城市地下既有建筑物樁基探查與評價技術研究

邱志華,陳林平,郭朝旭,張雄水,梁 曦,曾 文

(1.福建省建筑科學研究院有限責任公司, 福建 福州 350108; 2.福建省綠色建筑技術重點實驗室, 福建 福州 350108; 3.福建省地質工程勘察院, 福建 福州 350002; 4.福建省地質災害重點實驗室, 福建 福州 350002; 5.自然資源部丘陵山地地質災害防治重點實驗室, 福建 福州 350002)

隨著國民經濟的飛速發展,人們對物質文化的需求日益增長,城市建設壓力也越來越大,既有建筑物的續建改造愈發普遍,城市既有建筑地下空間的開發與利用是當前城市建設的一大趨勢[1]。但遺留在土體中的既有樁基往往成為既有建筑地下空間工程施工處理的棘手難題,處理不當或造成改線改址、或重新設計、或施工半途而廢,進而直接影響工程的施工進度與質量。因此,利用及發展既有建筑地基基礎加固改造技術,在保留或改造原有結構的同時,可以改善或提升既有建筑的功能或性能,對于緩解城市土地供給日益緊張的矛盾意義重大,同時也會產生顯著的社會經濟效益。而摸清既有建筑地基土的工作性狀又是地基基礎加固設計的基礎[2]。由于既有樁基礎自身的復雜性和獨特性,目前工程界尚未有成熟的技術手段。如何對既有樁基進行有效探查并加以充分利用,已然成為越來越多工程人需要面對的難題。

近年來,國內學者們更多對新建地基基礎的處理分析研究,對既有舊建筑地基基礎鮮有報道。Bilfinger W等[3]提出了對樁基安全性評估的新方法。王龍勝等[4]結合樁基的耐久性評定與樁基承載力評定進行了既有樁基再利用的綜合研究。張振拴等[5-6]通過既有地基基礎載荷、原位取樣及沉降觀測等技術研究,證明了這些測試技術具有很好的適用性和可靠性,對既有建筑地基基礎系統的檢測與評定進行了有效嘗試。邱金環等[7]直接利用勘察設計、施工等資料和間接方法相結合對既有建筑物樁基可靠性進行了評價。徐志華等[8]對既有建筑樁基檢測技術的發展進行了探討,對既有建筑物樁基質量安全性檢測評價方法進行了歸納總結。

因此,對既有樁基的探查、評價及再利用,不僅能夠大幅降低建筑物續建成本,又可避免資源浪費,提高資源利用率,符合我國綠色可持續發展戰略要求。本文依托實際工程案例,綜合鉆芯法、磁測井法、原位測試等技術方法以及全過程自動化監測等詳細介紹了既有樁基探查評估技術,并對既有地基基礎的可靠性作出較為準確的評價,有一定的推廣意義,可為對今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

福州商貿大廈位于福州市,該項目于1995年動工建設,1996年因建設資金缺乏項目擱淺,現該項目為停建二十多年的“爛尾樓”項目。原設計方案為地下2層、地上17層。目前規劃拆除上部結構,保留既有地下室結構及地基基礎,續建后繼續使用。續建后,整體建筑層數由17層調整為12層,其中1～5層為集中式商業,6～12層為辦公,建筑高度由58 m調整為51 m。因建筑層數降低,調整續建后上部荷載減少,拆除過程及竣工后結構有可能發生上浮,且由于爛尾時間太長,既有地基基礎的承載能力及完整性存在不確定性,為探查評估既有地下室地基基礎工作現狀,采用自動化監測技術進行全過程高頻實時監測,并通過一定的檢測技術手段對既有地基基礎進行探查評估。

通過調查發現,該項目樁基礎采用沖孔灌注樁,設計樁長約45 m,設計樁徑分別為600 mm、800 mm、1 000 mm,總樁數為236根,樁身混凝土強度為C30,單樁豎向抗壓承載力特征值分別為2 500 kN、3 500 kN、4 500 kN,樁端持力層為殘積砂質黏性土層。大廈現狀及地下室結構如圖1—圖3。

圖1 福州商貿大廈

圖2 福州商貿大廈地下室

圖3 福州商貿大廈地下室平面圖

2 既有樁基探查

按國家現行規范[15]規定結合雙橋探頭靜力觸探資料確定單樁豎向極限承載力時,本工程可按下式進行估算:

2.1 原位取樣

在無法具備直接方法即載荷試驗時,采用原位測試手段測試土體原位狀態的性質,進而估算樁基承載力是比較可靠的方法[12]。靜力觸探是用靜力將探頭以一定的速率壓入土中,利用探頭內的力傳感器,通過電子量測器將探頭受到的貫入阻力記錄下來。由于貫入阻力的大小與土層的性質有關,通過貫入阻力的變化情況,可以達到了解土層工程性質的目的。靜力觸探試驗如圖12所示。

圖4 原位取樣

補充勘探點共完成鉆孔6個,編號為ZK-A-1#、ZK-A-2#、ZK-A-3#、ZK-B-1#、ZK-B-2#、ZK-B-3#,取樣結果表明:樁周土層自上而下:①雜填土、②粉質黏土、③淤泥質土、④粉質黏土、⑤砂質黏土、⑥粉質黏土、⑦殘積砂質黏性土,土層分布情況與原化學工業部福州地質工程勘察院出具的《工程地質勘察報告》中描述的土層情況基本相吻合?？碧降湫托緲尤鐖D5,勘探點典型地質剖面如圖6,獲取的巖土體主要物理力學參數如表1。

圖5 勘探典型芯樣

圖6 勘探點典型地質剖面圖

表1 巖土體物理力學參數

2.2 灌注樁旁孔磁測井法測試基樁鋼筋籠長度

對編號為CC-A-1#、CC-A-2#、CC-A-3#、CC-B-1#、CC-B-2#、CC-B-3#的6根基樁進行磁測井法測試鋼筋籠長度。從CC-B-2#孔磁梯度值判斷,鋼筋籠頂部為孔口下6 m處,鋼筋籠底部為孔口以下46.3 m處,根據規范[10]可推算該基樁的實際鋼筋籠長度為40.3 m,滿足設計要求。限于篇幅,其余基樁此處不再展開。測試結果表明:編號為CC-A-1#、CC-A-2#、CC-A-3#、CC-B-1#、CC-B-2#、CC-B-3#的5根基樁的鋼筋籠長度均與原由中建七局三公司一處出具的《福州商貿大廈樁基工程竣工圖》中記錄的樁長基本相吻合。測試結果也進一步表明在灌注樁旁引孔進行磁測井法測試灌注樁的鋼筋籠長度的方法是有效可靠的。結合原位取樣結果,可以判定既有樁基持力層為殘積砂質黏性土,符合原地質勘察報告對樁基持力層的判定。磁梯度隨深度變化曲線如圖9,磁測井法測試基樁鋼筋籠長度的檢測結果如表2。

1-磁法儀;2-PVC管;3-混凝土灌注樁

圖8 磁測井法現場測試

由于既有樁基由于年代久遠,工程資料部分缺失,無法確定其樁長,為能夠獲取既有樁基長度,采用磁測井法對原有基樁的鋼筋籠長度進行驗證。磁測井法[9]是以不同磁性體的不同磁性特征為物理基礎,通過儀器測試孔周圍的磁性體磁場,研究磁性體周圍磁場變化的空間分布特征和分布規律,對磁性體空間分布做出解釋。地球磁場近似為一個均勻磁化球體磁場,地磁場分為背景場和異常場,鋼筋籠等鐵磁性物質周圍均形成很強的局部磁異常場。通過鐵磁性物質內部或附近測試孔測量磁場垂直分量沿深度變化規律,結合一定的數據分析及處理方法,可以對鋼筋籠等鐵磁性物質的埋設深度、長度進行判定。本文通過鉆孔并預埋PVC管,測試孔位于灌注樁樁身外。磁測井法現場布置及試驗如圖7、圖8。

T2DM 患者并發 NAFLD 與 BMI、HDL-C、TG、AST、ALT、GGT、FBG、2 hCP、FCP 有關，差異有統計學意義（P＜0.05）；性別、年齡、血壓、TC、LDL-C、2 hPG、HbA1C與T2DM患者并發NAFLD無關，差異無統計學意義（P＞0.05）。

圖9 磁測井法典型測試曲線

表2 磁測井法測試基樁鋼筋籠長度的檢測結果

2.3 基于原位取樣的經驗參數法估算單樁承載力

基于原位取樣結合磁測井法測試結果,按國家現行規范,根據巖土體物理指標與承載力參數之間的經驗關系估算單樁豎向極限抗壓承載力,計算公式如下:

Quk=qsik·Ap+Up∑qsk·Li

從地熱田所處的區域構造位置分析(圖1)，東湯地熱田位于傾向SE的招平斷裂帶北段與傾向NW的玲瓏斷裂帶交會形成的閉合區域內，兩個深大斷裂在地熱田的東北部雙頂山附近開始交會，從交會部位向西南地熱田方向斷裂交會帶不斷加深，深切的斷裂不僅溝通了深部熱源，也為地表水通過構造裂隙進入地殼深部提供了條件[18]，同時由于近EW向斷裂的切割作用，使得地熱田下部巖石更加破碎，導水能力更強，更有利于地熱水的上涌，當地下水經過深循環加熱后形成局部的上升壓力，地熱水就會沿著斷裂交會形成的破碎通道上涌形成地熱田(圖5)。

根據經驗參數法的單樁豎向極限承載力標準值估算值如表3。從A-1#可以看出,估算出該樁側極限摩阻力為6 744.72 kN,樁端極限端阻力為2 355.0 kN,單樁豎向抗壓極限承載力標準值為4 549.86 kN。由此可初步判斷,經驗參數法預估的單樁承載力能夠滿足設計要求。

離開傳統，離開了對自身文化的信仰，我們該如何拯救現代性呢？我們是否要陷入到相對主義與歷史主義的困境之中？我們是否只能任由現實的發展，或許根本不能獲得一種超然的批判能力呢？因此，指出徐復觀乃至新儒家的錯誤是容易的，但是要超越新儒家則需要更大的智慧，如何理解傳統仍然是橫亙在當代中國的一個懸而未決的問題。

表3 經驗參數法預估單樁承載力結果

2.4 鉆芯法推定混凝土強度

根據現場實際條件,開挖與既有樁基礎同等環境條件下的塔吊基樁采用鉆芯法并進行橫向鉆孔取芯,以驗證樁身混凝土強度。鉆芯法現場如圖10,鉆孔芯樣如圖11。

第一，高校在人才培養過程中，過于重視理論教學，學生對專業知識的掌握大多源自課堂教學。在實踐實訓環節，高校往往表現出較低的積極性；在教學環節，高校則過分強調理論教學，導致出現學術型教學傾向，淡化了各高校自身的特色。第二，高校人才培養計劃方案的制訂并非建立在認真調研社會發展需求的基礎上，對社會企業、用人單位的發展前景沒有深入了解，導致人才培養目標的制定出現不合理、與社會發展不相適應的現象［2］；缺乏對社會行業發展的了解，高校在人才培養目標制定上就顯得過于盲目，或是人才培養目標過于寬泛，或是過于重視專業技能培養而忽略對理論知識的學習等，導致學生日后難以較好地勝任工作崗位［3］。

圖10 鉆芯法測試

圖11 芯樣

每個鉆孔選取3個試件進行抗壓強度檢測,芯樣抗壓強度檢測結果詳見表4。結果表明,按國家現行規范[11]基樁芯樣抗壓強度推定值分別為45.1 MPa、46.1 MPa,均大于C30的強度等級,與原由福州市建筑工程質量監督站出具的《福州商貿大廈沖孔灌注樁鉆芯檢測報告》結果基本相吻合,能夠滿足設計強度要求。

表4 混凝土芯樣試件抗壓強度

2.5 基于靜力觸探原位指標的承載力預測

既有建筑地基基礎以及上部結構的安全大部分都是由土體物理力學特點進行確定的,而明確既有建筑地基土物理力學指標常規是在建筑物基礎原位直接選擇樣本進行土工試驗,可集中在基礎中間以及周圍進行選樣,以探討基礎下以及基礎外地基物理力學指標的變化。本文基于原有巖土工程勘察資料,結合現場實際條件對設備進行改造加工,選擇靠近樁基礎并具備條件的勘探點進行勘探取樣,對原地層分布及現狀進行補充驗證。原位取樣如圖4所示。

圖12 靜力觸探試驗

本次試驗貫入系統采用液壓機;探頭:雙橋探頭錐頭面積15 cm2;采集系統:KE-U2103型靜探微機,反力裝置為地錨反力。試驗過程嚴格遵循規范[13]規定,保證貫入的垂直度在誤差允許范圍之內,貫入速率按20±5 mm/s進行,按照規范并結合經驗參數法客觀推定樁側阻力和樁端阻力,進而估算單樁豎向抗壓承載力極限值[14],對地基基礎承載力進行評價。

例5.The most unforgettable women in the world wear Revlon.(Relvon)

對編號為JT-A-1#、JT-A-2#、JT-A-3#、JT-B-1#、JT-B-2#、JT-B-3#的6個點進行靜力觸探法試驗。各土層物理參數靜力觸探試驗結果如表5。

表5 各土層物理參數靜力觸探試驗結果

為全面了解既有樁基工作現狀,通過勘察、原位測試及物探等手段結合經驗公式對樁周土層、基樁樁長、樁身混凝土強度、單樁豎向極限承載力等進行判定。

“親其師，信其道”，徐老師的學生深感此間的幸福，與他們的老師行走生活和課堂，自由奔放著無限的思緒；“愛其生，悅其心”，這份“以學生為中心”的教育理念已然在徐老師的心中成長為十里桃林，灼灼其華地炫美著師生的人生。

Quk=Qxk+Qpk=u∑li·βi·fsi+α·qc·Ap

式中:fsi為第i層土的探頭平均阻力,kPa;qc為樁端平面上、下探頭阻力,取樁端平面以上4d(d為樁的直徑或邊長)范圍內按土層厚度的探頭阻力加權平均值,kPa;然后再和樁端平面以下1d范圍內的探頭阻力進行平均;α為樁端阻力修正系數,對于黏性土、粉土取2/3,飽和砂土取1/2;βi為第i層土樁側阻力綜合修正系數,黏性土、粉土:βi=10.04(fsi)-0.55;砂土:βi=5.05(fsi)-0.45。

單樁承載力估算結果詳如表6。由上式及表6的數值,可估算出該場地JT-A-2按規范規定計算的樁側極限摩阻力為6 057.93 kN,樁端極限端阻力為1 507.96 kN,單樁豎向抗壓極限承載力標準值為3 782.945 kN。根據原福州市建筑設計院出具的《福州商貿大廈樁基靜載荷試驗及電阻應變片測試報告》靜載荷試驗結果,單樁豎向極限承載力標準值為3 500 kN。兩個數值相比較可以看出,按規范規定由靜力觸探法估算單樁極限承載力的計算結果與靜載荷試驗的結果相差8.1%,同時與經驗參數的估算結果相差2.6%,較為接近,且偏于安全,也說明利用靜力觸探估算單樁極限承載力是合理可靠的,也進一步說明采用經驗參數法估算單樁承載力的有效性,但均與直接方法存在一定誤差,因此,也要求學者在具體工程應用非直接方法時應充分結合當地經驗加以修正。限于篇幅,其余孔此處不再展開。數據結果表明,預估的單樁承載力結果滿足設計要求。

表6 靜力觸探法預估單樁承載力結果

3 建筑沉降觀測分析及安全性判斷

沉降觀測數據是建筑結構安全的重要依據。本文在既有地下室布置測點,應用沉降觀測技術評價既有建筑地下結構的安全性,確定既有建筑物在不同階段下的沉降變形、變化狀態及特征,同時也為后續續建設計提供可靠的數據資料及相應的沉降參數,從沉降數據變化探查既有地基基礎的變化狀態。鑒于本工程自拆除開始監測,綜合考慮人員及結構的安全性,采用二維面陣無線激光位移計,利用激光光束傳遞監測點與基準點的沉降和位移變化,結合機械傳動技術與自平衡校正功能來實現高頻高精度自動化監測。自動化監測可通過調整監測頻率,使得監測數據可覆蓋整個施工過程,保證了監測數據在各種特殊環境條件下的及時有效。

根據現場實際條件和國家現行規范[16]要求,本次共布置沉降觀測點15個,監測現場及點位布置如圖13、圖14所示。首期自2021年11月24日開始至2022年8月24日止,期間在采集頻率為30 min采集1次的條件下自動采集觀測數據,沉降觀測累計沉降量如圖15,沉降速率曲線如圖16。

圖13 自動化監測

圖14 監測點位布置

從圖15、圖16可以看出對于地下室結構監測點的沉降過程大致上可劃分為3個階段:第一階段,拆除前期(2021-11-24—2021-12-03),未開始大面積施工,累計沉降值較小,在±1 mm左右波動,沉降累計曲線較平緩。第二階段,大廈開始全面拆除期間(2021-12-04—2022-01-10),隨著上部層數逐層降低,荷載減小,累計沉降位移變化速率變大,局部存在沉降不均勻現象,原因在于施工現場建筑垃圾未及時運輸清理,上部荷載減小的同時造成荷載不均勻重新分布。第三階段,在上部結構基本拆除完成(2022-01-11—2022-08-24),監測數據逐漸趨于穩定,此時沉降曲線雖有微小起伏,但變化不大,累計沉降量表現為在某個值附近平緩波動,這也說明此時地基土體重新處在穩定狀態。

圖15 累計沉降曲線

圖16 沉降速率曲線

綜合上述的基樁樁長、樁端持力層探查、樁身混凝土強度驗證、單樁豎向豎向承載力估算、地基變形監測結果,大廈既有樁基工程基本能滿足結構安全要求,可為后期續建提供重要參考依據,以保證后續基礎設計和施工的順利進行。

式中:Quk為單樁豎向極限承載力特征值,kPa;qsk為第i層土的極限側阻力標準值,kPa;qsik為極限樁端阻力標準值,kPa;Ap為樁底端橫截面面積,m2;Up為樁身周長,m;Li為第i層土層的厚度,m。

J1#～J13#觀測點觀測周期內平均沉降速率范圍在-0.031 mm/d～0.019 mm/d,平均沉降速率均小于0.04 mm/d的限值要求[16],在整個觀測過程中大廈沉降相對穩定,沉降變形速率呈現明顯的收斂性,地下結構未出現明顯的不均勻沉降現象,地基變形趨于穩定,說明此時地下結構是趨于安全的。也進一步說明在既有建筑物續建或改造過程中,對建筑物進行沉降觀測是驗證地基基礎是否處于安全狀態的可靠手段。

運營期現金流的計算是財務模型的另一個重要方面，主要是通過計算項目收入并減去運營成本和稅負，加入運營期現金余額的利息，從而獲得運營期現金流。通過運營期現金流的計算，可以獲得在運營期間投資人在各個時段所能夠預計獲得的分紅金額。除了現金流量表之外，財務模型中還需要計算的是項目損益和資產負債情況。項目損益計算目的是計算稅負，并由此計算凈收入。項目損益通常是通過項目收入減去運營成本和折舊從而獲得息稅前利潤，減去凈利息從而獲得稅前利潤，再減去稅負從而獲得凈利潤。資產負債表的作用通常是為了檢驗計算的正確性，其對現金流量沒有直接影響。

4 結 論

以實際工程案例為依托,針對既有建筑物樁基探查開展一系列試驗研究并自動化實時監測了大廈拆除過程地下室結構沉降變化,并對獲取的相關數據進行了分析研究,可得到如下主要結論:

(1) 開展原位取樣,可直接獲取土層物理力學參數,得到原位測試數據,揭示的土層分布情況。

(2) 開展磁測井法試驗判定基樁鋼筋籠長度。結果表明基樁鋼筋籠長度與原施工記錄的樁長基本相吻合,可進一步驗證樁端持力層性狀符合設計要求。結合原位測試數據結果,可初步估算單樁極限承載力。

根據上述基本方程以及整機模型的劃分，運用Matlab軟件建立計算流程并進行初始條件的定義?；贛atlab軟件平臺的計算流程如圖2。

(3) 開展鉆芯法試驗,可得到樁身混凝土強度,通過觀測芯樣以評價樁身質量能夠滿足要求。

教書育人相結合，實現教學相長 和以往的學習方式不同，大學的學習主要是自主學習。很多學生在進入大學以后，由于沒有了教師與家長的陪伴、督促，而變得迷茫，不知所措，心理承受能力也相對降低，很容易出現自閉、抑郁、焦慮等心理問題。有報道指出，近年來高校大學生心理問題尤為突出。北京農學院動物醫學專業學生也面臨同樣的境況，心理測評不合格人數在逐年攀升，這與在校大學生沒有得到教師足夠重視有一定的關系，生活學習中出現問題無人可以傾訴，久而久之導致心理問題的發生。

(4) 基于補充勘驗地層參數并結合原位靜力觸探法與經驗參數法,可估算靜力觸探孔附近的沖孔灌注樁的單樁極限承載力,說明其能夠滿足設計要求。但同時要求在采用非直接方法時應結合當地工程經驗或運用其它直接方法獲取的數據加以修正,以建立該地區巖土體物理指標與樁極限側、端阻力經驗關系。建議多種測試方法并舉,并將數據對比分析,以提高檢測判定的準確性。

(5) 通過自動化監測技術對大廈拆建過程中地基的沉降變化規律進行了研究,實現了自動化監測技術在既有地下室結構的成功應用;觀測結果也說明在既有建筑續建或改造時,對建筑物進行沉降觀測,是驗證既有建筑地基基礎是否處于安全狀態的一種行之有效的方法。