“架空卸荷法地基处理”技术研究及工程应用

　　1技术背景

 

　　某地商住楼纠倾加固工程位于我国的西南边陲。为了查找建筑物沉降和倾斜的原因以及为设计提供服务，该项目场地根据相关规范要求进行了详细的岩土工程勘察，并提供了《某地商住楼纠倾勘察报告》。根据勘察报告可知，该区域地形较某地平坦，在地貌上属于大理盆地南缘的湖相沉积，场地土层及相关参数详见表1.1。

 

　　通过表中数据分析可知，该工程中建筑物的持力层土层均为高～超高压缩性土，根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）的有关要求，该土层不应直接作为建筑物持力层使用。而本工程建筑物始建之初未进行详细勘察，故无法得知持力层情况，因此也就未进行相应的地基处理。业主为了自身利益在设计层高的基础上进行了加盖。以上原因导致了建筑物产生大量沉降不均匀沉降的产生。

 

　　解决地基沉降的地基处理技术有很多种，《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）中介绍了许多。根据建筑场地地层情况，我们首先想到的就是采用桩基础的地基处理技术进行处理，毕竟桩基础是解决软土地区建（构）筑物沉降最好的地基处理技术。然而本项目中的建筑物都为既有建筑物，桩基施工对施工场地要求较高，因此如何进行桩基础施工就成为应用该技术的最大障碍，况且桩基础还受工程造价高、施工周期长等条件限制。

 

　　为了有效降低工程造价、缩短工程工期，通过对《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）第5.3.5条中沉降公式及纠倾前勘察报告的综合研究分析，同时结合建筑物基础结构形式，发现有效降低建筑物自身重量是解决该项目沉降最直接也是效果最好的方法。根据现场的实地调查发现，由于多年沉降，建筑物现在基础埋深均超过了100cm（按室外地坪标高记），且室内地面高度均超过50cm（按室外地坪标高记），两者相加近150cm厚的土层压在建筑基础上，这无疑会加大建筑物沉降；若将这部分土层取走，则可有效减少建筑物重量，对于解决沉降十分有利。通过以上分析，最终设计出“架空卸荷法地基处理”技术，而且该技术能有效的降低工程造价，减小施工难度，缩短施工周期。

 

　　通过对桩基础地基处理技术和“架空卸荷法地基处理”技术的综合对比结果分析，最终采用后者用于本工程设计和施工。

 

　　2技术研究

 

　　2.1理论基础

 

　　1、“架空卸荷法地基处理”技术最基本的理论基础就是《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中关于沉降变形计算的公式：

 

　　（5.3.5）

 

　　式中：Ψs——沉降计算经验系数；

 

　　n——地基变形计算深度范围内所划分的土层数；

 

　　p0——相应于作用的准永久组合时基础底面处的附加压力（kPa）；

 

　　Esi——基础底面下第i层土的压缩模量（MPa）；

 

　　Zi、Zi-1——基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离（m）；

 

　　、——基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数。

 

　　地基处理对沉降计算经验系数（Ψs）、地基变形计算深度范围内所划分的土层数（n）、基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离（Zi和Zi-1）的改变不大，其影响沉降的作用十分有限，因此本文不考虑其影响；而建筑物经过多年的自然沉降，基底土层的压缩模量Esi将比建设初期有一定的增加，由于该值进行沉降计算时作为分母，因此它的增加对计算沉降是有利的，由于这部分压缩模量Esi的改变对解决最终沉降作用不是太明显，本文也不考虑其影响。通过对建筑物的基础形式及工程现状进行分析发现：如果将基础以上的土层排走并将其架空处理，能有效减小建筑物总体重量，因此也就可以有效减少基础底面处的附加压力（p0），经过计算，该方法能有效解决建筑物的沉降问题，“架空卸荷法地基处理”技术便是基于这个结论设计出来的。

 

　　2、“架空卸荷法地基处理”技术在进行结构计算时主要依据《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）和《砌体结构设计规范》（GB50003-2001）中的相关要求进行。

 

　　2.2计算方法

 

　　本次计算方法只针对于如何解决建筑物的沉降来进行，至于其结构是否合理暂不进行探讨。

 

　　1、主要参数选取

 

　　根据“架空卸荷法地基处理”技术的理论基础，本次沉降的计算参数除基础底面处的附加压力（p0）外，其它参数均按勘察报告及规范中给定的值进行选取。本次论文主要介绍本项目是如何有效减少基础底面处的附加压力（p0），至于最终的沉降计算并没有在此反映。

 

　　以下为计算基础底面处的附加压力（p0）而选取的本项目中一幢典型的建筑物，该建筑物几个基本参数如下：

 

　　（1）结构：砖混结构；

 

　　（2）单位建筑面积的综合竖向荷载：取15kN/m2（根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）要求及工程经验综合取值）；

 

　　（3）底层长×宽=26.64m×10.34m（见图2.1）；

 

　　（4）层数：4层（工程实际层数）；

 

　　（5）每层层高：2.8m（根据《住宅设计规范》（GB50096-2012）要求取最小值）；

 

　　（5）架空高度：1.5m（取工程设计最小抬升高度值进行计算，实际架空高度均大于该数。见图2.2）；

 

　　2、架空卸荷重量计算

 

　　每层建筑物理论重量=26.64×10.34×15=4131.86kN=421.62t；

 

　　架空部位取土重量=26.64×10.34×1.5×1800=743735.52kg=743.74t；

 

　　架空部位取土重量相当于建筑物层数=743.74÷421.62=1.764层。

 

　　架空层新增重量=1.5÷2.8×421.62=225.87t；

 

　　架空后建筑物重量与架空前建筑物重量比=（421.62×4+225.87）÷（421.62×4+743.74）=0.7869=78.69%；

 

　　架空后建筑物重量减小率为21.31%

 

　　通过架空卸荷量的计算结果可以看出：“架空卸荷法地基处理”技术减轻建筑物总重量的效果非常明显（至少相当于于减少了一层半的建筑物重量），因此也就有效的降低了基础底面处的附加压力（p0）。根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中沉降变形计算的公式5.3.5进行沉降变形计算时，在不考虑地基土因多年固结后可以减缓沉降的情况下，沉降变形的减少率也超过20%，这个减小率对改善建筑物的沉降所起到的作用是非常可观的。

 

　　2.3设计图

 

　　“架空卸荷法地基处理”技术通过《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中沉降变形计算的公式5.3.5计算后可以满足沉降要求；在进行具体的结构设计时主要依据的是《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）和《砌体结构设计规范》（GB50003-2001）中的相关要求；同时，在设计的过程中还需要考虑建筑物的原有基础结构形式，最终得出完整的“架空卸荷法地基处理”技术。“架空卸荷法地基处理”技术基础结构剖面形式如下图（图2.3）所示：

 

　　3技术运用

 

　　“架空卸荷法地基处理”技术的最大特点就是可能有效降低建筑物的沉降。设计人员通过对一些基础理论进行研究，同时结合现场的实际情况，找到了最简单但却最有效的方法——架空卸荷法来进行地基处理设计，而且该设计在具体施工操作过程也很简单，通过一些最基本的操作方法就能完成施工。

 

　　3.1“架空卸荷法地基处理”技术施工工序

 

　　“架空卸荷法地基处理”技术的施工过程主要由排土、砌筑隔板墙、模板制安、钢筋制安、混凝土浇筑及养护、模板拆除、预留洞口处理七道工序组成，具体见“架空卸荷法地基处理”技术施工工序图（图2.4）。

 

　　3.2“架空卸荷法地基处理”技术的具体操作过程

 

　　“架空卸荷法地基处理”技术的施工工序比较少且每道工序的实际操作过程也比较简单，实际操作的过程中更多的是注意安全和质量。以下是各工序的具体操作过程：

 

　　3.2.1排土

 

　　“架空卸荷法地基处理”技术的基础就是通过排土卸荷来减轻建筑物重量，从而达到减少基础底面处的附加压力（p0），最终达到减少建筑物沉降的目的。排土过程中先将室内土层挖松后用独轮车运到室外集中堆放，当堆放到一定程度后再采用挖掘机配合翻斗车进行外排。以下是排土过程中会遇到的难点问题以及排土过程中应重点注意的问题。

 

　　1、施工难点问题

 

　　纠倾加固工程都是在既有建筑物内施工，而建筑物的许多结构在施工时是不能拆除的，因此施工时就会出现场地狭小、施工作业面窄、无法使用机械施工等具体问题。由于上述问题的存在，通常情况下，排土施工时只能采用人工+手推车的施工方法进行，因此，施工单位在进行施工准备时应充分考虑到这些因素对劳动力分配情况的影响及对计划工期的影响。

 

　　2、应重点注意的几个问题

 

　　排土的施工方法简单，但施工过程中应当重点注意以下几个方面的问题：

 

　　（1）排土施工最重要的是安全问题。由于施工场地狭小，且施工的人员较多，如不加注意很容易产生人员安全问题。

 

　　（2）确定合理的排土顺序是本次工作的重点。由于本项目中的建筑相隔很近（有的甚至只有一条施工缝），如排土顺序安排不当，可能会在加大建筑物倾斜的同时产生更不利的影响。根据施工经验，对单幢建筑物而言，排土顺序应先排沉降大一侧的土，再排沉降小一侧的土。

 

　　3.2.2砌筑隔板墙

 

　　隔板墙的砌筑工作是在建筑物抬升结束并与基础连接后进行的。隔板墙的主要作用是减小上面板跨度，从而减少上面板配筋和板厚，最终达到降低工程造价的目的。隔板墙在砌筑过程中应注意以下几个方面的问题：

 

　　（1）砌筑高度。隔板墙的砌筑高度主要是根据建筑物的最终抬升高度进行确定的。

 

　　（2）砌筑质量。隔板墙设计采用的是砖墙，应严格按《砌体工程施工质量验收规范》（50203-2011）进行施工和验收。为了便于模板的安装，隔板墙顶端应用高标号砂浆找平。

 

　　（3）施工安排。隔板墙砌筑前应设计好施工通道，施工时根据设计要求预留好这些通道，以便于模板的安装和拆除施工。

 

　　3.2.3模板制安

 

　　隔板墙砌筑完成且砂浆强度达到设计要求后，开始进行上面板模板制作和安装。上面板模板需制作和安装的面积需要根据建筑物隔板墙砌筑后后的实际尺寸进行计量。同时，由于上面板与基础底面不平行，因此模板的支撑方式最好采用木支撑。模板制作和安装过程中应注意以下几个方面的问题：

 

　　（1）模板施工前应按《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）制定模板专项施工方案，由相关部门进行审核，审核通过后方允许按该文案进行施工。施工过程中应严格按审核通过的模板施工方案进行施工和验收。

 

　　（2）模板安装的顺序应由内而外进行，同时还应考虑模板的拆除问题。由于模板安装是在地面以下进行，施工结束后需要对模板进行拆除，因此施工前应确定合适的预留洞口位置，以便于后期模板拆除、外运以及洞口的封留。

　　4、钢筋制安

 

　　模板施工结束并验收合格后，接下来进行的便是钢筋制作和安装工作。钢筋的制作和安装主要是依据设计图纸并适当考虑现场实际情况。钢筋的制作和安装过程中应注意几下几个方面的问题：

 

　　（1）钢筋的制作和安装应按《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）有关规定进行施工和验收。由于本项目钢筋施工是在既有建筑物内施工，间隔物比较多，因此施工时应重点注意钢筋间及钢筋与地梁的搭接问题，同时也要注意钢筋的接头、间距和绑扎等问题。本工程采用冲击钻打眼穿筋的方法，解决了钢筋穿墙搭接的问题，有效的提高了上面板的强度和整体性。

 

　　（2）为了切实满足《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）中有关钢筋搭接率的要求，钢筋施工前应根据建筑物的结构合理安排好穿筋顺序，同时还要做好预留洞口钢筋的处理工作。

 

　　5、混凝土浇筑及养护

 

　　混凝土浇筑及养护质量是影响“架空卸荷法地基处理”技术整体质量的一个重要环节。混凝土浇筑及养护应严格按《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）的有关要求进行施工。

 

　　6、模板拆除

 

　　根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）的有关要求，上面板混凝土强度达到设计强度的75%时（当地昼夜平均气温在10℃～25℃之间，因此拆模天数在8～15天之间），方可对其底模进行拆除。模板拆除过程中也应注意几个问题：

 

　　（1）模板拆除前应制定好拆除方案，施工人员应严格按拆除方案进行拆除操作。

 

　　（2）模板的拆除顺序应从预留洞口位置一直向里拆，这样有利于模板的倒运。

 

　　（3）由于模板位于地面以下的密闭空间内，因此拆除前应全方位做好安全检查工作（包括空气质量、空气流通状况、施工照明等），确定安全的前提下方可进行拆除作业。

 

　　7、预留洞口处理

 

　　预留洞口的目的是为模板拆除保留施工通道。在实际操作过程中，预留洞口可根据住户的要求进行封闭或保留处理。若住户需要保留，模板拆除后需对洞口进行安全防护处理；若住户需要封闭洞口，模板拆除后对洞口部位重新安装模板、绑扎钢筋并浇筑混凝土，浇筑前应做好混凝土面的接头处理。

 

　　4小结

 

　　1、“架空卸荷法地基处理”技术理论基础和计算过程相对比较简单；能有效解决建筑物抬升后的沉降问题；技术施工工艺简单，对场地条件要求少，各工序的操作方法也很简单，因而有效降低了施工难度；与桩基础地基处理技术相比，该技术能有效提升施工速度，从而有效降低了施工周期；能有效的降低工程造价。

 

　　2、“架空卸荷法地基处理”技术对于基础形式为独立基础或条形基础、结构形式为高层或超高层建（构）筑是否适用需在今后的工程中验实践中去验证。

 

　　3、“架空卸荷法地基处理”技术在未来的发展中应加强研究与其它地基处理技术有效结合，以增强该技术的适用性；同时将电脑模拟技术运用到工程各阶段，从而提升事前控制水平。