某种分槽基础沉降原因分析与加固方案确定

某种分槽基础沉降原因分析与加固方案确定
杨贵永
摘要：本文介绍了某种分槽基础沉降原因分析与加固方案确定。
关键词：基础；沉降；注浆；纠偏
1工程概况
基础发生沉降的种分槽分两部分，即原建种分槽（建于1988年）和新建种分槽（建于2001年，未做岩土工程勘察）。其高度分别为40m及47.8m，均为钢结构，基础形状分别为矩形（24m×52m）及园形（φ=12.5m），基础埋深分别为4.3m及3.5m。
2现状情况
新建种分槽于2001年6月19日开始储水，并开始进行沉降观测。沉降观测数据显示，基础沉降速度较快，至7月1日最大沉降量为173mm（2#种分槽7#号观测点），平均沉降量约147mm。从沉降规律上看，2#种分槽沉降量较大，1#、3#次之，但均属均匀沉降。新建种分槽基础沉降引起地面多处产生裂缝，原建种分槽也随之发生沉降，楼梯间发生沉降，向西南倾斜。为阻止沉降进一步发展，于7月1日新建种分槽开始放水卸荷，放水后，经观测基础沉降停止，少数观测点有轻微回弹。
3现场条件及分析
3．1现场条件

P=320MPa ΣQ=399360KN≈400000KN=40000t
基础底部位于第③层卵石层上，基础下主要土层自上而下为：第③层：卵石层，主要由灰岩碎块组成，圆及亚圆形，一般粒径20～60mm，最大粒径300mm，充填砂类土及粘性土的20%，局部有砂类土及粘性土薄层，局部轻微钙质胶结，稍密～中密，层厚2.5～3.2mm，fk=400KPa，层底标高114.2～115.92m。
第②-1层：湿陷黄土，黄褐～褐黄色，大孔结构，偶见蜗牛壳、钙质结核，土质不均，局部含砂类土及卵石薄层，软塑～硬塑状态，层厚7.7～10.2m，中等压缩性，具高变异性，该层因浸水而接近饱和，湿陷性消失，强大较低，fk=120KPa，层底标高104.09～106.50m。
第②-2层：湿陷性黄土，与②-1层原为同一土层，但含水量较低，呈可塑状态，层厚9.3～11.6m，中等偏压缩性，具很高变异性，硬塑状态，具体辎重湿陷性，fk=180KPa，层底标高103.15～106.08m。
±0.000=121.800；
基础坚石底标高121.800-4.100=117.700。
第④层：卵石层，主要由灰岩碎块组成，圆及亚圆形，一般粒径20～50mm，最大粒径150mm，充填砂类土及粘性土10～25%，。中等钙质胶结，中密，该层在中东部缺失，层厚0.4～2.4m层底标高100.75～105.90m，中密。
第⑤层：黄土状土，黄褐色，大孔结构，偶见蜗牛壳，含约5～10%的钙质结核，局部有砂类土及卵石薄层，可塑～软塑，层厚2.1～3.2m，层底标高97.45～99.60m，中等压缩性，具高变异性，该层不具湿陷性。
第⑥层：卵石层，主要由灰岩碎石组成，圆及亚圆形，一般粒径20～80mm，最大粒径200mm，充填砂类土及粘性土约15～25%，局部轻微钙质胶结，中密～密实，层厚1.1～1.8m，层底标高96.2～98.1m。
3．2土质情况分析
从上述地层情况来看，②-1与②-2层实为同一层，主要是由于含水量不同，造成其性质差异。由于②层土具有湿陷性，在该工程西半部，由于浸水湿陷性基本小时，产生较大变形，承载力较低，而在该土层基础的东半部，由于严重浸水，湿陷性仍然存在，在浸水情况下仍然含很大湿陷性变形，但在湿陷性变形以前，承载力相对西半部较高。
3．3所建的种分槽对原种分槽影响分析
由于新建种分槽仅距原种分槽基础近40m之近，新建种分槽的附加重力会影响到原种分槽基础下的地基土，从而也会产生使原种分槽地基产生额外的附加沉降，显然这一影响主要影响到原种分槽的西半部。
经计算，在距±0.00、13.5m处，新建种分槽对原种分槽地基产生的附加应力达46.8KPa，这一附加重力随着距新种分槽的距离越远，其对原种分槽的影响越来越小，意即该影响主要对原分槽西部造成影响，使原种分槽产生不均匀沉降，从而造成倾斜。
4纠偏方案的选择
4．1倾斜现状
(1)东西方向。从所提供的资料来看，该工程整体上明显向西倾斜，东西沉降差达200mm左右，最大达到204.3mm，详见图1（其中部分点为拟合趋势）。
（2）南北方向。该工程整体上在南北方向也有一定倾斜，南北两端沉降差一般在50mm左右，最大为70mm左右，详见图2（其中部分点为拟合趋势点）。另外，南北方向由于较长（52m），在中间沉降较大，呈一定的浴谷曲线，也和理论相一致。
4．2倾斜原因
从上述分析及目前工程倾斜现状来看，该工程的倾斜总的认为主要是由下列三个原因造成的：
（1）②层的局部浸水湿陷。由于②层具有湿陷性，在新种分槽施工时西部浸水引起西部湿陷，而工程东部有大面积浸水，而且有明显的湿陷，从而造成该工程的不均匀沉降产生倾斜，该工程的东西向倾斜是其造成的主要因素。
（2）新建种分槽的影响。由于新建种分槽距原中分槽距离很近，其产生的附加应力也会再成原种分槽的附加沉降，由于该种影响主要位于原种分槽西部，也会造成该工程一定的倾斜，另外，其对南北方向的倾斜也有一定的影响。
（3）软弱下卧层承载力不足的影响。根据2001年7月中国有色金属工业西安勘察设计研究院提供的“中州铝厂种分槽基础沉降事故原因调查岩土工程勘察报告，下卧层②层土在浸水后（②-1层）和未浸水的（②-1层）其承载力分别为120KPa及180KPa。
②-1层承载力计算
②-1层土承载力：f=fk+ηdγ0（d-1.5）
fk=120Kpa
h=2.5m（③层平均厚度）
d=6.8m
ηd=1.1
γ0=19.0KN/m3
则f=120＋1.1×19×（6.8－1.5）
P=320Kpa；P0=320－18.0×4.3=242.6Kpa；
Q=230
Pz=242.6×0.883=214.2KPa
总压力为：ΣP=Pz＋Pcz；Pcz=19.0×6.8=129.2Kpa；ΣP=343.4KPa＞f=230.8；不满足
②-2层承载力计算
②-2层土承载力：f=fk+ηdγ0（d-1.5）
fk=180KPa
d=6.8m
γ0=19.0KN/m3
ηd=1.1
则f=180＋1.1×19×（6.8－1.5）=290.8KPa
附加应力：P0=P－Pcz=320－18.0×4.3=242.6KPa
Q=230
Pz=214.2KPa
总压力为：ΣP=Pz＋Pcz；Pcz=19×6.8=129.2Kpa；ΣP=129.2＋215.2=343.4KPa＞f=290.8 不满足
由上述计算可以看出，无论在浸水前或浸水后②层土的承载力均不满足承载设计所要求的上部结构荷载，其中②-1层承载力仅为设计要求荷载对主土压力的67%，而②-2层承载力仅为设计下对主土压力的85%，必然会使建筑物产生过大的沉降。
因此，本工程倾斜的主要方案应针对产生倾斜的原因进行，针对上述原因，采取纠倾方案如下：
（1）②层土湿陷性引起了倾斜。通过在工程东部浸水预沉的方法，使东部发生下沉，减少东西部的沉降差，同时在西部采取一定的顶升。
（2）新建种分槽的影响。对于该种影响，可通过对原建种分槽西部（与新建种分槽相邻的部分），地基进行适当的加固，提高该部与土层的压缩模量，减少其附加沉降，同时辅助在西部的一定顶升措施。
（3）地基承载力不足的影响。地基承载力和沉降密不可分，承载力不足必然引起大的沉降，产生大的沉降时，产生不均匀沉降的可能性就会增大。因此，为了消除由于承载力不足而产生的不均匀沉降的可能性，就应该提高地基土的承载力和压缩模量，尽量减少建筑物的沉降。
5地基基础加固方案选择
由上述分析可以看出下卧层②层土不满足上部结构荷载要求，因此必须对地基基础进行加固，以满足上部结构荷载要求，同时进行地基基础加固还可以减少建筑的沉降，从而也减少了产生不均匀沉降的可能性。
地基基础加固的方法有很多，如基础托换法、注浆法、扩大基础法等等，根据本工程的特点及现状，地基基础加固可考虑下列方法：
（1）人工挖孔灌注桩方案。采用人工挖孔灌注桩，桩径1000mm，桩长以桩端进入第⑥层为准，将桩承台与基础连为一体，在基础周围打桩，连接措施。
（2）锚杆静压桩方案。采用锚杆静压桩，整个基础上均匀布置，桩径250×250mm，压至第⑥层土中。
（3）高压旋喷桩方案。采用在整个基础上均匀布置高压旋喷桩的方案来加固地基，桩径500～600mm，桩长以进入非湿陷性土中一定长度为标准。
（4）注浆方案。采用压力注浆对地基土进行加固，以提高土层的承载力。
上述四种方案各有其利弊，如：第一种方案具有不需要破坏原基础，不在原基础内施工，不需要对原基础进行开洞，实施时对其他建筑物和生产影响小等特点，且施工时也不会对建筑物产生不利的影响。但有受力不明确等缺点。第二种方案具有受力合理、简单等优点，能适应本工程空间狭小等特点，但其需要对基础进行开洞，土层中有卵石层不易穿越等缺点。第三种方案同样具有受力合理、简单等优点，但也需在基础上开洞等缺点。第四种方案具有注浆量不易掌握，注浆质量差效果不明显，承载力提高不大等缺点，但对已有缝隙有较好的填充作用。
6综合纠偏加固方案的确定
6.1该工程具有下列特点
（1）纠倾、加固并存。该工程加固的目的首先是纠倾，然后是对地基进行适当加固，纠偏、加固并存。因此在选择方案时应同时考虑，不能独立分开，在可考虑加固方案时，考虑纠偏，在考虑纠偏时考虑加固，达到一箭双雕的目的。
（2）单一加固方法不太适合。由于每钟加固方法各有优缺点，因此，采用单一的加固方法加固本工程不太适合，需考虑各方法的优缺点后综合使用。
6.2该工程需采用综合加固方案，综合方案如下
（1）人工挖孔桩＋顶升＋注浆方案。该方案采用人工挖孔桩加固地基基础，将一部分荷载传递于下部深层稳定的持力层中，同时利用挖孔桩作为支撑点，在东侧对建筑进行顶升（桩顶采用承台和基础连于一体），待顶升到位后，再将西侧桩顶用承台连于基础之上，最后对顶升后东部基础底板之下的缝隙进行注浆，使基础与地基土紧密接触。
（2）浸水＋高压旋喷桩（插短型钢）＋顶升＋注浆方案。该方案在基础东部进行浸水，使其产生湿陷变形。由于西部附加有新建种分槽的影响，采用浸水方案不能消除这种影响，故利用东部基础中先打的高压旋喷桩作为支撑点进行一定的顶升（顶升力较钻孔搅拌桩小），以弥补东部无相邻建筑物影响而西部有、浸水无法解决的变形，同样在纠偏至正常位置后对与东部基础底板下的缝隙进行注浆加固，使基础与地基土紧密接触。
在纠偏部位以后，再进行西部施打高压旋喷桩来加固地基（东部已先施工），从而达到先纠偏后加固的目的。
根据以往成功的加固经验，决定采用浸水＋高压旋喷桩（插短型钢）＋顶升＋注浆方案。
参考文献：
[1]既有建筑地基基础加固技术规范(JGJ123-2000)
[2]《建筑桩基技术规范》(JGJ94－2008)