高层住宅楼变形观测及锚杆静压桩加固应用实践

张之伟 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

1 引言

高层建筑物荷载较大，容易受到多种因素影响造成不均匀沉降，为保证安全，在施工及运营过程中，必须对建筑物的变形进行观测[1]。本文立足某高层住宅楼工程实例，探究变形观测对建筑物的施工、加固安全的指导意义。锚杆静压桩是通过基础上埋设的锚杆固定压桩架，以建(构)筑场所能发挥的自重荷载作为压桩反力，用千斤顶将桩段从基础压桩孔压入封力层，再将桩与基础连接在一起，而形成锚杆静压桩托换原理。桩-土共同作用分担上部结构荷载，弥补原有天然地基承载力不足，控制地基沉降，最终达到地基加固的目的[2]。本文结合工程实例，阐述锚杆静压桩托换原理和设计施工要点，并对锚杆静压桩加固效果进行监测分析[3]。

2 工程概况

2.1 地基基础概况

该建筑物设计采用天然地基，基础持力层为②层粘土层，地基承载力特征值为235kPa。基础采用筏板基础，地下两层，负二层层高为3.6m，负一层层高为4.8m。基础筏板混凝土设计强度等级为C30，筏板厚度为800mm，板底高程为47.000m；筏板下素混凝土垫层厚100mm，强度等级为C15。资料显示：2017年9月基槽开挖至设计标高，由于经验槽发现大部开挖未至勘探持力层土层，需进行局部超深开挖，因此对部分地基土采用级配碎石进行换填。2018年8月15至17日工程所在地遭遇暴雨，该时段建筑物东、北侧地下室尚未施工但地面已硬化，建筑物西、南侧地面尚未硬化。2018年9月起，该楼栋沉降观测数据及主楼倾斜观测数据出现异常，遂采用内、外部注浆相结合的方式分阶段对地基进行了抢险处理。

2.2 上部结构概况

建筑结构安全等级为二级，结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为6度，结构抗震等级为四级，地下两层、地上十八层，总建筑高度约为54m。建筑平面布置呈矩形，东西向总长58m，中间设置一条伸缩缝，南北向总长12.5m，总建筑面积约为11431.52m2。该建筑作为住宅楼使用，每层两个单元，每个单元一梯两户，标准层建筑平面布置示意图见图1。

3 建筑物基础不均匀沉降及上部整体倾斜情况

3.1 建筑物沉降监测数据分析

2017年10月19日～2019年5月8日期间，对建筑物各沉降监测点进行了128次观测，对观测时段内沉降数据进行分析，结果如下：

2018年9月4日～2018年9月28日期间（观测次数22～35），各沉降监测点沉降速率均出现明显加速，该时段内沉降数据异常增大，各沉降监测点出现明显差异沉降，南北方向上累计沉降量整体表现为南侧沉降监测点大于北侧沉降监测点，东西方向上累计沉降量无明显方向性差异；2018年9月29日～2019年1月28日期间（观测次数36～88），各沉降监测点沉降处于上下波动状态，该时段内累计沉降量变化不大；2019年1月29日～2019年3月23日期间（观测次数89～125），各沉降监测点沉降均存在明显上浮，该时段内累计沉降量表现为整体上浮；2019年4月2日～2019年5月8日期间（观测次数126～128），各沉降监测点沉降速率较均匀，该时段内累计沉降量趋于收敛。最大差异沉降为22.51mm，建筑物地基基础的最大整体倾斜达到2.4‰。近100日的最大沉降速率达到0.11mm/d，尚未达到JGJ8-2016规定的稳定状态（100日的最大沉降速率小于0.01mm/d～0.04mm/d）。

3.2 建筑物顶点侧向位移

现场选取该建筑物的代表性部位对其顶点侧向位移进行测量，结果见表1。根据2019年5月25日对该建筑物顶点侧向位移检测结果，既有建筑物整体向西南方向倾斜，目前最大合顶点合位移实测值为H/311（2#测点），尚未超出《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB50292-2015)不适于承载的侧向位移界限值（H/300），但部分测点顶点侧向位移检测值已接近规范不适于承载的界限值。

图1 标准层建筑平面布置示意图

建筑物顶点侧向位移检测结果 表1

4 既有建筑物结构安全性鉴定结论

4.1 地基基础

①本工程原状地基土经局部换填处理，应存在浅层软弱土层或不均匀土层，换填垫层未进行承载力检验，不符合GB 50202-2018及JGJ 79-2012的相关规定。

②经地基注浆后，筏板垫层下分布有不同厚度的注浆层，且较厚处注浆层形成显著的水泥净浆段。

③现阶段建筑物地基基础总体沉降变形趋于收敛，近100日的最大沉降速率为0.11mm/d，尚未达到JGJ8-2016规定的稳定状态（100日的最大沉降速率小于 0.01mm/d～0.04mm/d）。

④既有建筑物地基基础的最大整体倾斜达到2.4‰，上部结构顶点侧向位移最大实测值达到H/311。该两项指标均尚未超出GB 50007-2011关于该类建筑（24m＜H≤60m）地基变形允许值（3.0‰）的要求，及 GB50292-2015关于该类建筑不适于承载的侧向位移界限值（H/300），但已分别接近规范规定的允许值及界限值。

⑤综上所述，建筑物地基基础总体沉降变形虽趋于收敛，但尚未达到稳定状态，经注浆处理后建筑物仍处于接近规范界限值的倾斜变形状态，鉴于主体结构新近完工且尚未投入使用，因此应进行加固补强处理以确保地基基础安全性及持久性满足规范要求。

4.2 上部承重结构

①抽检的剪力墙、梁混凝土强度达到设计强度等级要求；抽检剪力墙、梁、板钢筋配置及截面尺寸满足设计要求。

②目前尚未发现上部结构构件存在因地基基础不均匀沉降造成的开裂或损伤等异常现象；亦未发现上部承重结构构件存在因荷载因素引起的结构性受力裂缝，以及因钢筋锈蚀因素引起的顺钢筋方向裂纹、保护层脱落等现象。

③既有建筑物呈整体向西南方向倾斜状态，2019年5月25日实测各顶点侧向位移检测值尚未超出《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB50292-2015)不适于承载的界限值，但部分测点顶点侧向位移检测值已接近规范不适于承载的界限值。

④结合设计图纸及现场结构构件检测结果进行验算，上部承重结构构件承载能力符合标准要求[4]。

⑤综上所述，本工程上部承重结构满足整体承载要求。

5 锚杆静压钢管桩加固设计

原设计补桩106根，托换率约40%。桩长不得小于16m，每节长度易大于1.6m，桩节连接采用等强外套管接头，焊缝等级不应低于三级。桩身采用Φ273×10锚杆静压钢管桩，材质为Q345B，桩孔内采用C35微膨胀混凝土回填。

设计单桩承载力特征值为1000kN，压桩时以桩长和承载力双控制，即桩长不小于16m，压桩力C轴以南宜为2400kN且不得小于2000kN，C轴以北为2000kN。相邻桩桩底高差不得大于桩净距的0.5倍。压桩在墙体加固施工完毕后，先A1轴桩（沉降大的一侧）后A1轴北侧桩原则实施（均要求跳花压桩）。A1轴桩保持900kN的压力进行封桩，A1轴以北自然封桩。

根据《北侧电梯位置岩土工程补勘说明》，北侧电梯位置②层持力层承载力特征值可取215kPa。加固设计单位验算复核该位置筏板下地基土承载力能够满足设计要求，故取消电梯井内6根地基补强桩，结合现场施工情况考虑筏板受力均匀应采取以下措施。

①J轴边上4根桩单桩承载力提高至1150kN，压桩力按2300kN控制，封桩形式不变。

②H轴边上2根桩改为辅助桩，桩顶采用3：7灰土填充密实暂不封桩，建筑投入使用沉降稳定取消封桩。

锚杆静压桩桩号及桩位布置图见图2。

图2 锚杆静压桩桩号及桩位布置图

为满足整体加固要求并提高底层结构刚度，加固设计采用加大截面等加固方式在负二层新增部分剪力墙及连梁构件，加固混凝土构件采用强度等级为C35微膨胀混凝土。新增构件结构布置图见图3。

6 锚杆静压钢管桩施工质量检测结论

①经对本工程原设计图纸、加固工程设计图纸及变更文件、锚杆静压钢管桩施工方案及专家论证意见、加固工程主要原材料出厂合格证、材料性能试验报告、进场复验报告、施工记录和监督抽测报告、隐蔽工程及分项工程验收记录、工程质量保证资料等进行调阅，主要结论汇总如下：

a.加固工程设计文件及图审文件齐全，设计依据可靠，方案合理；

b.锚杆静压钢管桩施工方案内容完整，技术可行；

c.加固工程用无缝钢管、加固型高强无收缩灌浆料、钢筋、锚栓等原材料出厂合格证、产品质量证明书及检验证书齐全，进场复试报告显示送检样品合格；

d.工程质量保证资料显示本工程桩基子分部工程有关分项工程、检验批质量达到设计及验收规范要求。

②本工程桩位布置符合加固设计要求，抽检钢管桩规格尺寸（外径、壁厚）、桩长及压桩力均满足设计要求；抽检钢管防腐涂层厚度满足设计要求；抽检接桩处焊缝表面基本平整，无明显气孔、夹渣、裂纹等外观缺陷，焊缝焊脚高度满足设计要求；抽检桩位偏差及桩节垂直度偏差符合设计要求；抽检负二层新增剪力墙、连梁构件施工质量（钢筋间距、截面尺寸）符合设计及验收规范要求；现场检验后锚固钢筋锚固抗拔承载力均合格。

③桩基静载试验结果表明试验桩及抽检工程桩单桩竖向抗压极限承载力检测值均达到设计要求。

7 锚杆静压钢管桩施工过程中变形（裂缝、沉降、倾斜）监测

7.1 裂缝监测

基础加固工程施工过程中，对上部主体结构构件开裂情况进行日常巡查。跟踪监测期间，未发现新增裂缝等损伤现象。

7.2 沉降监测

根据现场实际情况，本次沉降监测在建筑物四周重新布设9个沉降观测点，沉降观测点布置示意图见图4，依据监测数据（2019年11月2日～2019年12月21日，共9次）绘制累计沉降量与时间关系曲线图见图5。

图3 新增构件结构布置图

建筑物顶点侧向位移检测结果 表2

根据2019年11月2日～2019年12月21日期间沉降观测数据分析：监测期间各期沉降速率在（－0.11～0.11）mm/d之间，最大差异沉降倾斜率为0.09‰，沉降数据未出现异常变化，2019年12月17日～2019年12月21日期间沉降速率在（0.01～0.02）mm/d之间，呈收敛趋势；各沉降监测点最终累计沉降量在（－0.29～－2.14）mm 之间，表现为整体上浮，且南侧观测点上浮量普遍大于北侧观测点，建筑物地基基础的整体倾斜变形得到一定纠正。

7.3 倾斜监测

现场选取该建筑物的代表性部位对其顶点侧向位移进行监测，2019年11月2日和2019年12月20日的测量结果见表2。

基础加固工程施工前（2019年11月2日）实测建筑物上部结构顶点侧向位移最大实测值为H/319（7#测点），基础加固工程施工完成后（2019年12月20日）实测建筑物上部结构顶点侧向位移最大实测值为H/346（7#测点），较加固施工前略有减小且低于《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292-2015)关于该类建筑不适于承载的侧向位移界限值（H/300）。

图4 建筑物沉降观测点布置示意图

图5 累计沉降量与时间关系曲线图

8 结语

①经复核验算，经锚杆静压钢管桩加固后地基基础承载能力满足规范要求，本工程地基基础经加固处理后安全性可满足整体承载要求[5]。

②工程实践证明，锚杆静压桩成功运用于既有建筑物地基加固处理中，锚杆静压桩施工工艺具有广阔的应用前景。

③高层建筑物越来越广泛地应用于城市建设，加强高层建筑物变形观测是十分必要的，发现异常应寻找原因，并及时采取应对措施，能够保证安全、最大化地减少经济损失。