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某病害地基的原因分析与加固方法应用研究

时间:2019年12月16日 所属分类:推荐论文 点击次数:

摘要:本文通过对某工程病害地基致害原因的详细分析,揭示了引发病害地基的常见原因,提出了树根桩加扩展式托换基础的加固、纠偏(倾斜)方法,在一定技术条件下,对软弱土病害地基和湿陷性黄土及其它特殊性土地基的加固治理效果十分显著,而且通过加固施工过程

  摘要:本文通过对某工程病害地基致害原因的详细分析,揭示了引发病害地基的常见原因,提出了树根桩加扩展式托换基础的加固、纠偏(倾斜)方法,在一定技术条件下,对软弱土病害地基和湿陷性黄土及其它特殊性土地基的加固治理效果十分显著,而且通过加固施工过程的有效控制,可降低或避免加固施工过程中的附加沉降和结构次生裂变。该方法对其它类似建筑物的不均匀沉降和倾斜的加固治理具有借鉴意义。

  关键词:病害地基;不均匀沉降;加固纠偏;倾斜率;扩展式基础;树根桩;信息化施工

建筑地基

  0引言

  诸多的“病害”地基,通常是在地基处理设计过程中,设计人员对地基土的物理力学性质认识不足,对所选择或确定的地基处理方法与其地基土的适宜性和可靠性缺乏全面的分析和判断,致使地基处理设计方案欠佳或存在着严重的缺陷;再者是在施工过程中,施工单位为节省成本偷工减料,或者是施工工艺技术参数的选择和控制方面存在着严重的不足,从而造成地基处理效果达不到国家相关规范的要求和设计预期目标,从而使建筑物发生不均匀沉降或倾斜;另外,施工过程中的管理问题,也是引发“病害”地基的重要因素,诸如:随意改变结构设计而导致房屋荷载增加过大或房屋荷载重心偏移、选择采用低质材料、因降水问题存在着褥垫层的碾压密实问题等等。

  按照《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)[1]和《建筑物倾斜纠偏技术规程》(JGJ270-2012)[2]的要求,当建筑物的整体倾斜值超过允许值时,该建筑物是不安全的,应对该建筑物的基础进行适当调整,使其倾斜得到纠正,并使其基础得到加固,以确保建筑物变形始终控制在安全范围内。

  在实施加固过程中,要按照相关规范要求,加强全过程的沉降、变形(裂缝)监控工作和信息反馈工作。对于变形量或变形速率、结构裂缝出现异常情况时,要及时调整和完善设计与施工方案,即实施动态设计和信息化管理,以保证加固施工过程的有效控制与协调,防止施工过程中再次出现较大的附加沉降和倾斜,避免主体结构的进一步受损或使用功能受到影响。

  1工程基本情况

  1.1结构概况

  太原清徐某小区某号楼,地上七层,地下一层,总高度22.0m,砖混结构,筏板基础,南北长度90.0m,东西宽度12.0m,筏板厚度600mm,混凝土强度等级C30,地基处理设计采用水泥土搅拌桩复合地基,设计桩径500mm,桩间距1.2m,桩长10.0m,布桩形式为正三角形,褥垫层厚度500mm,原设计垫层材料为碎石,实际采用煤矸石,设计要求复合地基承载力特征值160kPa。

  1.2工程地质及水文地质条件

  地基土为第四纪全新世冲洪积堆积物(Qal+pl4),属软弱场地土—中软场地土,由粉土、粉质黏土和粉细砂等组成。场地地下水类型属潜水性质,地下水位埋深1.8m,对混凝土结构具有中等腐蚀性。

  1.3加固前的沉降观测结果

  该建筑工程竣工3个月后,发现整体建筑由东向西倾斜(房屋为南北走向),但在施工过程中和竣工后未做沉降观测工作,后设置了8个沉降观测点G1-G8,观测点沿建筑物四周±00标高处设置。因先前未做沉降观测工作,只能以原设计±00绝对标高做为首期观测值来计算各点的沉降值,并假设±00相对标高为0.000,以±00以上施工时日至本期观测时日,做为本期的观测周期。

  确定首期观测周期为360d,观测频次为1,首期各沉降观测点的观测结果见表2;二期观测周期为30d,观测频次为1。笔者根据多年的当地工程实践经验,判断该建筑物的正常沉降值一般应该在35~60mm之间,沉降和沉降差异常偏高,尤其是房屋横向的沉降差较大,不均匀沉降和倾斜较为严重。G4-G8的沉降差达71.7mm,G1-G5的沉降差达72.5mm,其倾斜率分别为0.00598和0.00604,已严重超过国家规范的要求(0.004Hg)。二期的沉降观测结果还表明,建筑物的沉降还在持续发展,沉降速率达0.150~0.316mm/d,东侧小西侧大,而且沉降速率远远超出规范规定值,建筑物的倾斜率还将持续发展。

  2建筑物倾斜原因分析

  2.1房屋荷载的偏心问题

  据建设方反映,本项目地基处理和褥垫层施工完毕后,整体建筑因故向西平移600mm,即整片地基处理形心与建筑物荷载重心发生了偏移,西侧基础筏板超出搅拌桩外边线800mm;尤为严重的是建设方随意改变结构设计,在建筑物西侧从下至上整体增加悬挑结构,宽度1500mm。

  显然,本建筑物地基既存在着不均匀性问题,更存在着荷载偏心问题。笔者按照《建筑物倾斜纠偏技术规程》(JGJ270-2012)5.2.4的规定[2],对其基底应力进行了验算,计算结果为:Pk=157kPa,Pkmax=182.0kPa,Pkmin=132.0kPa(其中,Pk为基础底面的平均压力(kPa);Pkmax、Pkmin分别为基础底面边缘的最大压力值和最小压力值(kPa))。计算结果显示,该建筑物的基底应力分布呈梯形,这正是房屋倾斜的重要原因之一。

  2.2复合地基的设计问题

  本场地地基土为软弱土—中软土,其主要工程性质具有高压缩性、低强度、高灵敏度和低透水性等特点[3~6]。水泥土的强度和硬化机理是一较为复杂的研究课题,笔者通过对国内众多试验研究成果的总结和分析[7~9],认为:对于软弱土—中软土,且为粉土或塑性指数较低的粉质黏土,当固化剂水泥(P.O42.5)掺入比达12.5%~15.0%时,水泥土28d龄期的无侧限抗压强度(fcu,28)在1.0~1.5MPa之间,90d龄期的无侧限抗压强度(fcu,90)在1.5~2.5MPa之间。

  对于承重水泥土的标准强度应以90d的龄期强度(fcu,90)取值,但桩体(现场)水泥土强度(fcu,f)与室内水泥土试块强度(fcu,k)存在着较大的差异,其统计关系式为:fcu,f=(0.2~0.5)fcu,k,这主要是因为现场搅拌中水泥与土存在着融合性和均匀性问题,土的黏性越大,其融合性和均匀性越差,它与室内配制的试块相差甚远,这也是《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)7.3.3[10]所规定的桩体强度折减系数(η)取0.25的因素之一。

  笔者依据上述的试验研究成果分析,对加固前该复合地基承载力特征值进行了验算[4]。计算结果为,加固前复合地基承载力特征值fspk=120kPa。计算结果表明:该复合地基承载力标准值远达不到原设计160kPa的要求(前文验算其基础底面的平均压力值为157kPa)。这可能是原设计人员在计算单桩承载力时,没对桩身强度进行验算并以桩身强度来控制单桩竖向承载力标准值所致。

  诸多研究结果表明[7,8,11,12];褥垫层的厚度,对桩土应力比的影响非常明显,桩土应力比随褥垫层厚度的增大而减少,一般褥垫层的厚度控制在100~300mm之间较为合理。如果褥垫层厚度过大,不仅影响其复合地基的承载能力,而且会加大其沉降变形,尤其对软土地基而言更为显著。该建筑物褥垫层厚度为500mm,就存在上述问题,如有不均匀沉降,即刻产生房屋倾斜。由此可见,该复合地基设计存在着明显的严重缺陷。

  2.3施工过程中存在的问题

  本工程场地地下水位埋深1.8~2.0m,而开挖深度达2.8~3.0m。据笔者了解查证,开挖时未采取正规的降水措施,仅简单地布设了几处集水坑,降水效果极差,未达到预期的降水目的。通常的降水水位一般要低于基底0.5~1.0m,不然垫层碾压时针对软弱地基土存在着严重的翻浆问题,它会导致垫层的碾压密实度达不到国家相关规范和设计的规定要求;更不尽合理的是,原设计褥垫层为碎石垫层,施工时更改为煤矸石垫层,煤矸石是一种软岩,强度较低,而且在低PH值和高含量氯离子、硫酸根离子的中等—强腐蚀性水的侵蚀下,极易快速软化,从而降低褥垫层的强度。因此,褥垫层的施工质量问题也是产生沉降和不均匀沉降的原因之一。综上所述,以上三方面的问题是该建筑物产生不均匀沉降和倾斜的主要原因。

  3加固方案的选择与确定

  通常的加固纠偏法有迫降法、抬升法和综合法等[2,13,14],但每一种加固纠偏法,针对不同的地基条件与结构形式、结构刚度和结构荷载以及产生倾斜的原因等,均存在着适宜性、可行性、风险性和经济性等问题。笔者认为:目前,国内对倾斜建(构)筑物的加固纠偏,缺乏成熟的、全面的工程实践经验和成熟的、全面的试验研究成果。

  因此,对倾斜建筑物的加固纠偏方案的确定,往往存在较多困惑,诸如适宜性问题、不确定性问题、施工的可行性问题和施工的风险性问题,更重要的是加固纠偏中的次生结构裂变等问题。本建筑物是一超限建筑物(砖混7层),软土地基,地基处理设计存在着缺陷,而且处理效果欠佳。参考国内多项工程实际案例和笔者多年的工程实践经验[11~15],依据本建筑物的上述基本情况和产生倾斜的原因分析,并经综合研究与判断,确定如下加固纠偏措施:东西两侧采用树根桩加扩展式托换基础,并实施东西两侧分期施工的加固纠偏方法,即先期施工西侧,一定期限后再施工东侧。

  其目的有如下几点:(1)采用树根桩加扩展式托换基础,首先是为了扩大基础底面积,从而降低建筑物的基底应力;其次是通过东、西两侧采用不同的基础扩展宽度,来重新调整建筑物的荷载重心,以解决或基本解决建筑物的荷载偏心问题;(2)因为树根桩(加筋)基本可称为刚性桩,且与扩展基础刚性连接(不设褥垫层),因此首期施工倾斜一侧(西侧)是为了控制或者是杜绝建筑物西侧的持续沉降变形,不致本建筑物的倾斜率持续增大或过度增大;(3)加固前的沉降观测结果表明,东侧的沉降速率仍达0.15~0.16mm/d,显然,利用东西两侧的先后加固顺序和加固间歇时差调整其沉降差或倾斜率是完全可行的,尤其是西侧加固完毕后又形成新的基础形心和荷载重心,即建筑物荷载重心相对向东偏移,这必将加大东侧的沉降速率。

  在间歇期限内任东侧继续下沉至一定期望值后,再加固东侧,这也就是通常所说的“自然”迫降法。通过上述东西两侧分期加固,便可达到纠偏或基本纠偏的目的,也可控制建筑物的持续下沉,以满足国家相关规范的要求。

  4加固设计方案

  4.1方案概要

  东、西两侧扩展基础(筏板)宽度分别为3.1m和3.9m,厚度同为600mm,混凝土强度等级同为C35,两侧均是双层双向配筋,其上下层主筋分别同为E20@150和E25@150,其中横向主筋要植入原基础底板900mm,混凝土保护层厚度同为35mm,素混凝土垫层同为C10,厚度100mm;东、西两侧扩展筏板基础下均设置两排树根桩,其内侧桩中心点至原基础底板外缘距离:东侧1.2m,西侧2.0m。

  东、西两侧桩顶标高均较原搅拌桩顶标高低100mm(素混凝土垫层),桩径均为500mm,桩长:东侧为15m、西侧为16.0m,纵横向桩间距:西侧分别为1.5m和1.6m,东侧分别为1.8m和1.6m,桩端持力层同为粉细砂层,桩体无侧限抗压强度均相当于C25混凝土强度等级。树根桩配筋东西两侧均相同,主筋8E14,加劲箍筋D12@2000,螺旋箍筋D6@150,主筋均要伸入底板450mm,通长配筋,混凝土保护层厚度50mm。

  5沉降观测结果及分析

  加固工程首期西侧加固竣工后,对各沉降观测点进行了第三期(105d)沉降观测,①西侧加固后的平均沉降速率明显降低,即由原来的0.3~0.316mm/d降至0.085~0.105mm/d,而且降低幅度较大,应为趋于稳定的态势;②东侧的平均沉降速率明显增大,即由原来的0.15~0.16mm/d增至0.32~0.34mm/d,这可能是西侧基础扩展加固后又使建筑物重心相对向东偏移的荷载偏心效应所致,这也正是“自然”迫降法所期望的效果;②东、西两侧的沉降差明显降低,即由原来的71.7~72.5mm降至43.4~48.5mm,倾斜率降至0.0038~0.004,纠偏治理达到了预期目的。

  6结束语

  树根桩加扩展式托换基础的加固、纠偏(倾斜)方法,在一定的技术条件下,对软弱土病害地基和湿陷性黄土以及其它特殊性土病害地基的加固治理效果十分显著。而且,通过加固施工过程的有效控制,还可降低或避免加固施工过程中的附加沉降问题和结构次生裂变问题。病害地基的加固与治理,是一较为复杂的课题,而且技术风险性很大,它涉及到计算理论、施工技术等各个方面,尤其是加固效果与规范的矛盾问题。通常条件下,病害地基的加固效果难以百分之百地达到规范要求,在今后的工程实践中,尚需不断地探索和研究。

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