群桩建筑物纠倾实践与数值模拟分析

马海果，李启民

(中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083)

0 引言

随着世界经济的发展和人口的增加，沿海城镇逐渐向滨海地区发展，海岸工程建设方兴未艾。但是，海洋地质在工程地质和水文地质方面都具有特殊性，并对海岸建(构)筑物产生较大影响[1-2]，甚至导致一些建(构)筑物出现倾斜等建筑病害。

一般情况下，海洋地质从上至下分布着厚层淤泥、淤泥质土、砂砾(互层、夹层、夹薄层)、基岩等。淤泥与淤泥质土在工程上称为软土，其特点是含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、且具有十分明显的流变性。所以，海洋地质很容易给海岸工程造成隐患。

本论文研究了埋深20 m的群桩基础建筑物在纠倾过程中的力学效应与变形机制。桩基础建筑物，尤其是埋深较大的长桩基础以及密度较大的群桩基础，纠倾难度大、风险大，其成功案例报道也较少。本研究项目的成功实施，将给群桩基础的高层建筑纠倾，以及海洋地质影响提供理论依据和实践经验。

1 项目概况

1.1 群桩商住楼概况

某商住楼位于海口市北部，为7层钢筋混凝土框架结构,建筑面积3 000 m2，建筑高度23.6 m。该商住楼1层为办公室，层高3.6 m；2层～7层为住宅，层高均为3.2 m。商住楼的楼面和屋面均为现浇钢筋混凝土板，板厚100 mm。框架柱截面为400 mm×450 mm，主框架梁截面为250 mm×600 mm，填充墙为焦渣空心砖，外立面采用瓷砖装饰。商住楼采用沉管灌注桩群桩基础，桩径480 mm，桩长19 m，桩端置于中粗砂层中，桩端标高-20.0 m，单桩承载力700 kN，共布桩116根，桩位布置如图1所示。

该商住楼北侧与某商业大厦的施工工地毗邻。该商业大厦建筑面积为36 556.8 m2，由一栋21层写字楼和一栋18层公寓组成，地上高度分别为78.2 m和64.8 m，地下2层地下室，桩基础。商业大厦基坑平面尺寸为52 m×108 m，设计开挖深度为8.65 m，放坡开挖，坡度57°,土钉墙支护。基坑在紧靠商住楼的一侧从上到下布置了4排土钉,土钉为Φ25的钢筋，孔径130 mm，长度为8 m～9 m，水平间距1.2 m。基坑在商住楼一侧布置了5口降水井，井径800 mm，井深14 m。商业大厦基础桩完工后进行了2周不间断的基坑降水，接着进行全面开挖，降水井内水位一直维持在-10 m以下。基坑开挖施工到第55天时，相邻的商住楼已向基坑方向(北面)倾斜了283 mm。

1.2 地质条件

该场地地下水位平均埋深4.20 m，从地表往下的地层分别为：①填土，厚1.2 m，承载力50 kPa；②淤泥，厚1.7 m，承载力40 kPa；③饱和中砂，厚2.4 m，承载力130 kPa；④软塑状淤泥(含中细砂)，厚2.2 m，承载力90 kPa；⑤软黏土(含细砂)，厚2.0 m，承载力140 kPa；⑥流塑～软塑状淤泥(含中细砂)，厚7.6 m，承载力80 kPa；⑦黏土，厚0.7 m，承载力160 kPa；⑧中砂，承载力190 kPa。

2 群桩基础商住楼纠倾实践

建(构)筑物纠倾方法主要包括迫降法、抬升法、预留法、横向加载法和综合法等共五大类30多种方法，其中迫降法应用最为广泛[3]。该商住楼纠倾工程采用了间歇式降水产生负摩阻力的方法(即负摩阻力法)，迫使倾斜建筑物反向沉降。间歇式降水不仅能有效地减少对周围环境产生负面影响，而且能使纠倾工作更好地达到协调、平稳、安全、可控的效果。但是，商住楼周围的复杂环境，西侧20 m是一栋9层框架结构的花园大厦(桩基础)，东南侧12 m是一栋新建3层砖混结构办公楼(筏板基础，埋深0.8 m，且没有进行地基处理)。所以，商住楼纠倾工程的实施必须确保相邻建筑物的安全,以及楼内居民和工作人员正常生活、工作。

从4月份开始，在商住楼南侧各轴线延长线上分别建造降水井(但是在东西两侧的①,②轴线之间；⑩，轴线之间分别只做1口降水井)，共10口降水井(见图2)；在商住楼北面建造了5口观测井。为了保证周围建筑物的安全，分别在办公楼前修建了一道15 m长的地下止水墙和2口回灌井，在花园大厦前修造3口回灌井。降水井采用半边封闭井，井径800 mm。

6月份开始对商住楼进行纠倾，通过抽水控制各降水井的水位，使降水漏斗曲线以上的地基土固结沉降[4-5]，对商住楼的基础桩产生负摩阻力，形成下拉荷载，迫使群桩下沉[6]。由于在地基土中形成的降水曲线是以降水井为中心随半径的增大而逐渐上升，所以距离降水井较近的桩基沉降量大，远离降水井的桩基沉降量小，这样便可以迫使建筑物整体平稳回倾。商住楼纠倾的规律可总结为：每次间歇式降水时间控制在10 h～15 h。当水位降至1/2桩长时，建筑物开始回倾，每次回倾量约为6 mm～9 mm。当水位降至3/4桩长时，每次回倾量约为9 mm～15 mm。回灌井应持续回灌，有效地保护周围环境免受降水的影响。

7月下旬，商住楼残留倾斜量减小到63 mm，小于“建筑桩基技术规范”中允许倾斜值0.4%的规定，整栋建筑物的结构完好无损。由于保护措施得力，相邻的花园大厦未受任何影响，相邻的办公楼没有出现危害其安全的裂缝。

3 数值模拟分析

3.1 建模

Plaxis 3D是进行岩土工程变形与稳定性分析的三维有限元软件，其核心分析程序的可靠性得到了国际工程界与学术界的长期考核与验证。它具有简洁的图形界面、清晰的建模流程、强大的计算及后处理功能；具有复杂的特性功能来处理岩土体的非线性、各向异性及时间相关性；能模拟复杂的水力条件、土与结构相互作用及动力荷载[7]。Plaxis 3D的计算结果得到了岩土工程界的广泛认可。

为了研究降水引起的地层差异性沉降对群桩基础的影响，利用Plaxis 3D建立了如图3所示的三维有限元模型。具体建模情况如下：

1)几何模式。模型的长、宽都为50 m，深为22 m，初始水位为-4 m。从地表往下的地层依次为填土、淤泥、中砂、淤泥质黏土、中砂等。土体的本构关系采用了能考虑压缩硬化和土体刚度随应力状态变化的土体硬化模型(HS)，该模型可用于模拟砂土、黏土、淤泥等。

2)结构模式。模型中承台采用板单元模拟，梁采用梁单元模拟。灌注桩采用Embedded桩单元模拟，各桩施加垂直向下的158 kN荷载。采用井单元模拟抽水井，采用地下水渗流面边界条件模拟观测井。划分网格且对各结构的网格进行加密。

3)分布施工模式。限制模型侧边界的法向位移，完全限制底边界的位移，顶边界可自由移动。第一步仅激活土层，用“K0”过程生成初始应力。第二步激活承台、梁、桩及荷载，该过程采用塑性计算。第三步激活抽水井及地下水渗流面边界条件，该过程采用能考虑水力边界条件随时间变化的完全流固耦合进行计算。

3.2 降水后孔隙水压力变化分析

如图4所示，通过软件输出抽水前后模型中部yoz截面处孔隙水压力云图。抽水后抽水井附近孔隙水压力值明显减小，形成降落漏斗。根据土力学之父太沙基的有效应力原理，孔隙水压力减小会导致土颗粒承受的有效应力增加，岩土骨架将因此释水压密，表现为地层沉降，孔隙水压力减小幅度不同，地层沉降量亦不同。

3.3 土体竖向位移分析

如图5所示，抽水井间歇式降水12 h后，其附近地层沉降呈漏斗状分布，其沉降值随距抽水井距离的增加而减小。第1排桩、第2排桩、第3排桩(即轴线、轴线、Ⓒ轴线上的桩基础)分别距抽水井2 m,6.2 m,11.6 m。第1排桩的竖向沉降平均值为0.9 mm，第2排桩的竖向沉降平均值为0.41 mm，第3排桩的竖向沉降平均值为0.19 mm。抽水井与第1排桩之间的土体竖向沉降平均值为5.78 mm，为第1排桩平均沉降量的6.42倍；第1排桩与第2排桩之间的土体竖向沉降平均值为3.84 mm，为第2排桩平均沉降量的9.37倍；第2排桩与第3排桩之间的土体竖向沉降平均值为2.24 mm，为第3排桩平均沉降量的11.79倍。桩与土的最大沉降值均位于近抽水井处，最小沉降值均位于远抽水井侧。

3.4 负摩阻力分析

当灌注桩附近的土体沉降值大于桩沉降值时，会在灌注桩表面形成竖直向下的负摩阻力。在负摩阻力的作用下，桩基发生沉降，进而导致建筑物沉降。选取建筑物东侧(即轴线上)的3根桩为研究对象，分析距抽水井不同位置处，桩基负摩阻力的变化规律。

当地下水位下降后，水位以上的土体固结沉降，在各桩上部均产生负摩阻力。以轴线为例(见图6)，基础东侧zoy截面距抽水井2 m处桩侧摩阻力中性点位于-11.33 m处，其负摩阻力的最小值为-69.44 kN/m；基础东侧zoy截面距抽水井6.2 m处桩侧摩阻力中性点位于-8.57 m处，其负摩阻力的最小值为-27.14 kN/m；基础东侧zoy截面距抽水井11.6 m处桩侧摩阻力中性点位于-6.77 m处，其负摩阻力的最小值为-16.23 kN/m。可见，侧摩阻力中性点的位置随着距抽水井距离的增大而逐渐上移，负摩阻力的最小值也随着距抽水井距离的增大而逐渐减小，即随着距离的增加桩承受的总负摩阻力逐渐减小，与孔隙水压力的分布规律一致。基础各轴线距抽水井相同距离处的桩侧摩阻力中性点相近，距抽水井不同距离处的桩负摩阻力变化规律近似。不同位置处桩的负摩阻力最小值均位于饱和中砂层中，这是因为饱和中砂层渗透系数较其他土层更大，故其释水沉降量更大，导致负摩阻力更大。

3.5 承台竖向位移分析

由于框架建筑物的承重柱均嵌入在群桩承台内，所以可用承台的沉降量近似代表建筑物的沉降量。由图7可以看出，抽水后承台的竖向沉降量随着距抽水井距离的增大而逐渐减小。轴线上的承台距离抽水井最近，其沉降量最大，平均竖向沉降值为1.02 mm。轴线上的承台距离抽水井较远，其沉降量较小，平均竖向沉降值为0.49 mm。Ⓒ轴线上的承台距离抽水井最远，其平均竖向沉降值仅为0.20 mm。

值得注意的是，通过对图5和图7进行比较，桩基承台的沉降量略大于单桩沉降量，这正是“群桩效应”现象之一，即群桩基础沉降量大于单桩基础。

4 结语

本文通过纠倾工程实践和数值模拟分析，揭示了沿海场地负摩阻力在群桩建筑物纠倾过程中主导作用，并得出以下结论：1)在含有砂层或砂土交互层的场地，采用间歇式降水方式(即负摩阻力法)对倾斜建筑物进行纠倾扶正可取得较好的效果。但是，粉细砂粒大量流失时，对基础桩产生的负摩阻力更大，应该加以控制。2)采用“负摩阻力法”纠倾时，群桩基础的沉降量大于单桩基础。桩端持力层为中粗砂层时，基桩的端阻力和侧阻力在建筑物回倾过程中逐渐增大，一般情况下可以不再进行防复倾加固。3)桩基建筑物纠倾工程具有地域性强、时空效应显著、环境影响大、技术难度高等特点。因此，桩基建筑物纠倾工程应认真分析地质条件、环境条件、气象条件等因素，真正做到因地制宜，对症下药。