余浪，劉瓊蓮，胡玉華
（昆明市政工程設(shè)計(jì)科學(xué)研究院有限公司，昆明，6501100）
摘 要：既有建筑獨(dú)立基礎(chǔ)地下空間的拓展施工需要對(duì)原有地基四周土體開挖并超過原有基礎(chǔ)深度，因此需要托換既有建筑的基礎(chǔ)，通過托換的樁基礎(chǔ)將建筑基礎(chǔ)向下延伸到拓展空間以下的持力層。本文首先簡(jiǎn)單總結(jié)了房屋基礎(chǔ)托換技術(shù)并對(duì)樁式托換技術(shù)作了詳細(xì)總結(jié)，然后以安徽中元化肥廠成品車間向下拓展地下室工程為依托探討了新型組合錨桿靜壓樁技術(shù)對(duì)既有建筑獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行托換和土方開挖的施工方法。
關(guān)鍵詞：：既有建筑獨(dú)立基礎(chǔ)；地下空間；型組合錨桿靜壓樁；托換和土方開挖
采用新型組合錨桿靜壓樁技術(shù)在既有建筑獨(dú)立基礎(chǔ)下增層的技術(shù)流程十分復(fù)雜。首先要對(duì)原建筑物獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，然后才能對(duì)其進(jìn)行整體樁基托換，此外還包含錨桿靜壓樁的組合施工以及基坑支護(hù)等技術(shù)問題，目前很少有將這些技術(shù)結(jié)合使用的工程實(shí)例。
房屋基礎(chǔ)托換技術(shù)一般主要應(yīng)用于：（1）既有建筑物基礎(chǔ)的加固與糾偏；（2）在原有建筑物附近新建工程以及在既有建筑物基礎(chǔ)下新建地下室或者其他結(jié)構(gòu)工程時(shí)，保證原有建筑物結(jié)構(gòu)的安全[1]。房屋基礎(chǔ)托換法可分為非樁式托換法和樁式托換法。當(dāng)建筑物沉降較小時(shí)，一般采用非樁式托換法。原有建筑上部結(jié)構(gòu)托換改造完成后，如果原有基礎(chǔ)的承載能力不足，或者是基礎(chǔ)沉降量較大時(shí)，一般采用通過在原基礎(chǔ)部位設(shè)樁處理的樁基托換方法[2]。
1．房屋基礎(chǔ)托換方法分類
房屋基礎(chǔ)托換技術(shù)一般主要應(yīng)用于：（1）既有建筑物基礎(chǔ)的加固與糾偏；（2）在原有建筑物附近新建工程以及在既有建筑物基礎(chǔ)下新建地下室或者其他結(jié)構(gòu)工程時(shí)，保證原有建筑物結(jié)構(gòu)的安全[1]。房屋基礎(chǔ)托換法可分為非樁式托換法和樁式托換法。當(dāng)建筑物沉降較小時(shí)，一般采用非樁式托換法。原有建筑上部結(jié)構(gòu)托換改造完成后，如果原有基礎(chǔ)的承載能力不足，或者是基礎(chǔ)沉降量較大時(shí)，一般采用通過在原基礎(chǔ)部位設(shè)樁處理的樁基托換方法[2]。
1.1非樁式托換法
（1）基礎(chǔ)擴(kuò)大托換法
在既有建筑物上部結(jié)構(gòu)托換改造完成后，當(dāng)托換后基礎(chǔ)的承載力不足或者是在基礎(chǔ)底面產(chǎn)生裂縫時(shí)必須采取技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理，一般首先考慮采用基礎(chǔ)擴(kuò)大托換法[2]。當(dāng)上部荷載為中心荷載時(shí)，對(duì)條形基礎(chǔ)可采用兩面加寬處理，對(duì)獨(dú)立基礎(chǔ)可沿基底四面擴(kuò)大和拓寬處理。當(dāng)上部荷載為為偏心荷載時(shí)，可根據(jù)計(jì)算對(duì)基礎(chǔ)單面進(jìn)行加寬。
（2）坑式托換法
當(dāng)條形基礎(chǔ)基底所在土層土質(zhì)不良導(dǎo)致承載力不夠并且沉降較大，而在離基礎(chǔ)底部不遠(yuǎn)處有良好的持力層時(shí)，宜采用坑式托換法對(duì)原有基礎(chǔ)進(jìn)行托換[3]。在條形基礎(chǔ)下設(shè)置一系列的混凝土墩，使建筑結(jié)構(gòu)的上部荷載通過條形基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換到混凝土墩，然后再由混凝土墩傳到新的持力層。混凝土墩間隔設(shè)置時(shí)，必須考慮基礎(chǔ)抗彎強(qiáng)度是否滿足。
1.2樁式托換法
（1）打入樁托換法
打入樁托換法須先在室內(nèi)安裝打樁設(shè)備，因此一般只用于凈寬和凈高達(dá)到要求的空曠的建筑物，還要確保建筑結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)榇驑稌r(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和“擠土”效應(yīng)而產(chǎn)生破壞，應(yīng)優(yōu)先選用排土較少的開口型鋼管樁。打樁機(jī)選用和樁長(zhǎng)確定需要滿足室內(nèi)凈空高度。樁打設(shè)完畢待沉降完成后，然后在樁頂澆筑與原有基礎(chǔ)上部承力柱相連接的新增承臺(tái)。
（2）樹根樁托換法
樹根樁托換法主要采用一種直徑較小的鉆孔灌注樁，其孔徑范圍一般在150-300
之間[4]。采用樹根樁進(jìn)行托換時(shí)，樹根樁穿過原建筑基礎(chǔ)伸入土中與原基礎(chǔ)一起承擔(dān)上部建筑物荷載。樹根樁為摩擦樁，其表面凹凸不平、截面形狀不規(guī)則，樁側(cè)摩阻力較大。樹根樁與地基土由于壓力灌漿而結(jié)合緊密，適用各種類型地基土且產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小。
（3）鋼管壓入樁托換法
鋼管壓入樁在基礎(chǔ)托換中使用較多[5][6]。首先在被托換基礎(chǔ)四周開挖導(dǎo)坑，然后在被托換基礎(chǔ)底部土體挖出一個(gè)可以安放千斤頂和壓入樁的缺口。將鋼管樁放入缺口內(nèi)，在樁頂安裝好鋼墊板，利用鋼墊板上的千斤頂將鋼管逐段壓入土中直到所有節(jié)段都?jí)喝?，?duì)稱抽出千斤頂，并向樁管內(nèi)注入混凝土。然后再在原有基礎(chǔ)底部支模澆筑混凝土加厚基礎(chǔ)并將鋼管樁和基礎(chǔ)連接。
（4）錨桿靜壓樁托換法
錨桿靜壓樁托換法是將鋼筋混凝土預(yù)制樁(一般為300X300mm)壓入地基土體至設(shè)計(jì)高程的托換方法。錨桿靜壓樁托換工藝把建筑物原有基礎(chǔ)改換為樁基礎(chǔ)，大大提高了承載力，可以有效地控制建筑物沉降[7][8]。錨桿靜壓樁托換技術(shù)施工具有對(duì)周圍環(huán)境影響小、設(shè)備操作簡(jiǎn)單、施工成本低，施工速度快、入樁的損耗率較低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)也具有加固時(shí)須開孔破壞原基礎(chǔ)、樁體難以穿入的地基中較硬土層等缺點(diǎn)。
2.現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件
本次研究將結(jié)合安徽中元化肥廠成品車間向下拓展地下室工程實(shí)例，安徽中元化肥廠位于安徽宿州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，地貌屬淮北平原區(qū)淺丘狀平原次級(jí)地貌單元區(qū)。地層分布如下：
（1）人工填土層（主要為粘性土），比較疏松，層厚0.7
2.1m。承載力特征值110
，混凝土預(yù)制樁側(cè)摩阻力特征值15。
（2）粉質(zhì)粘土層，可塑硬塑。層厚1.25.6m，承載力特征值170，混凝土預(yù)制樁側(cè)摩阻力特征值32。強(qiáng)度較高，厚度較大，天然地基良好持力層。
（3）粉細(xì)砂層，飽和。層厚2.94.7m，承載力特征值為190，混凝土預(yù)制樁側(cè)摩阻力特征值35。強(qiáng)度較高，厚度較大，是天然地基良好下臥層。
（4）粉質(zhì)粘土層，可塑硬塑。層厚0.95.5m。承載力特征值210，混凝土預(yù)制樁側(cè)摩阻力特征值45。強(qiáng)度較高，厚度較大，是良好下臥層。
（5）粉細(xì)砂層，飽和。層厚0.36.1m。承載力特征值為180，混凝土預(yù)制樁側(cè)摩阻力特征值46。強(qiáng)度較高，厚度較大，是良好下臥層。
（6）粉質(zhì)粘土層，可塑硬塑。該層未揭穿，最大揭露厚度38.60m。承載力特征值為220，混凝土預(yù)制樁側(cè)摩阻力特征值48。強(qiáng)度較高，厚度較大，埋藏深度適中，是比較良好的樁端持力層。
為滿足新的工藝需求，現(xiàn)公司在廠房成品車間新增地下室。廠房原基礎(chǔ)為獨(dú)立柱基框架結(jié)構(gòu)，改造完成后地下室地面標(biāo)高為-4.500m。由于該廠房車間的周圍建筑還在正常使用，且距離較近，無法使用大型施工設(shè)備施工。根據(jù)工程地質(zhì)資料可知，現(xiàn)場(chǎng)土層工程性質(zhì)良好，能夠提供較高的側(cè)摩阻力，適合采用摩擦樁施工。綜合考慮空間限制、工期長(zhǎng)短、成本投入等其他條件，決定優(yōu)先使用錨桿靜壓樁托換技術(shù)對(duì)原有柱基托換，然后進(jìn)行土方開挖修建地下室。由于是在地面以下進(jìn)行土方的開挖，必須嚴(yán)格地控制設(shè)計(jì)和施工中的各項(xiàng)要素。同時(shí)，施工過程必須進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)，以確保挖土過程中樁基礎(chǔ)與原有結(jié)構(gòu)的安全。
3.獨(dú)立柱基下地下空間拓展施工過程
廠房獨(dú)立柱基下進(jìn)行地下空間的拓展首先要對(duì)原有的獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行托換。托換完成后順次向下施工其他地下結(jié)構(gòu)部分。一般施工工藝是先對(duì)獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行拓寬加固形成剛性基礎(chǔ)，然后對(duì)獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行進(jìn)行整體樁基托換，待所有基礎(chǔ)托換完畢后采用放坡或在邊樁中間施工地下連續(xù)墻形成擋土圍護(hù)結(jié)構(gòu)，再分層開挖土體直到開挖深度達(dá)到地下室底板設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后澆筑地下室主體部分并加固圍護(hù)結(jié)構(gòu)，最后由下往上施工地下加層的其他組成部分，地下地下空間拓展施工完成。
3.1原有獨(dú)立基礎(chǔ)加固
在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工之前，需要對(duì)原有建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方面的檢測(cè)與評(píng)估，對(duì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和承載性能進(jìn)行可靠性論證。在可靠性滿足要求的前提下方可進(jìn)行后續(xù)施工。
對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行場(chǎng)地清理和圍護(hù)處理，破除原有地坪，進(jìn)行第一次土方開挖并開挖至獨(dú)立基礎(chǔ)底面標(biāo)高，目的是為錨桿靜壓樁施工做準(zhǔn)備。檢查各個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)的完好性并對(duì)有損傷的基礎(chǔ)進(jìn)行局部加固，然后對(duì)原有臺(tái)階狀獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行拓寬加厚處理如圖3-1。待其強(qiáng)度達(dá)到要求后方可進(jìn)行樁位放樣。
圖3-1 原有獨(dú)立柱基加固圖
3.2錨桿靜壓樁施工
錨桿靜壓樁將錨桿技術(shù)和靜力壓樁技術(shù)相結(jié)合，施工時(shí)采用千斤頂將預(yù)制的混凝土樁采用分段壓入的方式壓入既有建筑基礎(chǔ)中，施工前應(yīng)該將預(yù)制錨桿靜壓樁節(jié)段提前運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)并合理堆放。具體施工流程如下：
（1）樁位及錨桿位置開孔：鑒于原有基礎(chǔ)位置對(duì)開孔位置和整個(gè)壓樁過程的影響，實(shí)際施工中可對(duì)開孔位置作適當(dāng)調(diào)整，然后經(jīng)抗剪切、抗沖切以及抗彎等復(fù)核滿足要求后方可進(jìn)行開孔，施工現(xiàn)場(chǎng)開孔并埋置錨桿圖見圖3-2。
圖3-2 現(xiàn)場(chǎng)開孔圖
圖3-3 壓樁架架設(shè)圖
（2）在壓樁孔周圍埋設(shè)錨桿，安裝壓樁反力架如圖3-3。
（3）壓樁：用千斤頂利用樁架反力將預(yù)制樁逐節(jié)壓入土中，節(jié)與節(jié)之間采用焊接或硫磺膠泥連接。壓樁時(shí)務(wù)必保持壓樁架和樁段垂直，樁段軸線和千斤頂處于同一垂線，并且不得進(jìn)行偏壓。
壓樁盡量做到一次到位，中途不能停頓，若不得不停頓時(shí)，則樁尖宜停在軟弱土層且停頓時(shí)間不宜過長(zhǎng)，以避免重塑土強(qiáng)度在停歇時(shí)間內(nèi)得到恢復(fù)，從而增加了壓樁的難度。樁節(jié)段之間要垂直對(duì)接，采用焊接時(shí)須確保焊接質(zhì)量滿足要求。壓樁時(shí)要控制好壓樁速度和壓樁位置的選擇，最大限度減小擠土效應(yīng)和減小對(duì)原有地基的擾動(dòng)。
（4）封樁：本次錨桿靜壓樁在基礎(chǔ)以下埋入深度設(shè)計(jì)為15m，最后一節(jié)樁壓入設(shè)計(jì)標(biāo)高后將多余的部分截去，然后采用C30早強(qiáng)微膨脹性混凝土對(duì)其進(jìn)行封樁并與基礎(chǔ)連接為一體。
3.3二次土方開挖形成新型組合錨桿靜壓樁
所有錨桿靜壓樁壓樁施工完成后，需要等土體超孔隙水壓力消散完全后方可進(jìn)行土方的二次開挖，同時(shí)需要需對(duì)地基沉降進(jìn)行嚴(yán)格觀測(cè)。二次土方開挖時(shí)，上部加載將全部由錨桿靜壓樁來承擔(dān)，并通過錨桿靜壓樁向更深的持力層傳遞。
二次土方開挖前土體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)[9]，由于土體的側(cè)壓力影響，土方開挖施工時(shí)采用分層對(duì)稱平衡開挖法，在樁的兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行挖土并且采用相同的挖土速度。為了避免對(duì)獨(dú)立基礎(chǔ)及其毗鄰地基產(chǎn)生過大擾動(dòng)，在距離獨(dú)立基礎(chǔ)1m外采用小型機(jī)械開挖，在距離獨(dú)立基礎(chǔ)1m以內(nèi)的范圍內(nèi)采用人工開挖的方式進(jìn)行。土方開挖施工階段是結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生轉(zhuǎn)化的階段，挖土?xí)r要保證結(jié)構(gòu)安全和施工安全。盡量減小施工過程對(duì)地下水電管線和地表沉降的影響，挖土施工時(shí)嚴(yán)禁擾動(dòng)獨(dú)立基礎(chǔ)下土方體（內(nèi)圈核心土），為防止錨桿靜壓樁發(fā)生破壞或失穩(wěn)，施工時(shí)嚴(yán)禁挖土器械觸碰。
圖3-4 挖土過程圖
每層土方開挖深度為1.5m，橫向挖至錨桿靜壓樁的最外圍，如圖3-4。錨桿靜壓樁外圍土方開挖后，為了對(duì)裸露出來的錨桿靜壓樁四周進(jìn)行實(shí)時(shí)約束保護(hù)，應(yīng)該及時(shí)用鋼筋將所有錨桿靜壓樁及內(nèi)部核心土箍起來，如圖3-4。并在外圍澆筑300mm厚的混凝土外壁，以提高抗壓強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性。外圈混凝土壁澆筑完畢后形成的組合體見圖3-5，將此時(shí)形成組合體稱為新型組合錨桿靜壓樁，新型組合錨桿靜壓樁的上部結(jié)構(gòu)是由內(nèi)圈核心土、外圈混凝土壁以及中間包裹的四根錨桿靜壓樁上部樁段組合而成，將這個(gè)組合體稱為新型組合錨桿靜壓樁的上部組合體（以下簡(jiǎn)稱上部組合體），將埋入土中部分的下部錨桿靜壓樁稱為新型組合錨桿靜壓樁的樁腳（以下簡(jiǎn)稱組合樁樁腳）。
圖3-5 新型組合錨桿靜壓樁剖面圖
待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求之后，再采用同樣的施工方法進(jìn)行下一層土體的開挖并進(jìn)行下一階段組合體的澆筑，直到地下室底部設(shè)計(jì)標(biāo)高。
為了保證原有建筑在施工過程的穩(wěn)定性和以及施工時(shí)的安全，以及土方開挖過程是否會(huì)造成上部結(jié)構(gòu)的傾斜開裂或者其他過大的變形，需要對(duì)地基的沉降和以及上部結(jié)構(gòu)的位移進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。
3.4澆筑地下室混凝土
在土體分層開挖至地下室設(shè)計(jì)標(biāo)高后，受基坑工程的空間和時(shí)間效應(yīng)的影響，必須按要求立即對(duì)地下室進(jìn)行底板澆筑，先澆筑混凝土墊層，然后再施工底板防水層，最后澆筑地下室底板混凝土，同時(shí)，對(duì)新型組合錨桿靜壓樁與地基土體相接觸部分周圍進(jìn)行嵌固處理。地下室底板澆筑后效果圖見圖3-6，其中的樁體即為組合樁上部組合體部分。底板混凝土澆筑完成后，再澆筑地下室其他構(gòu)件以及連續(xù)墻體。
圖3-6 地下室底板澆筑完成后效果圖
4.組合樁上部組合體組合模量和組合重度的計(jì)算
4.1等代法計(jì)算組合樁上部組合體組合模量
圖4-1 組合樁上部組合體結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）
如圖4-1所示，土方開挖后所形成的新型組合錨桿靜壓樁樁體上部上部組合體由外圍混凝土壁（厚度為300mm）、四根錨桿靜壓樁樁體以及內(nèi)圈核心土三部分組成，屬于非均質(zhì)體。為了簡(jiǎn)化計(jì)算和方便建立模型，將其視為均質(zhì)體[11]，并提出了與原非均質(zhì)體等價(jià)的均質(zhì)體的模量（以下稱為組合模量EZP）。組合模量的大小由外圍混凝土模量、原錨桿靜壓樁樁體混凝土模量和核[10]心土模量按照一定的比例組合而成，其表達(dá)式為：
（2-1）
（2-2）
（2-3）
式中：
——組合模量，Pa/m2；
——外壁混凝土彈性模量，Pa/m2；
——錨桿靜壓樁樁體混凝土彈性模量，Pa/m2；
——內(nèi)圈核心土模量，Pa/m2；
——外壁混凝土截面積與組合體面積比；
——錨桿靜壓樁總截面積與組合體面積比；
——外壁混凝土截面積，m2；
——錨桿靜壓樁總截面積，m2；
——組合體面積，m2。
4.2等代法計(jì)算組合樁上部組合體組合重度
同理，組合體組合密度的表達(dá)式如下：
（2-4）
式中：
——組合密度，kN/m3；
——外壁混凝土密度，kN/m3；
——錨桿靜壓樁樁體混凝土密度，kN/m3；
——內(nèi)圈核心土密度，kN/m3；
外壁混凝土模量密度
取25.0kN/m3，錨桿靜壓樁樁體密度
取27.0kN/m3，核心土的密度
取18.5kN/m3。此處核心土的模量取核心土的壓縮模量。計(jì)算得到
的大小為21.18kN/m3。
5.結(jié)語
本文首先對(duì)房屋基礎(chǔ)托換技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單總結(jié)并詳細(xì)介紹了樁式托換技術(shù)的分類和相關(guān)施工技術(shù)特點(diǎn)。本章研究基于安徽中元成品車間地下室增設(shè)工程，現(xiàn)場(chǎng)土層工程性質(zhì)良好，能夠提供較高的側(cè)摩阻力，適合采用摩擦樁施工。綜合考慮空間限制、工期長(zhǎng)短、成本投入等其他條件，決定使用新型組合錨桿靜壓樁托換技術(shù)對(duì)原有柱基進(jìn)行托換，然后進(jìn)行土方開挖修建地下室。
然后本章詳細(xì)介紹了使用新型組合錨桿靜壓樁進(jìn)行廠房地下室增層施工的具體施工工藝：破除廠房原有地坪，進(jìn)行第一次土方開挖并直接開挖至獨(dú)立基礎(chǔ)底面標(biāo)高；對(duì)獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理；采用錨桿靜壓樁進(jìn)行托換；再進(jìn)行第二次土方開挖，挖土深度為1.5m，已開挖部分錨桿靜壓樁外圍澆筑混凝土形成新型組合錨桿靜壓樁的上部組合體部分。再順次分層進(jìn)行下方土體開挖，土體開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后澆筑地下室底板及其他部位混凝土，托換施工完畢。最后采用等代法計(jì)算出了組合樁上部組合體的組合模量和組合重度。
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