托换技术：地基处理与基础加固

8 托换技术

8.1 概述

在新建和已有工程中,由于各种复杂原因,使刚竣工或居民迁入不久的建筑物就发生严重的倾斜、裂损,有的甚至完全丧失使用条件,不得不拆除重建,给国家财产和人民生活带来严重损失和困难;有些是修建年代较久的建筑或名胜古迹发生倾斜破坏,如著名的意大利比萨斜塔、西安的大雁塔、苏州的虎丘塔、河南的灵宝塔,等等。据不完全统计,这些年我国有500多栋建筑物发生重大倒塌事故,造成大量的人身伤亡和经济损失。

我国每年约有3000多万平方米的建筑物发生开裂、倾斜及破损等病害。这批建筑物如果能够通过纠倾、加固等方法加以挽救,会是一项难度和风险较大但却是利国利民的工程。

托换技术(underpinning)(或称基础托换)是指解决在既有建(构)筑物的地基需要处理和基础需要加固或改建等问题;解决在既有建(构)筑物基础下需要修建地下工程,以及邻近建造新工程而影响既有建(构)筑物的安全等问题的技术总称。

托换技术不仅是对既有建(构)筑物的基础加固,也包括对既有建(构)筑物的地基处理。根据实际工程对托换的要求不同,托换技术从原理上一般分为补救性托换、预防性托换和维持性托换3种类型,现分别叙述如下:

(1)补救性托换。是指凡解决对既有建(构)筑物的地基土因不满足地基承载力和变形要求而需进行的地基处理或基础加固。

(2)预防性托换。是指凡解决在既有建(构)筑物下需要修建地下工程,其中包括地下铁道要穿越既有建(构)筑物和开挖深基坑,或解决因邻近需要建造基础较深的新建工程,而影响到既有建(构)筑物的安全问题时需要进行的托换。例如,需要将既有建(构)筑物的基础加深,或者采用桩式托换和灌浆法处理等。当平行于既有建(构)筑物基础而修筑比较深的挡土结构物(如地下连续墙、板桩墙或网状结构的树根桩等)者,称为侧向托换。

(3)维持性托换。是指凡在新建的建(构)筑物基础下预先设计好可以设置预升的措施,以适应将来建(构)筑物不允许出现的地基差异沉降而需要进行的托换。例如,目前国内在软黏土地基上建造油罐时,经常在环形基础中预留有今后可以埋设千斤顶的净空,以便将来调整油罐地基出现的差异沉降。

凡是进行托换技术或基础托换的工程称为托换工程。

虽然托换技术的历史起源于补救性托换,但是,预防性托换却是目前在国外托换技术中最为常用的托换类型。防患于未然肯定是明智的选择,尤其是对地下工程而言。许多古代大型建筑物虽然存在地基基础方面的问题,但由于受当时的知识所限,不可能对其进行托换加固,因而国外许多建造于中世纪的著名大教堂,如英国的Ely大教堂和法国的Bauvais大教堂等最终倒塌。根据历史记载,最早的大型托换技术工程之一是英国的Winchester大教堂。该教堂在托换加固之前已经持续下沉了900a之久。20世纪初,一位潜水工在Winchester大教堂地基的水下挖坑,一直穿过泥炭层和粉土层到达砾石层,再用混凝土包填实,从而获得成功。至今,Winchester大教堂还有纪念该潜水工业绩的纪念碑。

在20世纪30年代,美国因兴建纽约市地下铁道,需要托换加固大量的、多种类型的且规模很大的建筑物。而在此之前,支撑技术已经取得了很大的进展,这使得托换工程在技术上成为可能,也促使托换技术在世界各地得以迅速发展。近年来,世界上的大型、深埋结构物和地下铁道的大量施工,尤其是古建筑物基础的加固数量繁多;有时,对既有建筑物还需要进行改建、加层和增加使用荷载等。在这些情况下,都需要采用托换技术。所以,世界各国托换工程的数量增多了,也使托换技术水平有了飞跃的发展。德国在这方面积累了丰富的经验,取得了显著的成绩,并且已经将托换技术编入了德国工业标准(DIN)中。

托换技术是随着工程实践的需要而发展起来的一种建筑技术,是一种难度较大、费用较高、工期较长和责任性较强的特殊的施工方法。所以,托换工程最好也应该是由同时具备丰富的勘察、设计、施工和科研方面经验的一体化专业单位来承担,以便积累经验和发展提高。在国外,托换工程多数是由托换工程专业公司来承包的。目前,我国也有了这方面的专业公司,并正努力与国际接轨。

需要注意的是,一个优秀的结构工程师未必能提供对建(构)筑物托换加固的保证;同样,即使是一个著名的岩土工程师,如果不熟悉结构设计方面的知识,面对危险建(构)筑物也会束手无策。所以,只有结构工程和岩土工程两者的密切结合,才能胜任这种特殊的托换技术;而且,施工工程师在托换工程中也占有十分重要的地位,多数情况下,他也是一个设计者。也就是说,只有结构工程师、岩土工程师和施工工程师的通力合作,才能使托换技术得以合理有效地实施。

托换工程需要应用各种地基处理技术,必须精心设计和施工,否则将会产生灾难性的后果,危及人的生命和财产安全。当然,首先要确定建(构)筑物是否需要或者值得进行托换。因此,托换工程的收费标准高于一般工程也是理所当然的。

另外,建筑物的整体迁移也应该属于托换技术的范畴。本章最后将对其作一简要介绍。

8.1.1 托换技术分类

与地基处理方法的分类一样,托换技术也可以根据托换的原理、方法、性质和时间进行分类。

1.按托换原理分类

托换技术可以分为补救性托换、预防性托换和维持性托换。

2.按托换性质分类

托换技术可以分为建筑物地基设计不符合要求、建筑物加层或纠偏、建筑物整体迁移、邻近深基坑开挖或地下铁道穿越等。

3.按托换时间分类

托换技术可分临时性托换和永久性托换。

4.按托换方法分类

托换技术方法的分类见图8-1。

8.1.2 托换工程之前的调查研究

通常在制订托换工程设计和施工方案以前,一般应进行周密的调查研究。具体来说,需要收集以下4个方面的资料。

图8-1　托换方法的分类

1.现场的工程地质和水文地质条件

查清持力层、下卧层和基岩的性状和埋深,以及现场有无古河道、古墓和古矿井或局部的软弱夹层、地基土层的物理力学性质、地下水位的变化和补给情况。如果原有的地质资料不能满足托换工程的要求,还需对地基进行复查和补充勘探。

2.了解被托换建(构)筑物的情况

对被托换建(构)筑物的结构设计、施工、竣工、构造和受力特性以及沉降观测和破损情况的原因分析等资料(对补救性托换而言)进行了解。了解被托换的建(构)筑物荷载的分布特征、上部结构的刚度和整体性、基础形式、受力状况以及其计算与构造等方面的情况,建(构)筑物各部分的沉降大小及其沉降速率、结构物的破损情况和原因分析。

3.托换工程施工期内的影响

调查托换工程施工期间因挖土、排水、季节性变化而引起的温度和雨雪的影响。

4.使用期间和周围环境的实际情况

应查明建(构)筑物使用期间荷载增减的实际情况;托换工程施工过程中和竣工后的周围环境发生变化,包括地下水位的升降、地面排水条件的变化、气温变化、环境绿化、邻近新建(构)筑物修建、相邻基坑开挖以及邻近的桩基施工(如打桩振动)、场地内地下管线等自然环境对既有建(构)筑物在托换施工中和竣工后可能产生影响的调查资料等。

8.1.3 托换技术的施工阶段

根据既有建(构)筑物的地基基础情况,可采用一种或几种托换方法进行综合加固处理。

补救性托换技术一般可以分为以下两个施工阶段:

(1)采取适当而稳妥的方法,支托住既有建(构)筑物的全部或者部分荷载;

(2)根据工程需要,对既有建(构)筑物的全部基础进行加固、改建或在既有建(构)筑物下进行其他地下工程的施工。

一般而言,每一项托换工程都是按图8-2的顺序进行的。

图8-2　托换技术工程的一般顺序

8.1.4 托换技术施工要点和工程监测

由于托换技术需要应用各种地基处理技术,有时还要结合上部结构的处理,它并不是一种具体的地基处理方法。所以,要针对建筑物及其具体的地基和基础情况具体分析其可行性。

1.托换技术施工要点

(1)根据具体工程的实际需要,对建筑物进行加固,或者对建(构)筑物基础全部或部分支托住,或者对建(构)筑物地基或基础进行加固。

(2)如果建(构)筑物基础下有新建的地下工程时,应该将建(构)筑物荷载传递到新建的地下工程上。

(3)不论在何种情况下,托换工程都是在一部分被托换后,才能开始进行另一部分的托换工程。应循序渐进,确保托换工程的施工质量。所以,托换的范围常常由小到大,逐步扩展。

(4)托换工程施工前,先要对被托换的建(构)筑物的安全予以论证。要求对被托换的建(构)筑物所产生的沉降、沉降速率、水平位移、裂隙大小和扩展情况以及建(构)筑物的破损程度,用照片和图表正确记录下来,并以此来判断建(构)筑物的安全状态。另外,如果裂缝扩展和延续不停止并且已经产生了错位,则应引起高度的重视,并及时采取有效的补救措施。

由于托换技术是一项高难度的技术,因而在施工过程中必须加强科学管理,用以加快工程进度,并确保工程质量和安全。其中加强施工监测工作是科学化管理和信息化施工的重要一环,这在很大程度上决定了托换工程的成败。监测工作的内容应该包括:建(构)筑物的沉降、倾斜和裂缝观测,结构构件的应力应变观测,地面的沉降和裂缝观测以及地下水位的变化情况等观测。

对被托换或被穿越的建(构)筑物及其邻近建(构)筑物都要进行沉降监测。沉降观测点的布置应该根据建(构)筑物的体型、结构条件和工程地质条件等因素综合考虑,并要求沉降观测点便于监测和不容易被损坏。

应加强托换时的施工监测和竣工后的沉降观测,并做好施工记录。

2.托换技术工程监测

在托换工程的施工监测过程中,要做好以下4个方面的工作。

(1)确定托换或穿越的每个施工步骤对沉降所产生的影响;

(2)对托换或穿越建筑物过程中所引起的各个监测点的变化情况,整理出沉降(或其他观测量)与时间的关系曲线,并应用外推法预测建(构)筑物的最终沉降量;

(3)根据沉降观测曲线预先估算被托换建(构)筑物的安全程度,以及针对现状所采取的相应措施,例如增加安全支护或者改变现用的施工方法;

(4)监测时间的长短(监测期限)和测量频度的要求取决于施工过程,特别是在荷载转移阶段,应该每天观测。对很重要的托换工程,其危险程度越大,则观测的频度也越大。当直接的托换工程或穿越过程完成后,工程监测过程还需要持续到建(构)筑物的沉降稳定为止。建(构)筑物沉降稳定的标准为半年沉降量不超过2mm。

值得注意的是,被托换的建(构)筑物常常是接近失稳状态的,因此它对沉降的继续发展十分敏感。使用任何托换技术的方法而不允许建(构)筑物产生沉降几乎是不可能的,有些沉降常在托换工程施工进行中就已经发生了。因此,一般只有在已有要求托换的建(构)筑物造价大于托换技术实施的造价时,以及由于已有要求托换的建(构)筑物的使用价值或历史价值不允许其被拆除时,才采用托换技术进行加固。

8.1.5 托换技术的特点

托换技术的特点,总的来说就是:托换技术是一种建筑技术难度较大、费用较高、工期较长和责任性较强的特殊施工方法。

托换工程不但需要采用各种地基处理的方法和技术(包括桩基等),同时,还需要善于巧妙和灵活地综合选用这些技术。一个托换工程的托换方案的选择,主要是取决于安全和造价的综合效果,当然,也要考虑工期。建(构)筑物的托换可能危及人的生命和财产。一个优秀的结构工程师虽然具有很好的专业知识和实践经验,但是未必能提供对建(构)筑物托换加固的保证;同样,即使是一个著名的岩土工程师,如果不熟悉结构设计,面对危险的建(构)筑物也将束手无策。显然,没有结构工程和岩土工程两者知识的密切结合,就不可能胜任这种特殊的托换技术;而施工工程师在托换工程中占有十分重要的地位,在多数情况下,他也是一个设计者。施工管理和监测工作至关重要,它有利于预测、信息采集、反馈、控制与决策等信息化施工。

另外,对于被托换工程的病因分析也是十分重要的。建造于特殊土(指软土、湿陷性黄土、膨胀土、人工填土和红黏土等)地基上的建(构)筑物工程事故多数是由于土的性质引起的。因此,只有查清事故的真实原因,才能有的放矢,制订出相应具体的、切实可行的和合理的托换工程技术方案。

8.2 基础加宽托换

目前世界各国的托换工程日益增多,托换技术的发展也突飞猛进。我国托换技术的数量和规模,随着建设规模的发展而不断增长,如锚桩加压纠偏、锚杆静压桩、基础减压和加强刚度法、碱液加固、浸水纠偏、掏土纠偏、千斤顶顶升等多种托换方法都有很大的创新和特色。虽然托换技术在我国起步较晚,但却处于方兴未艾的时期,基础加宽托换就是一种常用的托换方法。

在许多原有建筑物或建筑物的改建加层工程中,常因建筑物的基底面积不足而使地基承载力及变形不能满足要求,从而导致建筑物的倾斜或开裂,这种情况下常用的托换方法就是基础加宽托换,通常采用混凝土套或钢筋混凝土套加固基础。

基础加宽托换是通过增加基础的底面积,以减小作用在地基上的接触压力,降低地基土中的附加应力水平,使地基的沉降量减小,或者满足地基的承载力和变形要求。

基础加宽托换是一种补救性托换方法,其效果明显,费用较低,施工也比较方便,有条件时可以优先考虑。有时基础加宽托换会遇到困难,如周围场地是否允许。如果基础埋置深度较大,则对周围环境的影响更大,且要开挖大量的土方,直接导致加固费用增加。另外,基础加宽还可能增加荷载作用的影响深度。因此,对软土地基,应该详细分析基础加宽对减小地基总沉降的影响。

1.采用混凝土套或钢筋混凝土套加大基础底面积

当既有建(构)筑物的基础产生裂缝或基础的底面积不足时,可以采用混凝土套或者钢筋混凝土套来加大基础底面积。

采用混凝土套加固基础,设计时要求基础加大后满足混凝土刚性角要求;施工时,常将原来的墙凿毛,浇水湿透,并按1.5～2.0m的长度划分成许多单独区段,错开时间分别分段施工,不能使基础全长挖成连续的坑槽和使全长上的地基土暴露过久。在基础加宽部分的地基土上,同样使原土压密并浇筑素混凝土垫层;将原基础凿毛并刷洗干净,可在每隔一定高度和间距设置钢筋锚杆;也可以在墙脚或圈梁处钻孔穿钢筋,将其与加固筋焊牢,再用环氧树脂填满(图8-3)。

当原有基础承受中心荷载作用时,可采用双面加宽原基础(图8-4)的方法;若原来的基础承受偏心荷载作用,或者受相邻建筑物基础的限制,或者为沉降缝处的基础,或者为了不影响建筑物的室内正常使用,可以单面加宽原基础(图8-5)。

2.改变浅基础形式,加大基础底面积

可通过改变浅基础形式来加大基础底面积,如将柔性基础改为刚性基础(图8-6),将条形基础扩大成片筏基础(图8-7)。

加套后的混凝土基础,其台阶的宽高比(或是刚性角)的允许值,应该符合现行《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)的有关规定。

当采用混凝土套或钢筋混凝土套加大基础底面积还不能满足地基的承载力和变形等设计要求时,可以将原单独基础改成条形基础,或者将原条形基础改成十字交叉条形基础、片筏基础或箱形基础。这样不但能扩大基础底面积,用以满足地基承载力和变形的设计要求,还由于加强了基础的刚度,也可以减小地基的不均匀变形。

图8-3　条形基础的双面加宽
1.原有墙身;2.原有墙基;3.墙脚钻孔穿钢筋,用环氧树脂填满再与加固筋焊牢; 4.基础加宽部分;5.钢筋锚杆

图8-4　柱基双面加宽

图8-5 条基的单面加宽

图8-6　柔性基础加宽改成刚性基础(单位:mm)

图8-7 条形基础扩大成片筏基础
1.原条形基础;2.片筏基础

8.3　坑式托换

坑式托换(pitunderpinning)是直接在被托换建筑物的基础下挖坑,然后浇筑混凝土,而将原有基础增大埋置深度,使基础支撑在较好的土层上的一种托换方法,原来称墩式托换,现称加深基础法。

对于许多原有建筑物或建筑物的改建工程,由于其基础底面积小而导致地基承载力和变形不能满足要求,除了可以采用建筑物基础加宽的托换方法外,也可以采用将原基础加深,使基础支撑在较好的持力层上,以满足设计对地基承载力和变形的要求。当地下水水位较高时,应采取相应的降水或排水措施。

8.3.1 适用范围及优缺点

坑式托换适用于土层易于开挖,且开挖深度范围内无地下水,或虽有地下水但采取降低地下水位措施较为方便的场合。因为坑式托换难以解决在地下水位以下开挖后会产生的土的流失问题,所以坑的深度和托换深度一般都不大。既有建(构)筑物的基础最好是条形基础,亦即该条形基础在纵向对荷载进行调节,从而起到梁的作用。

图8-8　间断的或连续的混凝土坑式托换
1.横向挡板;2.侧向支撑;3.原有基础; 4.混凝土墩;5.开挖底面

坑式托换方法的优点是费用低、施工简单且容易实施。另外,由于托换工程的大部分工作是在建筑物的外部进行的,所以在坑式托换施工期内,建筑物仍然可以正常使用。该方法的缺点是整个托换工程的工期较长,不能在地下水位很高和流动性的土层中使用。另外,由于建筑物荷载被置换到新的地基土上,被托换的建筑物将会产生一定的附加沉降,这一点是不可避免的。

8.3.2 设计要点

(1)坑式托换使用的混凝土墩是连续的还是间断的(图8-8),主要取决于被托换加固的结构荷载的大小和坑底面以下地基土承载力的大小。

当建筑物荷载满足坑底地基土承载力要求时,可以采用间断式的坑式托换。否则,就要设置连续的坑式托换。施工时,首先应设置间断墩以提供临时支撑。当开挖间断墩间的土时,可以先拆除坑的侧板,再在挖除了墩间土的坑内灌注混凝土,之后再进行干填砂浆,即形成了连续的混凝土墩式基础。

(2)德国工业标准DIN4123规定:当坑井宽度小于1.25m,深度小于5m,且建筑物高度不大于六层,开挖的坑井间距不小于单个坑井宽度的3倍时,允许不经过力学验算就可以在基础下直接开挖小坑。

(3)如果原基础为承重的砖石砌体、钢筋混凝土或其他基础梁时,对间断的墩式基础,该墙基可以从一墩跨越到另一墩。如果原基础结构构件的抗弯刚度不足以在间断墩之间跨越,则应该在坑之间设置过梁以支撑基础。

(4)对大的柱基础采用坑式托换时,可以将柱基础划分成几个单元逐步托换。每个单元的单坑尺寸视原基础尺寸而定。但对托换柱子,通常一次托换的面积不宜超过基础支撑面积的20%(不增设临时支撑),而且首先应该从脚端开挖托换墩,因为柱子的中心处荷载最集中。

(5)坑式托换适用于土层容易开挖,开挖深度范围内无地下水或者可以方便地降低地下水位的工程,以免产生流土问题。条形基础用坑式托换最好。

8.3.3 施工步骤

坑式托换的施工步骤如图8-9所示。

图8-9　坑式托换示意图
(a)剖面;(b)平面;(c)继续开挖。1.嵌条;2.横向档板;3.直接在基础下挖坑;4.竖向导坑;5.挡板搭接

具体的施工步骤如下:

(1)在贴近被托换的基础侧面,人工开挖一个长为1.2m、宽为0.9m的竖向导坑,直到比原有基础底面再深1.5m处。

(2)再将竖向导坑横向扩展到直接的基坑下面,并继续在基础下面开挖到要求的持力层标高。

(3)采用现浇混凝土浇筑已被开挖出来的基础下的挖坑体积,但在离原有基础底面80mm处停止浇筑,养护1d后,再将1∶1的水泥砂浆填塞进80mm空隙内,并用铁锤锤击短木,使砂浆在填塞部位充分捣实(俗称干填),成为密实的填充层。由于干填的该层厚度较小,实际上可视为不收缩层,因而建筑物不会因此而产生附加沉降。如果采用早强水泥,则可以加快施工进度。

(4)采用同样步骤,再分段分批地挖坑和修筑墩子,直至全部托换基础的工作完成为止。

(5)在开挖过程中,由于土的成拱作用,使作用在坑内挡板上的荷载大为减小,且土压力不随深度而增加,故坑壁均采用50mm×200mm的横向挡板,可以边开挖边支撑,并使横向挡板间相互顶紧,再用50mm×100mm的嵌条在坑角处钉牢。

(6)坑式托换施工时,基础内外两侧土体的高差形成的土压力可能足以使基础产生位移,所以需提供类似挖土时的横撑、对角撑或锚杆,因为墩式基础不能承受水平荷载,侧向位移将会导致建筑物的严重开裂。

对于许多大型建筑物,当进行基础的坑式托换时,由于墙身内应力的重新分布,可以在托换的基础下直接开挖小坑,而不需要在原来的基础下加设临时支撑,亦即在局部基础下短时间内没有支撑可认为是允许的,但切忌相邻基础同时施工,凡开挖区段托换施工一开始,就要不间断进行,直到这个区段的施工结束为止。

8.3.4 工程实例

地铁穿越原有建筑物的坑式托换。

1.工程概况

德国Dotmound市一号环城地铁的西侧外墙与Pezzer地毯商店相互截交,建筑物地下室的基础底面距离地铁隧道顶部约1.6～3.2m。该被托换的建筑物为地下一层(地下室)、地上五层的楼房,条形基础,荷载约为265kN/m。楼房墙身为砖石结构,钢筋混凝土楼板。

2.地质条件

该建筑物地基的地层情况:①杂填土层,厚1.0～3.9m;②粉土层,厚度约为2～3m;③强风化砂质泥灰岩,半坚硬。

在加固范围内位于建筑物底面标高以下5.2～7.6m处为硬质泥灰岩。泥灰岩中有裂隙水存在,但钻孔中未见地下水水位。

3.施工步骤

经分析比较,建筑物的基础为条形基础,地层情况较好,所以决定采用坑式托换加固地毯商店。具体的施工过程如下:

(1)首先建造如图8-10中所示的1号和2号托换主支墩,按间隔式次序开挖。

图8-10　Pezzer地毯商店托换工程施工过程图(单位:m)

先开挖排水沟,然后向建筑物基础下方开挖宽约1.6m的坑井,坑井深度一直到新鲜坚硬的泥灰岩顶面以下500mm,再放入框架式护壁支撑,并用混凝土支护坑壁,混凝土厚度大于30mm。在坑底浇筑底层混凝土作为坑底填层,填层厚度大于50mm,然后再向下开挖直径为1.3m的圆形坑井,一直到地下铁道地基底面以下500mm。开挖工作结束后,应该立即进行制模、配筋以及灌筑混凝土的工作。

(2)在托换主支墩的上部设置斜向锚杆,并且对锚杆施加预应力,在支墩顶面与基础底面之间进行压力灌浆,以保证基础与托换主支墩之间的紧密接触。

(3)在主支墩之间的3号支墩的建造步骤如同上述,但没有圆形坑井,在每个井底设置两个直径ϕ20mm的锚杆,其长度为2.5m,如图8-11(c)所示。

图8-11　Pezzer地毯商店托换施工过程剖面图(未注明的单位:mm)
(a)剖面A;(b)剖面B;(c)剖面C。1.工字钢作为斜向支撑;2.ϕ28圆钢作为辅助支撑;3.ϕ22锚杆; 4.风化状态的泥灰岩;5.坚实混灰岩;6.开挖前地平面;7.素混凝土填实

(4)在支墩之间的土层中,沿剖面方向上,以每次开挖1m深的方式循序渐进向下开挖,如图8-11(a)所示。支墩之间用喷射混凝土灌筑支护墙,混凝土厚度大于50mm,并有起拱的矢高50mm,起支护受力作用,在底部也设置了两根锚杆。

(5)地铁基坑开挖施工时,要求垂直边墙进行喷锚支护,隧道结构物进行抗渗混凝土B25的现场灌筑。施工缝中设置防渗接头,施工缝间距约为100mm。

(6)施工期大约5个月。施工监测表明:建筑物正面向基坑方向弯曲4～6mm,最终沉降2～6mm,建筑物保持完好无损。

8.4 桩式托换

桩式托换(pilingunderpinning)是包括所有的采用桩基形式进行基础托换方法的总称。桩式托换的内容十分广泛,国外有预试桩托换和打入桩托换等。国内常用的桩式托换的方法有压入桩托换、锚杆静压桩托换、灌注桩托换和树根桩托换等。

桩式托换适用于软弱黏性土、松散砂土、饱和黄土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。

下面,对国内常用的桩式托换方法分别作介绍。

8.4.1 压入桩托换

1.方法简述及其适用范围

压入桩托换亦称顶承静压桩托换,该方法是将建筑物本身的自重作为反力,用千斤顶将桩压入地基土中,凭借地基土对桩的支撑将建筑物托住。千斤顶上的反力梁可以利用原来基础下的基础梁或基础板。如果原基础没有基础梁或基础板,可以先加固建筑物的底层墙体,然后再进行压入桩托换。

该方法适用于条形基础的托换加固。托换桩的平面布置按墙体中心轴线或基础布置,根据被托换加固的建筑物的墙体形式及其荷载大小确定,而且每个托换坑的位置应避开门窗等墙体薄弱部位。

当地基中含有较多的大块石、坚硬黏性土或密实的砂土夹层时,由于桩压入时难度较大,应根据现场试验确定,其适用与否。

对于上硬下软的地层,会产生负摩阻力的欠固结土,不能提供千斤顶反力的或严重开裂的建筑物,不易压入的砂土地基以及自重湿陷性黄土地基,均不宜采用压入桩托换。

2.压入桩的施工

压入桩的施工步骤如下:

(1)在墙基或柱基下开挖竖向导坑和横向导坑的方法如前8.3坑式托换中所述。

(2)根据设计的压入桩所承受的荷载,使用直径300～450mm的开口钢管(或0.2m× 0.2m的预制钢筋混凝土方桩),用设置在基础底面下的液压千斤顶将其压入土层中。钢管可截成1.0m长的若干段,用特制的套筒接头将钢管段连接起来,当桩很长或者土中有障碍物时,应焊接上面的接头。

(3)当钢管顶入土层中时,每隔一定时间,根据土的性质,用合适的取土工具将土取出,但应避免坑周围土的软化。

(4)桩段经过交替顶进、清孔和接高后,直至桩尖到达设计深度。

(5)当桩已达到要求的设计深度并且清孔完毕后,可以在钢管中直接灌注混凝土(当钢管中无水时),或者先在管底用“砂浆塞”封闭,待其硬结后再抽干管中的水,然后灌注混凝土并振捣密实。

(6)将压入桩与原有基础梁浇灌在一起,形成整体连接以承受荷载。

3.工程实例

沙市房地局一幢六层宿舍楼自承静压桩托换工程。

该六层宿舍楼为混合结构(图8-12),条形基础,基础埋深1.05m,地表下1.3～1.8m为填土层,以下为3.5～5.4m厚的黏性土层。建筑物西南角下土层中夹有3～4m厚的淤泥层,设计时未进行处理。房屋建成后,A、B两点的沉降差达到250mm,B、C两点的沉降差为140mm,墙身开裂,影响楼房的正常使用。

分析研究后决定选用自承静压桩托换方案,在条形基础的两侧压入截面积为200mm× 200mm的预制钢筋混凝土方桩,桩长为4～8m,视地层条件而定,压桩力控制在160kN左右,并在桩顶设置了连接梁和横梁。

托换工程施工期间,在压桩后A、B、C三点之间的沉降差增加了10%,竣工后沉降立即稳定,即可以正常使用。

图8-12　自承静压桩托换加固
(a)平面图;(b)1—1剖面图

可见,自承静压桩是利用静压桩机械加配重作为反力,通过油压系统,将预制桩分节压入土中,并用硫磺砂浆连接桩身接头。这是采用静压方式沉桩的一种静压桩。

8.4.2 锚杆静压桩托换

锚杆静压桩是将锚杆和静力压桩结合起来形成的一种新型桩基工艺。该法通过在基础上埋设锚杆固定压桩架(图8-13),以建筑物所能发挥的自重荷载作为压桩反力,用千斤顶将桩段从基础中预留或开凿出的压桩孔内逐段压入土中(图8-14),再将桩与基础连接在一起,从而达到提高地基承载力、控制沉降的目的。

锚杆静压桩适用于粉土、黏性土、人工填土、淤泥、淤泥质土和人工填土等地基土(一般要求土的静力触探比贯入阻力Ps<80MPa)的基础托换工程或新建多层建筑物、中小型构筑物和厂房的地基处理等原有建筑物和新建建筑物的地基处理和基础加固。

锚杆静压桩特别适用于以下情况:①地基不均匀沉降引起上部结构开裂或者倾斜;②建筑物加层或厂房扩大;③在密集建筑群中或在精密仪器车间附近建造多层建筑物;④新建建(构)筑物需采用桩基,但不具有单独的打桩工期;⑤桩基工程事故处理。

1.设计计算

(1)锚杆静压桩的单桩承载力。锚杆静压桩的单桩竖向承载力特征值可根据国家现行标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)确定。当无试验资料时,一般由单桩的现场荷载试验确定。

式中:Pa为设计的单桩承载力特征值,kN;Pp(l)为桩最终入土深度达到桩长l时的压桩力,kN;Kp为压桩力系数,其与土质、桩材、桩的截面形状、压桩速度等因素有关,可以根据试验确定,当桩长小于20m时,在黏性土中,Kp=1.5,在黄土或填土中,Kp=2.0。

图8-13　锚杆静压桩装置示意图
1.桩;2.压桩孔;3.锚杆;4.反力架; 5.千斤顶;6.电动葫芦;7.基础

(a)　(b)
图8-14　压桩孔布置图
(a)墙下条形基础承台;(b)独立柱基础承台

当已知静力触探的比贯入阻力曲线时,压桩力与比贯入阻力Ps的关系如下

式中:Pp(z)为桩入土深度为z时的压桩力,kN;Ps(z)为桩入土深度为z时的比贯入阻力, kPa;Ks为换算系数,取Ks=0.06～0.07m2。

当锚杆静压桩仅承受垂直压力时,可以采用硫磺胶泥接头;当其承受水平力或上拔力时,应采用焊接接头。由于可以直接测定锚杆静压桩压桩时的压力,所以,可忽略多节桩的接头强度折减和桩的长细比对其承载力的影响。

(2)桩位布置及桩数。桩位布置应靠近墙体或柱子。设计桩数应该由上部结构荷载及单桩竖向承载力计算确定,必须控制压桩力不得大于该加固部分的结构自重。

(3)当既有建筑物基础承载力不满足压桩要求时,应对基础进行加固补强;也可采用新浇筑钢筋混凝土挑梁或抬梁作为压桩的承台。

(4)桩身材料及接桩。锚杆静压桩的桩身一般采用预制钢筋混凝土方桩或钢材,桩截面边长可取200～300mm。每段桩节的长度应考虑施工净空高度和机具情况,一般采用1～2.5m 长,也可以选用钢筋或钢轨做桩身,接头可采用焊接或硫磺胶泥等。根据压桩过程中最大压桩力和桩段起吊应力验算桩身强度。当钢筋混凝土方桩边长为200mm时,宜采用不小于4ϕ10的钢筋;当方桩边长为250mm时,钢筋应不小于4ϕ12;当钢筋混凝土方桩边长为300mm时,宜采用不小于4ϕ16的钢筋;混凝土强度等级不小于C30。

用硫磺胶泥连接的钢筋混凝土桩段,其两端须设置2～3层焊接钢筋网片,在桩的一端预埋插筋,另一端顶留插筋孔和吊装孔;而用焊接方法连接的桩段,其两端应设置钢板套。

(5)原基础承台。承台边缘距桩边缘的距离不小于200mm。桩头嵌入桩基承台内的长度应为50～100mm。桩基承台的厚度不宜小于350mm。当桩基承台厚度小于350mm时,应在桩孔上设置桩帽梁(图8-15)。

图8-15　桩与基础连接构造(单位:mm)
(a)平面;(b)剖面;(c)交叉钢筋与锚杆的连接

图8-16　锚杆(焊箍螺栓)锚固深度
(单位:mm)

当桩承受拉力时,可在桩顶上四角增加锚固钢筋,通过压桩孔进入桩基承台,且满足锚固长度;压桩孔内用C30的微膨胀早强混凝土浇捣密实,使桩与承台形成整体。

可采用光面直杆墩粗螺栓或焊箍螺栓作为锚杆(图8-16)。当压桩力小于400kN时,用M24锚杆;当压桩力在400～500kN时,用M27锚杆,其锚固深度一般为螺栓直径的10～12倍。在确保杆孔内干燥的情况下,可用硫磺胶泥黏结锚固螺栓。锚杆与压桩孔、周围结构的间距及其与压桩孔边缘至基础承台边缘的最小间距如图8-17所示。

另外,采用锚杆静压桩进行基础托换时,应对原有基础重新进行抗冲切、抗剪切和抗弯曲能力的验算,如果不满足要求,应采取必要的加固措拖。

2.施工顺序

(1)锚杆静压桩施工前应该做好下列准备工作:

1)清理压桩孔和锚杆孔施工工作面。

2)制作锚杆螺栓和桩节的准备工作。

3)开凿出压桩孔,并将孔壁凿毛,清理干净压桩孔,将原承台钢筋割断后弯起,待压桩后再焊接。

4)开凿锚杆孔,并设置好锚杆。

(2)施工过程:

1)首先在被托换的基础上标出压桩孔和锚杆孔的位置(图8-17),并开凿出相应的孔位,其中压桩孔剖面见图8-18。

2)保持压桩架直立,使千斤顶和桩段保持在同一垂直线上。桩顶铺垫30～40mm厚的木板或多层麻袋,套上钢桩帽再进行压桩。施加的压桩力总和在施工期间不能大于该基础和上部结构所能发挥的自重,防止基础上抬造成破坏。压桩施工应该一次完成,若不得不中途停顿,应将桩尖停留在软土层中,且不超过24h。

图8-17　锚杆与压桩孔布置构造要求(单位:mm)

图8-18　压桩孔剖面(单位:mm)

3)接桩时,上节桩就位后将插筋插入插筋孔内,待检查重合无误、间隙均匀后,再将上节桩吊起100mm,装上硫磺胶泥夹箍,并浇注硫磺胶泥,之后立即垂直放下上节桩。待接桩中的硫磺胶泥固化后,才能开始压桩施工。用焊接方法接桩时,应除锈满焊。当环境温度低于5℃时,应对插筋和插筋孔作表面加温处理。

4)如桩顶未压到设计标高,必须切除外露桩头。切桩前先用楔块固定桩,然后用凿子凿出30～50mm深的沟槽,切割露出的钢筋。

5)将压桩孔内、孔壁和桩头浮浆等清除干净,排除积水后封桩。分两步进行:先按设计要求在桩顶用ϕ14钢筋与锚杆对角交叉焊牢;然后和桩帽梁同时灌入掺有微膨胀早强外掺剂的C30混凝土,并捣实。对房屋纠偏施工时,封桩应该在不卸载的条件下进行,且封桩混凝土强度达到C15以上时才可以卸载。

6)压桩施工的控制标准,应该以设计最终的压桩力为主,桩入土深度为辅加以控制。

3.工程监测和质量检验

在锚杆静压桩施工期间和施工完毕以后,应进行工程监测和质量检验,具体要求有如下几点:

(1)压桩孔与设计位置的平面偏差不得超过±20mm。

(2)压桩时,每节桩段的垂直偏差不得超过桩段长的1.5%。

(3)最终压桩力和桩压入深度应根据设计要求进行验收。

(4)桩身试块强度和封桩混凝土试块强度应符合设计要求,硫磺胶泥性能应符合国家现行标准《地基与基础工程施工及验收规范》(GB50202—2002)的有关规定。

4.工程实例

应用锚杆静压桩基逆操作法施工。福建省林业设计院职工住宅八层钢筋混凝土框架结构,工程地质情况如表8-1所示。

表8-1　土层的物理力学性质指标表

基础形式经过多种方案比较:如采用沉管灌注桩,则费用少,施工方便,但对邻近几米的办公楼和住宅楼振动影响大;如采用人工挖孔桩,则由于离河岸近,易产生流砂。在此特定地质条件下决定采用锚杆静压桩,工程于1988年开工,1989年1月结构封顶。

为了探讨基础承台对上部结构的作用效应,考虑了桩、土和承台基础的共同作用。桩截面250mm×250mm,桩长17.5m,由长度为2.5～3.5m的多节C30混凝土预制桩接成。桩基设计为摩擦端承桩,桩尖进入粉质黏土层2.5m,压桩前主体结构先建三层。为了压桩工艺需要,条基宽度定为1.6～1.8m。根据上部结构荷载情况,设计单桩承载力pa=400kN,总桩数179 根,桩孔紧靠框架柱。条形基础占底层总面积63%。

为了监测天然地基承载力,在基础底板下埋设了18个土压力盒,以探讨随着上部结构荷载增加与地基应力变化的规律。

压桩自三层框架浇筑完后开始,施工先从建筑物外围进行,形成“挡土结构”,使内部压桩所产生的挤土压力不致向外扩散,不影响周围建筑。随着建筑物底部挤土的加剧,桩侧摩阻力增大,天然地基承载力得到提高,桩和土的共同作用效果更好。压桩与上部结构同时施工,桩期施工不占用工期。

在压桩过程中,对p-s曲线进行了详细记录(图8-19)。在上部结构施工到三层时,建筑物平均沉降为3mm,而建筑物的基底压力为29.6kPa,小于天然地基的承载力特征值。此时,上部结构继续施工,直到七层楼板面时,建筑物的平均沉降为4.76mm,地基土的反力测定为66.8kPa,此时决定封桩。可见,桩基受力前,地基处于弹塑性状态,塑性区正在发展而未达到极限状态。

实测证明,虽然基础与上部结构具有一定的刚度,但在反力分布上很不均匀,柱下具有较大的反力值,因而基础刚度的大小对反力是否均匀起着很大的作用。在一般黏性土地基上,若基础梁高(L为基础梁跨度),则反力是很不均匀的,这是因为条形基础是介于柔性与刚性之间的。对于上部为框架结构的建筑物,若柱距、跨距较大,此时基础梁梁高必须有一定数值,并且在远离柱的基础下设桩是不经济的,或可以说达不到应有的效果。

尽管结构施工到七层楼面板时桩基还未受力,即桩基仅承受今后施工的屋面板荷载及框架填充墙等重量,但为了安全起见,还是随意选取了5根桩,进行了原锚杆静压桩设备载荷试验(图8-20)。

由静载荷试验得到5根桩的承载力特征值分别为300kN、400kN、375kN、275kN和238kN。可见,虽然原来压桩的最终(荷载)均为400kN,但静载荷试验允许值却不同,这是因为压桩动压力的大小与压桩的速度、压桩的总时间、压桩的位置、压桩顺序等因素有关;但据统计分析,压桩的最终动压力约为单桩承载力特征值的1.33倍,亦即单桩承载力特征值可取最终压力的0.75倍。

图8-19　建筑物施工过程中天然地基p-s曲线 图8-20 锚杆静压桩的单桩动压和静压曲线

从工程施工和静载荷试验中可见,按常规桩基设计有较大的潜力;采用条形基础可充分发挥天然地基的承载能力,节省桩基费用。

本工程采用的是压桩全部结束后同时封桩的方法。如果逐个压桩后立即封桩,则对工程将更为有利。

8.4.3 预试桩托换

预试桩(pretestpile)托换是由美国的LazarusWhite和EdmundAPrentis在纽约市修建威廉街地下铁道时发明的,并于1917年取得专利。预试桩也称预压桩。

预试桩的设计思路是对顶承静压桩(压入桩)在施工中存在的一些问题而加以改进的,即阻止在压入桩施工中,当撤出千斤顶时压入桩的回弹。解决方法是在撤出千斤顶之前,在被顶压的桩顶与基础底面之间加进去一个楔紧的工字钢柱。

预试桩的施工步骤如下:

预试桩的前阶段施工与前述的压入桩施工步骤完全相同,既当钢管桩(或预制钢筋混凝土桩)达到要求的设计深度时,如果是钢管桩,钢管桩内要浇筑混凝土,待混凝土结硬后再顶压(预试)。

预试时,一般用两个平排设置的液压千斤顶放置在基础底面和钢管桩顶面之间(图8-21)。两个千斤顶之间要有足够的空间,以便将来安放楔紧的工字钢钢柱。液压千斤顶可由小液压泵或手摇驱动。施加的荷载应加到桩的设计荷载的150%为止。在荷载不变的条件下, lh内顶承静压桩的沉降不增加,可以认为其达到稳定,再截取一段工字钢,将其竖放在两个千斤顶之间,用铁锤打紧钢楔。经验证明,只要能转移10%～15%的荷载,就可以有效地对桩进行预试,并阻止压入桩的回弹。此时的千斤顶已停止工作,可以将其取出;然后用干填法或在压力不大的情况下,将混凝土灌注到基础底面;最后将桩顶和工字钢用混凝土包起来,此时,预试桩的施工结束。

在预试桩的托换工程施工中,一般不希望采用闭口的或实体的桩,因为顶进钢管时的压力过高,或因桩端下遇到障碍物时,闭口钢管或预制钢筋混凝土桩就很难顶进了。

8.4.4 打入桩和灌注桩托换

图8-21 预试桩在安放楔紧的工字钢柱时的施工示意图

1.打入桩和灌注桩的适用条件以及施工

上述的压入桩和预试桩的托换,在适用范围上有一定的局限性,特别是当桩必须穿过存在障碍物的地层时,或者当被托换的建筑物较轻且上部结构条件较差,而且不能提供合适的千斤顶反力时,或者当桩必须设置很深,而费用又很高时,应考虑采用打入桩或灌注桩托换。而且,预试桩虽然在许多情况下可以免去支撑的优点,但总的费用是比打入桩或灌注桩的造价要高。

灌注桩托换适用于具有沉桩设备所需净空条件的原有建筑物的托换加固。打入桩和灌注桩托换经常用于隔墙或机器不多的建筑物,而且,沉桩时虽然有一定的振动,但对上部结构和邻近建筑物无多大危害。

用于托换工程的灌注桩,按照其成孔方式可分为螺旋钻孔灌注桩、潜水钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、沉管灌注桩、冲孔灌注桩和扩底灌注桩等。其中,以螺旋钻孔灌注桩、潜水钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、沉管灌注桩的应用较为普遍。此种托换与打入桩托换的不同点,仅在于沉桩的方法不同。

(1)各种托换灌注桩的适用条件宜满足下列情况:①螺旋钻孔灌注桩适用于黏性土、淤泥、淤泥质土和砂土地基;②潜水钻孔灌注桩适用于黏性土、淤泥、淤泥质土和砂土地基;③人工挖孔灌注桩适用于地下水位以上或土质透水性小的地质条件,当孔壁不能直立时,应加设砖砌护壁或混凝士护壁以防塌孔。

(2)如果采用钻孔灌注桩进行托换,其在技术和经济效果方面表现如下:①能够在密集建筑群而又不搬迁的条件下进行施工;②占地面积小,操作灵活,根据实际需要可以改变桩长和桩径。

打入桩和灌注桩施工时,根据净空条件,将开口钢管桩截成短段。钢管直径通常为300～ 350mm,其壁厚10mm。之所以采用钢管的另一个原因,是因为它比其他类型的桩容易拼接,接头是用铸钢的套筒或焊接而成的。然后采用沉桩、取土清孔、接桩等反复循环施工直至最后在钢管内浇筑混凝土等施工工序。

另外,如从原有被托换建筑物的基础周边开挖的坑中开始沉桩,则一般可提供更为有用的空间,以便减少桩管的接头数。

当对设计要求的桩全部施工完成后,就可以用搁置在桩上的托梁或承台系统来支撑被托换的柱或墙(图8-22),其荷载的传递有时是靠钢楔或千斤顶转移的。由于钢管桩端开口,对桩周围的土排挤较少,而且不会产生像闭口桩那样大的振动,这对托换工程施工是一个十分关键的问题。

灌注桩施工完毕后,应在桩顶用现浇托梁等支撑建筑物的柱或墙。

灌注桩托换与打入桩托换的功能完全一样,同样靠搁置在桩上的托梁或承台系统来支撑被托换的柱和墙,与打入桩的不同点仅在于沉桩方法不同。

灌注桩托换的缺点是如何发挥桩端承载力,以及泥浆的处理和回收问题。目前我国已有的工程实例都是采用灌注桩托换,鲜见打入桩的托换形式。

国外已经采用了一种新型的压胀式灌注桩(TheExpand-erBody)托换技术。其桩杆用铁皮折叠制成(图8-23),然后用压力灌浆使桩杆膨胀。施工前先进行钻孔,然后放入钻杆。当为浅层处理时(图8-24),用气压将桩杆胀开,然后截去外露端头,之后浇灌混凝土而形成压胀式灌注桩;当为深层处理时(图8-25),则采用压力灌浆设备和导管,在将桩杆胀开的同时,压入水泥砂浆而成桩。

图8-22　灌注桩托换

图8-23　压胀式灌注桩采用铁皮桩杆和压胀后外形

图8-24　压胀式灌注桩浅层施工流程图
(a)桩杆;(b)压胀;(c)截去端头后浇灌混凝土; (d)制作承台与被托换建筑物基础共同受力

2.工程实例

湖北省工业建筑设计院两栋宿舍楼的灌注桩加层托换工程。

(1)工程概况。湖北省工业建筑设计院已建成的两栋宿舍楼为三层混合结构,块石砌体条形基础。原建筑物施工质量较差,使用多年后,该建筑物已显破旧。该楼新扩建计划增加四层,即由原来的三层增加为七层,要求将两栋合成一体,并且在住户不搬迁的情况下实施,施工过程中不能影响原有地基基础的受力状态,以免导致上部结构开裂。施工时应保证原有建筑物四周的管线使用畅通,应避免振动和噪音。施工场地狭窄。

(2)地质条件。建筑物位于旧池塘边,地基土质不均匀,基础底面下为老填土和淤泥质粉土,厚度2～6m,地基承载力设计值,f=100～130kPa;下卧层为黏土,地基承载力设计值,f =300kPa。

图8-25　压胀式灌注桩深层施工流程图
(a)钻孔;(b)放入包杆;(c)包杆与导管就位;(d)压力灌浆

(3)设计和施工。经过验算后证实,由于受上部结构构件的承载能力和地基承载能力的限?制,原结构和地基均不能满足增加四层的要求。因此,采用灌注桩托换加层,并且在托换设计中增加了外套框架系统。

根据工程特点,最后设计选用了“外套框架和灌注桩桩基支托方案”。新设计的框架柱紧贴原建筑物的外墙墙面,每个柱下设置3～4根灌注桩作桩基础,桩径为ϕ500mm,桩长8～ 15m,单桩承载力特征值为450kN,条形承台,紧靠旧墙墙基0.33m处钻孔成桩(潜水灌注桩),详见图8-26。

本托换方案可以体现出原有结构和地基基础受力明确的特点。经过建筑设计适当处理后,使得新旧结构相互结合,将两栋宿舍楼连接成整体,既安全又可靠。经过精心组织施工,单桩静载荷试验的极限承载力分别为1800kN、1600kN和1500kN,确保了托换工程的质量。

托换桩施工完毕后,进行建筑物的加层,施工质量比较满意。虽然整个托换加层的工程造价略高,但却节省了建筑用地,满足了在不搬迁住户的条件下建筑物的加层要求,同时,也解决了在密集建筑群中场地狭窄的施工问题。

经托换加层后的建筑物使用情况正常。

8.4.5 树根桩托换

1.概述

树根桩(rootpiles)实际上就是在地基中设置直径约为150～300mm的小直径就地灌注的钻孔灌注桩。由于这些灌注桩可以是垂直的或倾斜设置的,单根的或者成排设置,形成的桩基形状如“树根”而得名。

如果将树根桩布置成三维的网状体系者,称为网状结构的树根桩(reticulatedrootpiles),日本简称其为RRP工法,而英、美各国将树根桩列入地基处理中的“土的加筋”范畴。树根桩方法的问世使托换技术有了很大的改观。

图8-26　外套框架灌注桩桩基平面及剖面图(单位:mm)

树根桩是20世纪30年代初由意大利:Fondedile公司的LizziF首创的。随后,树根桩在各国得到了应用。树根桩用于基础的托换和地基土的加固,在国际上的工程应用已经超过3000多例,主要用于古建筑整修工程、修建地下铁道时原有建筑物地基加固工程、岩土边坡的稳定性加固、楼房加层改造工程和危房加固工程的地基加固。

图8-27　是房屋建筑条形基础下树根桩托换的典型设计。桥墩基础下的墩基树根桩托换如图8-28所示。

图8-27　条形基础下用树根桩托换

图8-28　桥墩基础下用树根桩托换

2.树根桩的适用条件和优点

(1)树根桩的适用条件。树根桩适用于淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、砂土、碎石土及人工填土等地基土上既有建筑的修复和加层、古建筑的整修、地下铁道的穿越、桥梁工程等各类地基的处理与基础加固,以及增强边坡的稳定性等。

(2)树根桩托换的优点:①所需施工场地较小,一般在平面尺寸1.0m×1.5m、净空高度2.5m即可以施工;②施工时噪音和振动小,对已经损坏而需要托换的建筑物比较安全;③所有施工操作都可以在地面上进行,因而比较方便;④压力灌浆使树根桩与地基土紧密结合,桩和墙身、承台连结成一体;⑤施工时桩孔很小,因而对墙身和地基土几乎都不产生任何应力;⑥适用于碎石土、砂土、粉土和黏性土等各种不同的地基土质条件;⑦竣工后的加固体不会损伤原有建筑物的外貌,对修复古建筑尤为重要。

3.树根桩设计要点

树根桩加固地基的设计计算与其在地基加固中的效果有关。树根桩的设计应该符合以下规定:

(1)桩径。树根桩的直径宜为150～300mm。

(2)桩长。桩长不宜超过30m,应根据加固要求和地质情况而定。

(3)桩的布置。桩的布置可采用直桩型或网状结构斜桩型,应靠近墙体或柱子,桩数应由上部结构荷载及单桩竖向承载力计算确定。

(4)单桩竖向承载力。树根桩的单桩竖向承载力可通过单桩载荷试验确定,当无试验资料时,也可以按照国家现行标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)有关规定估算。

树根桩单桩竖向承载力的确定,还应考虑既有建筑的地基变形条件和桩身材料的强度要求。

如果树根桩的桩长比较大,还要考虑有效桩长的影响。

(5)桩身。树根桩桩身混凝土强度等级应不小于C30,钢筋笼外径宜小于设计桩径的40～60mm。主筋不宜少于3根。对软弱地基,主要承受竖向荷载时的钢筋长度不得小于1/2桩长,主要承受水平荷载时应全长配筋。

(6)树根桩设计时,还应对既有建筑的基础进行有关承载力的验算。当不满足上述要求时,应先对原基础进行加固或增设新的桩承台。

(7)树根桩承受水平荷载。树根桩与土形成挡土结构,承受水平荷载。对树根桩挡土结构,不仅要考虑整体稳定,还应验算树根桩复合土体内部的强度和稳定性。

图8-29　为单根树根桩的载荷试验曲线。需要进行托换的建筑物所能允许的最大沉降量为sa(通常为几个毫米),则相应的树根桩使用荷载为Pa。当建筑物出现小于沉降sa的沉降sm时,则相应的荷载为Pm,此时,意味着建筑物的一部分荷载传递给树根桩,而另一部分荷载仍由原来建筑物基础下的地基土所承担。事实上,比Pa大得多的极限荷载Pu不重要,因为对被托换的建筑物而言,树根桩的承载力主要取决于被托换建筑物的允许沉降量,亦即用于托换的树根桩是无需充分发挥桩本身的承载能力的。

图8-29 单根树根桩载荷试验曲线

进行树根桩托换时,原有地基土的安全系数是很小的,但决不会小于1。否则的话,建筑物早已倒塌,而树根桩的设置将不会使安全系数(>1)的储备量消失。因此,经树根桩托换后的建筑物安全系数将是

式中:Ks为原有地基土的安全系数,Ks>1;Kp为树根桩的安全系数,Kp=Pu/Pa>1。

由此可知,经过树根桩托换的工程,其安全系数并不等于加固后建筑物下桩的安全系数,实际上它的安全系数比较大。

只要具备单根树根桩的载荷试验资料,就可以进行设计了,即采用被托换建筑物的允许沉降值进行控制,而在单桩载荷试验曲线上找出该允许沉降值时相对应的单桩承载力后,按照一般的桩基设计方法进行设计即可。

对网状结构的树根桩而言,其截面设计是一个复杂的问题。在网状结构内,单根树根桩可能要求承担拉应力、压应力和弯曲应力。而桩的尺寸、排列方式、桩长和桩距等设计参数,国外都是根据本国的实践经验而制定,日本和西欧各国沿用本国的计算方法。

网状结构的树根桩可用于边坡稳定、支挡结构、原有建筑物邻近开挖深基坑(图8-30)、原有建筑物加层、古建筑物整修和地下铁道等穿越工程。

4.树根桩施工

树根桩施工时,可根据工程要求和地层情况,采用不同的钻头、桩孔倾斜角和钻进时的护孔方法。

(1)钻机和钻头选择及钻机定位。根据施工设计要求、钻孔孔径和场地施工条件来选择钻机机型。钻头可以根据基础或土质情况选定。选择好钻机和钻头之后使钻机定位。

(2)成孔。采用地质钻机钻孔,在钢套管的导向下用旋转法施工,钻进宜采用平口合金钻头,以保证孔型呈直线。钻孔直径一般为150～300mm。在土层中钻孔时宜采用清水或天然泥浆护壁,也可以用套管。当不用套管钻孔时,应在孔口处设置一段长1.0～2.0m的套管,防止孔口土方坍落。

(3)清孔。钻孔时可采用泥浆或清水护壁,钻进至设计标高后清孔,对孔内泥浆清洗置换。清孔时应控制水压力的大小,直至孔口溢出清水为止。

(4)吊放钢筋笼和埋设注浆管。将分节制成的钢筋笼吊起,对准桩孔位缓慢下沉,避免碰撞孔壁;分节之间钢筋的搭接必须错开焊接(双面焊),注浆管采用直径20mm的无缝铁管。施工时尽量缩短吊放和焊接时间。

(5)灌注骨料。填灌前清洗骨料,骨料一般采用5～25mm的细碎石料为宜,计量后缓慢投入孔口填料斗内,并轻摇钢筋笼促使石料下沉和密实,直至填满桩孔,而且在填灌过程中应始终清孔。

图8-30　采用网状结构树根桩进行侧向托换

(6)浆液配制和注浆。一般采用纯水泥浆、水泥砂浆或细石混凝土浆液。纯水泥浆的水灰比值一般为0.4～0.5,水泥砂浆的配比一般采用水泥∶砂∶水=1.0∶0.3∶0.4。通常用32.5级或42.5级普通硅酸盐水泥,过筛砂料。为了提高水泥浆的流动性和早期强度,可适量加入减水剂和早强剂。

应选用能兼注水泥浆和水泥砂浆的注浆泵,如采用UBJ2型挤压式灰浆泵时,最大工作压力为2.5kPa。因压浆过程会引起振动,使桩顶部石子有一定数量的沉落,所以,在整个压浆过程中,应该逐步灌入石子至桩顶,浆液泛出孔口才应终止注浆。

(7)浇筑承台。当树根桩用作承重、支护或托换时,为了使各根桩能连接成整体,并加强其刚度,常需浇筑承台。此时应凿开树根桩桩顶混凝土,露出钢筋,锚入所浇筑的承台内。

5.树根桩的质量检验(www.xing528.com)

树根桩的质量检验应符合下列规定:

(1)每3～6根桩留一组试块,测定抗压强度,其桩身强度应符合设计要求;

(2)应采用载荷试验检验树根桩的单桩竖向承载力,有经验时也可以采用动测法检验桩身质量。两者均应符合设计要求。

6.工程实例

(1)意大利的S.Lucia浅埋地下铁道。该地下铁道要从城市大厦的下面穿越。现场的场地地质条件是粉土和细砂,不能采用灌浆托换方案。最后决定选用网状结构的树根桩方案(图8-31)。在地下室内,将已建成的网状结构树根桩用十字交叉基础梁与原有基础纵横连接起来,形成一个整体;同时,还可以防止地下铁道开挖时A区的卸荷作用。

图8-31　意大利S.Lucia地下铁道
1.网状结构树根桩;2.在树根桩上加十字交叉基础梁与原有基础连接起来;3.原有基础

(2)日本东京都北区瞭望塔。这是一公园中的一座瞭望塔,要在其邻近新埋设外径为7.6m的水管,水管管道与瞭望塔的水平距离为11m,覆土厚度约为16.5m。经研究采用网状结构树根桩托换方案(图8-32)。在沿瞭望塔圆形片筏基础的周围布置长30m的树根桩两圈,每圈40根,共计80根,钻孔方向与铅垂线成11.3°角度,最后盾构施工时安全通过。虽然此工程属于邻近构筑物(地下管道)设施,但其树根桩布置有其独特之处,可以在其他托换工程中作为借鉴。

(3)意大利Vinice的Burano钟楼。意大利Burano钟楼(图8-33)始建于16世纪,由于地基土质不好,钟楼的倾斜程度很大,已处于极度危险中。最后确定的托换方案是在钟楼塔基周边建筑树根桩,它与结构物的连接既可承受拉力也可以承受压力。树根桩与桩间土成为一个整体构成的稳定力矩。设计时考虑了钟楼塔与树根桩基础在一起的重心点接近于基础的形心,这样使钟楼塔体的稳定性得到了明显的改善,而经树根桩托换的工程可视作一个整体。这个托换工程的方案构思别具匠心,可以在类似的古建筑物保护工程中作为借鉴。

图8-32　日本东京瞭望塔

图8-33　意大利Burano钟楼

(4)意大利Naples市政府办公楼加层。意大利Naples市政府办公楼原来除地下室外只有三层,现要求另外增加五层,变为八层的办公楼,同时要求办公楼在加层施工过程中能够正常办公。经过周密分析和研究,采用了以下托换方法。具体的施工方法是,先在底层靠近原有基础做树根桩,再在树根桩上做基础梁,基础粱上筑钢柱子,穿过现有楼面到达屋顶。施工是在白天市政府办公时间之后进行的。附加的三层是钢结构的构架,它可以在原有建筑物屋顶上进行建造,所以不妨碍下面的办公楼办公。待加建的五层完成后,就可拆除原有三层建筑,重建下面几层,并将有关楼板和整个结构连接起来成为整体(图8-34)。

(5)应用树根桩稳定岩石和土质边坡、治理滑坡以及加固挡土墙等(图8-35至图8-37)。

图8-34　意大利Naples市政府办公楼加层托换

图8-35　用树根桩稳定土坡

图8-36　用树根桩治理滑坡

图8-37　用树根桩加固挡土墙

8.5 建筑物纠偏

8.5.1 概述

当建(构)筑物产生的不均匀沉降过大时,将会导致上部结构产生倾斜,有时还会产生裂缝,严重的可以造成结构破坏。当建(构)筑物的倾斜度超过规范的规定值,或者影响到建(构)筑物的正常使用时,一般在对建(构)筑物进行加固后还需要进行纠偏。

建(构)筑物纠偏是指原有建(构)筑物偏离垂直位置发生倾斜而影响到正常使用时所采取的托换措施。建(构)筑物纠偏采用的思路和手段与其他托换加固的方法相似,它是托换技术中的一个重要分支。

8.5.2 建(构)筑物产生倾斜的原因

总体来讲,导致建(构)筑物产生倾斜的主要原因,大致有3个方面。

1.对场地岩土工程性质了解不全

岩土工程勘察报告没有能够准确提供软土地层的分布情况,如软土地层的不均匀,填土层的厚度和不同的密实度以及土层中局部存在暗沟、暗浜、古河道、古墓等。这使得设计人员对建(构)筑物场地的岩土工程性质了解不全面。大多数的原因是客观因素造成的,可能是勘探孔布置密度不足,未能满足地基土层的变异,也有可能是岩土工程勘察的质量不合格造成的。

2.设计不当

除了对场地地基土层的情况不明所造成设计不合理外,也存在设计人员对建(构)筑物设计的不合理因素。如在非均匀的软土地层上,只重视地基承载力的验算,忽视了沉降控制,使建筑物的地基基础设计及基础选型不当,建筑物的体型、平面布置设计不妥,荷载质心的位置及沉降缝布置不当等多种原因。

3.施工质量问题

有一些建(构)筑物产生过大倾斜的原因是施工质量未能满足设计要求造成的。如建(构)筑物施工工艺不当。在高层建筑物施工计划中,主楼和裙房同时建造,邻近建筑物开挖深基坑或者降水,建筑材料单边堆放,等等。

实质上,建(构)筑物整体倾斜的主要原因是建(构)筑物地基的不均匀沉降。而建(构)筑物纠偏,就是利用地基产生的新的不均匀沉降来调整建(构)筑物已经存在的不均匀沉降,以达到新的平衡,并矫正建筑物的倾斜。

建(构)筑物纠偏是一项技术难度较大的工作,需要对已有建(构)筑物的结构、地基和基础以及相邻建(构)筑物作详细的调查研究,更需要岩土工程、结构工程和工程施工的专业知识,以及几个方面的专业技术人员的通力合作才能进行,即要求纠偏技术人员具有较强的综合分析能力。建(构)筑物纠偏过程中的应力和位移的调整,需要缓慢进行,不能急于求成,也不能矫枉过正,因为,建(构)筑物纠偏过大会造成其向另一侧倾斜。

8.5.3 建(构)筑物纠偏具备的条件

当建(构)筑物发生下列情况时,一般要考虑纠偏。

(1)过大的倾斜已经造成既有多层建(构)筑物的结构性损害,或者明显影响建(构)筑物的正常使用功能;

(2)建筑物的整体倾斜值已经超过了国家现行标准《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2002)规定的允许值,或者各地方颁布的危房标准;

(3)建筑物的过大的倾斜已经明显影响到人们的正常心理承受能力和情绪。

如果建(构)筑物的地基变形一直在持续不断地发展,则需要同时考虑地基加固,以便阻止建(构)筑物的继续沉降。建(构)筑物纠偏方法的选择,应该综合考虑其结构形式、功能要求、地基与基础的情况、环境和施工条件等因素。

8.5.4 建(构)筑物纠偏方法分类

建(构)筑物纠偏方法主要分为两大类:对沉降小的一侧促使其进一步沉降;或者对沉降大的一侧采用顶升措施使沉降减小。

常用的建(构)筑物纠偏方法如下。

1.迫降纠偏

迫降纠偏,即采取某种措施迫使沉降较小的一侧下沉,消除或者减少与另一侧的沉降差。包括掏土纠偏、浸水纠偏、降水纠偏、堆载加压纠偏、锚桩加压纠偏、锚桩静压桩加压纠偏、扰动地基土纠偏、桩基水冲纠偏、断桩纠偏等。

2.顶升、抬升纠偏

顶升纠偏,即在沉降大的一侧用机具顶升基础或上部墙体,或从侧面张拉基础或建(构)筑物使其恢复原位;抬升纠偏,即在沉降大的一侧地基中注入具有挤密加固作用或膨胀作用的浆液,对建(构)筑物基础起上抬作用。

顶升纠偏包括在基础下加千斤顶的顶升纠偏,在地面上切断墙体后再加千斤顶的顶升纠偏,在新建工程设计中预留千斤顶位置,以便今后抬升。抬升纠偏包括灌浆抬升纠偏。

3.综合纠偏

上述两种方法的组合,如浸水加压纠偏、顶桩掏土纠偏等。

需要注意的是,建(构)筑物的纠偏,除了采用合适的纠偏方法以外,必要时还应辅助建筑物的地基加固,以便调整沉降尚未稳定的建(构)筑物。

8.5.5 建(构)筑物纠偏的工作程序和要点

1.建(构)筑物纠偏的工作程序

(1)收集相关资料,包括建(构)筑物的设计和施工文件,岩土工程勘察报告,周围环境资料,建(构)筑物的沉降、倾斜和裂缝观测资料等。

(2)分析建(构)筑物倾斜的原因、危害程度、发展趋势等,以确定对建(构)筑物进行纠偏的必要性和可行性。

(3)确定合适的纠偏目标和纠偏方法。

(4)制订详细的纠偏方案,该方案要求安全可靠、技术可行、经济合理等,并应明确规定检测的内容和要求。纠偏方案应通过比较,优先选择迫降纠偏。当迫降纠偏不适用时,可以选择顶升纠偏。

(5)组织纠偏施工。在纠偏前应对被纠偏的建(构)筑物和环境做认真的观测和记录,可以作为纠偏施工控制的参考,也可作为一旦发生纠纷时的法律依据。

(6)做好纠偏结束后的善后工作,同时应继续进行定期检测,观察纠偏的效果和建(构)筑物的稳定性。如果发现异常情况,应立即采取补救措施。

2.建(构)筑物纠偏工作要点

(1)确定纠偏目标。

(2)控制纠偏的速率,并考虑微调纠偏过程。

(3)把握检测工作的频率。

(4)防止建筑物回倾。

(5)选用专业的施工队伍。

8.5.6 基础加压纠偏

基础加压纠偏是采取人为改变建(构)筑物原基础的荷载条件,迫使地基上产生不均匀变形,从而调整基础的不均匀沉降,这是一种加压纠偏的有效方法。

1.基础加压纠偏的工作原理

基础加压纠偏是在被托换建(构)筑物基础沉降小的一侧,修筑一个与原基础连接的悬臂钢筋混凝土梁,利用锚桩和加荷机具,根据工程需要,可以一次或多次加荷,直至纠偏或超纠偏,达到预期纠偏目的为止。所以,基础加压纠偏的过程,实际上就是地基主应力重新分布、地基变形、基础纠偏的过程。

基础加压纠偏的工艺如图8-38所示。基础加压纠偏的表达式如下

式中:Δs为计算或实际的基础沉降差,mm; sw为基础纠偏或超纠偏沉降量,mm;b为基础倾斜方向的宽度,mm;[tanθ]为允许倾斜值。

图8-38　锚桩加压纠偏装置示意图

对不均匀沉降敏感,而且要求严格控制倾斜的建(构)筑物,则可以在设计与施工中预先设置纠偏装置,以后根据实际情况随时进行调整。这是一种处理与防止建(构)筑物倾斜的治本方法,与其他的托换方法相比,可以减少场地原有地基土体的结构破坏。

2.工程实例

武汉钢铁公司炼钢厂钢锭模具库锚桩加压纠偏工程。

该模具库全长135m,柱距9m,跨度28.5m,吊车轨道标高10m(图8-39)。露天栈桥由钢筋混凝土柱、吊车梁及阶梯形基础所组成,沿纵向设两道伸缩缝,桥式吊车Q=50/10t与30/ 5t各一台,地面有运输铁路贯穿,而且地面堆放钢锭模、浇铸管和底盘等,地面设计荷载200kPa。

图8-39　钢锭模具库平面、剖面图(a)平面图;(b)剖面图

该钢锭模具库建于天然地势低洼、地表起伏不平的地段,基础埋置于比较软弱的填土上,基底下填土层的均匀性较差,厚度达6.2～9.4m,地基承载力约为100kPa,地基未经处理;填土下为第四纪坡积黏土,地基承载力为240～300kPa;局部为冲积粉质黏土,地基承载力为150kPa。

该库1973年建成投产后,由于地坪长期堆放钢锭模,实际地面堆载已高达300～400kPa。使用过程中柱顶最大水平位移达127mm,因此出现了吊车卡轨现象,影响了吊车的正常使用。数年以来,虽然厂方曾经多次对吊车轨道进行检修调整,但不久后又发生吊车卡轨现象,一直不能彻底解决问题,使正常生产颇受影响。

根据柱子的具体偏移情况,对其中的5根进行了锚桩加压纠偏。施工时分两次加荷。第一次加荷450kN,纠正柱子偏斜25～35mm;第二次加荷375kN,纠偏13mm。经锚桩加压纠偏后,吊车使用正常,生产得以保证。

8.5.7 基础减压和加强刚度法纠偏

1.基础减压和加强刚度法纠偏的工作原理

在冶金、纺织和石化等行业,经常需要建造一些大型的储罐、储池等结构物。由于这些设备的底面积较大,所以,当其基础下的地基土性质不良时,便会出现不均匀沉降及倾斜,不仅影响储罐、储池等正常的生产与使用,有时还会因储液溢流而严重污染周围环境,影响或危害人们的生产和生活。

在软弱地基上进行建(构)筑物设计时,必须考虑建筑、结构和施工措施。结构措施的主要内容可归纳为5个方面:选择适宜的结构和基础形式,加强结构的整体性和空间刚度,增加建筑构件的强度,减少结构自重以及预留结构适应变形的净空。

基础的刚度是建筑物整体刚度的一个重要组成部分。在设计时,选择构(建)筑物基础方案,必须要考虑到基础的刚度应与上部结构的刚度相适应。当建(构)筑物建成后,在其使用期间,由于地基土的强度和变形不能满足要求,导致上部结构出现开裂或破损,因而影响结构物的安全。在某些特定的条件下,同样可以采取减少结构物自重、加强建(构)筑物刚度和强度的措施。

基础减压和加强刚度法的基本原理,就是人为改变建(结)筑物上部结构条件,促使地基土中的应力重新分布,从而调整基础变形,控制沉降和制止倾斜。在特定条件下,基础减压和加强刚度法较采用其他托换技术而言,工程费用低,处理方便,质量可靠,而且效果显著。

2.工程实例

浙江省某丝绸厂生化曝气池纠偏工程。

(1)工程概况。浙江省杭州丝绸印染联合厂于1978年建成4座大型生化曝气池(图8-40)。为了绿化厂区,又在池间填土4m多高。

图8-40　四座生化曝气池(单位:mm)

投产使用后,生化池逐渐出现向心倾斜,造成周围环境污染,并出现了地面开裂和地下埋管折弯等现象,最后只得停止使用。

(2)事故原因分析。于1983—1984年期间,武汉地基处理中心接受该托换工程设计任务,并进行了地质勘察补勘:表层土为厚1m含碎砖杂物的填土,密实性差;其下为淤泥质粉质黏土,层厚18.6～24.3m,青灰色,软塑至流塑,含云母碎屑,并夹有黏质粉土薄层和粉细砂薄层;土的主要物理力学指标:γ为17.1～18.0kN/m3;G为2.70～2.73;w为32.1%～51.8%;e为1.031～1.311;IP为10.6～14.7;IL为0.82～2.76;a1-2为0.00056～0.00122(kPa)-1;Es为189～379kPa;承载力特征值为85kPa。

于1983—1985年间进行了沉降观测,这期间生化曝气池的最大总沉降量为34.05cm,最大沉降差为16.8cm。经过计算表明,生化池荷载对周围土中压力的影响以对称中心区最为集中,为单池同等条件下影响压力的4倍。此处,填土荷载与生化池荷载之和,在9m深度内为59.2～81.9kPa;由于天然地基土质软弱,该值已接近或超过地基承载力特征值而产生较大的沉降和沉降差。由此可见,生化池的倾斜是结构物附加压力集中、填土荷载大和地基土质软弱所造成的。

(3)托换工程方案。①挖去中间所堆的填土,减少额外附加压力;②用刚性连接,将4座生化池组合成一个具有足够刚度的整体(图8-41);③按生产需要找平和找齐池壁、水槽、平台标高,续建进出水道和池周操作平台。

(4)技术经济效果。经托换加固后,生化曝气池的沉降已趋于稳定,倾斜受到制止,满足了生产工艺的需要,停止了对周围环境的污染,处理工程费用仅3万元。技术合理,经济效益显著。

图8-41　生化池托换工程方案(单位:mm)
(a)平面图;(b)剖面图。1.进水池;2.进水渠;3.单支架;4.门洞;5.出水池;6.生化池

8.5.8 掏土纠偏法

掏(排)土纠偏是指用特定的工具,在倾斜建筑物基础沉降小的一侧的基底以下,或者在基础外侧部位掏(排)出适量的土的迫降措施,形成建筑物基底下土体的部分临空,使该部分基础的接触面积减少,地基与基础的接触应力增加,产生一定的侧向挤出变形,迫使基础下沉,以达到调整不均匀沉降和纠偏的目的。

掏土纠偏法是应用较多的纠偏方法,其掏土的方式也不同,大体上分为基底下浅层掏土、基础下深层掏土、基础外深层掏土3种。

1.基底下浅层掏土

(1)适用范围。基底下浅层掏土包括抽砂法、水平向人工掏土、水平钻孔抽水掏土等不同方法,适用于均质黏性土和砂土地基上浅埋的、体型较简单、结构完好、具有较大整体刚度的建筑物。一般用于钢筋混凝土条形基础、片筏基础和箱形基础。抽砂法适用于有砂垫层的情况。

(2)纠偏机理。掏去基础以下适量的土,使该部分基础的支撑面积减少,加大了浅层地基土的附加应力,从而使基础沉降小的一侧的地基土下沉。

基底下浅层掏土应该以沉降变形为主来控制施工。有时,也可以预先估计掏土量,将其作为施工参考。掏土量V可以按照下式计算

式中:V为掏土量,m3;smax为基础边缘纠偏所需的沉降量,m;A为基础底面积,对于条形基础取边缘线包围的面积,m2。

另外,为了避免掏土造成基础的沉降速率太大,减小的基础底面积宜满足下式要求

式中:fa为修正后的地基承载力特征值,kPa;p为基础底面积减少后的基底平均压力,kPa。

掏土区应该控制在以建筑物质心线为准、需要减少沉降的一边内。

2.基础下深层掏土

(1)适用范围。基础下深层掏土常用深层冲孔排土方法(辐射井纠偏法),也有从基础底板向下钻孔、从深层取土的,适用于黏土、粉土、砂土、黄土、淤泥、淤泥质土、填土等地基上的浅基础,以及上部结构刚度较大的建(构)筑物。

(2)纠偏机理。深层冲孔排土纠偏方法是指在建(构)筑物基础沉降较小的一侧布置工作沉井,通过设置在井壁上的射水孔,用高压水枪在建(构)筑物深部地基中水平向冲孔。冲孔解除了部分地基应力,使地基土向孔内塌落变形,通过控制冲孔的数量、布置方式、冲水的压力和流量,就可以调节建(构)筑物的纠偏沉降量和沉降速率,达到平稳纠偏的目的。

(3)实施要点:

1)一般采用圆形沉井,砖砌内壁,且砖的强度不低于MU7.5,水泥砂浆的强度不低于MS。也可以采用混凝土沉井,混凝土的强度等级不低于C15。

2)沉井应布置在基础沉降小的建筑物一侧,其数量、深度、中心距等应由建筑物的倾斜情况、荷载特征、基础类型、场地环境以及工程地质条件确定。

3)沉井的直径一般不小于800mm,且与建(构)筑物的净距不小于1.0m。沉井可以封底,也可以不封底。

4)高压水枪的工作压力和流量应根据需要冲孔的土层性质经试验确定。

5)射水孔直径宜为150～200mm,一般要高于井底面1.0～1.2m。井壁上还要布置回水孔,其直径宜为60mm,在射水孔下交错布置。

6)纠偏中的最大沉降速率应控制在5～10mm/d以内。对于软土地基和房屋整体刚度较小的,宜采用该值的下限。

7)注意防止纠偏过程对周围建筑物和设施的影响,必要时先对其进行加固处理。

8)纠偏施工完成后,还应该采用素土或灰土等将沉井填实,并继续进行沉降观测,时间一般不少于半年。

3.基础外深层掏土

(1)适用范围。基础外深层掏土主要有钻孔取土和沉井掏土两类,适用于淤泥、淤泥质土等软土地基,在经过粉喷、灌浆等方法处理的软土中也有成功的应用。对于较好的地基土,由于土难以向侧面挤出,故不宜采用此法。

(2)纠偏机理。基础外深层掏土的钻孔取土和沉井掏土方法,有着类似的纠偏机理:当孔或井中的土被取出后,孔壁的应力释放减小,基础以下的深层土朝孔内挤出,带动基础下沉。由于取土是在建筑物基础沉降小的一侧进行,在纠偏过程中,地基内的应力不断调整,致使基础中心部位的应力增大,更利于软土的侧向挤出。随着纠偏的进行和荷载偏心的减小,地基的变形模量逐渐均匀化,附加应力则更接近中心荷载下的值。武汉大学刘祖德教授将深层钻孔取土纠偏法发展为“应力解除法”,以“五解除”、“二均化”概括了上述的纠偏机理,并大量应用于工程实践,取得了显著的社会效益和经济效益。

(3)实施要点:

1)根据纠偏目标,按照式(8-5)估算总掏土量。

2)钻孔或沉井布置的平面位置,原则上既要满足纠偏目标要求,又要考虑纠偏过程中变形恢复的均衡性。

3)对钻孔取土法的施工顺序是先钻孔,再下套管;对沉井掏土法是先制作沉井,再挖土下沉。

4)将总掏土量分配到各个钻孔或沉井中,在监测工作的指导下,分期分批进行掏土。钻孔取土可采用机械螺纹钻,沉井一般用人工掏土。

5)当接近纠偏目标时,应减少掏土量。并根据监测结果调整掏土的部位、次序和数量,实行微调。

6)达到纠偏目标后间隔式拔除套管,并回填适量土料封孔。沉井也应采用合适的土料回填。

掏士纠偏时,还要求基础满足式(8-7)和式(8-8)

式中:Δp为基础的基底压力增量,kPa,根据原地基土的极限承载力及不同倾斜速率确定;pa为原建筑物基底压力,kPa;β为基底压力增长率(一般为25%～40%)。

式中:Δs为建筑物角点的沉降差,相对于纠偏相对值,mm,v为纠偏沉降速率,可根据建(构)筑物的类型确定(一般为5～12mm/d);t为所需纠偏的时间,d。

实际上,掏土纠偏是掏(排)土(砂)、穿孔掏士、钻孔取土、沉井深层冲孔排土等纠偏方法的总称。目前,掏土纠偏法已在福州、杭州、武汉、南京、上海和南昌等地采用,用来纠正建(构)筑物的整体或局部倾斜,获得了很好的纠偏效果。但该法常会带来降低建筑物标高和排污困难等副作用,因此应该引起足够的重视。

4.抽砂纠偏法

抽砂纠偏法是在建筑物设计时,预先在基础底面做一层0.7～1.0m厚的砂垫层(图8-42),可以用中粗砂作为垫层材料,除了满足一般砂垫层的施工技术要求外,砂料的最大粒径应该小于3～4mm。

设计时,在可能发生沉降较小的部位,按平面交叉形式,每隔一定距离(约lm)预留一个抽砂孔,抽砂孔可以由预埋斜放的ϕ200瓦管做成。

图8-42　抽砂纠偏法抽砂孔平面布置图

当建筑物产生不均匀沉降时,可以在沉降较小的部位用铁管在抽砂孔中分阶段掏砂;当抽砂孔四周的砂体不能在自重作用下挤入孔洞时,应该在砂孔中冲水,促使周围的砂体下陷,从而强迫建筑物下沉,以达到建筑物均匀沉降的目的。

抽砂纠偏法的施工要求高。施工时应注意以下几个问题:

(1)要严格控制抽砂孔的位置和抽砂的体积,力求抽砂均匀。

(2)有时,向抽砂孔中冲水是迫使基础下沉的关键,所以,每个抽砂孔的冲水量不宜过多,水量不能过大,一般以抽砂孔能自行闭合为限。冲水可以单排,也可以并排进行。

(3)抽砂的深度至少要小于垫层厚度100mm,不能过大,以免扰动砂垫层下面的软黏土地基。

(4)为安全起见,应该分段进行抽砂。每阶段抽砂后建筑物沉降可定为20mm,待下沉稳定后再进行下一步抽砂工作,直至完成。

8.5.9 穿孔掏土纠偏法

当基础底面下含有瓦砾的人工杂渣土(房渣土)经过较长时间压密后,仍难出现瞬时塑性变形,而短期浸水也不能使其“软化”时,必须适量地减少原有支撑面积,使其附加应力急剧增加,才能使地基局部区域产生塑性变形。穿孔掏土纠偏就是在基础底面下穿孔掏土和冲水扩孔的建筑物纠偏措施。

穿孔掏土纠偏法的施工要点如下:

图8-43　穿孔操作示意图

(1)穿孔操作。每组两人合打一个孔(图8-43),先凿通200mm×200mm的孔洞,再由孔壁逐渐扩孔至400mm×250mm,孔距可定为500mm。

(2)穿孔次序。应根据建筑物的具体情况决定,应该先内墙后外墙,其中较困难的是横墙交叉点的穿孔。

(3)冲水扩孔。为提高穿孔工效,可进行冲水扩孔,这对瓦砾含量较少的填土而言效率很高,而且孔径也容易控制;但对瓦砾含量多的杂填土则经济上不太合算。

(4)进行严格的沉降观测。资料证明,对基本上已满足扩孔要求的孔洞需回填石渣。

工程实践证明,采用穿孔掏土纠偏对消除建筑物的差异沉降效果较好,而且施工方法简便,费用较低。

8.5.10 降水掏土纠偏法

降水掏土纠偏是在建筑物倾斜的相反方向,按一定角度打斜孔,先掏土而后降水,导致地基在上部自重荷载的作用下,因孔壁附近产生应力集中而造成孔周土体的侧向挤出;同时,由于边界条件的改变,基底应力重新分布,致使整个基础范围下的地基土体都产生沉降,沉降速率外侧大于内侧,且沉降速率的大小取决于抽水的强度,抽水时沉降速率大,抽水停止后沉降速率变小,并且逐渐趋于稳定。

降水掏土纠偏不仅适用于深厚软土层地区桩基房屋的纠偏,同样也适用于其他类型基础房屋的倾斜纠偏。

8.5.11 压桩掏土纠偏法

将前述的锚杆静压桩和掏土技术有机结合起来即形成压桩掏土纠偏法。

1.纠偏机理

先在原有建(构)筑物沉降大的一侧压桩,并立即将桩与基础锚固在一起,这样可以迅速制止建(构)筑物的沉降,使其处于一种沉降稳定状态。而后再在沉降小的一侧掏土,以减少基础底面下地基土的承压面积,使基底压力增大,促使地基土达到塑性变形,造成建(构)筑物缓慢而又均匀的回倾;同时,可以在掏土的一侧再设置少量保护桩,以提高建筑物回倾后的永久稳定性。压桩掏土纠偏过程的基底压力状态如图8-44所示。

图8-44　压桩掏土纠偏过程基底压力状态示意图
(a)纠偏前σ1>σ2;(b)压桩后σ1<σ2;(c)掏土纠偏后σ1≈σ2

2.纠偏加固设计原则

(1)制订方案前必须对拟纠偏工程的沉降、倾斜、裂缝、地下管网和周围环境等情况作周密的调查研究。

(2)为增加建(构)筑物的刚度,纠偏前要酌情对建筑物底层进行加固,如设置拉杆和砌筑横墙。

(3)提出建筑物的合理回倾速率(一般建筑物可规定为4～6mm/d),并在纠偏掏土全过程中切实贯彻均匀缓慢、平移的原则。

(4)必须做好沉降观测工作并及时分析,用以指导纠偏和信息化施工。(5)建筑物垂直纠偏量的计算(图8-45)如下

式中:h为建(构)筑物高度,mm;l为纠偏方向建(构)筑物的宽度,mm;Δs为设计纠偏量, mm。

图8-45　纠偏量计算简图

3.压桩纠偏方法

压桩纠偏的方法有很多种,这里列出以下几个:

(1)压桩掏砂纠偏法。当基底下有砂垫层而建筑物整体刚度较高时,压桩掏砂纠偏法可取得良好的纠偏效果。

(2)压桩钻孔掏土纠偏法。当基础底面下有厚层的软黏土时,利用软黏土的特点而采用此纠偏法。

(3)压桩水平掏土纠偏法。当基础底面以下土质较好,且上部结构的整体刚度较好,施工作业面积较大时可采用此法。实践证明,掏土量大于沉降所需掏土量的2～3倍时,基础才开始下沉。

(4)压桩冲水纠偏法。当基础底面以下为软土时,可采用高压水切割土体,将土冲成泥浆而形成孔穴,利用软土受力后的塑性变形特性,使建筑物不断沉降和纠偏。

8.5.12 浸水纠偏法

1.纠偏机理

建于湿陷性黄土地基上的一些高耸建筑物或刚度较大的建筑物,由于湿陷性黄土地基的局部浸水,常使黄土地基产生不均匀沉降,从而导致建筑物的倾斜。这时,可以利用湿陷性黄土遇水湿陷的特性,化不利为有利,采用“浸水纠偏”和“浸水加压纠偏”两种方法进行纠偏。前者适合于含水量少、湿陷性较强的黄土地基,后者适合于高含水量的黄土地基。一般情况下,浸水与加压相结合的纠偏方法效果更为明显。

浸水纠偏法施工简单,不需要复杂的设备和材料,因而纠偏成本较低,而且矫正效果较好,是湿陷性黄土地基上建筑物纠偏常用的一种方法。

浸水纠偏设计应该根据建筑物主要受力层范围内黄土的湿陷系数和饱和度,预估黄土总的注水量和建筑物的纠偏值,然后分批在黄土中注入水。开始时,注水量要少,根据纠偏速率逐渐增多,倾斜相反方向一侧的基础沉降值一般为5～10mm/d。如果实际纠偏速率与设计纠偏速率不相符,可以通过增减各注水孔的注入水量来调节,使基础底面均匀地恢复到水平位置上。

2.施工

浸水纠偏的施工一般是以洛阳铲成孔(注水孔),孔径为100～300mm,注水孔深度视基底尺寸大小而定,通常达基底以下1～3m,然后用碎石或粗砂填至基底标高处,再插入注水管,注水管为ϕ(30～100)mm的塑料管或钢管,用黏土将注水管周围填实,管内放置一控制水位的浮标,用水表计量注水量。各个注水孔的底部可以设在同一个标高上,也可以设在不同的标高处。注水管可以根据基底尺寸布置成1～3排。注水时要防止水流入倾斜一侧的地基中,以免建筑物倾斜加剧。

浸水和加压纠偏都是在沉降较小的一侧施工。在矫正初期,浸水和加压的速率可稍快;在后期,特别是高耸构筑物接近竖直位置时,应降低矫正速率及停止浸水,而后再用加压方法将其矫正到竖直位置。

纠偏过程中还要采取一些安全措施,如设置3～6根钢缆绳,以防矫枉过正。钢缆绳可以设置在构筑物顶部或2/3高度处,与地面成25°～30°夹角为宜,并用花篮螺丝连接。

另外,在纠偏过程中,要随时监测建(构)筑物倾斜的变化情况,一般可采用悬球法、经纬仪法、水准仪法和倾斜仪法4种监测方法。这样,可以及时发现问题,及时调整设计和施工方案。

8.5.13 顶升纠偏法

1.概述

以往建(构)筑物倾斜的纠偏,基本上都采用迫降法,即通过人为降低建(构)筑物沉降较小一侧处的基础标高来达到纠偏的目的。由于倾斜的建(构)筑物往往伴随较大的沉降(大的超过1000mm),使基底标高大大降低,产生污水外排困难,洪水和地表水倒灌等危害,追降法不但无法消除这种危害,反而会再次降低基础标高。为了克服迫降法的不足,1986年,福建省建筑科学研究院首先开发了建(构)筑物顶升纠偏技术,并在工程应用中获得成功。之后,顶升纠偏法得到了较为广泛的应用。

2.基本原理

顶升纠偏法是通过钢筋混凝土或者砌体的结构进行托换加固的技术。即将建(构)筑物的基础和上部结构沿着某一特定位置进行分离,在分离区设置若干个支撑点,通过安装在支撑点的顶升设备(千斤顶),调整建(构)筑物各部分的顶升量,使建(构)筑物沿某一点或某一直线作整体平面转动,以达到建筑物纠偏的目的。如果大幅度调整支撑点各部分的顶升量,就可以提高建(构)筑物的整体标高。

顶升纠偏过程是一种地基的差异沉降快速逆补偿的过程,也是地基附加应力瞬时重新分布的过程,可以使沉降较小处的附加应力增加。

3.适用范围

(1)纠偏法适用的结构类型有:砖混结构、钢筋混凝土框架结构、工业厂房以及整体性完好的混合结构。

(2)适用于整体沉降和不均匀沉降较大而造成其标高过低的建筑物,不适用采用迫降法纠偏的各类倾斜建(构)筑物。

(3)适用于新建工程设计有预先设置顶升措施的建(构)筑物。

(4)适用于建(构)筑物本身功能的改变而需要顶升,或者周边环境改变影响其正常使用而需要顶升的建(构)筑物。

4.顶升纠偏法的分类

(1)在新建(构)筑物上预先设置顶升措施的顶升纠偏法。这种顶升纠偏法在国外亦称维持性托换(maintenanceunderpinning),它是在新建的建(构)筑物基础上,预先设计好可以设置千斤顶的顶升措施,当建(构)筑物发生预估的不允许出现的地基差异沉降时,再安置千斤顶,并顶升建(构)筑物来调整差异沉降,以恢复建(构)筑物的使用功能。

图8-46　除钴槽的顶升纠偏(单位:mm)

(2)对已有建(构)筑物的顶升纠偏。当刚度很大的原有建(构)筑物(如油罐)产生倾斜时,可以使用顶升措施来纠偏。图8-46为某一除钴槽,由于地基的不均匀沉降而影响其正常使用。所以,采用了顶升措施来纠偏。首先在地面上用MS(50号)砂浆砌筑砖墩,再在砖墩上设置千斤顶将除钴槽体顶住。然后,将支撑原槽体的4根钢筋混凝土柱在0.8m处切断,操纵千斤顶,使之上升400mm进行顶升纠偏,最后加固钢筋混凝土柱子,等柱子的混凝土达到设计强度以后,即可以拆除模板和砖墩,恢复除钴槽的使用功能。

(3)对已有住宅建筑物的整体顶升纠偏。整体顶升纠偏是针对沿海地区软土地基上已建工程出现倾斜大、结构开裂、室内地面标高过低时所采用的一项纠偏新技术,它可以恢复或提高建筑物的原设计标高。

采用整体顶升纠偏的房屋都是沉降已经稳定或接近稳定的、使用了几年后的多层建筑物。如果房屋的倾斜度不超过危险值,可以不必进行地基处理。此时应利用原来的基础作为顶升的反力支座,其基本思路是从上部结构入手,从而扶正建筑物的倾斜。

图8-47　整体顶升纠偏
(a)受力体系;(b)受力体系大样。1.顶升框梁;2.钢垫板;
3.千斤顶;4.基础;5.砖墙

整体顶升纠偏措施(图8-47)是在上部结构的底层墙体选择一个平行于楼面的平面,做一个水平钢筋混凝土框梁(或顶升梁)。框梁的作用是使顶升力能扩散传递,并使上部结构顶升时比较均匀地上升。它类似于一般建筑物中的圈梁,作为相对于墙面的“刚性面”,框梁下与墙体隔离,在地梁上安设千斤顶,由原地基提供反力(因为上部质量未增加,故原地基具备足够的强度),用千斤顶顶起框梁以上结构,通过千斤顶顶升的距离来调整框梁平面,使之处于水平位置,再将顶升后的墙体空隙用砖砌体妥善连接,建筑物就可恢复到垂直位置;若嫌底层地面过低,还可将上部结构平行上移,提高其地面标高。整体顶升的顶升位置一般选择在建筑物底层平面上,而且要求被纠偏的建筑物有较好的完整性和整体刚度,对已经设置了圈梁或现浇楼板的砖混结构,能够满足这个要求。

另外,在顶升前要对建筑物进行沉降观测,如果沉降尚未稳定,则可以用双曲线法延伸来推算残余沉降,并调节顶升量,使楼房在沉降完成后处于垂直位置或倾斜度在允许范围内(0.3%)。

5.顶升纠偏的设计与施工

(1)设计资料的准备及步骤。在进行顶升纠偏设计之前,必须准备的资料和设计步骤为:①既有建筑物的勘察、设计、施工以及检测资料;②建(构)筑物的现状测试、观察、分析和评价等资料;③确定顶升纠偏的可行性和适宜性;④拟订顶升纠偏以及地基加固方案;⑤顶升纠偏技术方案的专家论证;⑥进行顶升纠偏设计,并提出安全技术措施。

(2)顶升纠偏。顶升纠偏是根据以上基本原理,对建(构)筑物沉降较大的部位进行顶升,而对沉降较小的部位仅做分离和同步的转动,其目的是将已经倾斜的建(构)筑物纠正。该方法适用于各类已发生倾斜而标高不需要提高的建筑物。

(3)顶升纠偏的施工。

1)施工机具。顶升纠偏的托换方法有:人工开凿、先冲击钻孔后人工开凿、用混凝土切割锯开槽。机械化施工对墙体的损伤小,但费用较高。

顶升用的千斤顶有手动油泵和机械油泵带动两种。顶升量的控制设备常选用指针标尺及电阻应变滑线位移计,其他的土建施工必备的工具有承托件、垫块等。

2)托换梁施工。托换梁的施工应按照设计要求的顺序和几何尺寸进行。钢筋混凝土的施工应按照《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204—2002)和相应的规程标准进行施工,并进行质量控制。托换梁的施工要采取一定措施,以保证混凝土与下部墙体的隔离。

3)千斤顶的设置。千斤顶在顶升前应进行不少于10%的抽检,其加荷量应为设计荷载的2倍。千斤顶的设置要按照设计要求放置。

4)顶升实施。在托换梁、千斤顶、底垫等都达到要求后,即可以进入实际顶升阶段。顶升的实施要有统一指挥,同时配备一定数量的监督人员。而操作人员也需经过训练,要有纪律,有组织,服从指挥,才能保证施工的顺利进行。

千斤顶行程的更换必须间隔进行,更换时两侧应用三角垫进行临时支撑。

顶升完毕后,马上进行砌体的充填。要求充填密实,特别是与托换梁的连接处,要求堵塞紧密。之后,等充填的砌体达到一定强度后,再间隔拆除千斤顶。拆除千斤顶后留下的空洞,应根据原砌体的强度等级,采用砌体堵筑或钢筋混凝土堵筑。

建筑物纠偏是目前日益增多的工程实践所提出的新问题。纠偏工作一定要遵循由浅到深、由小到大、由稀到密的原则,必须经过沉降—稳定—再沉降—再稳定的反复工作过程,才能达到纠偏的目的,切忌矫枉过正。因为,在软弱地基上建造的建筑物,其沉降往往需要经过一段时间才能达到最终稳定,所以,纠偏工作决不能急于求成,不然会适得其反。还有许多托换方法因受篇幅所限不再在此赘述。总的说来,随着我国大规模经济建设的发展,越来越多的托换工程将出现在实际工作中。如何不断地总结实践经验,并加以理论提高,这将是托换技术广泛应用的基础和前提。

8.5.14 工程实例

1.浙江省余姚市花园新村住宅楼沉井冲水掏土纠偏工程

(1)工程概况。浙江省余姚市花园新村一幢住宅楼为四层建筑物,高12.5m,建筑物底层面积212m2,原设计为满堂钢筋混凝土整板基础(图8-48),基础板厚0.35m,在四边和中间加上田字带形肋梁,肋梁高0.5m。工程竣工后,建筑物出现很大的不均匀沉降,在随后的270d中继续沉降。纠偏前的实测结果是:东墙向后倾斜0.395m,西墙倾斜0.325m。

(2)场地工程地质条件。经钻孔揭露,建筑物场地的工程地质情况如下:

1)地表耕植土,厚度约1.5m;

2)淤泥土,厚度为5～7m,流塑状态,含水量大于50%,地基土承载力约为60kPa;

3)黏土层,位于距地表约8m以下,地基土承载力为120kPa。

经过调查发现,建筑物地处原余姚古城墙址,残存有松木桩基础,自西向东深埋于淤泥层内,造成建筑物严重的不均匀沉降。

(3)纠偏方案。由于地基土的不均匀是导致建筑物产生不均匀沉降的主要原因,而且流塑状的淤泥土分布在建筑物的压缩层范围之内。经分析研究,决定采用沉井冲水掏土纠偏法来纠正建筑物的倾斜。具体方案是:在距离建筑物外墙4m处,设置4个直径为2m的沉井,采用MS(50号)砂浆砖砌沉井,沉井圈刃脚可以现场浇筑。沉井的深度大于4.5m,每个沉井中预留4～5个冲水孔,冲水孔的位置应该便于冲水时控制方向。

图8-48　花园新村30号住宅楼沉井冲水示意图
(单位:mm)

沉井下沉施工完毕后,进行一次建筑物沉降观测,记录各个沉降观测点的沉降量,并计算出建筑物前后的沉降差,以便大致安排冲水施工的进度。

冲水过程中,必须每天有专人进行沉降观测,且必须将日沉降量控制在5mm/d以内,以免建筑物结构受到破坏。每天在达到预定的沉降指标后即停止冲水。下雨天尤其应该注意,因沉井积水会使建筑物的沉降量增大。冲孔的顺序是:用高压水先冲两端孔,然后冲中间孔,并由专门的技术人员精确记录沉降数据,再确定第二天的冲孔部位、冲孔个数、冲水深度和冲水方向。为了保证原下水道的畅道,在沉井附近设置了一个沉淀池,将沉井内的泥水抽入池内,经过沉淀后再将清水排入下水道中。

实际冲孔40d后,建筑物恢复到规定的垂直度,倾斜率小于0.2%;而且,距离建筑物3m远的邻近建筑也没有受到影响,表明该纠偏工程获得了良好的效果。

2.苏州市虎丘塔水泥灌浆加固塔基工程

(1)工程概况。苏州虎丘塔,始建于五代周显德六年至北宋建隆二年(公元959—961年),距今已有一千多年的历史,是全国的重点文物保护单位之一。

虎丘塔是七层八角形的砖塔,塔底直径为13.66m,塔身高度为47.5m,塔重力为63000kN,全部塔重支撑在4个内墩和8个外墩之上。塔基下的地基可分为五层,地质剖面如图8-49所示。虎丘塔建成以后,经过了历代的战火沧桑和风雨剥蚀。全国解放初期,该塔塔身出现多处裂缝,使得整个塔破损不堪。1956—1957年间,文物保护单位曾进行了塔的上部结构的修缮,但却使塔的重力增加了约2000kN,同时也加速了塔体的不均匀沉降,使塔顶位移由1957年的1.7m发展到1978年的2.3m。塔的质心偏离基础线0.924m。由于塔身朝东北方向严重倾斜,致使各个砖墩的受力不均匀,引起底层偏心受压处的砌体多处出现裂缝,部分砖墩应力已经接近极限状态。

(2)事故原因分析。为了分析虎丘塔不均匀沉降的原因,进行了补充勘探。补充勘探的地质剖面见图8-49。

除了上述各种因素外,勘察结果证明,地基土的压缩层厚度不等是引起塔身倾斜和开裂的主要原因。具体表现为:在塔底直径13.66m的范围以内,塔的北面外墩至基岩面的覆盖层厚度为3.6m,塔的南面外墩却为7.6m,覆盖层厚度相差4m之多;另外,塔外墩砖砌体受到很大的偏心(达0.924m)压应力作用,受各种原因的综合影响,造成了塔身的严重倾斜和开裂。

(3)加固纠偏方案。为防止塔基下可能产生的土体流失和水平位移,改善塔基下土体的受力状态,提高地基承载力,决定首先采用人工挖孔桩建造桩排式地下连续墙(图8-50)。即在距离塔外墙大约3m处共布置了44个直径为1.4m的人工挖孔灌注桩,桩底进入基岩0.5m,并按一定的施工顺序开挖。

在人工挖孔桩内浇注钢筋混凝土,桩柱与桩柱之间用素混凝土搭接防渗。之后,再在桩柱顶上浇注钢筋混凝土圈梁,以便使桩排连接成整体(图8-51)。

图8-49　虎丘塔通过塔心的南北向地质剖面(单位:mm)

图8-50　桩排式地下连续墙及钻孔布置

在桩排式地下连续墙建造完毕后,再进行塔身内外地基的钻孔灌注水泥浆施工作业。钻孔灌注水泥浆的施工顺序见表8-2。

图8-51　桩排柱和圈梁构造(单位:mm)

表8-2　钻孔灌注水泥浆的施工顺序

表8-3　注浆材料的配合比值

钻孔间距为1.15～1.50m,钻孔顺序为先塔外后塔内,先打垂直钻孔,后打斜孔,并且钻孔应伸入基岩0.5m。钻孔采用干钻法施工。

钻孔压注水泥浆的注浆材料配合比值(质量比值)有下列3种,如表8-3所示。凡是可灌性好的地层,可选用配合比值2和3;对于土体较密实而又夹有块石的土层,使用配合比值1的效果较好。监测工作在地基加固期间同时进行。现场监测结果表明:虎丘塔塔体的不均匀沉降和倾斜得到了控制;为了适应狭小的空间操作和各种土层的钻进,钻头的选用和钻机的改进都是成功的;采用干钻孔施工的工艺获得了良好的效果。

8.6 结构物的迁移

8.6.1 概述

近年来,在大规模城市改造和房地产开发过程中,常常涉及到一些保护性的文物建筑和近代优秀建筑。由于这些建筑的特殊历史意义及其在地块中的特殊位置,常常使规划设计顾此失彼,矛盾重重。对这些建筑采取何种保护措施直接关系到规划设计的总体布局,影响到城市改造及房地产开发的社会效益和经济效益。而采用建筑物整体迁移技术则可以解决好这一问题。一方面通过平移可能完好无损地将建筑物保存下来,另一方面,通过平移可以使整个地块的规划布局更趋科学合理,从而使经济效益得到明显提升。

8.6.2 结构物的迁移原理

结构物的迁移,是先将结构物从旧的基础上切断,再转移到一个可以移动的结构支撑系统上,然后把它迁移到别处新的永久性基础上。一般而言,这种结构物迁移的费用是比较昂贵的,通常都是由于历史的原因,或是具有其他特殊的价值才要求迁移一个大的建筑物。

结构物迁移装置如图8-52所示。施工步骤如下。

图8-52　结构物的迁移装置示意图

(1)首先将建筑物的柱和墙的隐蔽部分挖出来,并用型钢组成的托梁系统抬起,托梁被支撑在导滑的钢梁上,导滑钢梁犹如一个托盘运载着整幢建(构)筑物。

(2)导滑钢梁搁置在可以滚动的直径为50mm的实心圆辊棒上,圆辊棒在钢轨系统上滚动。钢轨系统必须支撑在混凝土板或枕木做的临时基础上,使结构物迁移时不致于下沉,轨道和导滑系统应该有一个大致连续的钢筋体系以适应移动荷载。

(3)结构物迁移的动力可以用液压千斤顶和卷扬机,用夹紧在钢轨上的翼缘的自动缩进千斤顶推导滑梁的端部。移动结构物所必需的总推力约为所移动结构物质量的2%。

由于液压千斤顶或其他设备系统是难以提供均匀推力的,为了使结构物迁移时不至于歪扭,因而必须仔细监视和加强观察,压力是通过安装在移动着的结构物上的液压控制台控制的。当导滑钢梁向前移动后,将滚轴从导滑钢梁的后端撤出去,再将滚轴重新放置在导滑钢梁的前端。在结构物迁移过程中,应该在关键的地方布置大量的工作人员来检查对中、变位和故障等情况,并进行重新放置滚轴的工作。放置的滚轴必须与导滑钢轨梁呈直角,否则建筑物就要出轨。当建筑物向旁边迁移时,通过调整滚轴方向可以比较容易地纠正偏移。

(4)结构物迁移后留下的旧基础是难以移动的,应予以拆除。因此,要在结构物新址上建造新的永久性基础,再将迁移的结构物坐落在新的永久性基础上,此时结构物的迁移工作才算完成。

下面以3个工程实例来说明建筑物整体迁移技术及其在解决上述问题中所发挥的积极作用。

8.6.3 工程实例

1.愚园路刘长胜故居迁移工程

刘长胜故居位于上海市静安区愚园路81号,是四层砖、木、混凝土混合结构房屋。房屋始建于1916年,是刘长胜1946年在上海时的寓所,也是中共中央上海局和上海市委的秘密机关所在地。1991年公布为上海市革命纪念地点。房屋东西长14.6m,南北长14.69m,占地面积约200m2,建筑面积约800m2,总重约l000t。

由于要在该地段建造九百城市广场,而故居正处于规划位置的一角,如不将其迁移,不但影响到九百广场的建筑面积和综合效益,且保留下来的故居由于与九百广场太近,其历史价值也无法得到充分的挖掘。有关方面经反复论证后,决定采用建筑物平移技术将故居迁出原址,从而彻底解决这一问题。

该工程于2001年4月开工,于2002年3月底结束,累计平移79.5m,抬升45cm。

迁移到位的刘长胜故居重新装修后作为党史纪念馆对中外游人开放。

2.上海音乐厅整体迁移与顶升工程

上海音乐厅(原名南京大戏院)位于上海市延安东路523号,建于1930年。由何挺然等人组织的怡怡股份有限公司所购爱多利亚路(今延安东路)原潮州会馆冢地兴建。1930年3月25日以美国寰球电影公司的新片《百老汇》(Broadway)首映开幕。1951改名为北京电影院。1959年,为举办第一届上海之春音乐会,经改造后更名为上海音乐厅。

上海音乐厅长48.76m,宽27.56m,总建筑面积3000m2,为中国著名建筑师范文照设计的西方古典建筑形式的实例之一。1989年,上海音乐厅被上海市政府公布为上海市优秀近代建筑文物保护单位。

上海音乐厅以其特殊的构造特点所产生的音响效果为中外音乐家所称道。但长期以来,由于上海音乐厅狭小的舞台、临近延安路噪音大、周围无法停车、功能设施不全等缺点严重影响了其优势的发挥和经济效益。有关方面急需改变这种状况。随着人民广场综合改造工程的实施,上海音乐厅整体迁移也成为其中的一个重要组成部分,根据规划要求,音乐厅向东南方向平移66.4m,整体抬升3.38m。

音乐厅整体平移到位后,恰处于延中三期新建绿地的中间,就像镶嵌在绿地中间的一颗明珠,不仅使音乐厅可以得到很好的保护,同时使音乐厅获得更大的扩建和发展空间,提高了其艺术品位和人民广场的文化氛围,给上海市人民奉献了一件建筑、文化的艺术精品。

平移到位后,音乐厅的交通条件更加便利,通过扩建,其配套设施及演出条件得到大大改善,通过提升高度,将使其更加瞩目,良好的休闲环境及浓厚的艺术氛围将为其带来良好的经济效益。

该工程于2002年12月16日开工,于2003年7月8日迁移到位,后续工程完工后已投入使用。

上述两例工程都采用了如下的关键技术:结构加固、基础托换和同步顶推。其中刘长胜故居采用了旋转技术,上海音乐厅采用了同步顶升技术,在设备上音乐厅采用了更为先进的计算机控制的液压同步系统。

3.湖州浔练公路屺风大桥

湖嘉申线湖州浔练公路上的屺风大桥,桥下是千吨级的湖嘉申航道,由于航道通航等级提高,屺风大桥通航的净空必须由原来的4.5m高增加到7m。屺风大桥是2003年才建成通车的一座公路桥,桥重有400t。因此,屺风大桥看上去还是很新的。但是,因航道拓宽的需要,屺风大桥桥梁需要在3个月内要“长高”2.5m。

目前国内桥梁的顶升高度一般都不到1m,像这样整体一次“长高”2.5m,不要说在全国桥梁建设史上没有,就是在全世界也将创下纪录。

迄今为止国内顶升最高的桥梁改造工程已完工。此次屺风大桥的顶升,无论是技术难度,还是整体顶升高度,都创下世界之最。

屺风大桥先“断骨”后“增高”。为屺风大桥的顶升而做的桥梁前期准备工作完成后,安装好顶升托架进行大桥的顶升施工。

要让数千吨的大桥抬升2m多,并不是件容易的事。施工过程非常重要,采用了PLC液压同步顶升控制系统,先将桥柱切割,相当于先给大桥“断骨”,然后通过千斤顶将主桥、引桥同时举起,桥面悬空后,再进行连接并加强墩柱。整个顶升全程由电脑控制,同步误差的精度小于2mm。

屺风大桥共有12跨,共计顶升重量为2400t。共用40台千斤顶同时发力,将大桥抬升。实际上,经过计算,屺风大桥“长高”2.5m,只要10d时间。但是,由于准备工作、防护过程相当复杂,全部工程耗时3个多月。

屺风大桥增高后,节省投资千万元。一般类似桥梁改造大多只能拆除重建,耗资巨大。而此次对屺风大桥的整体顶升,不仅避免了因拆除重建而造成的资源浪费,还最大限度地减少了施工对周边交通及环境的影响,大大缩短了工期。屺风大桥采取顶升措施投入资金约198万元,相比重建,至少节约资金近千万元。

整个顶升全过程都由浙江大学结构中心全程监测。

值得一提的是,目前国内外对结构物的整体迁移已经做了一些工作,也有工程成功的实例报道,但相应的研究工作不多,还需要进一步攻关。有关这方面的详细情况,可查阅相关资料或进行信息检索。

思 考 题

1.什么是托换技术?托换技术包括哪3种类型?托换技术的特点是什么?

2.工程托换之前的调查研究包含什么?

3.在什么情况下需要采用基础加宽托换?基础加宽托换有哪些方法?

4.什么是坑式托换?

5.什么是桩式托换?

6.什么是坑式静压桩托换?简述其适用条件。

7.试说明锚杆静压桩的特点和使用条件。

8.什么是树根桩托换?简述其适用条件。

9.建(构)筑物产生倾斜的原因是什么?建(构)筑物纠偏应具备哪些条件?

10.结构物迁移的原理是什么?