建筑物不均匀沉降的处理工艺研究

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  摘要:我局救助基地经常建在极其复杂的地质条件上,不均匀沉降问题经常发生,为了解决建筑不均匀沉降问题,通过分析研究,决定采用锚杆静压桩加固,断桩抬升纠偏,取得了良好的效果。
  关键词:救助基地 不均匀沉降 锚杆静压桩 纠偏
  
  
  
  我局地处东海之滨,随着国家对救助事业的重视和投入,我局基本建设任务急剧增加,“十一五”、“十二五”期间共有十三个项目先后进入前期论证和实施期。在建设项目过程中,经常需要在港口边缘地区克服种种地质困难,在极其复杂的地质上建设救助基地。
  近年来,我局宁波基地、福州基地、厦门基地、连云港基地建设中都出现过由于地质问题而引起的工程技术难题,为了能有助今后的救助基地建设,结合我局在近年工程建设中出现过的实例,研究地基不均匀沉降的处理工艺措施,以便在今后的救助基地建设中妥善处理类似的问题。
  1 建筑物不均匀沉降的常见处理工艺。
  建筑不均匀沉降出现后,针对地基、基础结构和上部结构可采取不同的相应措施,达到修补和补强的目的。
  1.1 地基加固措施
  1.1.1 地基土压密、脱水、固结和置换等。具体应根据建筑物规模、损害程度以及地基土性质的差异而决定。
  1.1.2基础结构加固措施多采用另设支承结构,选择较坚硬的持力层,通过桩、支墩或其他新增基础结构,将上部结构的荷载传到地基上。加固的方法有注浆加固法、树根桩法、锚杆静压桩法等。
  其中锚杆静压桩基础加固是一种新方法,是锚杆和压桩两项技术的有机结合。其工作原理就是利用建(构)筑物自重,先在已建的基础上开凿(预留)出压桩孔和锚杆孔,然后埋设锚杆,借锚杆反力,通过反力架用千斤顶将桩逐段(预制桩段)压入基础中的压桩孔内。当压桩力和压入桩长满足设计要求时,便可将桩与基础迅速连接在一起,该桩就能立即承受上部荷载,从而减少地基土的压力,阻止建(构)筑物继续发生过大的沉降及不均匀沉降,从而达到地基加固的目的。
  锚杆静压桩加固方法对提高地基基础承载力效果显著,有可直接观测桩的承载力,桩身质量可靠,抗震能力强,且经济有效,施工速度较快,适合在室内施工,对环境影响小,无泥浆污染,加固施工时对建筑物附加沉降小等优点。
  1.2 上部结构的加固措施
  除采用裂缝修补的方法以外,还可以采用整体结构加固。
  2 某建筑不均匀沉降明显,经论证采用锚杆静压桩加固,斷柱抬升纠偏。
  某建筑为三层框架结构;其所在的陆域,由挖泥抛石形成。其建筑基础位于山坡延伸段上部,陆域形成时自岸侧向海侧有0~3m左右厚的淤泥,然后,在此泥面上进行抛石及强夯,形成建筑基础。该建筑建成后在经过近6个月的沉降观测,靠海侧累计最大沉降量为143mm,而靠岸侧的拐点累计沉降仅为10mm左右,造成该建筑向海侧略有倾斜约6cm。
  根据沉降资料分析,自该建筑基础完成至主体结构施工结束11#点最大沉降量为53mm。后期沉降量为90mm,后期平均每天沉降为1.05mm。至该建筑沉降值距设计单位给出的允许最大沉降量160mm相差17mm时,开始对综合楼不均匀沉降的原因及对策进行分析研究,并根据现场实际情况开始控制沉降,由于该建筑不均匀沉降较大,而且沉降尚未收敛,首先对综合业务楼基础沉降较大的区域进行了适当卸载。接着为研究分析该建筑不均匀沉降的原因,由地质勘察单位对沉降较大的10#、11#沉降观测点边缘,进行了地质钻探,钻探表明对应10#和11#沉降观测点的淤泥厚度分别为2.7m和4.41m,因此,地质是导致不均匀沉降的不断加大的主要原因。
  2.1 加固方案的选定
  针对该建筑不均匀沉降问题,经过认真研究论证并参考国内外各同类工程经验,尤其对“部分拆除—冲孔灌注桩加固方案”、“冲孔灌注桩--纠偏加固方案”、“锚杆静压桩--纠偏加固方案”三个方案进行分析研究后,认为“锚杆静压桩--纠偏加固方案”从理论、安全、可靠和施工工艺等角度考虑都比较成熟,虽然“部分拆除—冲孔灌注桩加固方案”和“冲孔灌注桩--纠偏加固方案”投资相对于“锚杆静压桩--纠偏加固方案”费用较低,但是冲孔灌注桩加固工艺对于本工程的相邻建筑存在不安全因素,大口径冲孔灌注桩施工过程的震动和泥浆反压对相邻建筑物结构安全等方面存在安全隐患。同时锚杆静压桩纠偏加固施工工期较短,约2个月,而冲孔灌注桩加固方案施工工期需要约5个月。综合考虑以上因素,最终决定采用“锚杆静压桩--纠偏加固方案”。
  2.2 桩径的选定:
  经计算,潜孔钻钻头直径为180mm(偏心扩孔直径240mm),考虑到插桩的便利,且经过强度及耐腐蚀验算,该工程钢管桩桩型选用Φ219×10mm钢管,采用Q235钢,C30砼充填。
  2.3 接桩:
  接桩采用内衬圈形式,采用J422焊条人手手把焊接。
  2.4 桩尖持力层选定:
  要求桩尖进入强风化或中风化层,压桩力>85T,但考虑到基础承台仅能提供小于100T抗拔力,且本工程地质情况非常复杂,并结合先期三根试桩及已压入工程桩现场情况,参照已有的补钻资料,将此工程控制压桩力〉85T作为压桩施工停止压桩的控制标准,使桩进入强风化或中风化或砂层均可,并加强沉降观测。
  2.5 桩数的选定
  根据设计院提供的柱子轴向力,确定单桩承载力特征值为42.5T,由此确定桩的数量,总桩数为144根,其中Ⅰ#生活楼为53根,Ⅱ#某建筑为83根,Ⅲ#通讯塔为8根。
  荷载计算:
  Ⅰ#楼:53×42.5=2252.5T>1844T
  Ⅱ#楼:83×42.5=3527.5T>3000T
  而为了平衡荷载,另增加10根桩(注:Ⅱ#楼6根,Ⅲ#楼4根),共154根桩。
  2.6 单桩静载试验:
  要求对三根试桩进行静载试验,选用开口桩,具体桩位根据现场情况确认,考虑到翼缘板地抗拉强度,考虑到最终压力为〉85T且不超过极限压力的1.1倍即935KN为准。(注:管内可灌注 C30砼)
  3 纠偏加固工程的施工工艺及难点
  本工程分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ三幢楼,Ⅰ#楼为宿舍楼,长21.55m,宽14.7m,高三层,Ⅱ#楼为某建筑,长37.85m,宽27.6m,高三层局部一层,Ⅲ#楼为通讯塔楼,长8.225m,宽7.685m,高四层,Ⅰ#楼倾斜率为8.74‰,Ⅱ#楼倾斜率为2.6‰,Ⅲ#楼沉降较均匀,基础下有约5-7m厚的大块石,其下有厚度不一的淤泥层。
  整个建筑地基加固方案是采用锚杆静压桩先对基础进行托换加固,阻止地基基础不均匀沉降的继续发展,再采用断柱抬升对宿舍楼和楼梯间进行纠偏,使得某建筑宿舍区和楼梯间倾斜率回倾到4‰以内,达到符合小于4‰的规范要求。
  3.1 大块石钻孔施工:
  工程桩的施工机械:21m³空压机,YD-80型钻机,潜孔锤偏心钻具。
  施工工艺:将基础面上填土清除干净--在条基上开凿潜孔钻直径为Φ350钻孔--将带钢管的潜孔锤插入孔内--开动空压机和钻机进行冲孔工作--通过垂直和偏心钻扩孔穿透大石块层--钢管桩同时通过大石块层--拔出潜孔锤--移走钻机--在钢管内充填C30砼--准备压桩。
  采用偏心导向钻头成孔的优点:通过偏心扩孔将钢管桩通过大石块层,桩尖进入淤泥,由此可以避免钻孔坍孔的烦恼,提高成孔质量,加快成孔进度,为防止海水和土体进入钢管内,立即浇捣C30砼,然后再进入正常压桩阶段。
  3.2 压桩施工:
  锚杆静压桩施工工艺。其工艺流程为:
  在基础面上,在钻孔两侧埋设6M25锚杆—安装压桩架—在钻孔内的钢管桩桩顶安装千斤顶—为防止淤泥进入钢管内,由人工搅拌C30砼灌入钢管内--压桩施工—接桩—焊接—压桩达到〉85T即可停止压桩—焊接锚筋和交叉钢筋—经监理检查合格后—浇捣钢管内和桩孔内C30砼—桩帽梁植筋—支模—浇捣C30微膨胀砼封桩。
  当压桩力达到设计要求后,对有外露的桩头进行切除。切除桩头时采取措施把桩头固定,然后用凿子开出3cm~5cm深的沟槽,露出的钢筋加以切割,以便摘除桩头。在封桩前,把压桩孔内的杂物清理干净,排除积水,清除孔壁和桩面的浮渣,以增加黏结力。然后与桩帽梁一起浇注掺有微膨胀早强外掺剂的C30细石混凝土,并予以捣实。
  3.3 断柱顶升纠偏房屋
  常见楼房倾斜的物理纠偏方法很多,都要根据本场地的地质隋况及楼房的上部结构情况而定。一般比较常用的有两种:第一种方法是采用油压千斤顶纠偏系统的断柱顶升纠偏法;另一种是使原沉降较小的一侧促使其下沉的基础底板下掏土迫降纠偏法。由于本建筑北侧基础下方为大块石垫层,其下为强风化层,无法进行迫降,故采用断柱顶升法进行纠偏。
  断柱顶升纠偏方案。断柱纠偏技术原理是利用结构托换的方法沿建筑物某特定位置进行钢筋混凝土托换梁的施工,在托换梁下基础梁上设置若干个千斤顶,通过千斤顶将建筑物整体抬升,控制建筑物不同位置的抬升量将倾斜的建筑物纠正。
  断柱顶升纠偏施工工艺。断柱顶升纠偏时采用分级同步顶升的方法,将建筑物顶升至垂直状态。具体施工分6个步骤进行:
  (1)先在房屋四邻选择设置沉降观测和倾斜观测点,对需顶升的柱的高程作一原始记录,以备后用;(2)对框架柱浇筑抱柱梁;(3)当抱柱梁混凝土强度达到设计强度的80%以后,在基础梁上设置千斤顶,上部顶在抱柱梁上,并進行调试,千斤顶底部与基础面之间应放置钢垫板以防局部破坏;(4)待抱柱梁混凝土强度达到设计强度的100%以后,可以截断柱身,采用PLC液压同步顶升控制系统进行同步顶升,为了避免柱截断瞬间出现大的沉降,对每根柱应先凿掉外层混凝土,再切断柱钢筋,但保留核心区的混凝土,让核心区混凝土在断柱数量增多的情况下慢慢被压碎;(5)每级顶升前后均进行观测。观测项目主要有顶升高度、顶升力的大小、未截断柱的裂缝及转动量、上部结构梁、柱的裂缝观察、纠偏的回复量观测等;(6)当楼顶升纠偏至垂直状态后,焊接原柱钢筋,浇筑掺入膨胀剂的混凝土,与基础重新连接,当充填的柱混凝土有足够强度,拆除千斤顶和托换梁,至此纠偏工程到此结束。
  纠偏过程中共布置监测点进行二等水准测量,根据观测数据确定第二天的工作方案,以控制建筑物的变形与沉降速率;在建筑物的顶部及其相应的底部设置倾斜观测点,将顶、底部(上、下部)坐标相减即为各观测点偏移值(倾斜量),从而掌握建筑物每天的回偏情况。
  3.4 施工技术要点:
  3.4.1压桩架应与锚杆紧固到位,防止桩架晃动,桩架与基础平面应尽量保持垂直。
  3.4.2 桩段进行编号,插桩、压桩及接桩必须控制桩的垂直度。采用水平尺对桩的垂直度加以控制,垂直度偏差不超过1.5%的桩长。如发生较大倾斜,则用木块塞在桩孔壁与桩段间缝隙处以填塞纠正。
  3.4.3 接桩时,焊缝必须饱满。
  3.4.4千斤顶、送桩器与桩身应在同一中心线上,防止偏心压桩。
  3.4.5 压桩施工尽量做到一次到位,一般不能在中途停顿。如必须停顿时,桩尖应停留在软土层中,且停留时间不超过24小时。
  3.4.6 停止压桩标准:以压桩力作为压桩控制标准。
  3.4.7 施工时做好施工记录,如实反映压桩力及桩长,压桩过程中各道隐蔽工序需经监理验收。
  3.4.8 封桩顺序及桩身处理方法:
  由于办公楼稍有倾斜,故对沉降量较大处采用单轴线全部封掉,压完一轴封一轴,对沉降较小处可压完后不封桩,让其产生拖带沉降,以调整基底应力,办公楼所有桩完成后再封桩;对于宿舍楼则压完一批封一批,主要是计算封桩的砼用量;对于通讯塔在4天内完成压桩并同时及时封桩,以避免产生沉降;在桩身涂沥青,以减少附加应力的影响,已压完的桩做灌沙处理;
  4 纠偏加固处理后达到的良好效果。
  在地基加固施工过程中10月16日最大沉降量为208mm,最大倾斜率为13.55‰,自10月17日以后通过地基加固后沉降基本趋于稳定。
  该建筑为三层框架结构,经纠偏加固后达到原设计要求,建筑结构安全等级为二级,抗震设防烈度7度,设计使用年限50年。
  在工程结束后对工程的观测表明,顶升纠偏后房屋微沉降1~3mm,沉降稳定,倾斜率不到4‰,符合规范要求,主体结构经检查未发现结构性裂缝,达到纠偏加固的目的。
  目前,该建筑物已加固纠偏1年有余,经采用本方法加固与纠偏后,经多次观测房屋均无下沉,基础已沉降稳定,同时不再有倾斜现象,达到了安全使用要求。
  结束语
  通过对该纠偏加固工程的研究分析:
  (1)制定房屋纠偏加固方案时,应详细分析房屋沉降、倾斜的原因,找出合理的治理方案,做到经济上合理、技术上可行。
  (2)采用锚杆静压桩加固基础、断柱顶升法纠偏主体结构,能快速有效加固纠偏。
  (3)建筑物的地基托换和纠偏是一项风险性比较大的作业,必须进行充分的调查和准备工作,制定切实可行的方案,并精心施工。
  (4)纠偏过程中要充分认识监控的重要性,要及时分析监控资料,根据具体情况对设计方案及时调整,进行信息化施工。
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