某地基沉降办公楼加固方案研究*

郜宝田

(宁夏建投设计研究总院有限公司， 银川 750001)

0 前言

地基不均匀沉降是一种常见的典型工程质量事故，严重威胁着上部结构的安全性、耐久性和舒适度。合理的地基加固处理方法能够有效缓解和解除地基沉降的不利影响。

针对地基不均匀沉降问题，国内外学者展开了大量研究，俞建霖等[1]建立了复合地基沉降理论模型，通过与数值模拟对比验证了该模型的可靠性并确定了影响地基沉降的主要因素。杜永峰等[2]研究发现地基不均匀沉降将导致隔震建筑上部结构破坏风险增大。郭昭胜[3]采用压力注浆法对由于未勘明潜伏冲沟造成砖混结构产生沉降的地基进行加固。Bao等[4-5]研究了在地基不均匀沉降条件下上部结构地震易损性和损伤分布情况，并对比分析了沉降量、沉降位置及地震对结构损伤的影响情况。田昱峰[6]针对某采煤沉陷区安置住宅的沉降问题，提出联合使用堆载与掏土的方法，有效降低了差异沉降量。胜利等[7]采用多种基床系数对筏板基础进行包络设计，所得沉降实测值与经验值具有较好吻合度。卢淑雯等[8]针对发生地基不均匀沉降的超静定框架结构应力场的还原问题，给出了基于结构力学矩阵位移法还原超静定框架结构体系应力场的计算原理。周汉香等[9]提出采用补桩方法解决原桩基承载力不足的问题，从而将结构沉降量控制在可接受范围。针对大厚度湿陷性黄土地基沉降问题，王鼎等[10]提出内外套管组合沉管夯扩法来消除黄土湿陷性带来的不利影响。陈军良[11]结合位于深厚自重湿陷性场地的高层建筑旋挖灌注桩基础工程设计实例，详细探讨了深厚自重湿陷性场地基础问题及解决办法。王逢睿等[12]以湿陷性黄土区某实际工程为案例，系统研究了锚杆静压桩的加固效果。然而，建筑结构场地特征及沉降诱因迥异，所采取的相应加固处理方法不尽相同，需要具体问题具体分析。

本文针对一栋坐落在深厚湿陷性黄土填土地基上的4层框架结构办公楼地基沉降问题展开研究，详细探讨沉降原因；通过对比分析，对不同加固方案进行优选。

1 工程概况

1.1 办公楼结构特征

本工程为4层办公楼，采用钢筋混凝土框架结构，结构总长为58.8m，总宽为19.8m，平面布置如图1所示；底层层高4.2m，标准层层高3.4m。框架柱截面尺寸600mm×600mm，框架梁截面尺寸300mm×600mm，框架柱和框架梁分别采用C35和C30混凝土。基础为柱下独立基础，埋深2.0m，采用浅基础强夯处理。该工程建成时间已近10年，现上部结构外框架梁柱节点附近出现裂缝，部分裂缝大于5mm，基础累计最大沉降量已超过200mm。因宽40m、深16m的冲沟位于建筑物地基的中下部，中部柱下独立基础沉降大，两边柱下独立基础沉降小，差异沉降最大值为70mm。

图1 结构示意图

1.2 建筑场地

建筑场地处于湿陷性黄土工程地质分区Ⅱ区，即陇东-陕北-晋西地区。属中温带干旱大陆性高原气候区，气候干燥，雨雪稀少，日照充分，蒸发强烈，夏季炎热，冬季寒冷，冷热变化急剧，季节温差大，为典型的大陆性气候。七月至九月为雨季，年均降雨量为231.3mm，年最大降雨量为491.8mm，标准冻土深度为1.37m。

1.3 地形地貌

地貌单元属河流冲洪积平原的二级阶地，河谷冲洪积平原沿河流两侧展布，地势平坦，发育有三级冲洪积阶地，一级阶地窄小而不连续，分布于河床两侧，二级阶地是河谷平原的主要组成部分，不连续，界限较明确，往往形成高出河床10～25m的陡坎，陡坎近直立，宽2～3km。场地原为荒地，沟壑发育。本工程坐落在近南北走向宽约40m、深约16m的冲沟上。

1.4 场区地层结构

根据地质勘探报告，本场地地层为浅层填土，上部以冲洪积及风积的黄土状粉土、黄土状粉质黏土为主，下部为粉土、粉质黏土、砾砂及角砾等，土层性状如表1所示。

土层性状 表1

1.5 水文地质条件

场区附近500m范围内无地表水系，勘探深度范围内未见稳定的地下水，场区黄土状粉质黏土为相对隔水层，大气降水及绿化用水可在黄土状粉质黏土的阻隔下向下渗透，形成水力梯度很小的局部渗流，从而形成上层滞水。

1.6 湿陷性评价

依据野外勘察及室内土工试验，场区素填土、黄土状粉土、粉质黏土性土具有湿陷性，属轻微～中等湿陷性，湿陷系数δs为0.015～0.042，计算的总湿陷量Δs为0～46.0mm；自重湿陷系数δzs为0.015～0.022，计算自重湿陷量Δzs为0～42.0mm。综合分析确定场区湿陷等级为Ⅰ级非自重湿陷。

2 结构沉降分析

2.1 地基持力层承载力计算

依据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[13](简称地基基础规范)，地基持力层选用②压实填土，采用YJKS3.0进行上部结构、基础计算。选取中柱的联合基础DJ-22(图1(b))进行计算，基础宽度b=2.6m，基础长度l=5.6m。其总荷载∑(F+G)为1 985.2kN(其中F为上部荷载准永久组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力；G为基础自重+覆土重)，柱下独立基础底面面积A为14.6m2，基底上土自重压力Pc为16.5kPa。计算得到的地基持力层承载力及基底压力如表2所示。从表2数据可以看出，地基持力层承载力满足基底压力要求，但仍需对其地基变形进行验算。

地基持力层承载力及基底压力 表2

2.2 软弱下卧层承载力验算

以基础DJ-22为研究对象，选取压缩模量较小的④黄土状粉土和⑤2黄土状粉质黏土两个土层进行验算：

(1)地面至软弱下卧层顶面总深度d=6.0m，软弱下卧层上面的土层自上而下分布为1.0m厚填土、1.50m厚压实填土、3.0m厚素填土、0.5m厚黄土状粉土，下卧层承载力特征值取130kPa。

软弱下卧层顶面处经深度修正后地基承载力特征值faz为：

faz=fak+ηdγm(d-0.5)=280.58kPa

式中：fak为地基承载力特征值；ηd为基础埋置深度的地基承载力修正系数；γm为基础底面以上土的加权平均重度。

基础底面处平均压力值Pk为：

Pk=Fk/bl+γdh=176.33kPa

式中：Fk为相应于作用的标准组合时，结构传至基础顶面的竖向力值；γd为土层加权重度；h为土层计算深度。

基础底面处土的自重压力值Pc为：

Pc=∑γiti=36.13kPa

式中γi和ti分别为计算深度范围内第i层土的重度和厚度。

地基压力扩散角θ计算：上层土压缩模量Es1=10.0MPa，下层土压缩模量Es2=2.0MPa，Es1/Es2=5，z/b=1.538，其中，z为基础底面至计算土层的距离。由地基基础规范表5.2.7查得，地基压力扩散角θ=25°。

相应于荷载效应标准组合时，软弱下卧层顶面处附加压力Pz为：

软弱下卧层顶面处土自重压力Pcz为：

Pcz=∑γiti=109.73kPa

Pz+Pcz=144.29kPa

(2)地面至软弱下卧层顶面总深度d=13.5m时，软弱下卧层上面的土层自上至下分布1.35m厚素填土、0.60m厚压实填土、4.05m厚素填土、1.50m厚黄土状粉土、1.0m厚黄土状粉质黏土、5.0m厚黄土状粉质黏土。计算土层总厚度13.50m。同理计算可得：

Pz+Pcz=258.41kPa

综上，按照地基基础规范计算，地基持力层、软弱下卧层的承载力均满足要求。

2.3 沉降量计算

根据地基基础规范第5.3.5条，采用分层叠加法进行沉降量计算：

本工程恒载为51 040.6kN/m2，活载为8 140.4kN/m2；覆土恒载为5 553.0kN/m2，采用准永久荷载组合进行沉降计算。

选取基础DJ-22进行沉降计算，总荷载∑(F+G)=1 985.2kN；独立基础底面积A为14.6m2；基底上土自重压力Pc=16.5kPa；基底附加压力P0=92.10kPa；沉降计算经验系数ψ=0.606；计算土层厚度ΔZ=1.0m；计算深度Zn=40.15m；压缩模量Es1-2见表3，压缩模量当量E′为9.51；地基各层土承载力特征值见表1。经计算分层压缩量之和∑s为119.93mm, 地基最终变形量s为72.72mm。

一般情况下，天然地基的承载力是基础下面浅层土体被压缩而提供的反力，只有在浅层形成连续剪切面才会导致地基失效。不同于浅层填土，深厚填土地基的关键控制条件为地基沉降；地基中出现的局部塑性变形通常是建筑物不均匀沉降的开端，随着变形累积最终将导致上部结构开裂。与上部结构的精确设计模型不同，地基设计实践性更强，其最大难点是基础基底反力与地基变形关系的确定。

2.4 沉降因素分析

通过现场实地勘查，确定结构产生沉降的原因主要来自如下七个方面：

(1)场地原为荒地，沟壑发育。办公楼地基中分布有宽约40m、深约16m的冲沟，冲沟近南北向分布，平整场地时，大面积填土，冲沟部位填土不密实。

(2)地基持力层为浅层土，虽经强夯，但影响深度未达到9m设计值，经钻孔取样试验，影响深度为4.0～5.0m。

(3)场区湿陷等级为Ⅰ级非自重湿陷，由于地基长期浸水，具备湿陷沉降特征。

(4)大厚度填土引起冲沟底土层固结沉降。填土在自重压力下将产生固结沉降，厚度越大，其自重应力越大，自重应力作用下的固结沉降幅度也越大。

(5)上部结构自重压力形成压缩沉降。

(6)大面积回填时场地内各层土含水量较低，交付使用后，降雨、管道渗漏、绿化用水造成地基长期浸水，地基承载力和压缩模量显著下降，地基的自重应力增加，造成地基产生附加固结沉降。

(7)原浅基础设计方案不合理。经计算，虽然原浅基础地基持力层、软弱下卧层的承载力均满足地基基础规范要求，但未进行沉降计算，且未考虑建筑运行环境对地基的影响，尤其是深层冲沟浸水的影响。

综上所述，冲沟内地基的固结沉降和压缩沉降为主要因素。自冲沟底部向沟壁坡顶方向，场区填土的分布厚度较大，特别是陡坎处填土厚度差异化加大，加之浸水方向、浸水路径、浸湿程度的不同，场地产生不均匀沉降是必然的。

3 加固方案的选择及分析

为了取得较好的加固效果，针对本工程地基情况，提出如下五种地基加固法并对其进行分析。

(1)高压旋喷桩复合地基加固法：加固后地基性能好，但由于设备无法进入室内进行操作，故未选用。

(2)静压钢管桩法：基础下或独立基础边设桩，传力直接，但桩端持力层在基础下27m处，静压条件下小直径钢管容易发生侧向变形，而大直径钢管静压需要大型液压设备，同样无法实现，故未采用。

(3)人工挖孔桩法：由于当地技术标准已禁止本施工法，且安全隐患大，故弃用。

(4)外围钻孔桩与加固地基梁结合法：本工程沉降源于底部冲沟长期浸水，本方法并不能有效解决，故未采用。

(5)钢管高压注浆法：钢管高压注浆法采用分层注浆，可有效解决地基沉降问题，且操作性强，易于实现，故选用该方法。

本项目采用钢管高压注浆法，注浆管采用φ48×2.7mm热轧钢管，注浆孔以间距1.5m×1.5m呈梅花形布置。实施过程中，需要首先进行冲沟底部注浆，对注浆孔布置加以优化，以“先外围，后内部”的方式间隔布置。待注浆试孔达标并取得相应地层条件下的钻进、注浆参数后，正式开始施工注浆，应循环注浆。第一排注浆孔深度设置在基础下16.5m处，注浆孔施工间距不小于5m，注浆层上下间距不大于2m，循环注浆，避免局部浆液集中造成二次浸水，可二次补强。此外，场区地面应做好室内外排水检查工作，检查管道、雨水井是否渗漏，考虑绿化用水对地基土的影响，建议植被土层1 500mm下设置隔水层。

4 加固效果

施工过程中设置了6个沉降观测点C1～C6，其中，测点C1～C4设置在建筑物4个角点，测点C5，C6设置在外纵轴中部。每15d观察记录1次，共计11次。平均累计沉降量为1.43mm，平均累计沉降速率为0.013mm/d，施工期间累计沉降量和沉降速率均未达到报警值，符合《工程测量规范》(GB 50026—2020)[14]要求。

5 结论及建议

(1)针对深厚埋土地基，不宜设计浅层地基基础方案，而应釆用深层地基处理方案，更加安全。

(2)高压注浆法适用于湿陷性黄土地基加固，在注浆过程中釆取二次注浆补强可显著提升注浆效果。

(3)在基础设计时必须全面考虑地质因素，以及后期建筑运行环境对地基安全性的影响，加强对湿陷、液化、沉降等不利因素的控制。