軟土地區(qū)某高層建筑地基加固現(xiàn)場實測及有限元分析

孫康才

(甘肅建投建設(shè)有限公司,甘肅 蘭州 730050)

建筑物發(fā)生不均勻沉降問題時有發(fā)生，給老百姓的日常生活帶來了諸多困擾[1-3].為保證建筑物的正常使用，基礎(chǔ)加固必不可少.國內(nèi)外對高層建筑基礎(chǔ)加固進行了大量的研究：張勇等[4]以某辦公大樓為例介紹了利用微型鋼管樁進行加固糾偏的方法，并通過監(jiān)測結(jié)果說明了本方法的成功性；石磊[5]研究了利用微型鋼管樁進行托換糾偏的可行性，并通過現(xiàn)場試驗確定了微型鋼管樁單樁承載力；潘健等[6]基于微型鋼管樁的承載力試驗，利用有限元法研究了微型鋼管樁與土的相互作用機理，認為端阻力是樁基承載力的主要部分；柴寶旭[7]和李湛[8]等分別提出了后灌注砼靜壓托換樁技術(shù)和新型微型樁技術(shù)，并利用室內(nèi)試驗、理論分析、工程實例等方法對所提新方法進行了研究；程曉偉等[9]利用基底掏土、錨索加壓的方法對一幢30層住宅樓進行了糾偏，詳細介紹了糾偏實施過程中的控制技術(shù)及防復(fù)傾加固措施；朱彥鵬等[10]介紹了濕陷性黃土地區(qū)利用生石灰膨脹法糾偏的方法，推導(dǎo)了生石灰使用量的理論公式，提出了建筑物糾偏新思路；陳森等[11]將樁式托換導(dǎo)坑掏土技術(shù)運用于漢中市某加固工程中，詳細論述了該方法的糾偏加固機理及設(shè)計施工要點.

由以上研究成果可以看出，建筑基礎(chǔ)糾偏加固已有很多成熟方法，也在很多工程實例中得到了使用驗證.但由于每個工程所處的環(huán)境和具體情況不同，故在加固糾偏過程中要具體問題具體分析.本文以經(jīng)歷了兩次基礎(chǔ)加固的某高層建筑為例，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬方法分析了該建筑兩次基礎(chǔ)加固的效果，以期為類似工程提供借鑒.

1 工程概況

1.1 工程背景

某住宅小區(qū)地下部分為整體地下一層結(jié)構(gòu)，8#樓建筑面積約13 200 m2，地上18層，剪力墻結(jié)構(gòu)；建筑東西向總長56.950 m，中間設(shè)置一條伸縮縫，南北向總長14.90 m；房屋總建筑高度為52.650 m；主樓采用高強預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)，無樁尖(開口)，樁型為PHC-A400(95)，樁端土為粉細砂層.房屋基礎(chǔ)和地下室部分混凝土強度設(shè)計等級為C35，地上兩層混凝土強度設(shè)計等級為C30，三層及以上混凝土強度設(shè)計等級為C25.該樓于2011年3月1日開工，2013年12月底完工.8#住宅樓西側(cè)和南側(cè)分別為商業(yè)R2#和R1#樓，均為兩層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地下一層車庫，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年.平面圖如圖1所示.

圖1 項目總平面圖(mm)Fig.1 General plan of this project(mm)

1.2 地質(zhì)水文條件

1.2.1地質(zhì)條件

項目場地原為農(nóng)田、村莊及溝塘，經(jīng)整平后場地較為平整，黃海高程一般在6.60～7.60 m之間，屬長江Ⅰ級階地.根據(jù)地基土的成因，土層結(jié)構(gòu)及土的物理力學(xué)性質(zhì)等，將項目影響范圍內(nèi)的土層分為5個大層，具體參數(shù)見表1.

表1 土層參數(shù)Tab.1 Parameters of soil layers

1.2.2水文條件

擬建場地地下水分為上層滯水及承壓水.上層滯水賦存于雜填土層中，其水位及含水量與雨水、季節(jié)變化有關(guān).②、④層為弱透水層；③層為飽水層；⑤層為透水層，地下水具微承壓性.地下水的水位埋深在0.50～2.00 m之間.

2 加固情況及現(xiàn)場實測結(jié)果

2.1 工程加固情況

項目8#樓于2013年12月完工后交付使用，2014年5月發(fā)現(xiàn)R2#商業(yè)樓東立面填充墻體出現(xiàn)“倒八字”形斜向裂縫，8#樓二單元104室～504室內(nèi)部填充墻體、樓面現(xiàn)澆板出現(xiàn)不同程度裂縫，監(jiān)測結(jié)果也發(fā)現(xiàn)樓體產(chǎn)生了不均勻沉降.針對上述問題，開發(fā)商對本項目進行了加固.

第一次加固：2014年5月，沉降監(jiān)測結(jié)果顯示8#樓、R1#和R2#商業(yè)樓均出現(xiàn)規(guī)范值容許范圍內(nèi)的不均勻沉降，經(jīng)相關(guān)專家及設(shè)計院討論后決定采用高壓旋噴樁對R1#和R2#樓地基進行加固，共布置800余根高壓旋噴樁[12]，樁長8 m，并于2014年6月至2014年8月完成地基加固施工.

第二次加固：沉降觀測數(shù)據(jù)反映首次地基加固處理后不均勻沉降明顯趨緩，但沉降速率仍有波動，考慮到水泥的凝結(jié)時間，2015年雖然沉降仍在發(fā)展，但并未做進一步處理，2016年8月確定在R1#商業(yè)樓、R2#商業(yè)樓、車庫及8#樓西側(cè)部位采用錨桿靜壓樁處理方案，共設(shè)計435根錨桿靜壓樁[13]，樁長25.0 m，樁端持力層為粉質(zhì)粘土夾粉土層.

2.2 工程監(jiān)測結(jié)果分析

2011年底共在8#樓上布置了6個位移監(jiān)測點(如圖2所示)，分別監(jiān)測各點的側(cè)向位移及沉降.截止2018年7月的側(cè)向位移監(jiān)測結(jié)果如表2所示.各監(jiān)測點的沉降曲線如圖3所示.

圖3 8#樓沉降監(jiān)測結(jié)果Fig.3 Settlement monitoring results of Building 8

表2 8#樓側(cè)向位移監(jiān)測結(jié)果Tab.2 Lateral displacement monitoring results of Building 8

圖2 8#樓監(jiān)測點位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the location of monitoring points in Building 8

從監(jiān)測結(jié)果可知：

(1) 從8#住宅樓頂部側(cè)向位移可以清楚地看出，基礎(chǔ)的不均勻沉降導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)朝西南側(cè)傾斜，最大水平位移超過了150 mm；6個監(jiān)測點的水平位移雖然有差別，但差別不大，主要原因是雖然8#住宅樓的兩個單元之間設(shè)置了伸縮縫，但由于地下車庫為整體結(jié)構(gòu)，伸縮縫并未在基礎(chǔ)斷開，故兩個單元通過基礎(chǔ)連為一個整體，故隨著基礎(chǔ)的不均勻沉降發(fā)生整體傾斜；

(2) 8#住宅樓6個沉降監(jiān)測點總體來看可分為三類：第一類包含4#點和5#點，位于8#住宅樓的東測，二者隨著時間的推移呈逐漸下沉趨勢，下沉速率較緩，沉降量較小，最終沉降量在15 mm左右；第二次加固后沉降基本趨于穩(wěn)定，在2017年1月之后不再發(fā)展；第二類包含3#點和6#點，位于8#樓的中部，二者的沉降量處于中等水平，最終沉降量約為30 mm，第一次加固后沉降均有所收斂，但之后又加速下沉，同樣在2017年1月之后趨于穩(wěn)定；第三類包含1#點和2#點，位于8#樓西側(cè)，是沉降最大的兩個點，最大沉降量逼近50 mm，監(jiān)測期間發(fā)生過兩次較為明顯的加速下沉階段，分別為2014年1月～2014年7月和2015年1月～2015年7月，兩次加速下沉與當(dāng)?shù)亟涤炅坑嘘P(guān)，春夏季節(jié)降雨量增大，地下水位上升，沉降增大，同樣，第一次加固減緩了沉降的發(fā)生，但并未真正遏制，第二次加固后沉降才趨于穩(wěn)定；

(3) 8#住宅樓總體沉降，東西方向上，西側(cè)比東側(cè)沉降量大，東西側(cè)沉降差超過30 mm；南北方向上，南側(cè)比北側(cè)沉降量稍大，2#點比1#點的沉降量大2.31 mm.因此，房屋整體表現(xiàn)為東北端沉降小、西南端沉降大，表明8#樓地基基礎(chǔ)存在明顯不均勻沉降現(xiàn)象，且整體呈東北向西南方向傾斜趨勢；

(4) 第一次加固后各點沉降量雖有所變緩，但并未停止下沉，隨著第二年雨季的來臨，沉降又出現(xiàn)加速現(xiàn)象；第二次加固后，8#住宅樓所有監(jiān)測點的沉降均趨于穩(wěn)定，說明第二次加固效果明顯，沉降已得到有效控制.

3 有限元模擬分析

本項目涉及人員眾多，牽扯到多個家庭的幸福安全.目前已進行過兩次加固處理，從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，沉降已得到控制，但并不代表之后不會發(fā)生沉降.本次有限元模擬的目的在于全方位分析加固效果，預(yù)測未來兩年沉降發(fā)展趨勢，為后續(xù)工作提供依據(jù).

3.1 有限元模型

采用有限元軟件Plaxis-3D進行建模分析，模型長度和寬度均取200 m，土層深度取50 m，模型邊界條件為：頂面自由，底面約束三向位移，四個側(cè)面約束法向位移；四個側(cè)面及底面的滲流邊界條件均為不可排水，上部建筑荷載通過均布荷載直接加在地下室頂板上.建立的有限元模型如圖4.

圖4 樁基礎(chǔ)有限元模型Fig.4 FE model of pile foundation

3.2 有限元模型參數(shù)取值

3.2.1土體參數(shù)

模型中所有土體采用摩爾-庫倫模型，土體參數(shù)具體見表1.

3.2.2板單元參數(shù)

模型中地下負一層墻及頂板、底板采用板單元(彈性模型)模擬，板單元參數(shù)如表3所示.

表3 板材料參數(shù)Tab.3 Material parameters of plate

3.2.3樁單元參數(shù)

模型中樁體種類較多，分別為原結(jié)構(gòu)400 mm預(yù)應(yīng)力管樁，第一次加固所用的高壓旋噴樁，第二次加固所用的錨桿靜壓樁.各樁材料參數(shù)如表4所示.

表4 樁材料參數(shù)Tab.4 Material parameters of piles

3.3 計算工況

有限元計算工況如表5所示.

表5 計算工況Tab.5 Calculation conditions

3.4 模擬結(jié)果驗證與分析

3.4.18#樓底板沉降分析

各工況下8#樓底板沉降變化曲線如圖5所示.

圖5 8#樓底板沉降變化曲線Fig.5 Floor settlement curve of Building 8

(1) 模擬結(jié)果可靠性驗證

將本次模擬結(jié)果與8#住宅樓的現(xiàn)場實測沉降結(jié)果進行對比分析來說明本次模擬的可靠性：

1) 從模擬結(jié)果可以看出，不論是最大沉降還是最小沉降，8#樓底板沉降均隨著時間的推移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，這與現(xiàn)場沉降實測數(shù)據(jù)變化趨勢一致；由于地質(zhì)條件的不均勻性(8#樓西南側(cè)淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土厚度較大而東北側(cè)厚度較小)，加上8#樓西側(cè)和南側(cè)的R1#和R2#商業(yè)樓使大底板承受偏心荷載，帶動8#樓底板產(chǎn)生不均勻沉降，使得8#樓底板在西南角沉降最大，在東北角沉降最小，最大及最小沉降出現(xiàn)的位置與現(xiàn)場實測結(jié)果一致；

2) 模擬結(jié)果顯示：8#住宅樓底板的最大沉降量為51.39 mm，最小沉降量為19.34 mm，不均勻沉降差為32.05 mm；而監(jiān)測所示的最大沉降量為47.21，最小沉降量為14.52 mm，不均勻沉降差為32.69 mm；根據(jù)模擬結(jié)果，8#樓底板初期沉降發(fā)生在上部結(jié)構(gòu)建造期間及建造完成后幾個月內(nèi)，因為上部荷載的疊加及土體固結(jié)主要發(fā)生在該階段；截止2014年6月，西南角的最大沉降量為29.1 mm，與監(jiān)測結(jié)果較為接近；之后隨著土體固結(jié)沉降的發(fā)生，土體進一步沉降，帶動8#住宅樓底板下沉，這與監(jiān)測結(jié)果擬合度較好；

3) 模擬結(jié)果表明：2016年12月之后，由于土體固結(jié)的完成，沉降基本不再發(fā)生變化；而現(xiàn)場實測結(jié)果顯示，從2017年1月起，整個樓的沉降未發(fā)生變化，模擬結(jié)果與實測結(jié)果也吻合良好.

從以上結(jié)果可以看出，本次模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果不論是趨勢還是數(shù)值方面均有較好的一致性，這也證明了本次模擬的可靠性.

(2) 8#樓底板沉降模擬結(jié)果分析：

1) 8#樓底板沉降主要出現(xiàn)在建造期間及建造完成后的3年時間內(nèi)，截至2016年底，整體沉降已趨于穩(wěn)定；這主要是因為在建造期間，底板承受的荷載逐漸增大;故沉降逐漸增大;在建造完畢后，由于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土排水性能較差，在上部荷載作用時產(chǎn)生超孔隙水壓力，隨著超孔隙水壓力的逐漸消散，土體向下固結(jié)，樁基礎(chǔ)承受負摩阻力作用，而本工程設(shè)計為摩擦樁，安全系數(shù)不足，故土體帶動樁體一起下沉，底板沉降逐漸增大；到2016年底，土體超孔隙水壓力消散完畢，土體沉降趨于穩(wěn)定，故底板沉降穩(wěn)定；

2) 8#樓底板沉降出現(xiàn)西南角大而東北角小的現(xiàn)象，主要原因在于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層厚度分布不均，西南角淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層厚度大，而東北角厚度小，在均勻荷載下淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層的壓縮量大，加之，在8#樓南側(cè)和西側(cè)有商業(yè)建筑存在，而北側(cè)和東側(cè)沒有，導(dǎo)致整個底板承受偏心荷載，故西南角和東北角的沉降差進一步增大；

3) 每一次加固后，8#樓底板的沉降速率均有降低，故加固對控制沉降有一定的效果.第一次采用高壓旋噴樁加固后，由于高壓旋噴樁樁長僅8 m，未穿過淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，加固土體下仍存在軟弱土層，故沉降仍在進一步發(fā)展.第二次采用25 m長的錨桿靜壓樁加固后，沉降得到基本控制，但由于樁體施工對周圍土體有一定擾動，故在第二次加固后的半年時間內(nèi)，仍有少量的沉降發(fā)生，之后趨于穩(wěn)定.說明了錨桿靜壓樁加固的可靠性.

3.4.2孔隙水壓力結(jié)果分析

各工況下孔隙水壓力的變化情況如圖6所示.

圖6 土體最大超孔隙水壓力變化曲線Fig.6 Variation curve of soil maximum excess pore water pressure

(1) 土體在加荷載階段產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力，雖然考慮了建造完成后的半年固結(jié)時間，土體內(nèi)的超孔隙水壓力仍然有1.389 kN/m2，可見在施加荷載初期，超孔隙水壓力遠不止1.389 kN/m2；

(2) 超孔隙水壓力主要出現(xiàn)在淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及以下的土層中，雖然淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層下的粉質(zhì)粘土夾粉土層的滲透系數(shù)較大，但由于本次模擬四周及底部設(shè)定為不排水，而上部淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層滲透系數(shù)小，故下部土層內(nèi)的水體無法排除，也產(chǎn)生了超孔隙水壓力；而表層填土內(nèi)的水可通過上部排出，且其本身滲透系數(shù)較大，故無超孔隙水壓力產(chǎn)生；

(3) 超孔隙水壓力的消散隨著時間的推移逐漸進行，在上部結(jié)構(gòu)施工完成后的近三年時間內(nèi)消散完成，之后的幾年時間里，超孔隙水壓力小到基本可以忽略的程度.超孔隙水壓力變化規(guī)律也與8#樓底板的沉降及大底板的沉降規(guī)律一致.可以看出，本次8#樓產(chǎn)生不均勻沉降與超孔隙水壓力的產(chǎn)生及土體固結(jié)有較大關(guān)系；

(4) 不論是高壓旋噴樁或者鋼筋混凝土預(yù)制樁施工過程中均會使土中再次出現(xiàn)超孔隙水壓力，但有限元模擬過程中無法考慮上述過程，這與實際工程有一定差異，這也是監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果有一定差異的原因.

3.4.38#樓原基礎(chǔ)樁樁體沉降及軸力結(jié)果分析

本工程中基樁種類較多，分別包括原預(yù)應(yīng)力管樁、高壓旋噴樁、250×250鋼筋混凝土預(yù)制樁等.本次考察的重點在于原預(yù)應(yīng)力管樁的沉降及軸力變化情況.故此處僅展示原預(yù)應(yīng)力管樁的沉降及軸力情況，如圖7和圖8所示.

圖7 8#樓樁基礎(chǔ)沉降變化曲線Fig.7 Pile foundation settlement curve of Building 8

圖8 8#樓樁基礎(chǔ)最大軸力變化曲線Fig.8 Variation curve of the maximum axial force of the pile foundation of Building 8

由8#樓原有樁基礎(chǔ)沉降圖形可以看出：

(1) 樁基礎(chǔ)沉降與底板沉降的發(fā)展規(guī)律和沉降量大小幾乎一樣，主要原因在于樁基礎(chǔ)與底板連接在一起，樁基礎(chǔ)的沉降帶動底板的沉降，二者剛性連接；

(2) 樁基礎(chǔ)最大沉降變形位于樁頂，隨著深度的增大，沉降變形逐漸減小，但由于樁長較短，彈性壓縮較小，故整個沉降變化差沿樁身不到2 mm.

由8#樓原有樁基礎(chǔ)軸力結(jié)果可以看出：

(1) 上部結(jié)構(gòu)施工完成并考慮土體固結(jié)半年后樁基礎(chǔ)的最大軸力為770 kN，但隨著土體固結(jié)的進行，負摩阻力使得樁體最大軸力逐漸增大，當(dāng)高壓旋噴樁施工完成后兩年時，樁體最大軸力達到877 kN，增大了13.9%，之后由于錨桿靜壓樁的施工分擔(dān)了部分樁體上部荷載，使得樁體最大軸力減小到825 kN，但由于錨桿靜壓樁施工完成后土體仍有部分固結(jié)沉降，故之后樁體軸力進一步增大，但增大幅度有限，僅從825 kN增大到840 kN.

(2) 從樁體最大軸力變化曲線可以看出，由于高壓旋噴樁長度較短，高壓旋噴樁的施工并未對減小樁體軸力起到積極作用，相反，土體內(nèi)注入的水泥漿反而作為荷載進一步增大了樁體軸力;錨桿靜壓樁長度大，起到了給原有樁基礎(chǔ)分擔(dān)荷載的作用.但由于8#樓下僅西側(cè)布置了一定數(shù)量的錨桿靜壓樁[14]，故對既有樁基所承擔(dān)荷載的分擔(dān)作用有限.

4 結(jié)論

(1) 在軟土地基進行樁基礎(chǔ)設(shè)計，應(yīng)充分考慮土體固結(jié)產(chǎn)生的負摩阻力.在滿足承載力要求的前提下，變形控制是決定性要求.對于嚴重不均勻的土層，采用變剛度調(diào)平法進行結(jié)構(gòu)設(shè)計是更合理的設(shè)計方法.

(2) 高壓旋噴樁及錨桿靜壓樁是目前建筑物地基加固和基礎(chǔ)加固較為常用的方法，但在加固設(shè)計過程中要詳細分析建筑物發(fā)生不均勻沉降的原因，針對原因采取合理的措施.加固樁的數(shù)量固然重要，但應(yīng)根據(jù)實際工程情況選擇合適的樁長，否則加固樁可能起到不利作用.

(3) 沉降縫可將大型建筑劃分為小單元，從而隔斷不均勻沉降的擴大，對控制建筑的不均勻沉降非常重要，在設(shè)計過程中要非常注意，不可忽略.

(4) 基礎(chǔ)加固有一定的滯后效應(yīng)，由于加固樁體施工對土體有一定擾動，故沉降不會立刻停止，而是在擾動消失后趨于穩(wěn)定.