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錨桿靜壓樁地基加固新技術的現狀與展望

發布時間：2014-07-15

　錨桿靜壓樁地基加固新技術自八十年代初由筆者結合安徽省蕪湖市少年宮事故工程開發研究成功至今已有二十年之久，回顧這漫長的歷程，就是該項技術成長發展的過程：
　　1985年該項技術在南京通過冶金部部級鑒定，并授予冶金部科技成果三等獎；
　　1987年研究成功的建筑物頂樁掏土糾偏技術，通過冶金部部級鑒定；
   1989年由筆者主編編寫冶金部錨桿靜壓樁技術規程“YBJ227－91”，1991年初正式頒布實施；
   1991年度被建設部評為一級(國家級)工法，工法編號為“YJGF－0291”；
  1992年研究成功建(構)筑物樁基逆作法技術，通過上海市建委科學技術委員會的成果鑒定；
   1994年參與《上海地基處理技術規范》第十一章(錨桿靜壓樁)編寫工作，該規范已于1995年4月1日正式頒布實施；
　　2000年已列入中華人民共和國行業標準“既有建筑物地基基礎加固技術規范JGJ123－2000”；
　　2007年參與編寫“建筑物移位糾傾增層改造技術規范”（CECS225:2007）；
　　2008年參與“上海地基處理技術規范”有關錨桿靜壓樁的修改工作；
　　2008年參與上海市建筑標準設計“鋼筋混凝土錨桿靜壓樁圖集”。
　　該項技術與其他地基加固工法相比，具有無法比擬的優點，如錨桿靜壓樁受力明確，樁基質量有保證，事故工程經加固后可以起到立竿見影的效果；施工機具輕巧，操作簡便，施工時無振動、無噪音、無環境污染，屬于半機械半人工操作方法，加固費用低廉。由此可見該項新技術研究成功后，得到迅速推廣應用，目前華東地區、廣東沿海地區、武漢等地區已廣泛使用，特別是上海地區在處理沉降、傾斜超標工程中得到了首肯的應用。
　　錨桿靜壓樁新技術開始時僅用于事故工程的地基加固，但隨著對該項技術的深入研究，在工程中運用錨桿靜壓樁的機理，擴大了使用范圍，例如：用于傾斜超標建筑物的糾偏工程，在建筑物南、北二側外挑基礎上進行補樁加固，并在沉降少的一側輔以掏土后使建筑物回傾到允許范圍內；同時通過錨桿靜壓樁對建筑物南、北二側加固，可使建筑物立刻起到穩定作用；又如在上海繁華商業街南京路、金陵路和在密集建筑群中，以及不允許有噪音環境條件下，當大型機具無法進入的情況下可以采用錨桿靜壓樁樁基逆作施工法進行建筑物的地基基礎加固；又于九十年代中、后期1995年～1999年上海大發展時期，在新建高層建筑過程中，曾多次出現樁基位移和樁基事故工程，如何解決大型缺陷樁，是當時工程中急需解決的重大技術問題，筆者運用錨桿靜壓樁機理，在地下室內進行大型靜壓鋼管樁的研究與運用，成功地解決了高層樁基缺陷樁的補強加固，確保高層建筑順利施工。
根據初步統計在這20年中，筆者運用該項新技術已在近600項工程中成功得到應用，取得巨大的技術經濟效果，使事故工程化險為夷，積累了豐富的工程經驗。建立了我國自行研究開發的錨桿靜壓樁技術的理論。
下面將對應用該項技術在基礎托換加固、糾偏、逆作施工、大型靜壓鋼管樁等方面的應用現狀介紹如下：
　　一．錨桿靜壓樁技術應用于基礎托換加固工程
　　由于錨桿靜壓樁有其獨特的工藝，先在基礎上預留或開鑿壓樁孔，利用建筑物自重作壓樁時反力，樁段長度隨工作面高度而定，樁布置在外挑基礎上，將樁段逐段壓入土中，當樁壓入至設計深度或某持力層后，將樁與基礎迅速用早強砼澆搗在一起，形成整體，從而將上部荷重通過樁傳遞到深部土中去，從而有效降低基礎邊緣壓力，迅速制止建筑物沉降。錨桿靜壓樁施工過程中引起的拖帶沉降遠遠小于其他地基加固方法例如：旋噴樁法、灌注樁法、注漿法等。因為這種方法在加固過程中都將土體進行破壞，然后加入水泥固化劑，經較長固化時間后才能建立強度，在外荷作用下由此帶來較大的拖帶沉降大于10cm以上，而錨桿靜壓樁施工拖帶沉降量經統計反為1～4cm。為減少錨桿靜壓樁引起的拖帶沉降，我們又研究成功預加應力封樁法，拖帶沉降量可比常規封樁法減少50％。錨桿靜壓樁用于事故工程的基礎托換加固工程較多，占加固工程中的70％以上，而事故工程大多為軟弱地基上的多層住宅建筑。
　　1．天然地基上的6～7層住宅建筑的基礎托換加固：
　　建于軟弱土層的天然地基上6～7層住宅建筑其沉降量都較大，建筑物無法通過質量驗收，為盡快制止建筑物的大量沉降，需采用錨桿靜壓樁進行基礎托換加固。加固樁一般都布置在建筑物外挑基礎上，通過樁基加固減少基礎邊緣應力，消除下臥層土的剪切變形區，使建筑物回復到正常固結變形。這類工程量很多，經筆者加固處理后效果都很理想。
　　2．天然地基上的既有多層建筑沉降超標、適度傾斜的基礎托換止傾加固：
　　通過測量表明，建筑物沉降尚未穩定，傾斜仍在發展，為確保居民正常生活和建筑物的安全使用，對這種建筑物進行基礎托換止傾加固，樁同樣布置在外挑基礎上，如果外挑基礎寬度不足，可以予先進行基礎拓寬加固，然后再進行補樁加固，通過補樁加固后，可望在3～6個月內達到穩定，在上海地區筆者進行了上百項的這類工程的基礎托換止傾加固。
　　3．建筑物沉降縫磕頭的基礎托換加固：
　　當建筑物過長或相鄰建筑層數不一致，往往都用沉降縫隔開，縫寬一般為160mm。然而在沉降縫二側的山墻，都會給地基帶來較大壓力，同時造成應力疊加作用，從而導致沉降縫處出現較大沉降及向沉降縫處傾斜，引起沉降縫二側上端山墻的磕頭現象，嚴重時其中一側山墻墻面被頂裂，墻面出現結構裂縫。筆者運用錨桿靜壓樁，在沉降縫二側山墻基礎上進行補樁加固，制止沉降縫二側山墻的沉降。為防止加樁后地基剛度的突變從而引起結構裂縫，山墻二側布樁時應充分考慮剛度變化，布樁由密到稀。經過筆者加固處理過數十項山墻磕頭工程，都取得了良好的效果。
4．加層工程的基礎托換加固：
　　在繁華的城市商業街，由于商業發展的需要，要求對原有建筑物進行加層改造，往往要求在不停業情況下進行柱或承重墻的補樁托換加固；有時將舊廠房利用原框架結構，調整層高作為商住樓或商辦樓，甚至再加層，而經核算地基或原樁基承載力不足，此時可用錨桿靜壓樁技術進行加固處理，筆者已在多項工程中得到成功應用，例如上�；春Ｙe館，原4層鋼筋砼廠房基礎經錨桿靜壓樁加固后，該工程由原4層加層到10層，取得顯著的技術經濟效果。
　　又如浦東群星職業學校教育樓在原三層上增加二層，采用外包框架將原建筑物包在內部，在其頂部再新建二層教學樓，在框架柱基上用錨桿靜壓樁加固。
5．設備基礎的托換加固：
　　建于軟弱地基上的大型設備基礎，同樣存在設備基礎沉降與穩定問題，隨著產品質量的提高，機床的更新換代，數控機床代替常規機床，所以對基礎穩定顯得格外重要，上海某機械廠從德國進口的一臺數控龍門機床，對基礎沉降要求甚嚴，經錨桿靜壓樁對原基礎補樁加固后，基礎沉降已基本穩定，當數控機床安裝調試完后，再進行測試，完全達到德國技術標準。其后我們相繼在上海多項設備基礎上進行了補樁加固，同樣取得了較好的效果。
6．電梯井基礎補樁加固：
　　商場、醫院、賓館等公共建筑，隨著垂直運送顧客的需要，須新增電梯或觀光電梯，如上海南方商城大酒店高18層，需增加一部電梯，由于擬建場地較小，天然地基無法滿足設計要求，經研究決定采用錨桿靜壓樁進行基礎補樁加固，建成后使用情況良好。筆者已在10多項改建電梯工程中應用成功。
7．基坑周圍相鄰建筑的基礎托換加固：
　　深基坑開挖施工過程中，由于基坑圍護的變形及地下水位的下降，將直接影響相鄰建筑的沉降和傾斜，為確保相鄰建筑的安全，應對相鄰建筑作適當補樁加固。上海金融大廈基坑開挖深度為－12m，相鄰建筑為黃浦區體育館風機樓，在開挖過程中風機樓有明顯沉降，為此筆者對風機樓用錨桿靜壓樁加固后，立即制止了沉降。當大廈深基坑開挖完后，相鄰風機樓沉降很小，取得了立竿見影的效果。筆者在類似的10多項工程中采用錨桿靜壓樁加固都取得了良好的效果。
　　8．在抗拔樁工程中應用：
　　為滿足地下室抗浮需要，根據設計要求在底板上開鑿出上大下小的壓樁孔，樁身設計成下大上小的樁段，進行抗浮樁施工，在多項抗拔樁加固工程中都取得了良好的效果。
　　二．錨桿靜壓樁技術應用于糾偏加固工程
　　在大厚度軟弱天然地基上建造多層住宅，由于建筑物壓縮層范圍內的土質較差，含水量較高，地基承載力及變形模量較低，致使其上的建筑物沉降量可達40～60cm。另外由于建筑物重心和基礎形心不重疊，一般建筑物北側有廚房、衛生間、樓梯間、裝飾荷重偏大，從而造成重心偏北，北側基底應力大于南側，所以建筑向北偏斜較多，這是屢見不鮮的事實。根據規范規定新建建筑物允許偏斜率<4‰，二年以后的已有建筑物極限偏斜率為10‰(屬危險狀態)。根據筆者經驗，當建筑物偏斜率大于7～8‰時，居民就對傾斜有不適感，當傾斜率繼續擴大時將引起門窗關閉有困難，地面雨水倒流等不良現象出現，將對居民起居使用不便，并拌有不安全感。
　　目前建筑物糾偏加固常采用以下二種較成熟的迫降糾偏方法：
　　一種為錨桿靜壓樁加沉井掏土糾偏法，對回傾率較大的傾斜工程采用此種糾偏方法。步驟為先將沉降大的一側用錨桿靜壓樁先進行頂樁加固，有效制止沉降多的一側不再發生大的沉降，然后在沉降小的一側開挖沉井，然后在基礎下一定深度的軟弱土層中進行水平沖水掏土，使建筑物緩慢下沉，用這種方法糾偏沉降比較均勻，對上部結構不會產生大的次應力。但這種糾偏法必須由專業施工隊承擔施工，糾偏一側的沉降速率一般控制在2mm～3mm/d左右。當即將達到要求傾斜率時，在沉降小的一側也即開挖沉井沖水的一側再壓入一定數量的保護樁，起到穩定的作用。
　　另一種為錨桿靜壓樁加鉆孔取土糾偏法，這種方法用于回傾率較小的糾偏工程。在沉降小的一側用鉆機進行垂直或斜向取土，有的稱為應力釋放法，原理都是一樣的，使沉降小的一側通過鉆孔取土加大基底應力，為迫降創造有利條件，錨桿靜壓樁補樁要求與上述沉井糾偏法相同。
具體典型工程如下：
1．頂樁沉井掏土糾偏法用于民用建筑偏斜工程：
　　上�！痢疗邔痈呒壸≌O計采用天然地基，住宅樓揭頂后出現了明顯偏斜，傾斜率達18.8‰。經研究決定采用頂樁沉井掏土糾偏法，經糾偏后傾斜率回傾到4‰以內，同時對建筑物南、北二側外挑基礎用錨桿靜壓樁加固后，建筑物很快達到穩定，完全達到設計要求。該建筑物建成后還被評為白玉蘭獎。
2．頂樁鉆孔掏土糾偏法用于35m煙囪偏斜工程：
　　上海制線二廠，新建鍋爐房和35m煙囪，由于采用天然地基，鍋爐房與煙囪緊挨在一起，從而加大了沉降，造成煙囪向南方向傾斜。經測量，煙囪傾斜率達到24.4‰，情況十分危急。其后筆者僅用14根錨桿靜壓樁結合鉆孔掏土糾偏使建筑物回傾到6‰以內，滿足設計要求，使煙囪化險為夷，挽救了一項事故工程。
3．頂樁鉆孔掏土糾偏法用于公共建筑偏斜工程：
　　當新建或已建工程傾斜率超過7‰以上一般都需要糾偏，使其回傾到4‰以內。當傾斜率不大時，采用鉆孔糾偏方法較多。
　　例如上海閔行××中學科技大樓，東端為七層，西端為十一層樓，地基原采用粉噴樁加固處理，樁長8m(填塘區樁長12m)，樁徑?500mm，樁距1100～1200mm。由于樓層高度不一，建成后科技大樓發生了由東向西傾斜，交付使用時平均傾斜率已達到10.3‰，并尚在發展中，為此必須進行制止西端沉降和糾偏施工，經頂樁加固以及斜向鉆孔取土糾偏后，科技大樓西側的傾斜率由原來的10.3‰回傾到5.6‰。今后，由于西側的沉降得到有效控制，建筑物尚會緩慢向東回傾，完全滿足了設計要求，西側的沉降速率由加固前0.2mm/d，而加固后沉降速率為0.05mm/d，東側平均沉降速率亦已收斂到0.116mm/d，建筑物沉降、傾斜明顯呈收斂趨勢。
　　筆者運用錨桿靜壓樁配以鉆孔取土或沉井取土在100多項偏斜工程中實施糾偏加固都獲得了理想的成功。
　　三．錨桿靜壓樁技術用于新建工程
　　按常規樁基施工，先打樁后建房，而錨桿靜壓樁用于新建工程則是先建房后壓樁故稱它為錨桿靜壓樁樁基逆作施工法。其工序是：在澆搗基礎底板時，將壓樁孔先預留出來，上部建筑仍可照常施工，待建到三層后，上部荷重大于壓樁力時，便可進行壓樁施工，與上部建筑同步進行，無需壓樁施工工期。這種施工工藝可大大縮短建設工期，施工時無振動、無噪音、無污染，可在繁華和密集建筑群內施工。這項工藝的研究成功，受到開發商的歡迎。筆者先后在南京、南昌、福州、廈門、上海等地大量推廣使用。
　　1．樁基逆作工藝用于繁華商業街的商業大樓工程：
　　樁基逆作工藝具有以上特點，在上海繁華的商業街南京路、淮海路、金陵路等馬路的商業樓地基加固中成功地得到應用。例如：南京路上八層的上海電子商廈、上海金店、12層新工聯大廈、淮海路的益民商廈、金陵路的金陵商廈、豪都商廈等。這些工程都是繁華商業街的臨街建筑，馬路下有各種管線，周圍都是密集商店，施工場地狹小，施工條件十分苛刻。由于錨桿靜壓樁施工工藝適應性很強，使這些工程都得以順利建成，并還大大縮短了建造工期。八層上海電子商廈僅用76天時間結構封頂；八層上海金店僅用了69天時間結構封頂。繁華商業街的商業大樓早日開業就是金錢，從而取得了巨大的經濟效益。
2．樁基逆作工藝用于工業廠房的建設工程：
　　有相當數量的工業廠房由于配套工程需要急需快速建成、有的新建廠房需要加速建成投產、有的新建廠房的施工場地狹小，大型施工機械無法進入等等，這些工程采用錨桿靜壓樁逆作施工法最為適宜。筆者曾采用樁基逆作工藝于上海申馬銅材廠拉管車間、上海莘鴻電子工業大樓、上海肥皂廠香皂車間、耀華皮爾金頓玻璃廠破碎篩選樓、上海通用汽車有限公司沖壓車間等等。其中具有代表性的工程為上海莘鴻電子工業大樓，該樓為八層鋼筋砼框架結構，長57m，寬27m，系二跨多層工業廠房，基礎形式為獨立柱基加連系梁，單柱荷載達9000KN，框架結構，屬不均勻沉降的敏感結構。采用錨桿靜壓樁的壓樁、封樁的次序、時間差異使建筑物的沉降達到均勻。工程建成后的沉降觀測資料表明，沉降相對比較均勻，并已減小漸趨穩定，工程實施獲得了理想的成功。
　　另外，上海申馬銅材廠拉管車間單層工業廠房房長306m，有三跨廠房組成，單跨各為24m，軌面標高9m，由于建設周期較短，設計采用了樁基逆作法工藝，樁數904根，樁長20m，樁截面250×250mm，樁砼量達1130m3，壓樁力Pp>400KN。投產使用后柱基沉降很小，完全滿足設計要求。采用該項新技術后取消了打樁工期，大大縮短了建設周期，使工程提前投產，取得了明顯的技術經濟效果，該工程是目前我國錨桿靜壓樁用于工業廠房最多最大的工程之一。
　　3．樁基逆作工藝用于民用住宅建筑的建設工程：
　　錨桿靜壓樁樁基逆作工藝用于民用建筑的范圍已相當廣泛，它不僅常規地可用于由于地基強度不足或沉降滿足不了要求的新建民用住宅工程中；還可用于住宅建筑施工中途需改變房型布局的工程中，如上海廣達新村11#、12#房逆作法樁基工程屬于該例，廣達新村開發權易主，需改變房型布局，原采用水泥攪拌樁加固地基已不能滿足使用需要，而改為采用了錨桿靜壓樁；也可用于原有住宅樓為增加功能而加寬住宅樓的改造工程，如上海友誼路111#、127#、143#公房加寬改造工程屬該例。該三幢公房建于70年代，由于設施較差，為改善居住條件，在公房北側增加3m寬的五層高的廚房、衛生間用的副樓，為保證原有建筑物的安全使用，增建部分的地基采用了錨桿靜壓樁逆作施工；還可用于原有住宅樓的加長的改造工程中，如上海新涇八村三幢住宅樓加長改造工程屬該例。該工程是在原有三幢六層建筑物東端各加接一個單元六層建筑，加長均為10.8m，寬度二個單元為13m，一個單元寬度為9.6m，原設計擬采用250×250mm打入式預制樁，后考慮打樁振動對原有建筑物的不利影響，以及打樁噪音會引起居民的反對，故就改用了無振動、無噪音、無污染的錨桿靜壓樁逆作施工方案。
　　4．樁基逆作工藝用于高層建筑工程：
　　隨著對錨桿靜壓樁機理的深入研究，經過科學的分析和計算，筆者大膽的突破了錨桿靜壓樁的使用范圍。1995年筆者成功地在十二層的新建工聯大廈樁基工程中應用；1997年又成功地在常州十六層中南大廈樁基工程中應用；2000年又在金壇市二十一層新華大廈樁基工程中應用，經用錨桿靜壓樁加固過的高層建筑沉降量都不超過60mm，一般在30mm～40mm范圍內。目前各大樓使用情況良好，從而取得了顯著的技術經濟效果。
　　新建建筑物樁基逆作技術，于1992年12月17日通過上海市建設委員會科學技術委員會成果鑒定，與會專家給予高度評價，鑒定認為該項技術國內外尚無先例。筆者運用錨桿靜壓樁逆作施工技術所加固工程近百項。每項工程都取得了良好的技術、經濟效果。
　　四．大型錨桿靜壓鋼管樁技術應用于高層建筑補樁工程
　　在高層建筑樁基(打入樁或灌注樁)工程中，由于種種原因，經常發生類似斷樁、縮頸、偏斜、接頭脫開、較大位移等樁基質量事故。特別是處于深基坑已經開挖，通過對樁基進行檢測表明，部分樁基出現了質量事故，然而此時大型樁基施工設備已無法進入坑內施工，相鄰建筑物仍在不斷沉降，基坑圍護繼續發生位移，常規的樁基事故處理需要較長工期，由此造成基坑危險程度加劇，工程施工被迫停頓，或因房型變化導致工程結構調整需要補樁加固，但不存在補原樁的可能。針對這類工程，筆者研究開發成功的大型錨桿靜壓鋼管樁裝置(壓樁力達2500KN，最近又設計出600KN壓樁架；其中大型錨桿靜壓鋼管樁裝置申報獲得了專利)為解決危難樁基加固工程開辟了一條新的途徑。
大型錨桿靜壓鋼管樁進行事故樁的補樁加固的優越性為：
　　1．可以不停止基礎及上部結構的施工，由此不僅加快了整個工程進度，而且還為保證已開挖基坑的安全性創造了條件。
　　2．壓樁在地下室內進行，具有類似于錨桿靜壓樁新建工程逆作法施工的一切優越性。如承載能力的可靠性、環境“清潔”施工等等，此外，還具有較小的擠土效應，使之可在密集的樁群中成功使用。
　　近幾年來，筆者運用大型錨桿靜壓鋼管樁技術成功地對近20項大型樁基事故工程進行了補樁加固處理，一般處理工程采用的樁型為?406×10mm，樁長38m左右，單樁允許承載力達1500KN。例如：33層的世貿大廈、30層的建邦大廈、上海國際會議中心等都相繼成功地使用此項新技術，確保了工程的順利進行，取得了巨大的技術、經濟和社會效益。
　　上海東方明珠二期工程的國際會議中心由于使用功能上的改變，由原8m柱網結構改為50m跨度網架結構，為此，基礎受力條件發生了很大的變化，而必須在拱腳處增加樁基，但現場實際情況為：樁基已全部打入，圍護采用SMW工法，支撐亦已施工完畢，底板鋼筋已經綁扎完畢，部分底板混凝土已經澆筑，而采用原打樁方案已不可能。為滿足使用變更的需要，浙江省建筑設計院經反復研究決定采納由我們推薦的大型錨桿靜壓鋼管樁加固方案。鋼管樁樁型為?406×10mm，平均樁長37m，樁端進入⑦1土層，壓樁力都達2600KN以上，補樁樁數為272根。采用上述新技術后大大縮短了樁基加固工期，為如期建成國際會議中心爭得了時間，國際會議中心建成后使用情況良好。由此充分體現了大型工程采用大型錨桿靜壓鋼管樁技術進行補樁加固，具有無可比擬的優越性。
　　五．錨桿靜壓樁地基加固新技術的展望
　　錨桿靜壓樁地基加固新技術是我國自行研究開發成功的獨特的創新技術，經過二十多年的深入研究、工程試點、大規模推廣使用，經驗總結到規程、規范的的編制，目前已成為技術安全可靠、加固后行之有效的新型加固方法。筆者已在上述范圍內得到有效的推廣使用，取得了巨大的技術經濟和社會效益，預計該項技術今后仍將前途無量。
　　筆者認為該項地基加固新技術目前尚處于推廣應用階段，需要加強宣傳使廣大科技、設計人員全面掌握該項技術，并在工程中得到充分的應用。
　　筆者認為該項技術尚待研究的課題有：
　　1．錨桿靜壓樁技術應用于新建或已建工程的設計計算理論研究和各種形式補樁加固的合理樁數確定和沉降計算。
　　2．先建房后壓樁對地基土的物理力學性能改變的研究，為單樁承載力確定和沉降計算提供重要依據，大量工程實踐表明，錨桿靜壓樁樁基工程實際沉降量遠遠小于常規計算沉降量。
　　3．建筑物二邊外側布樁，取消滿堂和中間布樁，其樁基受荷機理的研究，對新建和已建建于天然地基上的超標建筑物，通過對建筑物二側外挑基礎補樁加固后，建筑物沉降速率明顯減小，總沉降量得到有效控制，建筑物的傾斜得到及時制止，目前上海地區已廣泛采用二側補樁加固的布樁形式，都取得了明顯的效果；如果今后在新建工程中采用二側布樁方案，對節省工程造價，降低建房成本，加快建房工期都具有巨大的經濟意義。
　　4．設計新型壓樁設備，配備自控電腦，在壓樁施工中，通過單板機直接提供壓樁力、樁長等有關指標，做到智能化壓樁施工。
　　筆者熱誠希望從事錨桿靜壓樁使用、開發的同仁們，讓我們共同努力，將這項具有中國特色的地基加固新工法在工程建設中取得更大的成就，結出豐碩的碩果。

上一條淺議既有工業設備下軟弱地基加固技術
下一條加固混凝土梁減小跨度法加固

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