房屋建筑桩基础沉降的成因及预控

谭敬辉

（中山市神湾镇住房和城乡建设局，广东 中山 528400）

0 前言

对于房屋建筑来说，工程基础非常重要，如果不能更好地处理桩基础，很容易出现二次返工的现象。在房屋建筑施工建设过程中，根据房屋建筑工程项目的实际情况，考虑房屋建筑工程项目的桩基础沉降情况，一旦桩基础的沉降现象不在规定的范围之内，就会严重影响整个房屋建筑工程项目的施工质量。对此，相关施工人员应该分析桩基础沉降的原因，制定科学合理的预控对策，提高房屋建筑单位的经济效益。

1 房屋建筑桩基础沉降的相关概述分析

1.1 桩基础的概念分析

什么是桩基础？桩基础是由基桩和连接于桩顶的承台共同组成，如果桩身在土中全部深埋，承台底面和土体之间接触，称为低承台桩基；如果桩身上部露出地面而承台低位于地面以上，称之为高承台桩基。建筑桩基一般都是低承台桩基础，主要应用于高铁、道路桥梁、房屋建筑工程之中[1]。

1.2 房屋建筑桩基础沉降分析

房屋建筑桩基础沉降问题一般发生在软土层，软土层的自然湿度不能太大，密实度和硬度也比较低，土体很软，在房屋建筑桩基础进行施工建设过程中，土层内部的小空隙很容易受到来自外界的压强，导致发生位移和变形，使房屋建筑桩基础出现沉降的问题。除了在施工过程中存在的桩基础沉降，在房屋建筑投入市场使用的过程中，桩基础沉降问题也比较容易发生。因为房屋建筑桩基础不同区域的承载力不同，因此出现的桩基础沉降问题导致的结果也不同，轻则导致房屋建筑发生变形；严重导致人员死亡。

2 房屋建筑桩基础沉降的危害分析

在房屋建筑工程项目的施工建设过程中，桩基础沉降问题一般都会发生软土层之中，软土层的土体自然湿度不超过液限，密实度偏低、硬度较小、土体较软。在房屋建筑桩基础施工时，土层内部的空隙较小，容易到更大的压力，导致土层变形、位移，使房屋建筑工程出现沉降的问题。房屋建筑桩基础沉降问题除了在施工建设之中存在，在日后的维修之中也会表现出一定的沉降。结合相关调查研究表明，房屋建筑在使用过程中的沉降量是总沉降的30%，房屋建筑桩基础沉降问题很容易影响房屋建筑的受力平衡，破坏房屋建筑的整体结构的稳定性。另外，房屋建筑桩基础在不同的施工区域，自身的承载能力不一样，从而导致桩基础出现不均匀的沉降问题，在一定程度上促使房屋建筑出现变形、倾斜、裂缝等质量问题，严重的情况下很容易出现房屋建筑坍塌的问题，进一步造成施工人员的伤亡，导致经济损失惨重。

房屋建筑桩基础沉降有很多的危害，对于整个房屋建筑的施工进度有严重的影响。如果房屋建筑的桩基础图纸设计的不太合理，房屋建筑单位就不能更好地控制施工进度，增加施工成本。为了追赶施工进度，不少房屋建筑单位就会使用质量不合格的建筑材料，进一步导致房屋建筑工程的施工质量较差，造成大量的施工安全事故频发[2]。因此，房屋建筑桩基础沉降问题会严重限制施工进度，也会限制房屋建筑工程的发展。

3 房屋建筑工程中地基发生沉降的原因

3.1 桩基础的问题

首先，选择桩基础的形式有问题。对于房屋建筑工程来说，如果持力层在地面上，那么地基就会出现松动的问题，而且地基的土层的硬度也是不同的，有软土、硬土，软土和硬土二者之间硬度也是不一样的，如果房屋建筑工程在软土层建筑，就必须要处理好桩基础问题，一旦处理方式不太合适，房屋建筑就会出现倾斜、倒塌的情况。

例如国外的比萨斜塔，比萨斜塔出现倾斜的原因就是桩基础的硬土层和软土层之间划分太多，硬土层和软土层之间得薄厚程度不同。

其次，桩基础自身的稳定性能不够。一般情况之下，因为桩基础有硬土和软土之分，不同的土质，本身的稳定性也存在一定的差异。那么硬土和软土在受到外界条件的影响时，例如冻土、黄土，很容易导致房屋建筑工程发生坍塌[3]。冻土的变化是因为气温、降水条件之间的差异，主要体现在：夏季，地基土融化；到冬天时，地基土就会发生冻结，从而变成硬土；因为膨胀土本身的沁水能力很高，如果缺少水分的话，体积就会急剧增大，吸水性能也会逐渐迅速膨胀。

例如在黄土地基应用过程中，如果地基含水量比较合适，那么整体的强度就会上升，如果含水量增加的话，吸水性能会提高，导致桩基础的强度降低。一旦强度较低的话，很容易导致地面出现塌陷，很容易影响房屋建筑工程自身的稳定性。

3.2 上部结构的问题

3.2.1 设计本身的问题

例如某一个建筑单位投资建设的房屋建筑工程，一个房屋建筑项目的楼层高度已经达到了97m，有2 层地下室，本身的结构设计以承重台和筏板为主。房屋建筑工程的设计人员为了追求美观，忽视了对结构本身的承重力，使上部结构出现严重的坍塌问题，由于桩基础的地基不太稳定，因此出现不均匀的沉降问题。除此之外，因为本身结构的设计没有符合实际建设情况，就会导致桩基础出现严重的坍塌。

3.2.2 内部包装建设

房屋建筑工程在日后竣工时，会有业主人员验收入住，业主人员会按照自己的想法，从而对室内进行组装，可能有一些组装违背了最初施工建设原则，使上部结构不稳定，重心有所偏移，导致地面产生沉降问题[4]。

3.2.3 施工顺序的错误

在房屋建筑工程施工过程中，对于桩基础的施工建设是有一定的施工顺序的，如果相关施工人员不知道施工顺序，很容易造成项目本身的荷载能力存在一定的偏差，导致房屋建筑工程的桩基础沉降不均匀。

例如在对裙房进行施工建设的过程中，施工顺序错误，先裙房后主体，导致裙房出现倾斜的问题。

4 工程案例分析

4.1 工程概况分析

例如在某个地区的房屋建筑工程项目，本身结构是利用承重墙+承台进行组合的，桩基础57 根，使整个建筑物高度已经达到了97m，经过现场勘察之后，发现桩基础出现沉降问题，虽然没有发生不均匀的沉降，但是会看到整个建筑物明显变矮，对此，施工人员可以结合建筑物本身的受力情况、使用的建筑材料、自身的稳定性能等方面进行分析，对于出现问题的桩基础进行修复。部分建筑物有桩基础，但是可能这一片区域的土地是硬土层，如果使用预制桩，效果较差，因此施工人员采用螺旋钻孔的形式进行装订，完成施工建设之后，保证风化效果24h 以上。

4.2 沉降情况分析

通过建筑单位对房屋建筑工程进行沉降观测，该建筑物的沉降观测位置和旋转轴始终处于一条直线，沉降速率和累积沉降量如图1 和图2 所示。观测到的数据显示：在3 月17 日时，该建筑物的沉降观测点17—1#、17—5#、17—6#、17—7#累计沉降量和其他观测位置相比较，沉降量比较大，之后到了3 月30 日，该建筑物的平均沉降量是50mm，17—2#、17—3#、17—4#、17—5#、17—6#、17—8#、17—7#累计沉降速率全部都不小于0.04mm·d-1。根据相关规定，如果最后在100d 的最大沉降速率在0.01mm·d-1～0.04mm·d-1，就可以说明该建筑物的桩基础处于一种稳定的状态，工作人员就能判定这些观测位置的沉降没有进行相应变化，并且沉降速率没有明显的降低趋势，足以见得，这个高层建筑物的桩基础沉降问题比较严重，虽然没有表现出不均匀的沉降问题，但是相关施工人员可以结合地质资料、重心偏移情况、荷载承重力、沉降速率等，对此高层房屋建筑物进行地基加固处理。

图1 沉降速率

图2 累计沉降量

4.3 沉降和不均匀沉降产生的原因分析

通过对上述房屋建筑工程的结构形式、地质条件、周边环境、桩基础检测进行全方位、多角度地调查可以了解到：在成此项房屋建筑工程项目发生沉降以及不均匀沉降的原因有以下几个方面。

首先，因为该高层建筑物的基础是一桩一承台+剪力墙的结构形式，由检测单位对桩承载力和完整性进行检测分析，可以了解到在该高层建筑物的西北方向的桩基础没有稳定的持力层，桩底含夹层的持力层发生变形，桩底沉渣普遍比较厚，端承桩实际上转变为摩擦桩，导致该高层建筑物本身的承载力不能满足基本的建筑要求。

其次，结合地质勘测报告可以得出这样的结论：因为该高层建筑物的压缩层厚度不太均匀，并且物理性质差别较大，所以会导致原本该高层建筑物发生不均匀的沉降问题，在沉降较大一侧的压缩性土层厚度很大。与此同时，勘探还发现沉降较大的一侧，也就是西北侧和东北侧存在明显的溶隙、溶孔发育问题，局部位置溶孔较为明显，桩端承载力不符合设计图纸的施工要求。除此之外，因为部分桩承载力较低，所以桩基反力中心和上部结构质量中心存在一定的偏移性。具有明显的偏心效应，在一定程度上就增加了建筑物的沉降问题和倾斜问题的发生概率。

最后，从整个房屋建筑工程项目的地质资料来分析，该高层建筑物的压缩层厚度范围之内都是一些土质很差的中压缩性土，而且压缩性很厚。根据目前该高层建筑物的荷载能力来看，桩基底下层土的应力水平已经超过自身的允许承载能力，局部区域可能已经发展成为塑性区域，因此，该高层建筑物发生沉降和不均匀沉降的速率较大，沉降不容易进行收敛也是符合目前趋势的。

4.4 纠倾加固设计

结合该高层建筑物发生的沉降问题和不均匀沉降问题，按照该高层建筑物结构特征以及相应的地质条件，为了能够缩减压缩量，进一步提高该高层建筑物桩基础的整体刚度，以此来抵抗桩基础沉降问题，从而提出“加固基础刚度、桩基础沉降调平”的纠倾加固设计，也就是将该高层建筑物独立桩基础改变成“筏板+桩基础”的结构形式，只有这样，才可以提高该高层建筑物整体质量和桩基础的承载能力。并且通过静压桩使补桩之后的桩基础反力中心和上部结构质量的中心重合。

结合房屋建筑工程项目的地质勘查资料可以得出，取素填土极限侧阻力标准值是20kPa，次生红黏土极限侧阻力标准值是63kPa，红黏土极限侧阻力标准值是50kPa，根据公式Quki=u∑qsikLi+qpkAp对每个桩的单桩承载力特征值进行计算，求得桩基总承载力是3012458kN。因为目前该高层建筑物还是处于持续沉降的状态，所以，桩基础的承载力取值应该在该基础上折减使用，桩基础总承载力乘以0.8，从而得到241166kN，比高层建筑物的总体重量293000kN 还要小，所以，基桩竖向承载力不能满足纠偏加固设计的基本要求。

与此同时，按照公式

最终求得原桩基的反力中心是（17896.3，10672.4），相比较上部结构质量中心（15016.9，11863.5），明显发生了偏移。在上述公式之中，Quki是第i根的单桩极限承载力，u是桩身周长，qsik是桩侧第i层土的极限摩擦阻力标准值，Li是第i层土的中桩身长度，qpk是极限端阻力标准值，Ap是桩端面积，X、Y是反力中心在平面直角坐标系中的坐标值，Xi、Yi分别是第i根桩的坐标值，n是基桩的数量。

4.5 解决方法

第一，在建筑物的里面安装筏板。在开始施工之前，要对周围地形、地势、环境进行全方位、多角度地考察，例如2 层的地下室，施工人员要将底板的表面进行处理，保证表面的光滑度，在底板上设置1 个500mm×500mm间距的抗剪钢筋，将400mm×400mm 间距的抗剪钢筋穿过剪力墙之后，需要浇筑700mm厚度的混凝土，要注意一点的是，筏板和500mm×500mm 间距的抗剪钢筋的接头一定要进行错位处理。

这一步骤完成之后，就到了支座，在支座位置，将筏板安装上，并配备500mm×500mm间距的上部纵筋，以及跨径为200mm～300mm的下部纵筋。这一步骤结束之后，在筏板位置的500mm×500mm 间距的上部纵筋和跨径为200mm～300mm 的下部纵筋之间，使用12mm 螺纹钢筋和抗剪植筋进行固定，保证结筋的稳定性。

第二，对外部筏板进行延伸。因为地下室是2层，所以，需要给地下室的筏板进行适当的延伸，以140cm 距离为适中，留出静压桩的位置，在进行延伸之后，筏板的厚度保证不低于130cm，同时筏板上的钢筋网片不能少于3 层，进一步保证桩基础自身的稳定性。

第三，加设锚杆静压桩。如果筏板的强度和设计图纸要求的强度基本吻合，那么在压桩器械的作用下，加设锚杆静压桩。在加设过程中，保证锚杆静压桩的压力和长度控制在一定范围内。安装静压桩之后，需要将锚杆静压桩和待压孔轴线、施工静压桩和千斤顶处于同一水平线上，保证静压桩长度在2m 以上。之后，对锚杆静压桩进行焊接、拼接，拼接完成之后，检查锚杆静压桩的本身性能，如果没有问题，就可以开始下一步施工。

第四，对建筑物本身桩基础的倾斜速率和沉降速率进行分析，如果锚杆静压桩的沉降较大，要对封装钢筋进行交叉焊接，保证锚杆静压桩的稳定性；如果锚杆静压桩沉降较小，不断压缩地基土，提高锚杆静压桩的荷载性能。最后加固静压桩，保证沉降慢慢趋于稳定，那么在该过程中，提高了原本房屋建筑工程的地基稳定性，也完美控制了锚杆静压桩，进一步保证房屋建筑工程的桩基础的施工规范合理。

最后，加固成果。这一房屋建筑工程时间——沉降量曲线如图3 所示。

图3 沉降量曲线图

从图3 的时间——沉降量曲线可以了解到：桩基础沉降量得到了有效的控制。在对房屋建筑工程的桩基础进行封桩控制时，锚杆静压桩沉降较小，需要继续沉降，直至得到最后沉降较大，基本上保持稳定的状态，那么这一阶段的房屋建筑工程的桩基础就会慢慢恢复到回倾阶段，那么就说明房屋建筑工程的桩基础沉降问题基本上已经得到有效的控制。

5 结语

综上所述，桩基础是房屋建筑施工建设中最重要的环节，只有解决桩基础的沉降问题，才能有效保证房屋建筑的施工安全。作为房屋建筑的施工人员，要认识到桩基础沉降的原因，针对其中存在的问题，要具体问题进行具体分析，以此来提出相应的解决措施、预控对策。在分析桩基础沉降原因的过程中，施工人员应该将现代化的信息技术有效的运用到房屋建筑的施工建设之中，保证房屋建筑工程项目的施工质量，促使房屋建筑工程项目能够持续运行。