高压旋喷桩对既有构筑物地基的处理应用

1.       引言
    在土木工程建设中，经常遇到软弱地基。软弱地基具有强度较低、压缩性较高、易发生变形等特点，从而造成建筑物不均匀沉降、开裂、沉降量过大，超过规范要求，甚至造成建筑物失稳、破坏。
本文结合相关技术规范及施工经验，针对因受水浸泡地基承载力下降，压缩性提高的软土地基上的既有建筑物，提出了高压喷射注浆法的应用及其实例。
2.       工程概况
需加固的已建构筑物为两个高位槽，位于河南焦作修武地区某公司区域内。
这两个碳分高位槽南侧为原有碳分槽，东侧及北侧紧邻厂区道路。这两个高位槽是分期设计、分期施工的，中心距12.5m。1#槽顶标高26.800m，上部为圆形钢仓，直径Φ7.5m，高19.16m，钢仓下部为圆锥形漏斗，高5.84m。支承结构为钢筋混凝土筒体结构，高7.64m。矩形筏板基础（11mx12m），筏板厚度1.5m，基础埋深8.1m。2#槽顶标高26.800m，上部为圆形钢仓，直径Φ8.2m，高7.085m，钢仓下部为圆锥形漏斗，高2.215m。支承结构为钢筋混凝土筒体结构，高19.715m，圆形筏板基础（Φ10.6m），筏板厚度1.2m，基础埋深8.1m。两个高位槽均采用第3层卵石层作为持力层。
自投产以来，该区域工艺流程中存在跑、冒、滴、漏现象。1#槽由于实际操作等原因上部的钢槽内15.930m以下料浆全部凝固结死，经工艺专业核实，此时的实际荷载为20443KN，比原设计荷载增加6290KN。2007年出现较明显的不均匀沉降现象。
1#槽累计下降33.8mm～76.7mm。最大沉降差已达42.9mm，经计算，建筑整体倾斜0.008，2#槽累计下降59.7mm～75.6mm，建筑物整体倾斜0.0031，均已超出《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002第5.3.4条）中建筑物的地基变形允许值0.003。
2.1现有地质情况
根据现场生产使用单位的实际是用情况及沉降情况，于2007年12月我们又对该区域的地质情况进行了详勘，地质情况为：
1层素填土：土质不均，结构疏密不均。
2层黄土状土： a¯_1-2=0.18Mpa^-1，属中等压缩性。接近饱和，可塑状态。fak=150kpa
3层卵石：N¯_63.5=17.7击，中密。fak=400kpa
4层黄土状土：a¯_1-2=0.31Mpa^-1，属中等压缩性。饱和，软塑状态。fak=120kpa
4_-1层卵石：N¯_63.5=18.1击，中密。fak=400kpa
5层卵石：N¯_63.5=26.3击，局部轻微钙质胶结，密实。fak=500kpa
6层黄土状土：a¯_1-2=0.29Mpa^-1，属中等压缩性。饱和，软塑状态。fak=200kpa
6-1层卵石：N¯_63.5=39.5击，局部轻微钙质胶结，密实。fak=500kpa
7层粉质粘土：a¯_1-2=0.29Mpa^-1，属中等压缩性。饱和，软塑状态。fak=200kpa
2.2场地水、土腐蚀性评价
中、西部场地土对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋均无腐蚀性。场地东南部土中SO₄^2-和Cl^-离子含量较高，虽对混凝土结构尚无腐蚀性，但对钢筋混凝土结构中的钢筋具中等腐蚀性。土中钾、钠离子含量介于1755—2586mg/l，pH值介于10.42—10.98之间，说明有大量碱液渗入地基。
2.3实际使用情况
这两个高位槽均在使用中，施工时可以部分卸荷，但不能完全拆除。周边施工场地狭小，南侧紧挨碳分槽，东侧、北侧紧邻厂区道路。
3.       基础沉降原因分析
1）  勘察结果分析
4层、6层及7层天然含水率平均值分别为23.9%、25.6%、26.8%，饱和度平均值分别为87.5%、95.2%、96.9%。这些数据说明地基土明显受水浸泡。
2）  地基强度验算
3层卵石承载力特征值fak=400kpa，满足上部荷载要求。4层黄土状土承载力特征值fak=120kpa，属软弱下卧层，需要进行强度验算：
     Faz=fak+η_dγ_m（d-1.5）              （GB50025-2004式5.6.5）
     取 η_d=1.10，γ_m=19.3kN/m3，d=9.5，计算结果fa=289.8kPa。
     4层顶面处附加压力：
               （GB50007-2004式5.2.7-2）
取b=l=9.4m（将圆形基础等效为矩形基础），z=9.5-8.1=1.1m，Pk=300kpa,
Pc=γ_md=19.3×8.1=156.3kpa, θ=0°，计算结果，Pz=143.7kpa.#p#分页标题#e#
     4层顶面处自重压力：
     Pz=γmd=19.3×9.5=183.4kpa
     Pz+Pcz=327.1kpa＞faz
以上验算说明，浸水后的4层承载力不满足要求。是地基产生较大变形的主要原因。
综上所述，可以得出结论，地表水渗入地基后，导致地基强度显著降低从而使碳分高位槽筏板基础产生较大沉降。
4.       施工方案选择
《既有建筑地基基础加固技术规范》（JGJ123-2000       ）提供了一些较为成熟的设计理论和施工方法，其中包括：基础补强注浆加固法、加大基础底面法、锚杆静压桩法高压喷射注浆法。结合本工程结构及地质分布特点，施工场地情况等认为高压旋喷桩法明显优于其他对既有建筑地基的处理方案。
5. 地基基础加固方案分析、论证
    地基处理的目标层位为4层黄土状土，并采用5层作为桩端持力层，设桩径为600mm，桩长以能到5层顶面为准，约7.0—11.0m。
根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）有关规定，对加固处理后4层复合地基承载力特征值计算如下：
Ra=ηfcuAp                               (JGJ79-2002式12.2.3-1)
取η=0.33，fcu=5000kpa，Ap=0.283m2，计算结果Ra=467.0KN。
Ra=μ_p∑q_sil_i+q_pAp
取4层q_si=20kpa（4_-1层q_si=60kpa），q_p=400kpa，Ap=0.283m2，μ_p=1.88m，计算结果Ra=523.0KN。
以上两个计算结果取小值：Ra=467.0KN。
复合地基承载力特征值计算：
fspk=mRa/Ap+β（1-m）fsk                  （JGJ79-2002式9.2.5）
当面积置换率m=0.10时（布桩32根），取Ra=467.0KN，Ap=0.283m2，β=0.3，fsk=120kpa,计算结果，高压旋喷复合地基承载力特征值fspk=197.4kpa。
采用规范GB50007-2002式5.2.4对复合地基承载力进行深度修正：
Fa=fak+ηdγm（d-0.5）                                     （JGJ79-2002式9.2.5）
取η_d=1.0，γ_m=19.3KN/m3，d=9.5，计算结果fa=371.1kpa。
Pz+Pcz=327.1kpa＜fa，复合地基承载力特征值满足要求。
按照《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）3.0.5条及《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）式5.3.5对处理后的地基进行变形验算。
现以2#槽为例，基础等效为一个边长为9.4m的正方形（其四个角点分别计为5#、6#、7#、8#），基底压力Pk=300kpa，基础底面附加压力Pz=143.7kpa。1#槽基础底面附加压力Pz=Pk-Pc=280.8-8.1×19.3=123.7kpa.压缩摩量采用表5-1数值。将筏板基础角点变形计算结果列入表5-2。
S=ΨsS’=Ψs∑p₀/Esi（ziα¯i-zsiα¯_si）                 （GB50007-2002式5.3.5）
 地基土压缩模量                       表5-1

地层	3	4	4-1	5	6	6-1	7
天然土层Es（Mpa）	30.0	12.2	30.0	40.0	14.5	40.0	18.4
复合地基Es（Mpa）		25.0

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 变形计算结果                         表5-2

计算部位	S’（mm）	压缩模量当量值E¯s（Mpa）	变形计算经验系数Ψs	S’（mm）
5#	41.96	20.84	0.20	8.39
6#	21.71	23.32	0.20	4.34
8#	42.97	20.35	0.20	8.59
9#	22.91	22.09	0.20	4.58

表5.2计算结果表明，采用高压旋喷桩进行地基加固处理后，地基变形将大大减小，可满足碳分高位沉降槽正常使用。
                 [参考文献]
[1]  JGJ123-2002《既有建筑地基基础加固技术规范》
[2]  JGJ79-2002《建筑地基处理技术规范》
[3]  GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》