房屋基礎加固與頂升技術應用研究

張志沛，魏在豪

(西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著城市化進程的加快，黃土地區的基礎設施建設也越來越多，但由于軟弱土層、濕陷性土層及地下水波動等因素，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，廖劍霖通過分析咸陽某區域內房屋不均勻沉降的治理方案與監測結果，得出在治理濕陷性土層地基不均勻沉降時的優解[5]。

陽光小區商鋪樓框架結構發生不均勻沉降。該項目地基基礎均為沉管灌注樁，柱下獨立承臺，樁長 22 m，持力層為卵石層，無地下室。分析原因是由于之前經過基礎開挖，并回填雜填土與灰土墊層至樓房基礎之下。雜填土成分雜亂，含磚、瓦碎片等垃圾，且灰土墊層使用的白灰經檢測不合格，達不到強度標準。后經過雨季下雨，導致基礎下土層滲水，雜填土與不合格的灰土墊層遇水破壞其原來的力學性質，承載力下降，導致軟土地基沉降引起的不均勻沉降，所以急需治理。

該研究項目經檢測公司檢測鑒定，建筑出現部分梁板裂縫，由于不均勻沉降導致頂點水平位移超限，但沉降未超過規范限定范圍，經后期監測，該結構沉降已趨于穩定。為確保房屋、附屬設施及人員的使用安全和滿足房屋的抗震安全性，對該結構進行頂升糾偏。

文中以陽光小區商鋪樓為經典案例分析導致建筑物發生傾斜的主要原因，論述和總結2種糾偏方法的特點和適用范圍[6-7]。結合陽光小區商鋪樓糾傾加固工程的實際案例，分析了其不均勻沉降產生的主要原因，優先采用托換樁根據現場實際情況，綜合考慮，提出正確可行的糾傾加固方案。在糾傾加固過程中對建筑物進行嚴密的監測，用監測數據指導施工，使得糾傾加固工作最終完成，并對黃土地區類似工程提供借鑒。

1 工程概況及地質特征

1.1 工程概況

根據施工圖紙顯示，監測點位平面布置如圖1所示。

圖1 建筑物沉降監測點位平面布置Fig.1 Plane layout of building settlement monitoring points

2層磚混結構，獨立基礎。基礎埋深-2 m。樓房的混凝土梁、板、柱及屋面部分均已完成。此樓房共有21個承重柱，其中1#～9#基礎沉降較大，其余基礎沉降均較小。1#～7#柱北側原有地下室基坑支護工程，其多道土釘墻打入其基礎下部，基坑回填時使用雜填土回填。1#～7#基礎下部含有1 m厚灰土墊層，其質量不合格，空隙過大，還具有濕陷性，最終導致各基礎沉降。其梁與地面均有不同程度開裂，最大寬度達到2 cm。8#～21#基礎地基土不穩定，所以需要加固。其中，1#～9#基礎沉降量如圖2所示。

圖2 基礎累計沉降量Fig.2 Cumulative settlement of foundation

1.2 場地工程地質條件

研究地點在咸陽地區北部，位于中國渭河斷層下陷咸陽盆地的中段，咸陽西南向上半部凸起。場區內部地貌地理單元為中國渭河北岸I級典型臺階平原地帶，其內部地形地勢整體相對比較平坦。

根據鉆探過程所得的黑色巖芯土層資料分析可得：第1層體系土層被廣泛稱為黑色雜填土(Q42ml)：第四系砂巖體系土層是全新的一個非傳統人工式的堆積層，色雜。主要成因是由于上層黃土的沉積形成。成分混亂，層厚0.40～4.10 m。且依照鉆孔得知基礎下含有1 m厚的灰土墊層，經檢測該灰土強度不合格，白灰與土不成形，甚至破壞了原狀土的物理力學性質。

第2個層土為黃土狀土(Q41eol+al)，第四系全新統風積～沖積層，呈現灰黃色。土質疏松多孔，含有植物的根系，底部出露時可見黑色的黑色土壤，黑色的黑土分布較為連續。層底埋深1.60～5.70 m，層厚1.10～4.70 m，層底標高388.68～390.23 m。

第3層泥壤為黃土狀的粉質粘性黏土(Q32al+eol)，第四系上的更新統沖積～風積層，灰黃色。大的孔隙地發育，土質比較均勻，包括了大量的褐黃色和淡紅綠的氧化鐵斑點狀條紋和蝸牛殼的碎片[6]。層底埋深5.80～11.30 m，層厚3.50～7.10 m，層底標高383.13～385.86 m。

第4層為地下持力層，土質主要成分是粉質黏土(Q32al)：第4個系上更新統沖積層，淺灰黃至褐～深白色至灰色。有微小孔隙，微顯層理。土質均勻，含有少量的灰和棕黃色含有抗氧化劑和鐵的深色斑點、條紋和類似蝸牛殼的角質碎片[7]。層厚3.10～6.80 m。

經試驗實測到該場區穩定的地下下潛水位平均埋深6.2～7.8 m，屬于大型孔隙式地下潛水。

第1層雜填土成分雜亂，性質不穩定；第2層黃土狀土土質疏松，性質亦不穩定，遇水后易發生崩塌，且強度急劇降低，維持自身穩定性的能力較差[8]。

2 方案設計

針對建筑物不均勻沉降問題，常用的治理思路可分為2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[9-11]；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[12-14]。迫降方式是通過將建筑物沉降較小一側的土體和地基混凝土部分進行挖掘和鑿除，使建筑回傾，但會降低建筑標高[15]。頂升方法主要是將建筑物進行整體的頂升，通過對建筑物各個部位進行頂升力的調節，使得建筑物沿著特定的某一點或者是某條直線向另外一個整體的平面方向轉動而使之回到原位。

頂升糾傾主要分為整體法和斷截面法。整體法是將建筑從基礎到上部結構整體進行頂升，可以保證建筑整體不受到破壞。斷截面法是在柱子某一標高處設置托換梁系，將柱所受荷載轉換至頂升裝置，切斷柱截面后進行頂升。斷截面法需斷開基礎和上部結構的連接，施工難度較小，成本較低。

2.1 國內外加固糾偏研究

國內外常用的建筑物糾偏新技術有：旋噴樁法、浸水法、壓密注漿法、錨桿靜壓樁法、瑣升法、應力解除法、觸變法、樁身卸荷法、降水法、靜力壓樁法等。其中：①旋噴樁多用于軟土或濕陷性黃土等較厚軟土層的地區。旋噴樁可以直接穿過自重濕陷性土層和飽和黃土狀粉土層，直接坐落在穩定持力層上，使上部大部分荷載通過旋噴樁體傳遞到持力層上。旋噴鉆機小巧，可以進入室內施工，并可以穿過基礎放大腳使樁體直接支撐在基礎底下。但是同樣存在施工難度大的特點[16]。②浸水糾偏法：這是在建筑物傾斜的一側地基中注水，引起地基濕陷的糾偏方法。浸水糾偏法適用于含水量低于，濕陷系數大于的濕陷性黃土或填土地基上建筑物的糾偏工程[17]。③壓密注漿法：用很稠的漿液灌入事先在地基土內鉆進的孔中并擠向土體，在注漿處形成漿泡，漿液的擴散對周圍的土體產生壓縮。改善了土體的強度和防滲性能，同時也改變了土體物理力學性質，提高了軟土地基的承載力[18]。④錨桿靜壓樁糾偏法：這是在傾斜一側建筑物基礎上設置壓樁架，鑿樁孔，將樁壓入地基中的糾偏方法。錨桿靜壓樁真空吸泥法在房屋建筑糾偏中的應用法適用于地基地層較軟弱，沒有孤石、樹根以及持力層埋藏較淺的地基[19]。⑤頂升糾偏法：這是在沉降量較大一側的墻或柱體上，設置若干千斤頂，以其頂升力進行糾偏的方法，它適用于建造在深厚的軟土地基上建筑物的糾偏工程。⑥應力解除法(鉆孔排泥糾偏法：是在沉降量較小一側，用鉆機均勻鉆孔，造成地基側向應力解除，使基底下游泥向外擠出，引起地基下沉的糾偏方法，它適用于建造在厚度較大的游泥地基上建筑物的糾偏。⑦靜力壓入樁糾偏法：適用于建在局部松填土、游泥等地質條件較差的地基上的條形與單獨基礎建筑物的糾偏工程，該法是以基礎底面為反力支托，在基礎下地基中壓樁的辦法進行建筑物糾偏。

2.2 人工預制樁托換法加固原理

人工預制樁托換法加固機理主要是將建筑物上部的結構荷載經過樁身傳遞至地基相對于較好、更深的支撐層，減輕對原來基礎支撐層的負擔，從而實現控制建筑物的沉降和不均勻沉降。人工預制樁托換施工工藝是對既有的建、構筑物進行地基基礎加固的一種施工工藝，它以對原有建筑物的自重作為托換的反力，在導坑內用人工液壓千斤頂進行預壓已經澆筑好的樁基礎，使樁體產生微小的變形，然后使用鋼管托換掉千斤頂，把預應力施加到原來的基礎上，然后把托換的鋼管、樁和基礎都澆筑在一起，從而達到控制建筑物沉降及不均勻沉降的目的[20]。人工預制樁托換是既有建、構筑物地基基礎加固的一種施工工藝，它以原有建筑物的自重為托換反力，在導坑內用液壓千斤頂預壓已澆筑好的樁基礎，使樁體產生微小變形，然后用鋼管托換掉千斤頂，把預應力施加到原基礎上，然后把托換鋼管、樁和基礎澆筑在一起，達到消除隱患，加固既有建、構筑物的目的[21]。

2.3 綜合治理加固方案選擇

項目位于黃土地區，根據調查發現基礎承載力降低的主要原因是基礎下方的濕陷性黃土和淤泥質粘土。且本工程周邊路面多次改造，室內地面已低于路面標高，不利后續使用，故采用頂升法較為適宜。由沉降觀察結果來分析，可知該區域的建筑物沉降仍然在持續發展，不均勻的沉降依舊在逐漸加劇，這也就表明淤泥質粉狀黏土層的承載性沉降尚未最終得到完成。不均勻沉降的進一步擴張很有可能會直接導致上部結構次應力的擴大，造成墻體乃至橋梁的開裂，后果會不堪設想。因此，該建筑物的管理和加固措施必須首先采用適當的加固措施來控制沉降的加劇，然后在此基礎上通過選擇有效的糾傾加固方法來扶正建筑物，最后再進行抗復傾加固，唯有這種方式才能夠幫助扶正該建筑物并且保證不再度出現傾斜。為此所選擇的糾偏式加固解決方案所遵循的指導性原則有3點：①確保了建筑物的絕對安全；②施工時應擯棄那些容易產生引起淤泥質粉狀黏土振搗擾動的處理辦法(尤其是例如灌漿等)，以盡量減少黏土在施工中所附加的沉降；③地基加固糾偏方案中應當妥善處理好地基加固與糾偏之間的關系、施工順序，并嚴格遵循信息化施工的原則執行、經濟合理、施工簡單及符合規范的要求。根據上述對于加固糾偏的指導思路參考了總沉降量太多及不均勻沉降所產生的主要原因進行了分析，經過多年的科學論證和解決方案的比較，決定予以加固糾偏決定釆用托換樁+旋噴樁+壓密注漿的綜合治理方法對此商鋪樓進行治理[22]。

3 施工工藝

3.1 托換樁處理過程

因為1#、2#、3#、7#、8#沉降均較大，所以使用坑式托換靜壓樁對上述5個基礎進行處理。托換樁承載力計算使用一般直徑豎向承載力特征值，按下式計算

Ra=Qsk+Qpk=μp∑qsiali+qpaAp

式中Qsk為單樁總側阻力特征值；Qpk為單樁總端阻力特征值；μp為樁身周長；qsia為樁第i層土的側阻力特征值；li為土層厚度；Ap為樁端面積；qpa為極限端阻力特征值。

據勘察報告得知，第1層土為雜填土；第2層土為黃土狀土，C=32.0 kPa，φ=16.0°；第3層土為黃土狀粉質黏土，C=26.0 kPa，φ=17.0°；第4層為粉質黏土。

查表得qsia(第1層土)=0；qsia(第2層土)=50；qsia(第3層土)=90；qsia(第4層土)=85；第4層土為持力層，qpa=2 700。計算過程見表1。

表1 托換樁承載力計算Table 1 Calculation table of bearing capacity of underpinning pile

如圖3所示，將一個坑式測試托盤轉換靜壓樁的準確位置坐尺作為準確標識，按此坐標定義準確位置在該樁柱體外側向上開掘一個導坑，再在該樁原有的柱體基礎底部按照柱體設計方案圖紙所示準確的樁基位置圖來衡量坑式測試靜壓樁的準確位置。根據主體施工工藝圖紙所示的基礎加固流程要求對主體基礎結構進行分層加固，確保各個基礎加固點的處理點沒有任何錯誤。開挖時，基坑的地下開挖開掘深度以高層建筑物主體基礎底部地面的開挖寬度要求為準，深度一般控制為2 000 mm，導坑的地下洞口開挖寬度為800 mm×1 200 mm，開挖時根據地下地方土質硬化狀況和需要對其主體作出安全支護，預防地下土方的突然塌陷。隨后在進行安放第1節樁時，發現應及時地進行校正其樁的垂直度，安裝一個表式式的千斤頂加壓樁并同時從頭開始依次進行壓樁加壓，每節樁都壓后應同時進行校正一次樁的垂直度。在第1節樁與加壓樁全部連接完成后，進行第2節樁壓接樁和再次加壓的連樁，接樁時必須采用直接焊縫方式連接，要求特點是接樁焊縫飽滿。依據接樁壓力測量表的接樁讀數，在不接樁能夠完全滿足接地上部的接樁承載力時，繼續對樁進行上部接地試樁檢測壓樁，知道上部是否接樁能夠完全滿足接樁上部的受力荷載。托盤轉換讀數過程中不需要經常依靠一個壓力器寫表的值來讀數，壓力器讀表的值不得讀數超過60 kPa。當整個千斤頂能夠滿足各種設計性能要求時，用鋼管托換的2頭牛腿把整個千斤頂全部進行托換，隨后把整個托替樁全部安裝到鋼管位于托替樁的頂部中心，鋼管上部要再鋪設一層鋼板，并把它們全部焊接牢固。當上述各種填料操作均勻配合結束后，即可重新開始承臺面的澆筑和填料返回填，基礎底部在標高以下的操作基坑內采用一層素質混凝土砼進行澆筑，形成支撐平臺，將引水坑回填到地面，并平整場地[23]。

圖3 靜壓托換樁布置Fig.3 Layout of static pressure underpinning pile

當托換樁處理完畢后，1#基礎頂升99 mm，2#基礎頂升44 mm，3#基礎頂升8 mm，7#號基礎頂升29 mm，8#基礎頂升4 mm。

3.2 托換樁監測

對此類工程應當布設沉降觀測，每個基礎布設一個沉降觀測點。自加固開始到結束期內，一天監測一次沉降，此后的20 d內每5 d周觀測一次；此后30 d可以安排10 d一次。并設計監測預警值，施工期間也許會產生一定的沉降量，15～20 mm范圍內屬于正常情況，若大于20 mm時，應立即查找原因并上報。經過監測發現，當托換樁處理完畢后，1#基礎頂升99 mm，2#基礎頂升44 mm，3#基礎頂升8 mm，7# 基礎頂升29 mm，8#基礎頂升4 mm。但頂升后各基礎仍有不同程度沉降如圖4所示。分析得知雖然上述5個基礎被托換樁頂升，但地基土仍不滿足要求，所以后續工藝仍需繼續進行。

圖4 托換樁施工后累計沉降量Fig.4 Cumulative settlement after underpinning pile construction

3.3 旋噴樁處理過程

在基礎被換托樁頂升穩定后，進行旋噴樁打樁處理。當旋轉回噴樁涂刷托架更換樁架在作業現場進行處理完成后，對4#,5#,6#,9#建筑基礎兩側的混凝地基層及土體基層進行了旋轉回噴樁涂刷處理，其中，4#,5#,6#樓的基礎兩側各分別打4個旋轉回噴樁，共8個旋轉回噴涂刷樁；9#樓的基礎兩側各分別打3個旋轉回噴樁，共6個旋轉回噴樁。高壓式旋轉型噴樁切削系統是它是一種利用一臺大型高壓泵將其中水泥和砂漿液通過一個鉆桿置于端頭的一個特制螺旋噴頭，以高速的橫向水平旋轉方向高速噴入基層土體，借助于水泥液體的強大沖擊力高速切削固體土層，同時通過鉆桿一面以一定的旋轉速度緩緩進行橫向旋轉，一面低速提升(每次提升可達到18 cm～25 cm/min)，使得基層土體與其中水泥和砂漿充分的相互攪拌和加水混合比較均勻直至凝固，形成一種整體具有一定使用強度的大型圓柱形固體粘結體，可以直接使土體地基結構得到極大強化。

圖5 旋噴樁與壓密注漿孔布置Fig.5 Layout of jet grouting pile and compaction grouting hole

其中，旋噴樁直徑為500 mm，水灰比為1∶1，注漿壓力為20～30 MPa，鉆頭旋轉速度為8～25 r/min，噴嘴流量為50～90 L/min。

由于旋噴樁處理過程中對地基土有微量的附加沉降，所以應跳樁施工。

3.4 地基壓密注漿加固技術

加固了4#,5#,6#,9#這4個有沉降趨勢的基礎地基土后，對場地進行大面積壓密注漿處理如圖4所示，注漿孔分布于各基礎與樓梯柱旁，并且在原有地梁附近布設間距2 m的注漿孔。其中，①型注漿孔孔深8.5 m，共43個；②型注漿孔孔深5 m，共91個。注漿使用水泥砂漿與水玻璃的雙液注漿法。首先進行了雙液配比實驗，得知當水泥砂漿與水玻璃比為1∶0.03時，漿液凝固時間為30 min；比例為1∶0.02時，漿液凝固時間為60 min；比例為1∶0.01時，漿液凝固時間為120 min。根據現場施工情況，當水玻璃占比大時，漿液凝固過快，不能有效的向土體空隙里發散流動，所以選用1∶0.01的比例作為雙液漿液進行注漿。

初次施工澆筑基層注水砂漿時其漿料壓力作用范圍一般控制在0.2～0.3 MPa之間。灌漿用水量和進料流量的額定壓力控制范圍一般控制在0.3～0.6 MPa之間。每次現場灌漿必須特別注意的是防止由于灌漿壓力太高而直接導致灌漿基坑內的土質受到損害，具體的現場灌漿澆筑壓力也還是可以在現場灌漿澆筑的實際情況下進行做些微妙的手動調整。先根據壓密施工注漿橡膠布置要求效果圖，用自動鉆機或者其他人手自動鉆對其進行鉆孔深度探測檢查可以達到所布置要求的壓密注漿橡膠深度，孔徑90 mm，并對其進行鉆孔探測其內部地質活動狀態，然后在孔內插入一條鉆孔直徑30 mm的壓密注漿橡膠射管，在其頂部1.0～1.5 m的管壁上進行鉆孔并設有一個注漿孔，在設有注漿孔的射管之外還壁上應分別設有套管，在設有注漿孔的射管與橡膠套管之間還應采用壓密砂漿射管填塞。地基基礎土層套管表面的各個空隙處應采取1∶1水泥砂漿套管進行強力填塞，而后用力拔出土層套管，用強力壓漿泵將基層水泥混砂漿套管壓漿送入土層放射管而完全滲透到地基土層的各個孔隙中，水泥漿套管應連續一次用力壓入，不得一次中斷。注漿首先由一次稀漿加濃開始，逐步向濃漿加濃。灌漿時采用噴射噴拔管一次灌漿沉降至達到整個孔道深度后，自下而上依次向下分段連續進行灌漿，分段后噴拔管連續灌漿一次直至管道孔口滿。注漿宜用小間隙連續灌注，第1組小或大孔徑的注漿灌灌完畢后，又繼續灌第2組、第3組。注漿堵口做好后，拔出一個注漿堵口管，留孔隙并使用1∶1水泥砂漿材料填塞密實的注漿堵口。

4 加固效果及監測

該工程基礎經加固投入使用至今已有2 a，經過用戶反映未發現，未發現墻體開裂；根據沉降監測發現當旋噴樁與壓密注漿施工完畢后，監測得各基礎沉降不再變化，證明此綜合加固措施效果穩定。最終沉降量如圖6所示。

圖6 壓密注漿施工后累計沉降量Fig.6 Cumulative settlement after compaction grouting construction

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[24]，基礎沉降得到了有效控制，加固效果顯著，達到了預期目的。

5 結 論

1)國內外對于因雜填土、黃土滲水而導致的房屋基礎不均勻沉降的防治方法仍然在不斷地階段中，本工程使用了托換樁、旋噴樁與壓密注漿的施工工藝對此商鋪樓基礎進行頂升，對地基土進行加固，效果顯著。

2)在沉降較大的房屋基礎底面使用托換樁打入地下堅固地層，利用反作用力頂升基礎，以消除沉降，并使基礎牢固。通過分析可以看出旋噴樁和壓密注漿技術對地基的加固作用是明顯的，旋噴樁的樁身阻力、樁端反力作用可以提高基礎的承載力。壓密注漿的漿體取代了注漿范圍的土體，在注漿鄰近區存在大的塑性變形區，離漿泡較遠的區域土體發生彈性變形，使樁間土的密實度得到很大程度的提高。通過該綜合治理施工措施，使得旋噴樁與梁柱基礎形成一個完整穩固體，袖閥管注漿加固了雜填土與不合格的灰土墊層，配合托換樁，綜合加固房屋基礎，使基礎不再產生不均勻沉降。

3)利用托換樁、旋噴樁與壓密注漿對傾斜嚴重的建筑物進行頂升糾偏，是一種切實可行，有效快速的糾偏加固方法，特別是針對濕陷性黃土、淤泥質粘土或其他高壓縮性土層時，效果更為突出。加固和糾偏過程中，實施信息化施工，控制好施工細節，則頂升糾偏效果完全能得到保證。

4)在房屋頂升加固領域，還需要不斷地總結經驗，完善內容。此商鋪樓基礎加固頂升技術的綜合措施對今后類似的工程具有借鑒意義。