随着建筑行业的日益发展,越来越多的工程质量问题随之产生,其中建筑物的地基基础占很大一部分 ^[1],包括建筑物地基的不均匀沉降、建筑物的整体滑移等,应选取合理有效的纠倾与加固手段处理地基基础。高层建筑桩基础的加固纠偏中典型的工程实例有截桩技术纠倾昆明某大厦 ^[2],截桩迫降法结合锚索加压调控纠倾西宁市盐湖小区高层商住楼 ^[3]等。本文主要介绍桩基础纠倾加固方法中改变桩基础形式对整体结构沉降及承担荷载水平的控制,并对每步基础形式的转换进行有限元模拟。研究探讨基础形式转换下的基础承载能力评估、加固补桩方法及纠倾平衡荷载传递作用。

　　 某高层住宅楼位于沈阳市,该建筑结构形式采用现浇剪力墙及现浇钢筋混凝土楼(屋)盖结构体系,地下1层、地上24层,高70.3m。东西向长46m,南北向宽17.9m;采用人工挖孔桩基础,上部承台高1.00m,人工挖孔桩总桩数为84根,设计桩径0.8m,扩底直径0.95～1.2m,桩长7.2～7.5m,椭圆直线段最大长度为2.9m;建筑物平面及沉降监测位置如图1所示。复测该建筑时发现建筑向南侧的倾斜明显,西南侧角的最大倾斜达230mm,最大倾斜率为3.27‰,依据规范垂直度允许范围为总高的2.5‰,垂直度偏差不满足规范要求 ^[4],需及时采取纠倾措施。

　　 该高层建筑地基土从上到下依次为:(1)人工填土素填土,杂色,主要由黏性土组成,稍湿且结构松散,未完成自重固结,厚6.20～12.30m;(2)粗砂砾黄褐色,石英、长石质组成,均粒结构,级配一般,厚0.50～2.10m,承载力特征值为380kPa;(3)圆砾黄褐色,由结晶岩组成,亚圆形,岩质坚硬,混粒结构,充填中粗砂,厚11.80～17.90m,承载力特征值为600kPa。

　　 综合实际情况,采用转换桩基础形式与桩端卸荷相结合的方案。即一方面增补新桩阻止建筑物进一步沉降;另一方面通过桩端卸荷法对建筑进行回倾,最终将原桩承台基础转换为桩筏基础,进一步达到补强加固结构的目的。具体方案为:先在建筑物南侧布置新增止倾桩,同时北侧布置新增保护桩,新增桩施工完成后,在新旧桩基承台间设置连梁,将所有承台连为一体,同时将南侧止倾桩与新增承台梁间做支撑,防止纠倾过程中增大建筑物南侧沉降。北侧保护桩与新增承台梁间预留迫降量,等进一步加剧建筑回倾满足规范要求后,及时对保护桩与止倾桩进行封桩。结合现场地质情况与工程概况,新增桩选用人工挖孔灌注桩,单桩承载力特征值≥2 000kN。新增桩位的平面布置依次用数字标出,如图2所示。桩-梁基础的平面布置如图3所示,图中阴影部分表示新增梁,梁下为新增桩,承台下方为原桩基。

　　 结合现场建筑物沉降量与基础承载力的计算,采用桩端卸荷法对沉降量较小一侧进行回倾,原桩基础的卸荷共分3个批次进行,各批次卸荷位置如图4所示。卸荷过程中观察沉降量及沉降速率,当沉降速率有明显增大趋势时,停止卸荷并实时监测沉降数据,调整卸荷程度,确保方案的有效安全实施,并提前留出纠偏设计值的1/10,防止纠倾完成后出现过倾现象。纠倾完成后,将桩-梁基础浇筑为桩筏基础,进一步平衡各桩间的受力并控制建筑物沉降。最后采用高压注浆补强被扰动过的桩端,恢复原桩承载力。

　　 由于建筑物平面布置左右对称,故对该建筑取半对称模型,根据面积等效原则,将群桩设置成矩形,既满足工程计算精度,又加快收敛速度。本模型计算范围为50m×40m×14m,水平方向为基础宽度的2倍,垂直方向取桩长的2倍。地基土体的右侧边界为对称约束,对其他3个侧面及底部的边界均设置固定约束。模型上部结构及基础与土体均设置为C3D8R(三维八结点单元)。分别对各部件进行网格划分再统一装配,模型整体的网格划分如图5所示。

　　 将上部结构及桩基础均假定为均质线弹性体,地基土变形较大,采用弹塑性模型,地基土的屈服准则定义为剪切破坏准则,采用莫尔-库仑模型 ^[5]。对土体进行分层,桩侧土体主要由素填土组成,桩端持力层为圆砾。桩基础与地基土的接触属性采用库仑摩擦模型,桩端与土体、承台、承台梁、筏板与下表面土体的法线方向接触均设置为硬接触。模型各部分物理参数如表1所示。

　　 本次数值模拟主要研究基础形式的改变在高层建筑纠倾加固中起到的作用及机理,包括初始分析步在内共设置5个分析步。将初始分析步导入计算得到的odb文件,并平衡初始应力步骤如下:施加上部住宅楼的自重荷载→激活南侧新增止倾桩单元→激活基础梁单元,并使南侧新增阻沉桩与基础梁相互绑定在一起→激活北侧新增保护桩单元→转换基础形式为桩筏基础,即激活其他填充部位,使整体连成筏板。

　　 通过ABAQUS模拟得出的桩-梁基础与新增保护桩连接至筏板施工完成后,监测点单日沉降数据与实际施工过程中的单日沉降数据进行对比,选取图1中监测点5,6为代表进行分析,沉降对比如图6所示。

　　 对比2组曲线可以看出,模拟过程中上部结构竖向位移随时间的变化较监测值趋于稳定,未出现个别时间点上下波动的情况,由于数值计算时采用较理想化的本构模型,与实际工程监测所得结果有部分偏差,但基础形式转换过程中沉降的整体趋势及不同阶段的沉降速率都与实测值有相对应增长,整体来看利用ABAQUS对模型进行模拟可反映该建筑在纠倾加固过程中的沉降变化 ^[6]。

　　 由图6可知,基础梁扩展完成并与新增桩连接阶段,建筑整体沉降随时间逐渐减小,这是由于新增桩与承台梁连接后发挥作用,使结构更加稳定,北侧沉降较南侧稍大,平均沉降速率为0.36mm/d;筏板施工阶段起始时受施工影响较大,结构单日沉降量有增大趋势,但随着施工的完成沉降速率逐渐趋于稳定,较桩-梁基础阶段沉降速率更小,经过一段时间的监测,5,6号监测点日平均沉降量稳定在0.05,0.02mm。

　　 从基础梁的最大主应力图中可以看出,基础梁与新增桩连接在一起后,基础梁中间位置所受竖向压应力较大,而位于南北两侧的基础梁最大主应力较小,局部出现较大拉应力,但最大拉应力为0.15MPa,小于混凝土极限抗拉强度,即中间的梁所受应力较大,基础梁整体仍处于安全状态。待筏板浇筑完成后,从筏板变形图可以看出,筏板沉降呈凹字形分布,即中间部位沉降较大而边缘部位沉降较小。整体来看,筏板的横向与纵向弯矩均呈边缘位置小、中间位置大的分布特征,这是由于筏板中间位置变形较大,弯曲较严重所致。从局部位置来看,筏板与各桩连接处的弯矩具有明显的凹陷,且同一位置处的东西向弯矩比南北向弯矩大,一方面说明东西向的差异变形相对较大,产生的阻抗弯矩相对较高,另一方面也说明桩基对筏板具有应力及变形的调节作用。

　　 从地基土竖向应力图的x,y截面随时间变化可以看出,起始状态下,桩端所在位置地基土竖向应力较大且梯度明显,但部分桩端处土应力较小,该现象多出现在基础中间位置且相邻桩间地基土发挥承载能力较小。激活梁单元后,基础形式由桩-承台基础改为桩-梁基础,可以看到应力分布集中在桩端位置,且桩间土较之前阶段也有所增大,说明基础形式发生改变后,地基土应力在原有基础上进行调整。将原来较独立的承台连接在一起,平衡各关联桩间的承载力,不同位置的沉降逐渐趋于稳定。布置完止倾桩与保护桩后,地基土最大应力有所减小,地基土体应力分布更合理均匀,边缘处由局部应力较大变为整体应力趋近平衡。浇筑完筏板后,由于筏板的架越作用及桩端荷载传递特点,筏板边缘区域地基土应力梯度变化相对明显,土体竖向应力场较上阶段更均衡对称,可以得出,随着基础形式的改变,地基土受力越来越合理,桩基础的承载性能有进一步的发挥。

　　 基础形式转变的加固设计中,上部建筑的质量由桩传递至地基土上,承台梁和筏板的作用主要是传递上部荷载,平衡各桩间的协同受力。从各阶段桩体最大主应力图中可以看出,初始桩承台基础中,承台连接的单桩较由承台连接的多桩相比桩端所受应力更大,且单桩承台结构多集中在北侧边缘及角点位置,对比多桩承台结构,基础中间位置的桩身应力较其他位置小,说明对以靠北位置为主的边缘桩体进行加固尤为重要。激活梁单元后,可以看出?轴与?轴中间位置两横向桩基产生明显的应力变化,由之前桩端最大应力值780kPa增大至1.4MPa,因为扩展承台梁过程中,该轴向位置的上部荷载由梁传递给这2处桩体,较上阶段大大增加该处桩基的受力范围,故施工过程中应及时加固处理该轴向位置处的桩,以防超出桩体的极限承载力,发生桩体破坏现象。激活止倾桩与保护桩后,在上部结构与基础梁和新增桩体的整体调整下,各桩体间的应力分布逐渐趋向均匀,沿承台梁方向与基础边缘位置的新增桩发挥较大作用,一定程度上减轻原桩基的最大主应力,释放单独桩承台结构对地基土的较大压力,不同阶段下局部桩端平均应力如表2所示,通过对比可以看出激活新增保护桩后,北侧角桩较之前减载约28.7%,边桩位置平均减载约23.5%,另外之前个别危险桩体在承台梁的协同作用下分散承载力至相邻新增桩,进一步稳定结构重心。筏板浇筑完成后,基础应力进一步调整,基础整体应力大小由北侧向中间位置有一定程度的转移,各桩体受力较均匀,没有出现个别桩端压应力特别大的情况,表明基础形式转换过程中,在承台梁与筏板作用下,桩与桩间实现荷载的再分配,在筏板与桩的共同作用下协调桩土间应力的改变。

　　 由上述分析可知,无论是在扩展承台梁还是浇筑筏板的过程中,桩基受力均呈角桩端阻最大、边桩次之、内部桩最小的特点,与线弹性理论分析结果的总趋势一致。之所以形成这种圆弧形的端阻力分布,是因为群桩中各桩引起的地基土应力叠加,导致中间位置的桩端平面附加应力偏大,有更大的沉降趋势,但在基础梁或筏板约束作用下,迫使各位置的桩端沉降趋向一致,使基础传递的荷载呈发散形向周围角桩与边桩转移,导致角桩与边桩的桩端阻力大于内部桩。同时由于基础梁的平衡传递作用,沿基础梁方向增设桩体,一方面可有效分担相邻桩体的端阻力,另一方面也为稳定上部结构的重心起作用。所以从加固整体结构角度出发,为控制各桩反力一致,减少角桩和边桩的反力与内部桩间差异,在新增桩上以内疏外密的布局作为补桩方法可达到纠倾加固目的。

　　 1)采用转换基础形式的方法,对桩承台基础进行加固,可协同各桩间的受力,实现荷载的再分配。

　　 2)增设基础梁会对同一轴线方向上的桩体产生较大影响,应及时验算桩体承载力并进行加固处理。

　　 3)可采用外密内疏的方法对基础进行补桩加固设计,应重点补桩基础边缘位置。