既有建筑基礎加固設計研究

李斌

四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司 四川 成都 610041

近年來我國建設工程領域高速發展，取得可喜可賀的驕人成績。隨處都可以看到一幢幢高樓拔地而起，一座座大橋氣勢恢宏，一片片舊城換新顏。我國地形地貌十分復雜，水文地質區域差異很大，地震、洪澇災害、極端天氣頻發，種種不利因素都對既有建筑結構提出了嚴峻挑戰。同時人們的物質文化生活日新月異，對居住場所的需求也在不斷提高和變化。所以對既有建筑改造加固項目也在逐漸增多，對既有建筑結構的加固設計技術應用也越來越普遍[1-3]。尤其在我國沿海地區的建筑地基具有深厚軟土的特點，由于這類軟土具有抗剪強度低，壓縮模量低，承載力低，建成的建筑很多容易出現不均勻沉降，結構構件產生裂縫，甚至傾斜等工程病害現象。對于出現這些現象建筑結構，就需要認真分析，針對性地進行建筑基礎加固設計研究[4-5]、施工處理，把出現的質量隱患消滅在萌芽狀態。

本文以實際工程案例，對建筑基礎加固設計、施工做了專門的分析和研究，望能給從事建設領域的同仁們一些良好的啟示。

1 工程概況

該案例工程位于廣東省珠海市某七層辦公建筑（裙房為二層），總建筑面積16668m2，建筑高度27.3m。結構類型為現澆鋼筋混凝土框架結構。地區地震動峰值加速度為0.10g，地震基本烈度為7度。

1.1 場地地基巖土結構

圖1 典型地質剖面圖

場地地基巖土可劃分如下幾層：①新近堆載預壓人工填土，厚度7.5～10.0m。②海相沉積（Q4m）的淤泥，可塑，厚度7.20～10.80m。③淤泥質粉砂厚度3.40～9.00m土。④淤泥質土厚度16.10～27.90m。⑤全風化、強風化花崗巖，厚度0.0～4.0m，⑥中風化花崗巖，厚度未揭穿。

1.2 建筑地基基礎設計

該工程基礎采用預應力混凝土管樁基礎。樁型采用國標PHC500AB125,樁長為45m～50m。樁端持力層為中風化花崗巖層，單樁承載力特征值為1300kN。基樁上部設計多樁承臺，承臺頂面設置基礎聯系梁。預應力管樁施工采用靜壓樁施工工藝，靜力壓樁機（ZYJ680B）終壓值控制在3000kN左右。

1.3 工程病害現象

該工程主體結構工程基本完成時陸續發現約20%的基礎承臺及基礎聯系梁都出現寬度不等的裂縫（承臺最大裂縫寬度達到20mm）。最嚴重的是發現有兩處四樁承臺下各有一根樁與承臺脫開。

圖2 基礎承臺裂縫

從發現工程病害開始對承臺進行沉降觀測，通過3個月的沉降觀測顯示有較多承臺沉降10mm～30mm。

2 基礎加固設計分析

2.1 工程病害現象分析

從前述的病害現象包括兩類：承臺出現較大的沉降和承臺出現較大的裂縫。以下對這兩類現象分別進行分析。

承臺出現較大沉降現象表明工程基樁承載力未達到原設計要求。由于該工程尚處于施工建設階段，在柱腳內力遠未達到結構設計所需恒載與活載作用的情況下承臺就出現較大的沉降量，故必須對這些部位的柱下承臺進行基礎加固處理。

較多承臺出現超出規范許可范圍的較大的裂縫，甚至有兩處樁與承臺脫開。說明同一承臺下的樁在深厚軟基中所受的反力差異很大與理想的設計狀態（同一承臺下各樁反力相同）完全不同，承臺受到超出設計范圍的剪應力與拉應力的復雜共同作用而產生了上述現象。因此也需對這些承臺進行基礎加固處理以減小某些樁的過大反力。

2.2 基礎加固設計方案抉擇

樁基礎加固方式無非兩種：第一是提高原有樁的承載力，第二是增加樁的數量（補樁）。從設計的角度提高樁的承載力通常采用增大樁徑，增加樁長是最直接高效的手段。但對于類似案例工程的既有建筑，是無法實現的。另外就是通過增強樁間土的摩阻力和端阻力也可提高樁的承載力，一般可采用壓力注漿的方式進行。但這種方式的經濟性及處理效果尚需根據不同的地質條件進行試驗驗證。本工程案例采用的是第二種樁基礎加固方式即在原承臺下增加一定數量的基樁（補樁）與原樁共同承擔上部結構傳來的荷載。

2.3 原有承臺下增加樁的限制條件

首先在原有承臺下增加樁需考慮施工現場操作的可行性[6]。該工程首層層高3.9m，原承臺頂面標高為-0.500m,扣除二層梁高凈空高度僅3.6m，也就是補樁施工作業空間。根據該工程地質條件，工程基樁的的長度在45m～50m范圍。若采用鉆孔、沖孔灌注樁因機械設備的操作空間受限是不能實現的，唯一可行的就是通過靜壓沉樁的方式選擇鋼管樁或預制樁，且每節的樁長不能超過3m。

圖3 錨桿靜壓樁機

2.4 錨桿靜壓樁機工作原理

錨桿靜壓樁是將壓樁反力架通過錨桿與建筑物基礎相連接，使建筑物、壓樁反力架與樁形成特殊的傳力系統，在壓樁過程中，利用安裝在壓樁反力架下的千斤頂，借助建筑物自重提供的壓樁反力，把預制短樁逐節壓入土層。沉樁時做好每節樁的標記，可以準確知道樁的入土深度。錨桿靜壓樁機上配有壓力表，樁基的承載力也可通過壓力表讀數直觀的確定。

2.5 樁型的選擇

根據場地條件選定了壓樁設備，就要確定樁的類型。很多工程補樁都選擇了鋼管樁，它的優點是加工制作簡單，施工速度快，樁接頭現場焊接施工較為方便，接頭質量容易保證。缺點是鋼管樁在沿海地區海水的腐蝕環境下耐久性不易保證，鋼材價格相對較高，如果工程中需要補樁的數量較多，對加固改造工程造價影響較大。本案例工程通過綜合對比分析選擇工廠預制混凝土方樁，截面為300mmx300mm。由于預制樁接頭連接是一個工程常見的薄弱環節，在相關國家標準中對單根樁的接頭數量規定不宜超過3個。由于每節樁長僅有3m，故需要15個左右的接頭，遠遠超過上述標準，因此就需要特別重視樁接頭的設計與施工。

2.6 樁接頭的設計

圖4 預制樁接頭設計圖

樁接頭采用預埋鋼矩管+角鋼焊接設計，工廠預制樁時鋼筋籠主筋先與鋼矩管板材內側可靠焊接后再澆筑樁身混凝土，成為鋼矩管樁帽，為保證樁帽內混凝土的澆筑質量，在樁帽位置設置振搗孔與通氣孔。鋼管樁帽與混凝土樁身形成一個整體。沉樁時樁逐節壓入土內，樁與樁連接時四角采用角鋼與樁帽鋼板豎向焊縫+樁頭鋼板四周水平焊縫。通過這樣的樁接頭設計，在施工中預制樁的連接基本上與鋼管樁連接一樣。

2.7 基礎加固設計

根據《建筑樁基技術規范》以及場地地勘報告相應數據計算單樁承載力特征值：

確定補樁數量時不僅需根據設計柱腳內力與原樁的承載力的差值計算后確定，尚應考慮補樁后整個承臺受力的均衡性和對稱性，盡量減少補樁后樁對承臺的附加偏心矩和剪力。同時補樁設計時還收到很多限制條件的制約，承臺下補樁需考慮原樁及承臺的位置，靜壓樁屬于擠土樁，樁間距需滿足相關規范要求。補樁的位置也需增加承臺，擴大的承臺還必須與原承臺協同受力。為保證新增承臺與原承臺形成一個整體，采用如下措施：①新舊混凝土連接界面人工鑿毛處理。②新增承臺每面設置鋼筋，鋼筋籠合圍原承臺。③新增承臺采用提高一個標號的膨脹細石混凝土一次澆筑。

圖5 基礎加固平面圖

圖6 基礎加固剖面圖

3 施工技術要點

3.1 新增樁工廠預制

預制構件利用構件工程進行標準化工業化的加工生產，采用設計標準規格進行制模，可減少工序步驟，降低勞動強度，提高生產效率。采用預制構件廠預制樁對于樁鋼筋的加工綁扎質量、焊縫質量、樁主筋的混凝土保護層厚度、樁帽的加工制作精度，樁身混凝土的澆筑質量及蒸壓養護等都較容易達到設計要求。

3.2 對承臺裂縫處理措施

對開裂的承臺在基礎加固前需先要采用灌注環氧樹脂修補進行處理。處理步驟如下：①裂縫清理：對大于0.5mm裂縫或較深裂縫，為有效封縫，沿縫鑿成 V 槽，并用鋼絲刷及壓縮空氣將裂縫內碎屑粉塵清除干凈。②設置灌漿嘴或灌漿盒：一般不鑿槽的裂縫埋設灌漿盒，鑿槽的埋設灌漿嘴。灌漿嘴按裂縫走向設置，間距300mm左右。每條裂縫上必須設置進漿、排氣或出漿漿嘴。灌漿盒埋設時先在其底盤上抹一層環氧膠泥，后騎縫粘貼在預定位置上。注漿嘴埋設時先在預定位置鉆孔，設置灌漿嘴后用環氧膠泥封閉其底部四周。環氧膠泥配合比(重量比):環氧樹脂：鄰苯二甲酸二丁脂：乙二胺：水泥=100：(10～12):(6～8):(200～300)。③封縫：先用丙酮清理裂縫兩側，并沿縫敷設少許棉線，以利于漿液的滲透，再沿縫兩側涂一層環氧基液、最后抹一層寬40mm左右的環氧膠泥封縫，抹膠泥時應防止小孔氣泡，使其平整、密封。環氧基液配合比(重量比)：環氧樹脂：鄰苯二甲酸二丁脂：乙二胺 100:(10～20):(6～8)。④檢查封縫質量：封縫膠泥固化后即可進行壓氣試漏。在封縫膠泥處涂刷肥皂水，從進漿嘴壓入壓縮空氣(壓力與灌漿壓力相同)。觀察是否有氣泡出現，如有漏氣，用膠泥修補，至無氣泡出現。⑤灌漿：用手壓泵將配制好的漿液沿裂縫由下而上，由一端向另一端壓入,進漿后注意觀察。當漿液從底部被壓到上部時，上部灌漿嘴中會有漿液流出,說明裂縫已被漿液灌滿。穩壓數分鐘后,關閉進漿嘴上的閥門。漿液的滲透深度取決于裂縫的毛細作用和灌漿壓力。但灌漿壓力過大可能使混凝土構件產生新的劈裂裂縫。灌漿壓力常用0.2～0.4MPa。⑥裂縫處理完成后可采用超聲波對混凝土裂縫修補效果進行檢測。

3.3 新增承臺施工要求

錨桿靜壓樁基施工要提前預埋好錨桿，錨桿是保證能有效將上部結構自重轉化為壓樁力的關鍵構件，錨桿的埋設是否牢靠是保證壓樁能順利進行的關鍵。錨桿一般設4根，錨桿直徑需根據最大壓樁力，按軸心受拉計算確定。

需根據基礎加固設計中補樁的位置預留好樁位孔。樁位孔留400mmx400mm，需保證孔位的垂直度，否則將影響后期沉樁的傾斜度和達到預期的樁的入土深度。

3.4 靜壓沉樁技術

①沉樁時樁機定位應準確、平穩，保證在施工中不會發生傾斜、移動。

②固定樁機位或沉樁施工時，不得對原有結構造成破壞。

③靜壓法施工沉樁速度不宜大于1m/min。基樁施工時應對相鄰基樁進行水平、豎向位移監測。

④下節樁的接頭處宜設置導向箍或其他導向措施。接樁時，上下節樁段應保持順直，錯位不超過2mm;逐節接樁時，節點彎曲矢高不得大于1/1000樁長，且不得大于20mm。手工焊接時宜先在坡口四周上對稱點焊4點～6點，待上、下節樁固定后拆除導向箍再分層焊接，焊接宜對稱進行。焊接層數不得少于2層，內層焊渣必須清理干凈后方能施焊外層，焊縫應飽滿連續。接頭焊好后應進行外觀檢查，檢查合格后必須經自然冷卻6min，方可繼續沉樁。

⑤穩壓時間應符合下列規定:終壓力不大于 1500kN 時穩壓時間不宜大于 5s。

⑥觀測中每次沉降以0.04mm/d為穩定標準。若施工過程中沉降大于2.0mm/d 則應應立即停止沉樁施工并采取相應應急保護措施。

⑦樁基施工壓樁時應以“壓樁力控制為主，樁長控制為輔”。“分段跳打，先中間后四周，避免集中于某一區域”的施工順序。

⑧沉樁施工完畢經檢測合格后，需及時對樁頭加以封閉。樁與承臺間50mm空隙采用細石早強膨脹混凝土澆筑，這樣就使壓入的樁能夠承擔建筑物荷載或者與原有地基基礎共同承受建筑物的荷載,從而達到提高基礎承載能力的目的。

4 結束語

本案例工程總共增加220根樁，60個承臺進行了增高加寬處理。沉樁施工也較順利，通過靜載試驗確定樁基承載力達到設計要求。地基基礎加固處理完畢后，后期沉降觀測顯示，基礎沉降已基本穩定，承臺及上部結構也未出現新的裂縫。對既有建筑基礎的加固歷來都是結構工程的難點，對于單個工程來講它又是重點，俗話說萬丈高樓從地起，做任何事都要打好基礎，所以說我們建設領域的同仁們對基礎加固工作需引起足夠的重視。在基礎加固處理過程中，需根據工程本身的結構特點、現有狀態、工程病害情況、工程所處的具體環境、地質特點、當地建設經驗等因素綜合選擇適宜的基礎加固設計方案。同時還需要參建各單位密切配合，根據工程進展動態協作，最終才能達到我們共同的目標。