王璀瑾 俞 清 王天晴

(1.大连理工大学，辽宁 大连 116024;2.山西省建筑科学研究院，山西太原 030013)

0 引言

地基不均匀下沉导致上部结构倾斜和开裂在建筑物加固工作中屡见不鲜。出现这种问题的原因大致有以下三种:

1)未进行地质勘察或勘察工作疏忽大意，不了解基础持力层或下卧层土体的具体情况而盲目建设。例如，将房屋建造在未知坡地上，一端为挖土另一端为填土，而设计人员不清楚场地整平前的原始自然状态或者对其不够重视。另一种情况是场地自然土层厚薄不均，存在局部软弱土层而未能发现;2)地基受到了意外因素的影响而局部下沉。例如，雨水或生活生产用水短时间内大量浸入建筑地基;3)上部结构荷载分布不均，而所采用的基础尺寸与之不相匹配。

无论上述何种原因引起的不均匀下沉，都将对建筑物产生不利的影响。这种影响分为安全和正常使用两个方面:如果墙体或其他构件开裂可能导致局部破坏或整体坍塌，这将威胁到建筑物的安全;如果沉降差较大，引起地面倾斜或洞口门窗开启困难将影响到正常使用。因此处理不均匀下沉问题在既有建筑加固中占有较重的分量。

解决此种问题方法很多，但各有利弊，加固设计时应根据具体情况进行分析，综合考虑建筑物的结构形式、层数、荷载、原基础形式和布置、施工操作的可能性、处理后所要达到的目标(仅是地基加固还是同时纠偏)等诸多因素，甚至还要考虑经济投入问题。确定加固方案时，还应进行大量的计算甚至前期试验工作以确保加固达到预期效果。此外，还要考虑可能带来的附加沉降及施工期间的安全风险。

某住宅楼地基加固的成功实践证明钢管压桩托换是解决不均匀沉降的好方法，这为山区坡地或高填土地区解决此类问题提供了经验参考，期望其中的技术细节和施工方法对地基加固设计和施工人员有借鉴作用。

1 工程概况

山西省吕梁某住宅小区平行建造三栋砖混结构住宅楼，如图1所示，地上7层，地下1层，采用了钢筋混凝土墙下条形基础。三栋楼自2008年建成使用至今的沉降一直未达到相对稳定状态，且沉降极不均匀，在远离山坡的一端沉降量较大，尤以其中的3号楼最为显著，楼内住户入户后有明显的坡道感觉，测量发现个别房间两侧楼板高差将近1.5%，已严重影响到了住宅的使用。与之相对应的是楼体倾斜和墙体开裂，其中绝对倾斜值达170 mm，相对倾斜率超过7‰。根据GB 50292-1999民用建筑可靠鉴定标准表6.3.5的规定，倾斜量严重超过规范规定。而裂缝主要分布于纵墙之上，沿房屋纵向呈倒“八”字状态。裂缝最宽处甚至可以伸进手指，严重影响到了住宅的安全和正常使用。

2 原因分析

2.1 地质勘察

本工程在建设之前没有进行较为细致的地质勘察工作，仅有部分参考资料，存在一定的主观盲目性。在发生不均匀沉降之后，为查找原因，进行了详细的补充勘察。在勘察深度范围内地基土岩性构成分为3层，自上而下依次为:

第①1层:杂填土，呈杂色，主要由砖块、炉渣、碎石等建筑垃圾组成，结构松散，层厚大约2 m～3.5 m。因房屋设有地下室，事实上建房时本层已全部挖除。

第①2层:素填土，主要由粉土组成，呈褐黄色，含有云母、氧化物、植物根及少量砖屑、碎石和白灰等。本层层厚沿房屋纵向变化很大，从东端的约1 m至西端的14 m。湿，稍密，标贯平均基数实测值为5.4击。地基承载力建议值为80 kPa。

图1 某住宅小区砖混结构示意图

第②层:粉质粘土，褐黄色～褐灰色，含云母、氧化物、姜石等，夹薄层粉土，房屋西端钻孔缺失。本层可塑，中压缩性。标贯平均基数实测值为24.3击。

第③层:粉质粘土，褐红色，含云母、氧化物、钙质结核、菌丝、姜石等，局部夹有薄层粉土。可塑～硬塑，中压缩性。标贯平均基数实测值为35.9击。场地内本层未予揭穿，最大揭露厚度为10.5 m。地基承载力建议值为220 kPa。

地下水在自然地面下12.8 m左右，为上层滞水。沿房屋纵向地质剖面如图2所示。

图2 房屋纵向地质剖面图

2.2 原地基处理和基础方案

3号楼设有一层地下室，采用了钢筋混凝土墙下双向条形基础，基础宽度平均为1.8 m，从自然地面算起，埋深约为4 m。条基下做了约2 m厚的灰土垫层，下部为素填土(第①2层)。

2.3 不均匀沉降分析

1)土层自然坡度过大、西端软土层太厚是造成不均匀沉降的首要因素。3号楼东西端第①2层厚度相差13 m，坡度达1∶3，自然地形东高西低。调查得知，西端原为南北向人工填土河沟，填土分数十年完成，其中上层为新近填土，将其作为持力层形成了房屋的先天隐患。地基处理时采用了同一厚度的垫层法，未考虑场地地形特点。当地为山区，限于经济发展水平和技术条件，草率整平后修房建屋的现象极为普遍，由于所建房屋层数增多，近年来发生不均匀沉降和建筑物开裂司空见惯。

2)造成地基不均匀沉降的第二个原因是地基承载力不足。根据本工程的现状，建模计算得到的条形基础线荷载值为353 kN/m，考虑基础及回填土自重后的平均压力为:

灰土垫层压力扩散角θ=28°，软弱下卧层顶面附加应力为:

修正后的软弱下卧层承载力为:

因为Pz+Pcz＞faz，所以下卧层承载力不足。

事实上，由于相邻条基较近且为双向，考虑灰土压力扩散角后在下卧层顶面处附加应力叠加现象将更严重。由于基底软弱土层较厚，计算结果表明条基沉降量较大。

3)产生不均匀沉降的第三个原因是相邻建筑物的影响。从图1可以看到，紧贴3号楼东端山墙后建了一栋住宅，该住宅未设地下室而直接将端墙荷载施加于3号楼基础放脚之上，该处条基承载能力严重不足，相邻基础沉降差过大。

4)地基受水浸泡是基础不均匀沉降的第四个原因。3号楼东北侧自然地势较高，在山坡下设一排水沟，雨水直接渗入3号楼东北角地基，造成其进一步下沉。

需要说明的是，按自然地形和土层坡度建筑物本应向西端倾斜，正是由于上述第三和第四项原因才使其东端同时下沉较大。这就是图3倒“八”字形裂缝的合理解释。

3 方案设计

在产生不均匀沉降之后，也曾采取数种措施进行处理，但效果均不理想。其中主要包括:

1)原基础外围做CFG桩。在建筑周围每隔一定距离机械成孔做成CFG桩以对房屋地基形成围箍作用。在实施时，因地下水的影响塌孔严重，仅做部分桩基而最终作罢。处理基础外围无法解决基底土层软弱问题，不可能达到预期效果。

2)3 号楼北侧建地下灰土挡墙。在3号楼北侧开挖深度约5 m基槽，用3∶7灰土逐层夯实，形成隔水层。此种方案仅对部分地表雨水渗入地基起作用，无法解决基础进一步下沉问题。

图3 压桩设计示意图

3)在条基下人工挖孔，做成墙下钢筋混凝土灌注桩。此种方法施工困难，桩距过大，成本极高。仅做了几根工程桩无法从根本上解决整楼的不均匀沉降也最终放弃。

4)原条基之间新做钢筋混凝土梁(板)，形成事实上的局部筏板基础。3号楼做了2 m厚的灰土层，已接近整体基础，再做筏板也作用有限。观测结果表明，虽然形成了局部筏板，但是沉降也未趋于稳定。

显然，本工程主要应该解决的是基底软弱下卧层问题，常用的方法是高压注浆法。楼体已经发生了严重的倾斜和开裂，再加上软弱下卧层厚度过大，注浆所带来的附加沉降量难以预估，对其处理效果是否能达到要求把握性不大。经反复研究对比，采用基底分段钢管静压进行局部托换较为稳妥，其优势主要在于:1)干作业施工，不会发生水再次浸入地基现象，避免了加固施工期间发生不可预料的下沉和裂缝加大问题;2)施工作业面小，对已入住和已装修的住户影响最小;3)现场布桩灵活，可根据实际荷载需要和单桩施工压力情况随时调整桩位;4)效果好，易于掌握。由于采用了静力压入(非置换桩)，对地基土有较大挤密作用，改善了土体性能，对进一步下沉的基础可迅速起到稳定作用;5)可根据勘察报告中软弱土层的厚度调整桩长，改善了下卧层厚度不均的现象。桩长可穿透软弱层，消除了软弱层未来可能的隐患;6)直接利用原基础上部荷载作为压桩荷载，除阻止进一步不均匀下沉外可起到一定的抬高局部基础和纠偏的作用;7)可根据整楼裂缝分布和不均匀沉降现状采用局部布桩方案，减少加固工程量，降低加固费用。

静压桩采用钢管桩，材料为Q235B，截面为245×7，有效桩长根据上述图2地质剖面以穿透填土层第①2层进入第③层至少1 m为原则，预估桩长为16 m。根据勘察报告所提供的侧阻和端阻，单桩极限承载力计算如下:

单桩承载力设计值为754 kN。

对于上部线载为353 kN/m的条基，若全部由桩承担时桩距大约为1.3 m，沉降较大条基均按此布桩。根据上述钢管规格和单桩极限承载力，桩身强度验算能够达到要求。

本次基底压桩托换的目的是阻止沉降较大区域进一步下沉。从房屋建成数年、3号楼中段沉降已基本稳定和降低处理费用的角度出发，仅在东西两端沉降量较大的区域布桩。压桩设计示意图如图3所示。

4 桩基施工

当考虑条基线载全由桩基承受时，桩基布于承重墙中心线较为稳妥，此时将不产生上下荷载的偏心。但根据3号楼现状、局部托换的处理思路和减少施工开挖对建筑物的影响等考虑，桩基并未与墙中心线重合，而稍微作了一些偏心处理，但严格进行了桩基施工时对原条基放脚的冲切和抗弯验算，并充分考虑了桩基偏心对条基的扭转影响。

桩基施工逐一进行，待第一根桩施工完成并达到要求后方可进行第二根桩的基底开挖，以防施工期间产生危险或加剧局部下沉。施工时先行机械挖至基础放脚，而后人工自条基一侧开挖，坑深1.5 m左右，再水平掏土进入基底。

桩段按1 m一节制作，考虑基底操作空间高度采用现场焊接。施工前制作了200 mm，400 mm，600 mm等数种压桩垫筒，以便与千斤行程匹配。压桩设备为100 t带压力表电动液压千斤顶，最大行程为200 mm。行程越大施工进度越快，但设备自重也越重。因基坑操作空间狭小，只能人工搬动，故综合考虑选择了此种千斤。上述所选钢管规格和单节1 m长度也是基于此项考虑。为取得经验和参数，先期进行了试桩。

压桩采用压力和桩长双控要求进行。试桩时发现当压桩荷载超过预期要求的800 kN、桩长达到约15 m(已进入第③层约2 m～3 m)后，若卸除千斤，则桩顶回弹约20 mm。考虑到本楼现状和防止桩基受力滞后，在预估最后一节钢管的两侧各焊接了双耳肋板，在压力达到要求时先在两侧垫入H型钢顶紧基底，之后再卸除千斤，并根据留下的桩顶空间高度塞入垫筒焊接成桩，最后电焊软化耳板拆除H型钢。

通过桩基试验还发现，在钢管压入后停歇24 h～48 h再行压桩，压力提高约10%，这说明桩周和桩端土重新固结后承载力有所提高。

基坑回填分两步进行，首先在基底以下桩基周围灌入C15素混凝土，待其达到要求后基坑采用2∶8灰土分层回填夯实至要求标高。

5 结语

本工程基础托换施工于2013年5月顺利完成，3号楼压桩共88根，东西端平均桩长分别为8 m和16 m。此后尽管当地发生了多年不遇的连续暴雨，但沉降观测未发现有明显的变化，证明效果理想。在对上部裂缝和其他缺陷进行修补加固之后，小区已安全投入使用。

总结本次加固工程实践，可以得到以下结论:

1)采用基底压桩托换是解决地基不均匀沉降行之有效、经济合理的方法。在基础持力层或下卧层不满足要求且厚度较大时优势更为明显。

2)基底压桩托换应根据上部结构荷载、基础形式、不均匀沉降表现形式和位置、地质情况、施工操作可行性和风险进行详细的分析计算，选择合理的桩身规格、桩长和布桩方案、压桩设备、操作程序等，必要时还应进行现场试桩。

3)对既有建筑的不均匀沉降可采用局部压桩托换的方法处理，做到对症下药。相对于其他方法它的附加沉降量和施工影响最小，受力明确，效果便于预估。

4)基底静压桩优于挖孔置换桩，对土体有明显挤密作用，改善了桩间土的性质，具有迅速稳定地基沉降的作用。

5)基底静压桩直接利用上部荷载作为压桩荷载，既解决了不均匀沉降问题，又节省了工程造价。

［1］JGJ 123-2000，既有建筑地基基础加固规范［S］.

［2］JGJ 94-2000，建筑桩基技术规范［S］.

［3］GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范［S］.