摘要：结合工程实例,对厂房地基基础加固的前后两种处理方案,即压力灌浆加固和静力压桩加固法进行了分析比较,对如何选择最合适的处理方案作了有益的探讨。
关键词：基础 加固 压力灌浆
改革开放以来,建筑业迅速发展,建筑工程质量逐年提高,但工程质量事故还时有发生,造成了许多不应有的损失。这是由于各地区的工程地质条件不同,土层分布、土的物理力学性质不同,既使同一建筑场地,往往土质也不均匀,在进行工程勘察、工程设计与施工中,如果对地基条件掌握不全,处理不当,就可能导致事故的发生,这些都会给国家和人民造成不应有的损失。因此,准确分析事故,合理地处理事故,是当前建筑业亟待解决的一个大问题。目前对已建建筑物的加固处理的方法有许多种,但常用的有以下两种:
(1) 灌浆加固:用钻机在基础上成孔至要加固的土层,然后用高压灌浆设备将配制好的水泥化学浆液灌入地层,通过劈裂、挤压作用,使土层与浆液产生物理化学反应而胶结,从而达到改善土体结构和性能的目的,提高土体的强度。(2)静力压桩加固:利用建筑物的承重柱重力作为反力,通过一套液(油)压设备,把预制桩分节压入土中,上下节桩接驳用预埋角铁焊接。压桩由液压控制,当压力达设计荷载并基本满足计划桩长要求时则终桩,终桩时的单桩承载力可直接从压桩设备的仪表中反映出来。终桩后将压入桩的桩头钢筋与原基础钢筋焊接,并浇注砼承台与基础连为一体,从而将上部结构的荷载通过桩直接传递到坚硬土层。
(2) 毫无疑问,已建建筑物出现不均匀沉降,无论是采取灌浆加固还是静力压桩加固,都会给工程造成一定的损失,此时应考虑的是如何将损失降到最低限度。
1 工程实例1.1 工程概况鹤山市某厂房为一幢高四层,框架结构的建筑物,长55.0ｍ,宽15.0ｍ,占地面积825ｍ2,原设计采用人工挖孔桩基础,由于场地工程地质情况复杂,厂房中段和东段分别分布有一层厚为3～6ｍ和7～9ｍ的流塑状淤泥,使建筑区内部分地段挖孔桩方案无法实施,而改用条形基础下的砂垫层方案(垫层厚度1.00ｍ),而西段淤泥层较薄(厚1～2ｍ),却浇注了16条桩柱,于是同一建筑物采用了两种在受力和变形方面完全不同的基础型式。厂房于1992年10月建成,使用期间发现不均匀沉降,导致厂房结构出现严重拉裂和剪切破坏,危及安全使用。1.2 场地工程地质概况经对厂房场地进行工程地质勘察,其地层结构在揭露深度
2 内由上至下依次为:(1)填土:浅黄色,土质松软,层厚0.79～2.00ｍ。(2)粉质粘土:灰～灰黄色,上部0.40～0.60ｍ为耕土,软塑,Ｎ=2击,ｆｋ=80～90ｋＰａ。(3)淤泥(泥炭土):黑褐色,局部夹粉土,流塑,Ｎ=1～2击,ｆｋ=40～60ｋＰａ,层厚0.00～7.87ｍ,层面埋深1.00～3.75ｍ。(4)花岗岩风化坡积土;土性为砂质粘性土,灰白、浅黄色,含中粗砾,可塑,Ｎ=5～13击,ｆｋ=100～230ｋＰａ,层厚1.70～7.30ｍ,层面埋深2.10～9.07ｍ。(5)花岗岩风化残积土;土性为砂质粘性土,浅黄褐色,含中粗砂,可塑～硬塑,Ｎ=13～24击,ｆｋ=230～320ｋＰａ,层厚2.90～9.00ｍ,层面埋深4.00～12.26ｍ。(6)强风化花岗岩:Ｎ>50击,层面埋深8.17～22.68ｍ。
1.3 沉降原因分析
(1) 地质因素:据钻探揭露,厂房建造在一条山坡冲沟的边麓地段,地下水丰富,水位埋深约0.30ｍ,淤泥(含腐木)等软土的分布极不均匀,层厚由西向东递增,这是造成厂房不均匀沉降的客观因素。
(2) 结构因素:同一栋厂房,采用了两种不同的基础型式,地质条件较好的西段,采用人工挖孔桩基础,桩端支承在坚硬状的残积土层里,而地质条件极差的东段,则采用了条形基础下的砂垫层,垫层厚仅1.0ｍ,未作压密处理。根据推算,采用桩基础的最终下沉量仅为1.4ｍｍ(设桩长10ｍ,进入坚硬状土层),而采用条形基础下砂垫层处理的基础经推算仍有200ｍｍ的沉降量,条形基础的刚度起不到变形(沉降)调节作用,因此导致厂房的不均匀沉降,影响到厂房的安全使用,所以必须尽快处理。
2 加固方案为确保该厂房的安全使用,对该建筑物的处理宜把上部结构的加固和地基的处理结合起来进行。先处理地基,以控制地基的继续沉降,后加固上部结构。根据钻探和变形测量资料显示,对厂房地基的加固可采用压力灌浆补强和静力压桩等方法,但根据业主的要求以不影响生产为原则,同时受场地工程地质条件的影响,决定采用压力灌浆加固法。
压力灌浆加固本次加固目的旨在通过浆体的渗压改善软土地基的承载力和压缩(变形)模量,逐渐减少地基的沉降量,以满足厂房的使用要求。
2.1.1 机理以一定的液压,将水泥和化学浆通过双液管注入土中,并使之迅速凝固,同时对软土进行割裂、扩散挤压和充填,并伴随一定的物理化学作用,一方面促使浆体,在软土中形成脉状充填;另一方面又使软土产生压缩和脱水固结,从而达到加固的目的。
2.1.2 工艺流程制浆→成孔下管→液压注浆→割裂→挤压与充填→固结。
2.1.3 技术措施灌浆孔的布置:按每根柱位的四周布置4个孔,孔距1.5～1.9ｍ不等,加固深度4.0～10.5ｍ,深孔底部进入残积土层。注浆采用低压、慢灌、多量工艺,以便注入较多的浆体。重复注浆:在软土较厚的孔段,为增强注浆效果,往往在第一次注浆中,使之在一定浆压作用的范围内形成一道不规则的帷幕,再冲洗灌浆孔进行二次注浆,使浆液充分而有效的充填。先下后上或先上后下分层注浆:先下后上是成孔后浆液浆管下落至孔底,并由孔底开始注浆,而后一边注浆一边上拔灌浆管,使浆液从孔底开始扩散,以利于加固软土;先上后下是从基础底板深度开始注浆,而后逐渐向孔底延伸,先使砂垫层获得有效的加固。
2.1.4 施工效果分析灌浆前期的沉降情况:据了解,厂房于1992年10月建成,施工期间,施工单位自测最大沉降为80.00ｍｍ,交付使用后观测只是间断进行:1993年2月21日～6月1日,测得最大沉降为15.00ｍｍ,据此分析,该厂房在灌浆前期最大沉降量累计已达100.00ｍｍ。另据观测,伸缩缝的顶部(天面)间距已明显拉开,部分柱位的梁、板、墙均已出现裂缝。灌浆施工期的沉降:据观测(共44ｄ),24号柱基沉降40.08ｍｍ,25号柱基34.77ｍｍ,26号柱基30.53ｍｍ。此间,由于灌浆施工导致地基应力释放,沉降有所加大。灌浆后期的沉降:据观测(历时14个月),其中24号柱基沉降28.93ｍｍ(日平均2.07ｍｍ),25号柱基39.22ｍｍ(月平均2.80ｍｍ),26号柱基45.64ｍｍ(月平均3.26ｍｍ),上述数据说明:经化学灌浆处理后,柱基的沉降得到了缓解,但基础的后期下沉仍未得到最终稳定,为确保厂房的安全使用,必须进一步采取切实有效的措施进行加固处理。
2.2 静力压桩加固法基于以上原因分析,这次采取的加固方案必须行之有效、一步到位、不得返工,最终选择“静力桩托换”进行加固。
2.2.1 机理通过一套油压设备,将预制桩分节(每节2.0～3.0ｍ)压入土中,节与节用预埋角铁焊接,预制桩为250ｍｍ×250ｍｍ的方桩,预估桩长15ｍ,压桩由液压控制,压桩荷载控制在45～55ＭＰａ之间,当桩压至预定深度并达到设计贯入度之压力时,其沉降控制标准为压桩荷载保持50ＭＰａ,每隔5ｍｉｎ冲击一次,共冲击三次,下沉量≤3ｍｍ,并需稳定1ｈ,做好记录,最终允许下沉量≤1ｍｍ。桩压完后将桩与原基础承台连接起来,将上部结构的荷载通过桩基传递到坚硬状残积土中。
2.2.2 设计技术参数最大压力1000ｋＮ,单桩承载力550～900ｋＮ,预制方桩尺寸250ｍｍ×250ｍｍ,混凝土强度Ｃ30,压桩速度2ｃｍ/ｓ,压桩桩位和受力轴线允许偏位100ｍｍ,接桩处桩轴线倾斜度<1%。
2.2.3 施工工序在设计桩位处开挖压桩基坑,利用安装在柱上的反力钢夹提供反力用压桩机压桩,待每个承台的静压桩都压完后,将预制桩与原承台连结成一体,由预制桩承担结构荷载。施工过程中用水准仪进行跟踪施工观测,控制柱的升降量为±1ｍｍ。在施工过程中发现场地的地下水较丰富,要用抽水泵进行抽水才能进行地下作业,但在抽水过程中,经水准仪监测,发现柱的沉降速率加快(0.50ｍｍ/ｈ),立即停止抽水。后经研究,要求抽水前须对该柱进行卸荷处理,以免桩基础产生附加沉降,确保厂房安全。即将该柱的上部卸荷,通过卸荷装置传递到柱周(半径约3.0ｍ)的土体上,共同分担上部荷载,待该柱处理完毕3ｄ后,即混凝土基本凝固后拆除卸荷装置,经卸荷处理的柱,6～8ｄ内,未发现明显沉降变化,说明卸荷处理效果显著。
2.2.4 施工效果监控加固效果的好坏,直接关系到厂房的安全动作,为检验加固效果,主要采取的措施是沉降观测,其成果也是本工程竣工验收的主要技术依据。本次加固处理对沉降值的质量指标定为:被加固的柱位其施工期间的沉降值在正常情况下累计≤10ｍｍ(指开工至施工结束),竣工后的沉降量应满足≤2ｍｍ/月,凡满足此质量指标者,均可判定为达到了加固效果。据施工后的观测资料显示,竣工后第一次(33ｄ)的沉降观测,测得最大沉降量为-1.7ｍｍ,满足加固后沉降值<2ｍｍ/月的质量指标,达到了加固的预期效果,质量良好。
3 结论：目前较普遍的观点认为,压力灌浆加固法是一种投资相对较少,快速而又有效的方法;而静压桩加固法则被认为是投资大且工期长,但却很可靠的一种地基基础加固方法。但对于本工程的条形基础,由于其宽度有限,条基上承受上部荷载的作用,对土层产生附加应力,而条基外的土层仍为天然土层,不受外加荷载的作用,为小应力区。灌浆时,在高压的驱动下,浆液将沿应力薄弱区(带)进行劈裂扩散,因此,在本工程的条基下进行注浆,浆液将对条基下的土体改善作用受到限制,浆液将会跑漏到条基外的软弱土层中。加固后的地基,虽然获得部分改善,但其受力压缩层仍然是条基下的砂垫层和软土层,地基的沉降不能完全得到控制,变形仍会继续发展,效果不会很明显。而静力压桩加固法是将桩压至地基中的硬塑状态的砂质粘性土层中,上部结构的荷载通过桩直接转移到深部,由坚硬状态的土层承受,这样条基下的砂垫层和软土层地基处于释荷状态,而桩的受力和传力直接,压桩时单桩承载力值可直接从压桩机的仪表中反映,地基变形最终可以得到控制,故处理效果明显。因此,遇到实际问题时应该具体问题具体分析,在采取加固措施前应从技术可行、质量可靠、安全稳妥、经济合理四个方面作综合分析,选出最优方案,否则将会使问题越来越复杂,造成的损失也会越大。