李清泉,程曉偉，肖 洋

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,甘肅 蘭州 730002；2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司,四川 成都 611731)

隨著城市化進(jìn)程,城區(qū)面積不斷擴(kuò)大,主城區(qū)建設(shè)飽和,新城建設(shè)難免遇到不良地質(zhì)條件。如蘭州、西寧等區(qū)域中心城市,處于河流(黃河、湟水)谷地的主城區(qū)建筑飽和之后,都在向河流兩側(cè)的濕陷性黃土高山上規(guī)劃建設(shè)新建筑。新建建筑對場地的開挖和回填,必然減小坡面坡度,導(dǎo)致排水不暢。地面積水極易下滲到地基,進(jìn)而發(fā)生因建筑不均勻沉降而導(dǎo)致的建筑傾斜。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),僅西寧市南山附近地區(qū),近5年來至少有9座建筑發(fā)生地基不均勻沉降,其中2座傾斜較為嚴(yán)重的建筑已經(jīng)拆除重建；蘭州市的九州地區(qū),近3年來,至少5座建筑發(fā)生了地基不均勻沉降導(dǎo)致的建筑傾斜。

通過糾傾加固恢復(fù)傾斜建筑的使用功能,在經(jīng)濟(jì)效益、工期、資源環(huán)境、社會影響等方面有巨大的優(yōu)勢。糾傾加固工程由糾傾和加固兩部分組成,猶如“打江山和坐江山”,只有加固措施牢固可靠,才能保證建筑長久穩(wěn)定。目前西北黃土地區(qū)常用的既有建筑物地基基礎(chǔ)加固方法有錨桿(坑式)靜壓樁、注漿加固、擴(kuò)大基礎(chǔ)、灰土樁法、樹根樁等。這些加固方法在黃土地區(qū)或多或少都存在一定的局限性,如注漿法會使?jié)裣菪渣S土地基產(chǎn)生較大的附加沉降[1]，靜壓樁法要克服黃土地基較大的摩阻力等[2]。

經(jīng)過近年在西北黃土地區(qū)糾傾加固工程多次實(shí)踐,總結(jié)出微型樁結(jié)合灰土樁的地基基礎(chǔ)加固方法,它集合了微型樁與灰土樁兩者的優(yōu)點(diǎn),并使兩種加固方法協(xié)同工作,能提供較大的承載力,在多處糾傾加固工程中加固效果良好,為黃土地區(qū)高層建筑物糾傾加固工程提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

1 傳統(tǒng)微型樁構(gòu)造

微型樁具有施工簡單、承載力較高、控制沉降效果好等優(yōu)點(diǎn),自1985年首次在上海應(yīng)用以來[3],近年來廣泛應(yīng)用于地基加固和基礎(chǔ)托換工程中。微型樁多布置在建筑的柱、角點(diǎn),通過樁頂與建筑基礎(chǔ)的連接,將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到微型樁上。傳統(tǒng)微型樁的結(jié)構(gòu)形式如圖1。

圖1 微型樁加固基礎(chǔ)剖視圖Fig.1 Section of foundation reinforcement with micro-pile

傳統(tǒng)微型樁首先在基礎(chǔ)上開鑿鉆孔,成孔之后安裝鋼筋,之后進(jìn)行孔內(nèi)注漿,最后通過植筋鋼筋混凝土將微型樁與建筑基礎(chǔ)連接。傳統(tǒng)微型樁的不足之處在于它適用于結(jié)構(gòu)自重較小的多層或低層建筑的地基基礎(chǔ)加固,對于自重較大的高層建筑,由于其能提供的承載力有限,加固效果不明顯[4]；需要在建筑基礎(chǔ)上鉆孔施工,難免會破壞原基礎(chǔ)的配筋,對建筑基礎(chǔ)造成一定損傷；微型樁長徑比較大,當(dāng)?shù)鼗翆ζ鋫?cè)限約束較小時(shí),在上部荷載作用下,易發(fā)生撓屈變形[5]。同時(shí),在濕陷性黃土地區(qū),微型樁的施工不能消除或降低地基的濕陷性，且在成樁注漿過程中,漿液中的水分會加重地基濕陷,削弱地基加固效果。

2 微型樁結(jié)合灰土樁加固措施

2.1 微型樁結(jié)合灰土樁結(jié)構(gòu)

微型樁結(jié)合灰土樁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是在基礎(chǔ)外側(cè)布置微型樁群,微型樁群間增加灰土樁,樁頂通過植筋鋼筋混凝土與基礎(chǔ)連接為整體。其結(jié)構(gòu)主要由微型樁群、灰土樁和樁頂連接結(jié)構(gòu)構(gòu)成,其立面圖和平面布置圖見圖2。

圖2 微型樁結(jié)合灰土樁立面和平面圖Fig.2 Section and plane of micro-pile with lime pile

微型樁在基礎(chǔ)外側(cè)施工,微型樁鉆孔施工不會破壞原基礎(chǔ)和地基,采用筏板側(cè)植筋的方式,擴(kuò)大筏板面積,使微型樁群直接承受外擴(kuò)筏板基礎(chǔ)荷載,基礎(chǔ)荷載有效傳遞到微型樁上。為滿足筏板基礎(chǔ)抗彎、抗沖剪要求,在筏板頂設(shè)置肋梁,肋梁通過與筏板和建筑基礎(chǔ)外墻植筋,使其與建筑基礎(chǔ)形成整體。

2.2 微型樁結(jié)合灰土樁施工工藝

(1)微型樁施工：核對放線位置后,進(jìn)行鉆孔施工,鉆孔完成之后,采用高壓風(fēng)進(jìn)行洗孔,排除孔內(nèi)沉渣；洗孔之后安裝微型樁鋼筋,微型樁鋼筋采用Φ48焊管外側(cè)幫焊3根Φ18鋼筋制作,最后進(jìn)行孔反壓注M30砂漿,確保注漿飽滿密實(shí)。

(2)灰土樁施工[6]：待微型樁施工完成之后,在微型樁中間內(nèi)插灰土樁。灰土樁鉆孔之后,采用生石灰∶黃土=3∶7的比例拌制灰土,采用人工或者機(jī)械方式夯填成樁,灰土樁施工必須夯填密實(shí)。依靠生石灰的吸水膨脹作用,擠密微型樁間土體,降低土體濕陷性,提高微型樁的承載力。為方便灰土樁鉆孔施工,微型樁可以采用兩段焊接而成?；彝翗侗仨毷┕ぴ谖⑿蜆妒┕ぶ?依靠生石灰的吸水膨脹作用,降低地基土的含水量和提高微型樁樁間土的強(qiáng)度。

(3)筏板外擴(kuò)施工：通過筏板植筋,對筏板進(jìn)行外擴(kuò),外擴(kuò)筏板座在樁頂上方。微型樁的主筋深入到外擴(kuò)筏板中,加強(qiáng)筏板與微型樁的連接。同時(shí)增加筏板上部肋梁[7],肋梁通過植筋與筏板和建筑外墻連接,使外擴(kuò)筏板與原筏板變形協(xié)調(diào),受力均勻。

2.3 微型樁結(jié)合灰土樁優(yōu)勢

(1)灰土樁加固了微型樁中間的土體,在兩種樁的協(xié)同工作過程中,灰土樁可以限制微型樁側(cè)向位移,降低了微型樁在頂部荷載下的撓屈變形,同時(shí)也提高微型樁樁側(cè)摩阻力,提高微型樁的承載力。

(2)通過微型樁和灰土樁施工,將濕陷性黃土置換為鋼筋混凝土和三七灰土,同時(shí)具有地基換填和復(fù)合地基的作用,提高了地基承載力。

(3)樁頂通過外擴(kuò)筏板與建筑筏板基礎(chǔ)連接為一體,擴(kuò)大了基礎(chǔ)面積,同時(shí),建筑荷載通過微型樁傳遞到較深地層,對控制建筑沉降作用明顯。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

甘肅省某小區(qū)3#樓為地下1層,地上17層的商住樓。為框架剪力墻結(jié)構(gòu),平板式筏形基礎(chǔ),地基采用孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法整片處理,處理深度為基礎(chǔ)下8 m。一至三層塔樓區(qū)域?yàn)樽≌?其余為商鋪,四至十七層均為住宅,建筑總高度為49.7 m,地基處理后,大樓地基承載力特征值為260 kPa,壓縮模量為19.8 MPa,黏聚力為32 kPa,內(nèi)摩擦角為19°。

2013年9月,主體結(jié)構(gòu)封頂,在進(jìn)行設(shè)備安裝過程中發(fā)現(xiàn)外墻及電梯井存在傾斜現(xiàn)象。根據(jù)2015年3月4日的大樓垂直度監(jiān)測數(shù)據(jù)得到大樓傾斜情況(圖3)。

圖3 大樓傾斜方向和傾斜率示意圖Fig.3 Schematic diagram of the building’s incline

3.2 糾傾加固措施

經(jīng)現(xiàn)場勘查,結(jié)合第三方檢測報(bào)告,建筑發(fā)生傾斜的主要原因有：①基礎(chǔ)偏心嚴(yán)重,筏板偏心距比值e/(0.1W/A)=6.37,雖然設(shè)置了后澆帶,但是在建筑未完成固結(jié)沉降時(shí)就進(jìn)行了后澆帶施工，筏板不均勻沉降嚴(yán)重；②地基處理層下部有軟弱下臥層,且厚度不均勻,沉降較大側(cè)下臥層厚度較大；③沉降較大側(cè)填土高出另外一側(cè)3.6 m,填土產(chǎn)生的附加應(yīng)力與地基應(yīng)力疊加,產(chǎn)生較大的沉降量[8]。

根據(jù)對大樓傾斜原因的分析,制定了“水平孔掏土迫降+微型樁結(jié)合灰土樁加固”的糾傾加固措施。糾傾加固措施平面圖見圖4。

圖4 糾傾加固措施平面圖Fig.4 Plane map showing the engineering measures

具體工程措施為：

(1)糾傾措施：大樓南北向傾斜率較小,在規(guī)范允許范圍內(nèi)；設(shè)計(jì)對大樓的東西向進(jìn)行單向糾傾。在大樓迫降側(cè)(東)施工豎井和取土巷道,取土巷道內(nèi)進(jìn)行鉆孔取土施工,鉆孔間距20 m,孔徑150 mm,取土孔長度不等；共設(shè)5個豎井,每個豎井內(nèi)在筏板上設(shè)2束加壓錨索,每束錨索設(shè)計(jì)拉力50 t。鉆孔施工達(dá)到大樓沉降臨界值時(shí)進(jìn)行錨索加壓,通過錨索拉力控制大樓沉降,保證精確可控。

(2)加固措施：在大樓加固側(cè)采用微型樁結(jié)合灰土樁進(jìn)行加固,共設(shè)5個豎井,每個豎井內(nèi)布置15根微型樁和8根灰土樁,兩種樁徑均為150 mm,樁長15 m,加固樁穿過軟弱下臥層,深入到穩(wěn)定地層。

為了使地基基礎(chǔ)荷載能較好地傳遞到微型樁上,將靠近基礎(chǔ)的一排微型樁施工在基礎(chǔ)平面下部,基礎(chǔ)荷載可以直接傳遞到該排微型樁上；由于需要在基礎(chǔ)下部施工微型樁,為了提供足夠的施工凈高,微型樁作業(yè)面低于基礎(chǔ)底2 m。該排微型樁采用特殊加工的短軌道鉆機(jī)成孔、微型樁分段安裝的施工方法。

為使微型樁和灰土樁能相互作用,共同受力,在灰土樁頂設(shè)置三七灰土墊層和頂板聯(lián)系梁；微型樁的主筋標(biāo)高與外擴(kuò)筏板頂標(biāo)高相同,加強(qiáng)樁與基礎(chǔ)的連接。在施工完成之后,基礎(chǔ)底以下2 m高的鉆孔施工空間換填為三七灰土和鋼筋混凝土。其由下到上的順序?yàn)槿呋彝翆?、素混土墊層、鋼筋混凝土頂板、三七灰土層、素混凝土墊層、外擴(kuò)筏板，加固措施斷面圖見圖5。

圖5 加固措施斷面圖Fig.5 Section of engineering measures

3.3 糾傾加固效果

由于不均勻沉降一直處于發(fā)展過程,需先進(jìn)行地基基礎(chǔ)加固工作,以達(dá)到止傾效果；完成加固止傾之后,再進(jìn)行迫降側(cè)的掏土孔施工。項(xiàng)目2015年5月8日開始施工,經(jīng)過106 d奮戰(zhàn),完成大樓的糾傾加固工作,大樓各控制觀測點(diǎn)東西向和南北向的傾斜率均回傾到規(guī)范允許范圍內(nèi)。施工完成之后通過了建設(shè)單位組織的驗(yàn)收,之后,繼續(xù)對大樓進(jìn)行沉降觀測,截止到2015年12月10日,大樓的各觀測點(diǎn)傾斜率見圖6,各沉降觀測點(diǎn)時(shí)間-沉降量曲線見圖7。

圖6 3號樓糾傾成果圖Fig.6 Results of the inclination-rectifying project

圖7 3號樓糾傾時(shí)間-沉降量曲線圖Fig.7 Plot of time-settlement

從圖7可以看出,在糾傾加固的三個階段,大樓的各觀測點(diǎn)沉降量有明顯的特征：在地基加固階段,大樓各觀測點(diǎn)均有沉降,日沉降量不大；在掏土糾傾階段,大樓加固側(cè)和迫降側(cè)差異沉降明顯,反映出大樓的迫降回傾過程；在工后監(jiān)測階段,沉降曲線日趨平緩,大樓沉降趨于穩(wěn)定[9]。

其中,6月25日進(jìn)行微型樁注漿施工,由于注漿對地基土的軟化,加固側(cè)各觀測點(diǎn)均有沉降發(fā)生；7月8日加固側(cè)的微型樁和灰土樁施工完成之后,加固側(cè)各觀測點(diǎn)未產(chǎn)生較大沉降,各觀測點(diǎn)百日沉降速率最大值由加固前的0.11 mm/d降低至加固后的0.02 mm/d；截止到2015年12月10日,大樓進(jìn)入沉降穩(wěn)定期,加固樁起到了迅速止傾的作用，并在控制沉降方面取得了良好的效果。

4 結(jié)論及建議

(1)微型樁中間內(nèi)插施工灰土樁,是對微型樁這種地基基礎(chǔ)加固結(jié)構(gòu)的發(fā)展,充分利用了微型樁和灰土樁的優(yōu)點(diǎn),能提供較大的承載力,較好地控制地基沉降。微型樁應(yīng)深入到承載力較大的地層,依靠灰土樁對其約束,控制其撓屈變形,提高整體承載力。

(2)灰土樁應(yīng)在微型樁完成之后施工,以達(dá)到擠密樁間土、降低地基含水量、提高微型樁承載力的效果。石灰應(yīng)采用生石灰,灰土比例可以根據(jù)地基含水量和濕陷性適當(dāng)調(diào)整,有條件的應(yīng)作試樁。

(3)樁頂與既有建筑基礎(chǔ)的連接,應(yīng)考慮原基礎(chǔ)抗沖剪、抗彎和新舊結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形因素。

(4)在基礎(chǔ)正下方施工微型樁,可以使建筑荷載直接作用在樁頂,加固措施沒有全部完成就能取得止傾效果。但是,對加固側(cè)基礎(chǔ)正下方地基的開挖減小了基礎(chǔ)承載面積,不利于建筑止傾,有利有弊,應(yīng)慎重采用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 湯文崗,李曉昭,黃慷,等.注漿沉降法建筑物糾偏加固機(jī)理與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2005,13(4):551-556. [TANG W G ,LI X Z , HUANG K ,etal. Mechanisms and key technology of rectification and reinforcement of structure by grouting[J].Journal of Engineering Geology, 2005,13(4):551-556. (in Chinese)]

[2] 李清泉,張小兵,程曉偉.鉆孔取土和錨桿靜壓樁在濕陷性黃土地區(qū)建筑物糾傾加固中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2013，53(6)：118-121. [LI Q Q,ZHANG X B, CHENG X W. Application of bored perforation and anchor static pressure about building rectify a deviation reinforce in collapsible loess area[J]. Railway Engineering, 2013，53(6)：118-121.(in Chinese)]

[3] 孫少銳,吳繼敏,魏繼紅,等. 樹根樁加固邊坡的穩(wěn)定性分析與評價(jià)[J]. 巖土力學(xué)，2003,24(5):776-780. [SUN S R ,WU J M ,WEI J H ,etal. Stability analysis and evaluation of slope reinforced with root piles[J].Rock and Mechanics，2003,24(5):776-780.(in Chinese)]

[4] 王輝,陳劍平,闕金聲,等. 樹根樁在基礎(chǔ)加固中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J]. 巖土力學(xué),2006，27(增刊2):1290-1294. [WANG H ,CHEN J P, QUE J S,etal. Research on design and application of root piles to strengthening foundation[J]. Rock and Mechanics, 2006,27(Sup2):1290-1294.(in Chinese)].

[5] 王建平,董繼洲. 不同土質(zhì)條件下樹根樁承載性狀分析[J].土工基礎(chǔ)，1997,11(3):34-38. [WANG J P, DONG J Z. Analysis of root pile bearing capacity in different soil[J]. Soil Engineering and foundation,1997,11(3): 34-38.(in Chinese)]

[6] 陳金洪,王少文,雷鵬. 灰土樁施工技術(shù)探討[J].土工基礎(chǔ),2002, 16(1):39-41. [CHEN J H,WANG S W ,LEI P.Construction technology of lime pile[J].Soil Engineering and foundation, 2002, 16(1):39-41.(in Chinese)]

[7] 林剛. 大空間密肋梁模架施工技術(shù)[J].建筑技術(shù)，2015,4(8):693-695. [LIN G. Construction technique of large space dense rib beam formwork[J].Architecture Technology,2015,4(8):693-695.(in Chinese)]

[8] 聶如松,冷伍明,魏麗敏,等.堆載對既有橋墩樁基礎(chǔ)影響距離分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2017,44(1):64-70. [NIE R S , LENG W M , WEI L M ,etal.An analysis of the distance between surcharge load and existing bridged pile foundation in soft clay[J].Hydrogeology & Engineering Geology,2017,44(1):64-70.(in Chinese)]

[9] 馬閆,王家鼎,李彬,等.壓實(shí)黃土變形影響因素與計(jì)算模型研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2016,43(2):44-53.[MA Y ,WANG J D ,LI B ,etal. Influence factors on the compressibility of compacted loess and empirical constitutive models[J].Hydrogeology & Engineering Geology, 2016,43(2):44-53.(in Chinese)]