随着我国经济高速发展, 各地建筑物和构筑物快速建设。然而我国西部地区多为大厚度黄土覆盖层地区。由于黄土湿陷性特点, 西部地区建筑物和构筑物的地基病害常有发生, 严重危及建筑物和构筑物安全。不均匀沉降是湿陷性黄土地区建筑物和构筑物最常见的病害之一。据不完全统计, 西部地区每年用于建筑物和构筑物地基病害治理的费用相当巨大, 仅兰州地区2015年建筑物地基病害治理费用就超过3亿元。当今阶段我国城市建设已具规模, 各地新建建筑物和构筑物将会逐渐减少。既有建筑物和构筑物鉴定、检测和加固将越来越受到瞩目。而建筑物和构筑物地基病害治理技术研究作为建筑物和构筑物鉴定、检测和加固的重点, 也将会成为一个新型的热门研究方向。

　　 锚杆静压桩技术最早出现于欧美 ^[1,2]。20世纪80年代初我国开始进行锚杆静压桩技术研究, 并将其应用于建筑物和构筑物地基加固工程。1992年冶金部最早颁发了《锚杆静压桩技术规程》 (YBJ 227—91) ^[3]。经过30多年的发展, 我国锚杆静压桩技术已经取得了很大进展。刘毓氚等^[4]研究了锚杆静压桩在地基淤泥土中的应用, 通过工程实例阐述了锚杆静压桩的地基加固原理;饶艺峰等^[5]研究了上海地区锚杆静压桩在建筑纠偏中的应用, 并评价了纠偏效果;徐醒华等^[6]研究了锚杆静压桩在建筑物增层加固中的应用;魏欢^[7]研究了锚杆静压桩在建筑物地下加层工程中的应用, 并采用有限元软件进行了数值反演;贾强等^[8]研究了锚杆静压桩在增设建筑物地下空间方面的可行性, 并对沉桩阻力进行推导;文颖文等^[9]研究了锚杆静压桩在地下车库的二次开发应用, 并通过工程实例论证了工程实施的可行性;邱磊^[10]结合某高层倾斜建筑纠倾加固工程实例, 研究了锚杆静压桩结合堆载压重综合纠偏法的纠倾效果, 并采用有限元软件计算了桩周土体的塑性区半径;钱程^[11]采用理论推导、数值试验和现场监测研究了软土地区超长锚杆静压桩地基加固效果。

　　 上述学者的研究主要集中于锚杆静压桩在增设建筑物地下空间和建筑物纠偏工程中的应用。针对锚杆静压桩治理建筑物和构筑物地基不均匀沉降的研究较少, 针对湿陷性黄土地区锚杆静压桩地基加固应用的研究更是鲜有报道。基于此, 本文以西宁某办公楼扩建建筑地基加固工程为实例, 结合工程地质条件、病害原因、地基加固措施和监测数据, 研究了锚杆静压桩对湿陷性黄土地区的地基加固效果, 阐述了锚杆静压桩在湿陷性黄土地区应用过程中的关键控制因素。

　　 青海省西宁市某办公楼主体结构建成于1995年, 地上5层, 地下1层, 标准层层高3.3m, 为砖混结构, 采用条形基础, 基础埋深为-3.6m, 建筑面积为3 862.74m²。因办公需要, 2008年办公楼两侧进行扩建。扩建面积为2 227.4m², 扩建建筑地上5层, 地下1层, 标准层高为3.3m, 建筑总高度为19.5m。扩建建筑设计使用年限50年, 结构形式为框架结构, 基础形式为独立基础, 埋深为-3.6m, 自然地坪标高为-1.2m。2014年发现办公楼出现墙体裂缝、楼顶瓷砖脱落等现象, 其中由地下室至地上5层, 室内外墙体均有裂缝, 东侧扩建建筑墙体裂缝较多, 西侧扩建建筑墙体裂缝较少。扩建建筑由1层至5层, 墙体裂缝变形程度由重到轻, 最大裂缝宽度达1.8cm。相关单位对办公楼及扩建建筑进行了检测鉴定, 并于2014年9月出据了鉴定报告, 鉴定结论为办公楼与扩建建筑均为C_su级;办公楼扩建建筑存在不均匀沉降变形, 最大沉降量达5.31cm, 其中测点A6, A7, A1, A2 (图1) 沉降速率较大, 相应的沉降速率分别为0.21, 0.17, 0.15, 0.09mm/d, 均大于《建筑变形测量规范》 (JGJ 8—2016) ^[12]建筑沉降稳定标准, 其余各点沉降速率满足此规范沉降稳定标准, 沉降速率小于0.04mm/d;扩建建筑各点的倾斜变形量虽满足《建筑地基基础设计规范》 (GB 50007—2011) ^[13]规定的限值, 但仍需对办公楼扩建建筑进行地基加固, 防止扩建建筑倾斜变形进一步恶化。扩建建筑各点的倾斜变形现状如图1所示, 东西两侧扩建建筑裂缝观测点如图2所示。

　　 办公楼及扩建建筑场地土层从上而下依次为素填土、新近堆积黄土Ⅰ、新近堆积黄土Ⅱ、黄土状粉土, 办公楼及扩建建筑地基地质剖面图如图3所示, 具体为:1) 素填土:黄褐色, 以粉土为主, 含砂、砾及石膏碎屑, 大孔隙发育, 厚约0.2～2.0m。该层在修建建筑时基本被清除。2) 新近堆积黄土Ⅰ:灰黄色, 松散, 孔隙发育, 多植物根系, 稍湿, 土质从硬塑变化到坚硬, 含石膏碎屑, 夹有棕红色土层或团块。该层厚4.0～9.1m。3) 新近堆积黄土Ⅱ:棕红色, 黏粒成分较上部层位有所增加, 含石膏块和碎屑, 大者如卵石、小者呈粉末状, 局部集中地段成10～15cm厚, 层状分布。石膏碎屑含量一般在2%～15%, 集中地段可达40%～55%。该层厚1.5～10.3m。4) 黄土状粉土:棕红色灰黄色互层, 单层厚度2～20cm, 互层不够稳定, 部分地段变为夹层, 土质不均, 棕红色土层中含石膏碎屑, 灰黄色土层中见有星点状白色钙质沉积物, 稍湿、坚硬, 控制厚度6.3～11.9m。该场地地基土层特性如表1所示。

　　 场地地基土层物理特性 表1

　　 图3 办公楼及扩建建筑地基地质剖面示意图

　　 扩建建筑地基持力层为黄土状粉土, 属Ⅳ级自重湿陷性黄土, 地基承载力特征值为170kPa;为提高地基承载能力, 采用灰土挤密桩对地基土进行处理, 桩径为400mm, 桩间距为1 000mm, 桩排距为866mm, 桩呈正三角形布置, 自基础底向下算起, 桩长8.0m;处理范围为每边超出基础范围4.0m;桩间挤密系数为0.92, 填料为3∶7灰土, 压实系数为0.97;桩顶部以下500mm应进行铲桩处理, 用3∶7灰土夯填, 压实系数0.96;处理后的地基承载力特征值为240kPa。基础大样见图4。扩建建筑地基处理方案经设计人员详细计算后确定, 后经相关专家论证并经结构工程师审核后实施, 扩建建筑地基处理方案切实可行, 满足安全、经济、适用的目标。进一步对扩建建筑地基处理施工情况进行查验, 扩建建筑地基施工资料完整, 现场验收记录齐全, 扩建建筑地基处理施工质量可靠。这表明该楼的地基处理设计与施工均具备安全可靠的特点。

　　 综合现场情况和地质条件, 经分析认为扩建建筑发生非正常不均匀沉降的主要原因有以下几个方面:1) 地表水下渗, 地基湿陷沉降。从该场地工程地质条件来看, 该场地为自重湿陷性黄土, 土层湿陷性从上往下逐渐减弱。湿陷性黄土遇水后发生湿陷, 从而引起地基不均匀下沉。现场勘察过程中, 可以看到在西侧扩建建筑西北角位置, 地表水汇集沿地面裂缝灌入地下。2) 扩建建筑与办公楼应力叠加, 导致相接部位产生较大的沉降变形。现场调查发现, 办公楼外墙顶部与扩建建筑相接部位产生明显的挤压变形, 致使办公楼外墙装饰瓷砖大面积脱落, 由此证实办公楼与扩建建筑相接处发生了较大的沉降变形, 从而产生相向的转动位移, 此位移值超出结构构造允许值之后, 办公楼与扩建建筑产生相互挤压破坏。3) 扩建建筑存在工后沉降, 这使扩建建筑与办公楼之间产生竖向相对位移, 扩建建筑对办公楼形成拖拉作用, 办公楼对扩建建筑形成限位作用, 两者相互作用、相互影响, 致使结构病害发生, 表面上体现为墙体裂缝和错层。4) 扩建建筑为独立基础, 基底反力存在差异, 加上地基本身存在一定的不均匀性, 引发地基不均匀沉降。综合来看, 扩建建筑发生的非正常不均匀沉降主要为扩建建筑的工后沉降。因而减小扩建建筑的工后沉降是消除病害的关键因素。

　　 针对病害及其原因, 对扩建建筑地基基础进行加固时坚持“最小干预 (即尽可能降低对办公楼及扩建建筑上部结构的干预) ”和“动态设计、信息化施工”原则。采用“钢筋混凝套基础加固+锚杆静压桩地基加固”的综合加固方案。锚杆静压桩设计时, 保守考虑锚杆静压桩承担所有竖向荷载, 不考虑灰土挤密桩复合地基分担荷载。采用外加钢筋混凝土套的方法对框架柱独立基础进行加固, 每个钢筋混凝土套较原基础长度增加100cm, 宽度增加40cm, 钢筋混凝土套底厚40cm, 顶厚30cm, 采用C35混凝土现浇。钢筋混凝土套的钢筋与原基础之间采用钢筋植筋的方式相连接。钢筋混凝土套施工时预埋4根钢筋锚杆, 并预留压桩孔, 为锚杆静压桩地基加固做好铺垫;实施锚杆静压桩前先采用钻机导孔, 穿透原基础三七灰土垫层, 再采用油泵、千斤顶和压桩架进行压桩。桩体采用焊管制作。桩长及控制压桩力不等, 控制压桩力小于400kN时, 采用ϕ165焊管, 壁厚6mm;控制压桩力不小于400kN时, 采用ϕ219焊管, 壁厚6mm, 压桩完成后, 桩管内浇筑C35混凝。扩建建筑地基加固参数如表2所示, 扩建建筑基础加固平面布置图和示意图见图5～8。

　　 地基加固参数 表2

　　 图9和图10分别为东西两侧扩建建筑各点的沉降观测曲线。从图中可以看出, 在整个地基基础加固过程中, 扩建建筑各点的沉降量呈现出“先增加后减小, 最后趋于稳定”的特点。分析其原因, 对扩建建筑实施地基基础加固时, 基础开挖和钻机引孔对地基产生扰动, 导致地基承载力下降, 因而扩建建筑各点沉降量先增加;实施锚杆静压桩地基加固后, 扩建建筑地基承载力明显增加, 所以扩建建筑各点沉降量逐渐减小, 并趋于稳定。同时锚杆静压桩施工时, 对扩建建筑基础施加了反作用力, 扩建建筑呈现“被抬升”的状况, 因而扩建建筑少数观测点的沉降量呈现减小的迹象。总体来看, 在整个地基加固过程中, 扩建建筑各点的沉降变形趋于稳定。就其原因, 在湿陷性黄土地区, 黄土遇水发生湿陷, 导致地基承载力下降, 而锚杆静压桩属于“干作业”加固, 整个加固过程地基不会受到水的侵扰, 扩建建筑地基承载力不会降低, 加固完成后扩建建筑地基承载力进一步增强, 所以整个加固过程, 扩建建筑的沉降变形趋于稳定。这说明湿陷性黄土地区地基加固采用锚杆静压桩较为合适, 可有效降低加固过程对地基的扰动, 增强地基加固效果。

　　 图11和图12分别为东西两侧扩建建筑楼道内裂缝宽度变化曲线。可以看出各测点裂缝宽度呈现“先稳定后减小再稳定”的特征。分析其原因, 采用锚杆静压桩进行地基加固过程中, 对扩建建筑地基扰动较小, 扩建建筑不会产生不均匀沉降, 所以裂缝宽度趋于稳定;地基加固过程中, 压桩施工会对扩建建筑基础施加反作用力, 扩建建筑基础呈现“被抬升”趋势, 因而各观测点裂缝宽度出现减小的特征;地基加固完成后, 扩建建筑地基承载力明显增加, 扩建建筑沉降变形趋于稳定, 所以各点的裂缝变形也趋于稳定。进一步说明, 锚杆静压桩地基加固对湿陷性黄土地区较为适用, 加固过程对地基扰动小, 加固完成后可明显增加地基承载力, 增强加固效果。

　　 垂直度是锚杆静压桩在湿陷性黄土地区进行地基加固工程的关键控制因素之一, 桩体垂直度直接影响压桩施工的正常进行。施工过程中, 一旦桩体垂直度发生变化, 就会造成桩侧摩阻力急剧增大, 导致桩体无法压入, 降低地基加固效果;施工过程要保证桩体垂直度, 就需要严控压桩速度, 压桩前先调整桩体的位置, 确认每节桩体重心均位于同一垂直线后, 再进行压桩效果。对于复杂地质条件下的长桩, 压桩过程中应安装测斜仪, 实时监测桩体垂直度。根据监测数据, 及时调整桩体位置后, 再进行压桩效果。如此, 则可以保证锚杆静压桩的垂直度, 保证压桩正常进行, 增强压桩效果。

　　 锚杆静压桩地基加固工程中, 桩体长度一般较长, 但受压桩机械和施工空间的影响, 整个桩体不可能一次压入, 需要分段接桩, 逐段压入。接桩的质量直接影响正常压桩效果。常用接桩方式为对焊焊接接桩和硫磺胶泥接桩。对焊焊接接桩较硫磺胶泥接桩更加便捷和经济, 因而在工程中常被采用。而对焊焊接的质量直接影响接桩质量;为保证焊接质量, 根据工程实践, 在焊接接口处应根据现场情况设置不少于3块缀板, 缀板厚度不应小于5mm, 尺寸不应小于40mm×80mm, 缀板焊接采用满焊施工方式。焊接完成后, 待焊口和焊缝冷却后, 再进行压桩, 严禁焊缝未冷却就立即实施压桩。

　　 压桩力在一定程度上可以反映地基承载能力。湿陷性黄土地区锚杆静压桩地基加固过程中, 要严格把关控制压桩力和压桩过程平均压桩力。控制压桩力是压桩终止的依据之一。平均压桩力则是桩体承载力的体现。依据静力学原理, 压桩过程中如果桩体产生匀速直线运动, 则在该时刻的压桩力即为桩体的承载力。锚杆静压桩施工时, 通过压桩机油压表每一行程的压力值, 可以计算压桩过程的平均压桩力。根据平均压桩力, 可反算桩体承载力, 进而可以对该区域加固后的地基承载力进行评价。根据评价结果, 可进一步判断是否进行超长压桩以增强地基加固效果。综合来看, 压桩力可以间接反映桩体承载能力和被加固地基的承载能力, 可以为地基加固效果提供判断依据。

　　 湿陷性黄土地区锚杆静压桩地基加固工程中, 桩入土深度是另一个极为重要的控制性因素。我国西部地区黄土覆盖层厚度较大, 因而, 锚杆静压桩桩体穿越黄土层情况较少。大多数桩体的持力层仍位于黄土层中, 所以多数锚杆静压桩属于摩擦桩或者摩擦端承桩。摩擦桩的承载力由桩侧摩阻力决定, 桩长和桩径的大小是影响桩侧摩阻力的重要因素。在湿陷性黄土地区锚杆静压桩地基加固工程中, 桩体长度对桩侧摩阻力影响更大, 也就主要决定了桩的承载能力。所以对湿陷性黄土地区锚杆静压桩地基加固工程, 在其方案设计时就需要对桩入土深度进行详细计算, 施工过程需要严格检查和控制桩体的长度, 以保证压桩质量, 提高地基加固的效果。

　　 (1) 本工程采用锚杆静压桩进行地基加固后, 大楼各沉降观测点沉降速率满足规范要求, 达到了预期的效果。

　　 (2) 锚杆静压桩加固属于“干作业”加固, 对湿陷性黄土地区地基加固较为适用, 加固过程对地基扰动小, 加固完成后可明显增加地基承载力, 增强加固效果。

　　 (3) 垂直度和接桩质量是保证湿陷性黄土地区锚杆静压桩正常施工的关键控制因素, 施工过程中应该严格控制, 保证施工质量, 提高地基加固效果。

　　 (4) 压桩力和桩入土深度是保证湿陷性黄土地区锚杆静压桩地基加固效果的关键控制因素。方案设计时需要对压桩力和入土深度进行详细计算, 施工过程要严格控制压桩力和入土深度, 以保证压桩质量, 提高地基加固效果。

　　 (5) 本次研究成果对湿陷性黄土地区建筑物和构筑物地基病害治理理论进行了补充, 可为相关工程的病害治理设计与施工提供参考与借鉴。