巖溶地區某高層建筑物不均勻沉降地基基礎加固案例分析

范明明， 裴向軍， 王文臣， 袁進科， 陽 博， 何智浩

(地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學)， 四川 成都 610059)

隨著城市化進程的加快，巖溶地區的高層建筑物越來越多，但由于溶洞、溶蝕裂隙的存在及基巖面起伏大、地下水波動等因素，極易導致地基承載力不足、地面塌陷、不均勻沉降等嚴重危害建筑物安全的地質現象[1～4]。國內學者對此進行了大量研究，廖劍霖[5]通過分析廣西某區域內巖溶地面塌陷的形成過程及形成機制，提出了巖溶地面塌陷的致塌模式和塌陷力學模型，并將巖溶塌陷模式歸納為潛蝕-吸蝕-重力致塌模式和軟化-失托增荷-真空吸蝕致塌模式；朱彥鵬等[6]指出因樁端承載力不足、巖溶作用發育導致昆明某小區17號樓(建筑物高度99.9 m)產生傾斜。

針對建筑物不均勻沉降問題，常用的治理思路可分為兩大類：一是地基加固，控制沉降，適用于上部荷載過大、沉降差值較小的建筑物，主要有錨桿靜壓樁法和注漿法等[7～9]；二是地基加固聯合建筑物糾偏，主要適用于沉降差值大或結構簡單、荷載小的一類建筑物，包括挖土迫降法、壓樁法、截樁法、頂升法等[10～12]。另外，有學者根據巖溶地層特征進行了優化研究，曹賢發等[13]通過研究巖溶地基溶蝕程度特征和樁徑等因素確定了巖溶場地樁基平均入巖高程預測方法，使誤差控制在0.5 m以內；周峰等[14]引入可控剛度樁筏基礎技術，解決了土巖溶組合地層中黏土分布區樁與基巖區樁(墩) 基礎支承剛度不一致的問題。

本文結合貴州省巖溶地區某高層建筑物不均勻沉降案例，以補充勘察及室內試驗為基礎，從地基巖土體基本力學性能、水文特征以及巖溶作用等角度分析其不均勻沉降原因；提出“錨桿靜壓樁+地層注漿加固+穩壓基礎托換”的綜合糾傾加固治理方法，并結合建筑物沉降變形數據，對治理效果進行綜合評價。

1 建筑物工程概況

研究區位于川黔南北向褶皺構造體系都勻復式向斜西翼近軸部地帶，劍江河支流-綠茵河南岸一級階地上，構造簡單，場區內及附近無斷層通過，整體地勢為北西部高，南東部低，是典型的巖溶現象發育地帶。場地北側有一自西向東流動的河流，距建筑物約20 m。據當地水文監測資料顯示，年平均降水量1446 mm，豐水期為每年5～11月，最大降雨量出現在5～7月，地下水位上漲明顯，枯水期為每年的12月至次年4月。

擬治理建筑物為在建高層民用住宅，由C1，C2兩棟建筑物及地下室組成，中間采用三層裙樓連接，建設用地7726 m2，總建筑面積81001.2 m2，場地自然標高782.93～784.50 m，地上31層，高99.75 m，地下2層，高9.30 m，如圖1所示。該建筑物采用部分框支剪力墻結構，筏板基礎，厚1.5～2.5 m，埋置深度9.8 m。于2016年3月開工建設，2017年11月完成主體結構施工。

圖1 建筑物全貌

根據建筑物外圍補充勘察得知，筏板以下地層依次為：(1)黏土，黃棕色，流塑～軟塑，部分段含有強風化灰巖顆粒，占比30%～40%，層厚1.8～11.5 m；(2)強風化灰巖，灰白色，塊狀，層厚2.8～3.5 m，溶蝕裂隙及空腔發育，線溶蝕裂隙率達45%，屬于強溶蝕帶；(3)中風化灰巖，巖層完整，存在少量溶蝕裂隙，鉆探未揭露其層厚。表1為地基巖土體基本物理力學性能參數。

表1 現場巖土體基本物理力學性能參數

此外，在C2棟負2層靠近電梯井處有一2.0 m×1.8 m×3.8 m(長×寬×深)的集水井，原為地質勘察鉆孔，后由于基礎施工導致基坑內有大量積水，經改造形成集水井，用于排出巖溶破碎層地下水。經測量，該井每小時涌水量達10 m3。

2 建筑物不均勻沉降概況及原因分析

2.1 建筑物不均勻沉降概況

據施工監測數據顯示，在2017年11月主體結構施工完成后，C2棟建筑物突然出現較大的不均勻沉降，此時東部最大沉降量達139.61 mm，西部為40 mm左右，且負1層東西兩側剪力墻上出現大量的斜拉裂縫，最大長度近10 m，寬度0.1～1 mm，其表面出現部分水泥脫落現象。隨后立即停止上部施工，加強C2棟建筑物變形監測，監測點位平面布置如圖2所示。

圖2 C2棟建筑物沉降監測點位平面布置

截止到2018年6月28日(加固治理前)，C2棟建筑物角點累計沉降量及沉降速率如圖3，4所示。主要沉降區域在建筑物東側，其中JZ10的沉降量最大，達166.57 mm，JZ13沉降量為137.44 mm，沿中軸線向西沉降量逐漸減小，JZ3—JZ20軸線沉降量約為45 mm，明顯小于東側沉降量，建筑物呈“東低西高”的態勢，此時傾斜率達2.06‰。

圖3 治理前建筑物角點累計沉降量

另外，圖4的日沉降速率表明，JZ10，JZ13觀測點在2017年12月12日—2018年3月8日出現大幅度沉降，最大沉降速率超過1 mm/d，此階段西側JZ3，JZ20監測點呈現出不降反升的趨勢，而之后JZ10，JZ13觀測點仍以0.1 mm/d的速率持續沉降。

圖4 治理前建筑物角點日沉降速率

2.2 不均勻沉降原因分析

通過對補充勘查資料、水文特征、上部結構及沉降數據的分析，筆者認為建筑物不均勻沉降主要由以下原因造成。

(1)地基承載力不足且差異性大。補充勘察探明基礎下廣泛分布有軟弱地層，東厚西薄，層厚相差近10 m。且基礎設計施工時，未充分考慮到軟弱地層壓縮性高、流變性大、含水率高等特點，將該層作為持力層。雖對筏板進行了加厚處理，但仍因承載力嚴重不足，導致了不均勻沉降的產生。

(2)地下水位變化。建筑物北側鄰近河流，場地上覆土層孔隙性大、滲透性強、地下基巖面徑流作用強烈，且集水井長期的排水作用，二者共同導致建筑物南側水位升高，北側水位降低。水位差的存在使建筑物所受浮力不同，有效應力隨之變化，土體在變化應力作用下發生不同程度的壓縮變形。

(3)巖溶作用發育。離子檢測表明地下水中Ca2+，Mg2+的含量分別為76.64，20.78 mg/L，屬于強溶蝕性水。季節性水位變化對地基巖土體產生強烈的溶蝕作用，使灰巖的強度逐漸劣化；在豐水期或枯水期內，地下基巖面的徑流現象同樣產生溶蝕作用，并將溶蝕后的物質沖走，形成空腔，大大削弱了地基巖土體的承載力。

3 建筑物糾傾加固綜合治理方案設計

3.1 加固治理方法及原理

通過綜合分析建筑物不均勻沉降概況及上部結構和地基基礎資料，為有效減小地基土體的壓縮量，平衡建筑物的不均勻沉降，基于“地層加固，止沉調平”的基本治理思路，提出“錨桿靜壓樁+地層注漿加固+穩壓基礎托換”的綜合糾傾加固方法。具體闡述如下：通過錨桿靜壓的方式壓入鋼管樁，使其穿過軟弱層到達硬層(這里指中風化灰巖層)，并采用穩壓封樁的方式將筏板與樁體連接在一起，將建筑物原有的筏板基礎轉變為樁筏基礎，使建筑物荷載傳遞到樁端持力層，減輕軟弱地層的壓縮量。另外，基于沉降狀況通過設計計算確定錨桿靜壓樁數量、布置形式，并對施工工序進行區域化、差時化調整，使建筑物不均勻沉降趨勢得到有效控制。

3.2 地基加固設計計算

(1)鋼管樁數量

筏板基礎與地基土體經過一年之久的相互作用，在一定程度上提高了地基承載力，且與基礎周圍土體產生了強大的摩擦咬合作用，形成一種動態平衡；另據沉降監測數據顯示，截止到2018年6月建筑物沉降趨勢基本穩定，單日沉降速率大幅減小。依據相關規范[15～17]，提出“剩余荷載承擔法”，即新增加的鋼管樁承擔建筑物新增加荷載，該方法適用于既有建筑物原基礎內增加樁的情況。依據建筑物設計資料，待新增荷載近68600 kN，考慮到建筑物目前沉降狀況及承載力安全儲備，確定安全系數為1.85，即新增鋼管樁應承擔荷載126910 kN。鋼管樁數量按式(1)(2)計算。

Pa=P0/n

(1)

Pp(L)=KpPa

(2)

式中：Pp(L)為設計最終壓樁力；L為鋼管樁設計壓入深度；P0為鋼管樁所需承擔總荷載；n為鋼管樁根數；Kp為壓樁力系數，在觸變性粘度土中，當樁長小于20 m時，Kp可取1.5，非觸變性土中，可取2.0，本案例Kp取1.5；Pa為單樁最大承載力。

根據建筑物內部結構及沉降特征，基礎錨桿靜壓樁加固分為東北角、東南角和中西部三個區域，如圖5所示。鋼管樁選用Q235無縫鋼管，規格為194 mm×10 mm，連接方式為內接箍焊接，接箍長300 mm，規格為172 mm×8 mm。單樁最大承載力980 kN，計算得出最大壓樁力1470 kN，共需130根樁，依據東密西疏的布樁原則，東北角布設29根，東南角布設16根，中西部85根。

圖5 建筑物地基加固治理總平面

基礎加固所用鋼筋均采用HRB400熱軋螺紋鋼筋，鋼筋搭接長度為單面焊接10d，雙面焊接5d。植筋均采用改性乙烯基醋類膠聯劑固結，保護層均采用C40混凝土，抗滲等級P8，澆筑厚度為35 cm。

(2)漿材選擇及配合比

設計采用一種新型注漿材料——SJP型漿材，該漿材為粘度時變型漿材，由水泥、水和SJP型外摻劑1，2，3號按照一定配合比配制而成，具有初始流動性好、凝結時間可控、早期強度高、抗沖刷性能好等特點[18]。經過現場試驗，選用漿液配合比為：水灰比0.6，1，2，3號摻量分別為0.5%，1.2%，0.3%，漿液可泵期40 min，初凝時間47 min，終凝時間52 min，7 d抗壓強度達到14.80 MPa。實際施工過程中，根據需要微調漿液配合比，以期達到更好的加固效果。

根據強風化灰巖地層情況，單孔注漿量Q可依據式(3)計算[19]。

Q=πr2hnα(1+β)

(3)

式中：Q為單孔注漿量；r為漿液擴散半徑；h為注漿段厚度；n為孔隙率，此處取0.3；α為有效灌注系數，一般為0.6～1.0，此處取0.8；1+β為漿液的損耗系數，一般為1.1～1.2，此處取1.2。

注漿采用42.5#普通硅酸鹽水泥，設計最大注漿壓力3.0 MPa，漿液有效擴散半徑r取1.0 m，集水井注漿封堵深度為15 m，計算得出每延米注漿量0.96 m3，水泥消耗量1.06 t。

3.3 地基加固施工工序

依據上文劃分的治理區域，建筑物的東北角及東南角是主要沉降區域，也是地基基礎加固的重點區域。基于此，在區域化施工中，遵守“先東部后西部，先東北角后東南角”的總體原則；在差時化施工中，東南部施工較東北部有所延后，但整體不晚于東北部的下道工序；而中西部的錨桿靜壓樁可待東部穩壓封樁后進行。施工工序時間節點均依據實時沉降數據的動態分析進行確定和調整。

(1)錨桿靜壓樁：按設計方案在筏板指定位置鉆進Φ210 mm，深1.5～2.5 m的樁孔(依據筏板厚度確定)，并在距樁孔0.5 m處“十”字法鉆進錨桿孔，采用結構膠植入錨桿，依次安裝反力架、千斤頂，調整位置使二者保持豎直，傾斜率不得大于1%標準段長。當待壓樁體就位后，采用卡座固定其位置，使待壓樁體、千斤頂、反力架及樁孔的中軸線保持重合。單節鋼管樁長度應根據壓樁裝置及施工場地條件綜合決定，原則上每節鋼管樁長度不小于2 m，采用內接箍焊接的連接方式，接箍長不小于300 mm，且全段進行除銹和防腐處理。啟動液壓泵站，分級施加壓力，每級壓力為200 kN，待樁體穩定后方可施加下一級壓力，終樁標準應以達到最大壓樁力為主，以壓樁深度為輔。壓樁完畢后對鋼管樁進行承載力及樁身檢測，符合設計要求后進行下一道工序。圖6為錨桿靜壓樁施工現場。在施工過程中，采用“跳打”的方式進行，避免集中鉆孔，減小由之造成的附加沉降。

圖6 錨桿靜壓樁施工現場

(2)地層加固注漿：包括集水井注漿和樁端注漿。集水井注漿是在集水井區域鉆進Φ110 mm，深16.5 m的注漿孔，采用全孔段一次性注漿法。連接制漿站、注漿設備及管路，安裝雙通孔口栓塞(進漿、排水)，啟動泵站，高壓注入SJP型漿液，頂水封堵裂隙及溶蝕空腔，可依據注漿情況調整漿液凝結時間，以達到封堵涌水與加固地層的雙重效果。樁端加固注漿程序是在壓樁完成后，先采用反循環鉆進方式清除孔內泥土，并在樁端中心處鉆進深5 m，Φ110 mm的注漿孔段，在壓送設備作用下，使漿液以充填、滲透的方式向樁端四周擴散，待其逐漸失去流動性并固化，形成水泥土固結層，提高樁端承載力，增加鋼管樁單樁承載力的安全儲備。

(3)穩壓基礎托換：待鋼管樁樁端水泥強度達到80%時，對樁位原筏板混凝土進行鑿毛處理，鉆進內錨桿孔，植入Φ28 mm，長0.8 m的“門”字形鋼筋，并壓緊樁管上方H型鋼板(250 mm×9 mm×9 mm)，此時啟動液壓泵站，逐級施加壓力至最大壓樁力的70%，在樁管外環向間隙中打入楔筋，灌入高強砂漿，穩壓7 d后結合沉降數據適時拆除反力架、千斤頂等裝置，利用雙層雙向Φ28 mm斜拉鋼筋與外錨桿焊接，東北角采用疊合板的封樁方式，鋼筋網為雙層雙向Φ25@150 mm，遇墻、柱植入深度300 mm，筏板植入深度20d；東南部及中西部則按原設計圖紙修復筏板面筋，如圖7所示。保護層均采用C40、抗滲等級P8的商用混凝土澆筑。

圖7 穩壓封樁施工現場

(4)建筑物自重糾傾施工：采用區域化、差時化施工原則，調整建筑物不同區域施工工序間隔時間，實現建筑物自重糾傾的目的。待建筑物東部穩壓封樁且沉降趨于穩定后，進行中西部錨桿靜壓樁施工，未封樁條件下利用建筑物自重使該側持續沉降，壓縮地基土體，縮小不均勻沉降差值，并使地基承載力得到提高，期間加強建筑物變形監測。待糾傾量滿足規范要求時，進行穩壓封樁。封樁完成后，原有的筏板基礎轉化為樁筏基礎，通過新增設的鋼管樁與筏板基礎的協調作用，使建筑物的沉降趨于一致，并逐漸保持穩定，自此完成糾傾加固施工。

3.4 沉降監測儀器

在建筑物糾傾加固過程中，實時提供變形監測數據是非常重要且必要的。案例采用高精度微壓式靜力水準儀(圖8a)、IBIS-L地形微變遠程監測系統(圖8b)等儀器進行實時監測，監測精度達0.01 mm/s，對建筑物地基加固及糾傾施工進行指導。

圖8 建筑物變形監測儀器

高精度微壓式靜力水準儀由數據采集器、基準液箱、沉降計、管路等組成。沿待監測線路布設沉降計，由水管相連通，通過對比前后兩次采集的沉降計變化數據，計算出線路上各點的豎向位移，監測過程中必須保持基準液箱的液面穩定。IBIS-L地形微變遠程監測系統是基于微波干涉技術的高級遠程監控系統，它將被監測物表面劃分成眾多微小的像素單元，通過計算每個微小單元連續兩次電磁波的相位差來獲取目標物的形變信息，具有實時傳輸、精度高的特點。

4 糾傾加固綜合處治效果評價

圖9為治理前后建筑物累計沉降曲線，從圖中可以看出，經過糾傾加固綜合治理后，建筑物基本保持穩定，較治理前并未發生大幅度沉降現象，且糾傾過程中產生一定的上升效果。

圖9 治理前后建筑物累計沉降曲線

圖中曲線顯示，2018年10月時建筑物出現波動下沉的跡象，主要是因為該階段正在進行基礎托換施工，對地基土體產生一定的擾動作用，且地下水位的連續下降導致浮力減小，造成建筑物出現沉降波動，而到2018年11月時，糾傾加固工程全部施工完畢后，JZ10監測點的沉降值為184.45 mm，JZ13的沉降值為158.63 mm，此后沉降曲線基本處于穩定狀態，沉降量不再增加，表明建筑物不均勻沉降趨勢得到了有效控制，且表現出一定的糾傾效果，使建筑物傾斜率及沉降速率滿足國家相關規范要求[20]，建筑物糾傾加固施工取得良好的效果。

5 結 論

(1)通過對現場補充勘查、室內試驗、水文特征及沉降監測數據的分析，該建筑物產生不均勻沉降主要是由地基軟弱土層分布不均且承載力低所造成的，形成筏板基礎“漂浮”的假象；季節性地下水位變化造成了浮力的波動，使地基土體的有效應力隨之變化；此外，地下水的強烈溶蝕作用，逐步劣化地基土的強度特征，承載能力減小，加速了建筑物的不均勻沉降。

(2)針對建筑物不均勻沉降概況，本案例基于“加固地層，止沉調平”的治理思路，提出了“錨桿靜壓樁+地層注漿加固+穩壓基礎托換”的綜合糾傾加固方法。

(3)綜合治理效果表明，錨桿靜壓樁聯合樁端注漿形成了復合地基，明顯提高了地基承載力，且穩壓封樁后改變了建筑物的基礎形式，優化了荷載承擔結構，有效控制了建筑物的沉降速率和沉降量；通過區域化、差時化的施工原則，利用建筑物自重達到了糾傾的目的，減小了不均勻沉降差值發展趨勢。