面向工程地基深層加固效果分析

李建文

（北京建工四建工程建設有限公司，北京 100075）

0 引言

隨著高層建筑物的不斷增加，建筑物因不均勻地質條件帶來的沉降問題日趨嚴重，為高層建筑物的健康快速發展帶來隱患。為保證建筑物的健康持續發展，地基加固問題已日趨成為當前建筑施工中必不可少的工作之一。面對當前高層建筑物沉降問題，國內外學者做出了大量研究工作，M Oliaei[1]等研究了蜂窩土工合成材料在地基加固中的應用，利用土工格室加固地基床的數值模擬對單個土工格室加固土壤進行建模。RK Rowe[2]等研究了地基土的粘塑性和土工合成材料增強材料（聚酯、聚丙烯和聚乙烯）的粘彈性行為的綜合影響，提出了一種新的定義臨界階段的方法。Zhang H[3]等選擇高壓旋噴灌漿和套筒閥管灌漿預加固工程方案，建立過江隧道地下開挖陸段圍巖注漿預加固方案對比模型。張慧麗[4]，陳慶豐[5]等分別研究了地基加固技術在土木工程中的應用。連峰[6]等進行了樁一網復合地基加固機理現場試驗，羅小博[7]等對西北濕陷性黃土區進行了劈裂注漿試驗，提出了一種適用于樁徑較小的基于樁土應力比計算的復合地基沉降計算新方法。劉慧芳[8]等提出了一種重力式碼頭地基加固中DCM 樁的設計方法，霍軍帥[9]等采用板+樁組合結構的形式對地基進行加固。由此可見，建筑物地基加固的成熟方法有很多種，并在實際案例中均已得到驗證。

目前，國內外的研究中在建筑地基加固方面取得了一系列研究成員，但是面向工程地基深層加固效果的研究中，僅限于理論研究階段，未采用相關的方法進行對建筑物未來沉降趨勢的效果進行分析，因此，本文在前人研究的基礎上采用數值模擬法分析加固效果預測出未來兩年建筑物的沉降程度，并分析加固效果。

1 工程概況

該工程屬于商業加住宅用地，總建筑面積為113 500m2，本文以該項目的5 號樓為研究對象，其建筑面積為148 00m2，地上部分18 層，屬于剪力墻結構，地下部分為整體地下一層結構，該樓于2015 年4 月15 日開工，項目完成時間為2018年2 月18 日，結構設計使用年限為70 年，項目原地址為由農田和村莊組成，土層由上到下分為雜填土、粉質粘土、淤泥質粉質粘土、粉質粘土、層粉質粘土夾粉。5 號住宅樓平面圖如圖1 所示。

圖1 5 號樓住宅平面圖

2 地基加固的意義

首先，建筑物及構筑物在設計和施工階段受到自然因素（比如地質條件、水文條件）、社會因素、設備因素等主客觀條件的影響，出現地基基礎結構開裂、抗震性能不良以及承載力不足等現象，嚴重影響建筑物的安全使用，在建筑完工后，不得不進行對建筑物進行加固。因此地基加固是確保建筑物質量的重要保障[9]。其次，隨著建筑行業的快速發展，房屋建筑的更新換代周期逐漸縮短，房屋建筑的安全性和穩定性受到嚴重的挑戰，而建筑工程的安全性和穩定性牽涉到使用者和消費者的切身利益，因此，地基加固一方面能夠消除隱患使建筑物的性能得到保障，另一方面也保護了使用者和消費者的合法權益，同時也體現了以人為本的生產理念，提高建筑施工單位的服務意識，有利于促進建筑行業的可持續發展。再次，地基基礎關系著建筑結構的安全性和穩定性，但是由于在地基施工過程中，存在一些不成熟的地方，且無法實現后期的護理標準化，因此，通過后期的加固施工可以保障建筑結構的穩定性和安全性，進而實現建筑質量的提高[10]。最后，建筑地基基礎的加固施工技術在世界范圍內得到了廣泛應用，但由于其涉及施工標準、施工材料和設備的選擇、法律規范等因素，造成了該技術的復雜性的特征，因此，該技術還處于摸索階段，該技術依然不夠完善且理論不夠成熟，系統化較差，因此，地基加固是完善建筑地基加固理論的客觀要求[11]。

3 地基加固方案

由于該工程在交付使用后，多處出現裂縫，且在檢測點發現不均勻的沉降現象，為了保障工程質量，維護公眾安全，該工程分別在2018 年和2020 年進行了兩次加固，第一次采用高壓旋噴樁進行加固，第二次采用錨桿靜壓樁進行加固。

3.1 加固處理方案

第一次加固時間為2018 年7 月，沉降監測結果顯示5 號樓出現不均勻的沉降，針對這一現象，項目組專家進行深入討論，決定采用高壓旋噴樁對5 號樓進行加固，加固地點詳見圖1，共布置500 根8m 長的高壓旋噴樁。第二次加固時間為2020 年10 月，由于沉降出現明顯趨勢且考慮到水泥的凝結時間，經專家討論提出設計400 根25m 長的錨桿靜壓樁進行加固。同時設置6 個監測點對5 號樓的沉降問題進行實時檢測，監測點設置如圖2 所示。

圖2 監測點位置圖

3.2 監測結果分析

本監測數據截至2022 年8 月，表1 是6 個監測點的實測檢測結果，圖3 則是根據2015 年8 月到2022 年8 月的沉降量繪制的監測沉降曲線。根據表1 和圖3 結果，對監測結果和分析如下。

圖3 監測沉降曲線圖

表1 側向位移檢測結果

（1）基礎不均勻沉降導致建筑結構朝西南方向傾斜，位移達到136mm，在監測點3、6 處設置有伸縮縫，且地下車庫為整體結構，在伸縮縫的緩沖作用下和樓體結構的整體性的特征的影響下，迫使沉降呈整體傾斜趨勢；（2）監測點4、5 位于5 號樓的東側，下沉速度較為緩慢，沉降量不明顯，保持在15mm 左右，在第二次加固后趨于穩定，監測點3、6 位于5 號樓的中部，第一次加固后沉降有所減緩，但隨后卻加速下沉，同樣在第二次加固后趨于穩定，位于5 號樓西側的1、2 監測點沉降較大，在第一次加固后并未得到緩解，但是第二次加固后趨于穩定；（3）就總體沉降來說：西側較之于東側沉降幅度較大，南側較之于北側沉降較大，因此5 號樓呈向西南方向傾斜的趨勢；（4）2016 年7 月到2018 年11 月，沉降呈加速上升趨勢，2021 年11 月以后，沉降現象趨于穩定，2018 年7月的第一次加固，雖然整體沉降趨勢有所變緩，但沉降并未停止，且隨著雨季的到來呈現加速沉降趨勢，造成這種沉降的主要原因是第一次加固采用的8m 長的高壓旋噴樁，未達到限制沉降的要求深度，因此在第二次加固時，采用25m 的錨桿靜壓樁進行加固后沉降明顯得到控制。

4 基于數值模擬法的加固效果分析

雖然經過兩次加固后，沉降現象得到有效控制，但是由于該項目屬于高層建筑，必須對該項目進行全方位加固效果分析，并預測未來兩年的沉降發展趨勢，通過對未來兩年的沉降發展趨勢的預測，才能不斷地提高建筑施工質量，保障使用者和消費者的相關權益，逐步提高建筑行業的服務水平。

4.1 模型計算

為了更好地預測未來兩年的沉降發展趨勢，分析加固效果，本文采用Plaxis-3D 建模分析，如圖4 所示，設置模型的長度和寬度取值為200m，土層深度取值為50m。模型中的土體采用摩爾-庫倫模型，墻體、頂板（厚度為300mm）、底板（厚度為500mm）采用板單元模型，樁體模型參數詳見表2，模型中荷載力直接加壓在地下室頂板上，側面和底面均設置成不可排水。

表2 樁體模型參數

圖4 樁基模型

由表2 可見，建筑施工過程中采用的預應力管樁、第一次加固采用的高壓旋噴樁和第二次加固采用的錨桿靜壓樁的泊松比均為0.2，樁長分別為30m，8m，25m，邊長分別為：400mm，500m，250mm，彈性模量分貝為38kN/mm2、228kN/mm2、308kN/mm2，由此可見，地基加固與樁長關系較大。

4.2 模擬結果驗證與分析

4.2.1 模型結果

5 號樓底板模型的沉降的變化與實際檢測數據變化趨勢一致，均隨著時間的推移而逐漸增大；最大沉降量和最小沉降量以及不均勻沉降差的結果與實際檢測數據結果基本接近，且擬合度較好；模型中第二次加固后的沉降變化趨勢與實際檢測數據結果基本相同。由此可見，該模型具有一定的可靠性。

4.2.2 沉降模擬結果分析

根據實際監控數據和模型數據可知：（1）在建造期間和建造完成后的三年內，5 號樓沉降的趨勢較為明顯，第一次加固后，雖然存在控制趨勢，但是在雨季前后，下降趨勢較為明顯，在第二次加固后的一年內整體沉降已趨于穩定。出現該現象的主要原因是：建造期間底板承受的荷載逐漸增加，因此沉降隨著荷載力的增加呈加大趨勢；建造完成后，由于荷載力增加到最大，產生超孔隙水壓力，隨著壓力的逐漸擴散，底板沉降逐漸增大，因此底板沉降隨著壓力的消散而趨于穩定。（2）5 號樓的沉降由東北向西南方向傾斜，傾斜趨勢在第一次加固之前呈上升趨勢，在第一次加固之后和第二次加固之前，得到一定程度的控制，但效果不太明顯，在第二次加固后，則沉降趨于穩定這是由于淤泥質粉質粘土層厚度分布不均勻造成的，根據該項目的地質條件可知，西南部較之于東北部淤泥質粉質粘土層厚度大。（3）每次加固后5 號樓的沉降都有所降低，第二次加固后，基本趨于穩定，這是由第一次高壓旋噴樁樁長限制造成的，由于加固土體依然存在著軟土層，且軟土層的厚度超過了第一次加固的樁長，因此沉降控制效果不佳，第二次錨桿靜壓樁長度高達25m，使沉降得到了有效的控制。

因此，通過兩次不同方案的加固，在未來的時間內，5 號樓的沉降將會趨于穩定。

5 結論

（1）不同地質作用下，對建筑物沉降的影響不同，在地基進行樁基礎設計時，應充分考慮不同地質的作用對建筑物沉降的影響。

（2）地基加固的常見方法包括高壓旋噴樁和錨桿靜壓樁，只有詳細分析造成建筑物沉降的基本原因，在分析造成沉降的基本原因的基礎上，才能找到更好的解決方案，提高建筑物的安全性和穩定性。

（3）沉降縫可以隔斷不均勻沉降的擴大，但是不能起決定作用。

（4）地基加固具有一定的滯后性，加固后，沉降不會立刻停止，而是逐漸趨于穩定.