，可以使基础最大迫降约12 cm。

4 施工过程

⑴在第一批施工钢管桩区域（沉降较大区域）的底板上开孔，孔径约300 mm，要求打穿底板和垫层；

⑵在压桩孔附近种植锚杆；

⑶安装压桩反力架，分节施工第一批钢管桩（ϕ273×8 钢管），单节钢管长度1～2 m，终桩时以压桩动阻力控制为主，桩长控制为辅；

⑷在ϕ273×8钢管桩顶部施加预应力，预应力不小于1 000 kN，然后采用灌浆料快速封桩，并恢复顶层钢筋；

⑸在第二批施工钢管桩区域（沉降较小区域）的底板上开孔，孔径约300 mm，要求打穿底板和垫层；

⑹利用第二批底板开孔，在底板下进行掏土；

⑺在掏土孔内对地基土进行冲水和振捣扰动，开始对建筑物进行迫降纠偏；

⑻采用与第一批施工钢管桩同样的方法，分节施工第二批钢管桩（ϕ219×8钢管）；

⑼在ϕ219×8钢管桩顶部设置泡沫板，用碎石填充掏土孔，最后再封桩。

纠偏过程中加强对建筑物的沉降观测，人工监测不小于2次/d，根据沉降速率，动态调整地基土的扰动强度和频率。

5 基础加固纠偏效果分析

5.1 单桩承载力满足设计要求

ϕ273×8 钢管桩施工过程中间隔0.6 m 记录一次压桩动阻力，将压桩动阻力曲线与补勘双桥静力触探曲线对比（见图9）可以发现，压桩动阻力随着静探曲线的波动而起伏变化，两者变化趋势保持一致，桩端入土深度达到16 m 时，桩端位于较硬持力层，单桩承载力较高。

图9 压桩动阻力与静力触探对比曲线Fig.9 Comparison Curve between Dynamic Resistance of Pile Pressing and Static Penetration Test

压桩完成后，对ϕ273×8钢管桩进行静荷载试验。从Q-s曲线（见图10）可以看出，最大加载值达到1 400 kN时，桩顶累计沉降约12 mm，满足设计和《建筑桩基技术规范：JGJ 94—2008》要求。

图10 静载荷试验Q-s曲线Fig.10 Q-s Curve of Static Load Test

5.2 纠偏加固效果明显

迫降纠偏工作从2019年2月底开始至2019年4月底结束，从开始处理后监测点沉降曲线（见图11）可以得出，建筑物西侧的沉降随着冲水振捣工作的持续而稳定增加，其中西北角观测点M2 最大迫降高度达到89 mm，而建筑物东侧观测点M5 和M6 从基础加固完成后基本无变化。

图11 开始处理后监测点沉降曲线Fig.11 Settlement Curve of Monitoring Points after Starting Processing

2019 年5 月初全部纠偏加固工作完成后，建筑物的沉降一直保持稳定状态。截止2019 年9 月底，大于100 d 的沉降数据显示，建筑物的变形速率为0.01～0.02 mm/d，满足《建筑变形测量规范：JGJ 8—2016》界定的趋于稳定状态要求。

6 结语

文章结合工程实践，对在室内进行迫降纠偏的综合方法作了详细说明。根据相关数据，可以得出如下主要结论：

⑴ 迫降纠偏前应对沉降较大区域进行基础加固，并采用预应力封桩的方法，快速控制该区域的沉降，从而可以减少后期纠偏工作量；

⑵在室内进行掏土联合冲水振捣的综合纠偏方法，不仅对周边环境影响极小，而且可以持续稳定的迫使基础发生沉降，迫降速率可控，效果显著；

⑶迫降纠偏完成后，对迫降区域进行基础加固，并用泡沫板预留一定沉降量，可控制后期总沉降量，避免出现“超纠”问题。

综合迫降纠偏加固技术的成功应用，可以有效解决具有地下室高层既有建筑不均匀沉降的问题，为处理类似问题提供了一种新的设计和施工思路，具有显著的经济效益和社会效益。