摘要：結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)廠房地基基礎(chǔ)加固的前后兩種處理方案,即壓力灌漿加固和靜力壓樁加固法進(jìn)行了分析比較,對(duì)如何選擇最合適的處理方案作了有益的探討。
關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)加固壓力灌漿
改革開放以來,建筑業(yè)迅速發(fā)展,建筑工程質(zhì)量逐年提高,但工程質(zhì)量事故還時(shí)有發(fā)生,造成了許多不應(yīng)有的損失。這是由于各地區(qū)的工程地質(zhì)條件不同,土層分布、土的物理力學(xué)性質(zhì)不同,既使同一建筑場(chǎng)地,往往土質(zhì)也不均勻,在進(jìn)行工程勘察、工程設(shè)計(jì)與施工中,如果對(duì)地基條件掌握不全,處理不當(dāng),就可能導(dǎo)致事故的發(fā)生,這些都會(huì)給國(guó)家和人民造成不應(yīng)有的損失。因此,準(zhǔn)確分析事故,合理地處理事故,是當(dāng)前建筑業(yè)亟待解決的一個(gè)大問題。目前對(duì)已建建筑物的加固處理的方法有許多種,但常用的有以下兩種:
(1)灌漿加固:用鉆機(jī)在基礎(chǔ)上成孔至要加固的土層,然后用高壓灌漿設(shè)備將配制好的水泥化學(xué)漿液灌入地層,通過劈裂、擠壓作用,使土層與漿液產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)而膠結(jié),從而達(dá)到改善土體結(jié)構(gòu)和性能的目的,提高土體的強(qiáng)度。(2)靜力壓樁加固:利用建筑物的承重柱重力作為反力,通過一套液(油)壓設(shè)備,把預(yù)制樁分節(jié)壓入土中,上下節(jié)樁接駁用預(yù)埋角鐵焊接。壓樁由液壓控制,當(dāng)壓力達(dá)設(shè)計(jì)荷載并基本滿足計(jì)劃樁長(zhǎng)要求時(shí)則終樁,終樁時(shí)的單樁承載力可直接從壓樁設(shè)備的儀表中反映出來。終樁后將壓入樁的樁頭鋼筋與原基礎(chǔ)鋼筋焊接,并澆注砼承臺(tái)與基礎(chǔ)連為一體,從而將上部結(jié)構(gòu)的荷載通過樁直接傳遞到堅(jiān)硬土層。
(2)毫無疑問,已建建筑物出現(xiàn)不均勻沉降,無論是采取灌漿加固還是靜力壓樁加固,都會(huì)給工程造成一定的損失,此時(shí)應(yīng)考慮的是如何將損失降到最低限度。
1工程實(shí)例
1.1工程概況鶴山市某廠房為一幢高四層,框架結(jié)構(gòu)的建筑物,長(zhǎng)55.0ｍ,寬15.0ｍ,占地面積825ｍ2,原設(shè)計(jì)采用人工挖孔樁基礎(chǔ),由于場(chǎng)地工程地質(zhì)情況復(fù)雜,廠房中段和東段分別分布有一層厚為3～6ｍ和7～9ｍ的流塑狀淤泥,使建筑區(qū)內(nèi)部分地段挖孔樁方案無法實(shí)施,而改用條形基礎(chǔ)下的砂墊層方案(墊層厚度1.00ｍ),而西段淤泥層較薄(厚1～2ｍ),卻澆注了16條樁柱,于是同一建筑物采用了兩種在受力和變形方面完全不同的基礎(chǔ)型式。廠房于1992年10月建成,使用期間發(fā)現(xiàn)不均勻沉降,導(dǎo)致廠房結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重拉裂和剪切破壞,危及安全使用。1.2場(chǎng)地工程地質(zhì)概況經(jīng)對(duì)廠房場(chǎng)地進(jìn)行工程地質(zhì)勘察,其地層結(jié)構(gòu)在揭露深度
2內(nèi)由上至下依次為:(1)填土:淺黃色,土質(zhì)松軟,層厚0.79～2.00ｍ。(2)粉質(zhì)粘土:灰～灰黃色,上部0.40～0.60ｍ為耕土,軟塑,Ｎ=2擊,ｆｋ=80～90ｋＰａ。(3)淤泥(泥炭土):黑褐色,局部夾粉土,流塑,Ｎ=1～2擊,ｆｋ=40～60ｋＰａ,層厚0.00～7.87ｍ,層面埋深1.00～3.75ｍ。(4)花崗巖風(fēng)化坡積土;土性為砂質(zhì)粘性土,灰白、淺黃色,含中粗礫,可塑,Ｎ=5～13擊,ｆｋ=100～230ｋＰａ,層厚1.70～7.30ｍ,層面埋深2.10～9.07ｍ。(5)花崗巖風(fēng)化殘積土;土性為砂質(zhì)粘性土,淺黃褐色,含中粗砂,可塑～硬塑,Ｎ=13～24擊,ｆｋ=230～320ｋＰａ,層厚2.90～9.00ｍ,層面埋深4.00～12.26ｍ。(6)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖:Ｎ>50擊,層面埋深8.17～22.68ｍ。
1.3沉降原因分析
(1)地質(zhì)因素:據(jù)鉆探揭露,廠房建造在一條山坡沖溝的邊麓地段,地下水豐富,水位埋深約0.30ｍ,淤泥(含腐木)等軟土的分布極不均勻,層厚由西向東遞增,這是造成廠房不均勻沉降的客觀因素。
(2)結(jié)構(gòu)因素:同一棟廠房,采用了兩種不同的基礎(chǔ)型式,地質(zhì)條件較好的西段,采用人工挖孔樁基礎(chǔ),樁端支承在堅(jiān)硬狀的殘積土層里,而地質(zhì)條件極差的東段,則采用了條形基礎(chǔ)下的砂墊層,墊層厚僅1.0ｍ,未作壓密處理。根據(jù)推算,采用樁基礎(chǔ)的最終下沉量?jī)H為1.4ｍｍ(設(shè)樁長(zhǎng)10ｍ,進(jìn)入堅(jiān)硬狀土層),而采用條形基礎(chǔ)下砂墊層處理的基礎(chǔ)經(jīng)推算仍有200ｍｍ的沉降量,條形基礎(chǔ)的剛度起不到變形(沉降)調(diào)節(jié)作用,因此導(dǎo)致廠房的不均勻沉降,影響到廠房的安全使用,所以必須盡快處理。
2加固方案為確保該廠房的安全使用,對(duì)該建筑物的處理宜把上部結(jié)構(gòu)的加固和地基的處理結(jié)合起來進(jìn)行。先處理地基,以控制地基的繼續(xù)沉降,后加固上部結(jié)構(gòu)。根據(jù)鉆探和變形測(cè)量資料顯示,對(duì)廠房地基的加固可采用壓力灌漿補(bǔ)強(qiáng)和靜力壓樁等方法,但根據(jù)業(yè)主的要求以不影響生產(chǎn)為原則,同時(shí)受場(chǎng)地工程地質(zhì)條件的影響,決定采用壓力灌漿加固法。
壓力灌漿加固本次加固目的旨在通過漿體的滲壓改善軟土地基的承載力和壓縮(變形)模量,逐漸減少地基的沉降量,以滿足廠房的使用要求。
2.1.1機(jī)理以一定的液壓,將水泥和化學(xué)漿通過雙液管注入土中,并使之迅速凝固,同時(shí)對(duì)軟土進(jìn)行割裂、擴(kuò)散擠壓和充填,并伴隨一定的物理化學(xué)作用,一方面促使?jié){體,在軟土中形成脈狀充填;另一方面又使軟土產(chǎn)生壓縮和脫水固結(jié),從而達(dá)到加固的目的。
2.1.2工藝流程制漿→成孔下管→液壓注漿→割裂→擠壓與充填→固結(jié)。
2.1.3技術(shù)措施灌漿孔的布置:按每根柱位的四周布置4個(gè)孔,孔距1.5～1.9ｍ不等,加固深度4.0～10.5ｍ,深孔底部進(jìn)入殘積土層。注漿采用低壓、慢灌、多量工藝,以便注入較多的漿體。重復(fù)注漿:在軟土較厚的孔段,為增強(qiáng)注漿效果,往往在第一次注漿中,使之在一定漿壓作用的范圍內(nèi)形成一道不規(guī)則的帷幕,再?zèng)_洗灌漿孔進(jìn)行二次注漿,使?jié){液充分而有效的充填。先下后上或先上后下分層注漿:先下后上是成孔后漿液漿管下落至孔底,并由孔底開始注漿,而后一邊注漿一邊上拔灌漿管,使?jié){液從孔底開始擴(kuò)散,以利于加固軟土;先上后下是從基礎(chǔ)底板深度開始注漿,而后逐漸向孔底延伸,先使砂墊層獲得有效的加固。
2.1.4施工效果分析灌漿前期的沉降情況:據(jù)了解,廠房于1992年10月建成,施工期間,施工單位自測(cè)最大沉降為80.00ｍｍ,交付使用后觀測(cè)只是間斷進(jìn)行:1993年2月21日～6月1日,測(cè)得最大沉降為15.00ｍｍ,據(jù)此分析,該廠房在灌漿前期最大沉降量累計(jì)已達(dá)100.00ｍｍ。另據(jù)觀測(cè),伸縮縫的頂部(天面)間距已明顯拉開,部分柱位的梁、板、墻均已出現(xiàn)裂縫。灌漿施工期的沉降:據(jù)觀測(cè)(共44ｄ),24號(hào)柱基沉降40.08ｍｍ,25號(hào)柱基34.77ｍｍ,26號(hào)柱基30.53ｍｍ。此間,由于灌漿施工導(dǎo)致地基應(yīng)力釋放,沉降有所加大。灌漿后期的沉降:據(jù)觀測(cè)(歷時(shí)14個(gè)月),其中24號(hào)柱基沉降28.93ｍｍ(日平均2.07ｍｍ),25號(hào)柱基39.22ｍｍ(月平均2.80ｍｍ),26號(hào)柱基45.64ｍｍ(月平均3.26ｍｍ),上述數(shù)據(jù)說明:經(jīng)化學(xué)灌漿處理后,柱基的沉降得到了緩解,但基礎(chǔ)的后期下沉仍未得到最終穩(wěn)定,為確保廠房的安全使用,必須進(jìn)一步采取切實(shí)有效的措施進(jìn)行加固處理。
2.2靜力壓樁加固法基于以上原因分析,這次采取的加固方案必須行之有效、一步到位、不得返工,最終選擇“靜力樁托換”進(jìn)行加固。
2.2.1機(jī)理通過一套油壓設(shè)備,將預(yù)制樁分節(jié)(每節(jié)2.0～3.0ｍ)壓入土中,節(jié)與節(jié)用預(yù)埋角鐵焊接,預(yù)制樁為250ｍｍ×250ｍｍ的方樁,預(yù)估樁長(zhǎng)15ｍ,壓樁由液壓控制,壓樁荷載控制在45～55ＭＰａ之間,當(dāng)樁壓至預(yù)定深度并達(dá)到設(shè)計(jì)貫入度之壓力時(shí),其沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為壓樁荷載保持50ＭＰａ,每隔5ｍｉｎ沖擊一次,共沖擊三次,下沉量≤3ｍｍ,并需穩(wěn)定1ｈ,做好記錄,最終允許下沉量≤1ｍｍ。樁壓完后將樁與原基礎(chǔ)承臺(tái)連接起來,將上部結(jié)構(gòu)的荷載通過樁基傳遞到堅(jiān)硬狀殘積土中。
2.2.2設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)最大壓力1000ｋＮ,單樁承載力550～900ｋＮ,預(yù)制方樁尺寸250ｍｍ×250ｍｍ,混凝土強(qiáng)度Ｃ30,壓樁速度2ｃｍ/ｓ,壓樁樁位和受力軸線允許偏位100ｍｍ,接樁處樁軸線傾斜度<1%。
2.2.3施工工序在設(shè)計(jì)樁位處開挖壓樁基坑,利用安裝在柱上的反力鋼夾提供反力用壓樁機(jī)壓樁,待每個(gè)承臺(tái)的靜壓樁都?jí)和旰?將預(yù)制樁與原承臺(tái)連結(jié)成一體,由預(yù)制樁承擔(dān)結(jié)構(gòu)荷載。施工過程中用水準(zhǔn)儀進(jìn)行跟蹤施工觀測(cè),控制柱的升降量為±1ｍｍ。在施工過程中發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地的地下水較豐富,要用抽水泵進(jìn)行抽水才能進(jìn)行地下作業(yè),但在抽水過程中,經(jīng)水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)柱的沉降速率加快(0.50ｍｍ/ｈ),立即停止抽水。后經(jīng)研究,要求抽水前須對(duì)該柱進(jìn)行卸荷處理,以免樁基礎(chǔ)產(chǎn)生附加沉降,確保廠房安全。即將該柱的上部卸荷,通過卸荷裝置傳遞到柱周(半徑約3.0ｍ)的土體上,共同分擔(dān)上部荷載,待該柱處理完畢3ｄ后,即混凝土基本凝固后拆除卸荷裝置,經(jīng)卸荷處理的柱,6～8ｄ內(nèi),未發(fā)現(xiàn)明顯沉降變化,說明卸荷處理效果顯著。
2.2.4施工效果監(jiān)控加固效果的好壞,直接關(guān)系到廠房的安全動(dòng)作,為檢驗(yàn)加固效果,主要采取的措施是沉降觀測(cè),其成果也是本工程竣工驗(yàn)收的主要技術(shù)依據(jù)。本次加固處理對(duì)沉降值的質(zhì)量指標(biāo)定為:被加固的柱位其施工期間的沉降值在正常情況下累計(jì)≤10ｍｍ(指開工至施工結(jié)束),竣工后的沉降量應(yīng)滿足≤2ｍｍ/月,凡滿足此質(zhì)量指標(biāo)者,均可判定為達(dá)到了加固效果。據(jù)施工后的觀測(cè)資料顯示,竣工后第一次(33ｄ)的沉降觀測(cè),測(cè)得最大沉降量為-1.7ｍｍ,滿足加固后沉降值<2ｍｍ/月的質(zhì)量指標(biāo),達(dá)到了加固的預(yù)期效果,質(zhì)量良好。
3結(jié)論：
目前較普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為,壓力灌漿加固法是一種投資相對(duì)較少,快速而又有效的方法;而靜壓樁加固法則被認(rèn)為是投資大且工期長(zhǎng),但卻很可靠的一種地基基礎(chǔ)加固方法。但對(duì)于本工程的條形基礎(chǔ),由于其寬度有限,條基上承受上部荷載的作用,對(duì)土層產(chǎn)生附加應(yīng)力,而條基外的土層仍為天然土層,不受外加荷載的作用,為小應(yīng)力區(qū)。灌漿時(shí),在高壓的驅(qū)動(dòng)下,漿液將沿應(yīng)力薄弱區(qū)(帶)進(jìn)行劈裂擴(kuò)散,因此,在本工程的條基下進(jìn)行注漿,漿液將對(duì)條基下的土體改善作用受到限制,漿液將會(huì)跑漏到條基外的軟弱土層中。加固后的地基,雖然獲得部分改善,但其受力壓縮層仍然是條基下的砂墊層和軟土層,地基的沉降不能完全得到控制,變形仍會(huì)繼續(xù)發(fā)展,效果不會(huì)很明顯。而靜力壓樁加固法是將樁壓至地基中的硬塑狀態(tài)的砂質(zhì)粘性土層中,上部結(jié)構(gòu)的荷載通過樁直接轉(zhuǎn)移到深部,由堅(jiān)硬狀態(tài)的土層承受,這樣條基下的砂墊層和軟土層地基處于釋荷狀態(tài),而樁的受力和傳力直接,壓樁時(shí)單樁承載力值可直接從壓樁機(jī)的儀表中反映,地基變形最終可以得到控制,故處理效果明顯。因此,遇到實(shí)際問題時(shí)應(yīng)該具體問題具體分析,在采取加固措施前應(yīng)從技術(shù)可行、質(zhì)量可靠、安全穩(wěn)妥、經(jīng)濟(jì)合理四個(gè)方面作綜合分析,選出最優(yōu)方案,否則將會(huì)使問題越來越復(fù)雜,造成的損失也會(huì)越大。
