欢迎来到『东合南岩土』官方网站!

岩土研究院

工程实例-振密碎石桩失败的工程实例

327 2022-03-09 10:46:10

一、工程概况和地质条件

武汉某8层住宅,分东西两幢(主楼及副楼),总长约63m,宽约14m,住宅楼的平面布置如图7.43,变形数据如表7.4.3。

该住宅场地位于长江一级阶地上,后期因地质作用形成湖泊。近代由于城市建设。湖治已逐渐被充填。据勘察资料,该场地地层自上而下依次为∶

image.png

image.png

由于上部9~11m 的地层软弱,强度低,压缩性高,天然地基不能满足建筑物对地基承载力及控制沉降的要求,若采用桩基又很不经济,故决定采用挤密碎石桩进行地基加固处理。

按上部结构设计要求,采用筏片基础,地基加固面积约 1120m²,加固后地基承载力特征值达到130~150kPa,E。大于 6MPa,控制最大沉降量为30cm。

二、碎石桩设计

地基处理设计采用 φ400 干法挤密碎石桩,平均桩距1.2m,面积置换率为0.087,共布桩999根,预计桩土复合地基可满足设计要求。桩长从自然地面向下 7m.要求投石量0.25m²/m,单桩不少于1.8m²。

挤密碎石桩施工时间为1986年12月至1987年2月。施工后期发现实际投石量未达到设计投石量的要求,故责令施工人员增补 161根桩,完成总桩数 1160根。

三、加固效果检验

施工结束后,进行了桩土复合地基的静载试验。因表层填土挤密效果良好,静载结果∶复合地基承载力可满足预计的要求,达到了150kPa左右。但对填土层下的淤泥层未能进行静载检验。只进行了静力触探,结果表明;施工前后.淤泥层的强度没有明显变化。碎石桩身用重型动力触探检验,平均击数 N63.5=5~7击。结论认为,整个地基处理达到了预期目标。

四、问题的出现及补救加固措施的失败

1987年5月,上部结构施工开始,施工速度较快,1988年3月即全部竣工。施工结束时的观测表明,沉降和不均匀沉降均较大,最大沉降已达 30cm 左右,且东西两楼之间的沉降缝上部有靠拢的趋势。遗憾的是,当时对此未能引起足够的警惕,直至 1988年5月,观测报告沉降最大的主楼西北角已下沉达60cm,这时才引起重视。但因两楼之间沉降缝尚有7~8cm 的距离,认为两楼不致相撞,可不急于处理。同时因部分观测标志已破坏,施工单位沉降观测资料的可靠性值得怀疑。决定采用精密水准仪,另行设点进行观测。1988 年5月至1988 年 10 月共5次观测证明,沉降仍以0.8~0.4mm/d的较大速率延续,衰减较慢,这时也设法找到了原已破坏的观测标志。前后联测证明,施工单位的观测结果不是偏大而是偏小,下沉最多的西北角实际已下沉达 90cm 以上。当时即判断地基可能产生局部塑流。这时又根据当时武汉地区几处处理危房软弱地基的经验,选择了灌注水泥浆加固的方法。对渗透性极小的淤泥质土层采用灌水泥浆的方法,是基于劈裂灌浆而不是渗透灌浆的理论。灌浆时间为1988年 11月至1989年1 月底,共灌注水泥 20t。在建筑物西北两边基础板外缘布置灌浆点 23 个。底板挑出部分及室内钻穿底板灌浆点29个(图7.4.4),灌浆深度6~9m,灌浆压力为 300~1000kPa。事后静力触探检验,在灌浆点之间淤泥层的 p.值确有较大增长.但是灌浆期间的观测表明,沉降速率却明显增加,且沉降速率的增大与灌浆量的多少密切相关(图 7.4.5)。停止灌浆后,沉降速率迅速下降,下降至0.4mm/d左右,又恢复至灌浆前一样的缓慢衰减状态。这表明,灌注水泥浆的加固方法,即使后期可能产生某种积极效果,但施工期间的扰动破坏很大,副作用明显,使本来沉降大的一侧进一步加剧下沉,得不偿失。图7.4.5中 a-a 线以上沉降速率曲线的包络面积代表灌浆引起的附加沉降,约为28mm,由此引起的主楼向北倾斜量增加约1.8%。

image.png

截止1989年4月的观测结果表明;主楼最大沉降已达 1015.9mm.副楼最大沉降约为670mm,最大沉降差约为370mm,墙体的最大倾斜已达 16.3%。各观测点的沉降值虽然渐趋均匀,但沉降速率仍保持在0.2~0.3mmn/d左右。在此情况下,房屋不能验收。不能交付使用,构成了严重的工程质量事故。

五、工程失误的原因分析

在事后的工程总结中,认为该工程的失误有以下主要原因;

(1)地基处理技术上失误。对该场地软土的低强度和高压缩性以及一定程度的欠固结估计不足。在承载力特征值仅 50kPa左右的厚层淤泥中采用挤密碎石桩,扰动破坏的副作用很大,在挤密施工过程中会产生高孔隙水压力及淤泥层结构强度的破坏,只有经过相当长时间的孔压消散和结构强度的恢复过程,十的强度才能在原有基础上缓慢增长.很难适应快速施工加载的条件。该工程地基处理后对表层填土复合地基的处理效果过于乐观,而对下卧淤泥层的强度不足却未予重视。下卧层强度验算时,采用了地基承载力 f,值,且又未能有效地控制变形,碎石桩未能穿透全部淤泥及淤泥质土层,桩端正好处于最软弱的层位之上,因此有发生向下刺人破坏的可能。建筑物的沉降之所以大大超过预计值。下卧层强度低、安全储备不足是其中的主要原因。

(2)施工质量低劣。碎石桩施工人员重进度,忽视质量,投石量严重不足。据粗略估计,只有设计投石量的1/2~2/3,虽经补桩亦无济于事,这样更加剧了处理技术失误的严重后果,留下了难以弥补的隐患。

(3)上部结构施工期间,未进行建筑物的变形观测,因此,未能及早发现问题和引起重视,也就不可能及早地采取施工控制措施或补救办法。

该住宅楼东西两部分没有按正常规律相向倾斜,而是分别向西、向北倾斜,这种现象从地层及荷载分布上不能做出解释。具有某种偶然性。有可能与施工加载顺序有关。我们知道。在十分软弱的地基上,建筑物一旦产生某一方向的初始倾斜,就会出现倾斜→荷载偏心→继续倾斜的恶性循环而难以自行恢复。若能在施工过程中及时发现,采取措施调整加载方位或控制施工速度,不均匀沉降与倾斜或许有可能得到纠正或减轻。

(4)事后采取劈裂灌浆的办法,效果不佳,反而引起了沉降和倾斜的加剧,这是继地基处理失误之后的又一次失策。除该工程之外,武汉地区还有若干幢房屋有类似的情况。这些工程实践证明,今后对淤泥层采用劈裂灌浆法应该持十分谨慎的态度,特别是对已建房屋的软粘性土地基加固,不宜采用这种方法。六、工程的进一步处理(一)处理前对地基状况的分析

1989年4 月,进行了补充勘察。这次勘察除采取原状土样进行常规物理性质试验项目外,加做了原位十字板 c.无侧限抗压强度 y。室内扭剪 c.、不排水剪切模量 G.、固结系数C,次固结系数 C。等项目的试验。根据勘察成果,对该建筑物地基现状、稳定程度和沉降发展趋势做出了较详细的分析研究。

1.地基土质状况

补充勘察着重了解对整个地基起决定性作用的上部软弱地层——淤泥及淤泥质土层的情况。室内测试得出的几项代表性指标∶含水量 w、孔隙比e及不排水剪抗剪强度c.值随深度的变化示于图7.4.6。

图7.4.6 显示的规律是∶

(1)含水量 vo 与孔隙比e在 7m 以上是随深度渐增的,7rn 以下则是随深度渐减的,深度7~8m之间是含水量与孔隙比最高处,即土质最软弱的一段。这一段正好是在淤泥层的中部,显然与排水固结条件(主要是路径长短)有关。

(2)比较建筑物荷载施加前后,可以看出加载后含水量,孔隙比减小的趋势。前后比较。含水量比加荷前平均减少4%;孔隙比平均减少0.100,这样的变化量与所施加的应力水平及土的压缩性指标大体相适应。另外7~8m的土质在加荷前后的变化似乎更为明显.该土层含水量减少达4%一10%.孔隙比减少0.100~0.200;这说明,在建筑物荷载作用下。淤泥层经过碎石桩排水固结,强度已有一定的增长。

image.png

image.png

image.png

image.png

(二)处理方案(应力解除法纠偏)

根据上述分析计算,认为到1989年4月,该建筑物地基已渡过最不利时期,地基的稳定状况是好的,预计以后的沉降量不大,所以没有必要对地基再次进行加固处理;如果对沉降较大的一侧再次进行处理。如打柱、压桩,都难以避免施工扰动破坏。重蹈第一次处理得不偿失的复辙。当前存在的主要问题是房屋的倾斜值超限,必须进行纠偏才能保证结构的安全;但是用什么方法才能达到纠偏目的而又不致影响建筑物的安全,当时没有经验也缺乏成功的先例可供借鉴。1989 年 3 月武汉水利电力学院刘祖德教授针对武汉地区发现的几十幢倾斜房屋急待处理的现实问题,首先提出了"应力解除法"的设想,以该工程处理作为应力解除法的第一个试验点。

地基应力解除法的指导思想是严格保护沉降较大一侧的地基土,使其不受扰动。而使沉降较小的一侧的地基土按计划、有控制地在一定深度、一定时间通过所布设的应力解除孔排,掏出一定数量的地基土,以最终达到建筑物纠偏的目的。

"应力解除"的涵义可概括为"五解除、二均化"。"五解除"是∶

(1)应力解除孔边缘的土中发生应力调整。孔周土中应力解除,切向应力反而集中、孔间土面积削弱,沿孔排轴上法向应力增加,有利于较大范围内的地基土侧移。

(2)解除沿孔身总的竖向抗剪阻力,有利于孔排轴线两侧产生竖向错移。

(3)重点解除深部软弱土层中靠沉降较小一侧的侧向应力,便于挤淤和自然运土。

(4)使沉降较大一侧基底应力局部解除,使该处处于卸载回弹状态。

(5)由于两侧土的应力解除,使中心部位竖向应力短暂提高。沿水平方向由中心向四周的竖向应力梯度 da./dx 增加,出现"翘翘板"效应,"翘翘板"支点处应力σ。达到新的平衡后,再掏土,再解除,循环直至纠偏告成。在此过程中,土层的变形和位移都能较温和地产生,有利于建筑物结构的安全。

"二均化"是指∶

(1)地基土变形模量均化。沉降较小一侧的地基土在应力解除过程中必然产生一定的剪切变形e,其切线变形模量 E,必然比其初始切线模量 E;有所降低,并较为接近较硬一侧地基土的模量值。

(2)基底压力均化。促使软侧出现良性循环卸载。

(三)纠偏方案的实施与效果

该工程纠偏于1989年5月19 日开工,按计划分两个阶段进行,即先纠副楼再纠主楼。但自副楼纠偏以来,主楼得到了比预期还好的纠偏效果,故主楼纠偏历时不长。主、副楼共钻孔.

23个,孔径 400mm,孔深根据地质条件定为10m左右,孔距自副楼东南角处 1m起始按级差为0.2m 的等差级数沿外墙两边递增,钻孔紧挨底板外缘。纠偏钻孔布置如图7.4.8。为促使基底下深部软土向孔中挤出,曾选副楼周围部分钻孔做短时间抽水,抽水时主副楼间沉降中有灰渣下落,说明沉降缝明显脱开,纠偏效果十分显著。全部钻孔于7月 29 日停止抽水和掏土,8月 10日封孔完毕。纠偏总的成果列于表7.4.4。副楼纠偏过程中的四角沉降变化及底板倾斜变化如图7.4.9。

image.png

image.png

由表7.4.4可知,经纠偏后,无论是南北向还是东西向,纠偏量都是较大的,尤其是原来倾斜度最大的副楼南北向.其纠偏量已经过半。纠偏完工时所列墙体倾斜平均值仍然略微超过7%。其原因是耽心纠偏完工后。南侧高的沉降速率不可能立即衰减、如纠偏不稍提前终止,很可能出现矫枉过正。纠偏过程及以后的频繁监测证明∶①纠偏使楼房四角的高差发生明显的变化,其最大纠偏量为副楼的南北向,达66.9mm,但墙根测点的高程变化与屋顶测点的高程变化相符,说明墙身并未产生竖向的压缩与拉伸,在纠偏全过程中,副楼和主楼四角线上两对沉降值之和都是对等的,表明基底面始终保持在一个平面上,无新增挠曲,即没有因纠偏而损伤上部结构,所以也不致产生底板和上部结构新的应力问题。这说明用该法纠偏能确保上部结构的安全。②凡是在 s-t曲线上曲率有变化的部位,必定反映有相应的掏土或抽水过程的存在。如在东南角诸钻孔中掏土,该角点上设的沉降观测点 C。立即产生较大沉降,而与其对角的观测点 C4往往会产生微量上抬现象或沉降极为微小,这说明使用该法纠偏能够按预定要求进行控制。③C。和 C;点分别是副楼、主楼原沉降最大点,在纠偏过程中此两点的s-t 曲线曲率(即沉降速率)基本保持不变,说明用地基应力解除法进行建筑物的纠偏确实能严格保持沉降最大一侧的地基土不受扰动。④纠偏结束后,沉降速率衰减较快,各部位沉降速率渐趋均匀,沉降的发展趋势基本符合事先的估计,从而消除了纠偏后倾斜是否再度加剧,沉降是否再度增加的忧虑,表明了这次纠偏的实践取得了较圆满的成功。

该工程经上述处理后于1989年9月通过验收,投入使用。除要求在使用期间继续做长期监测之外,事故处理已告结束。

(四)应力解除法纠偏的进一步实践

继该工程纠偏处理后,中南勘察设计院采用地基应力解除法又接连处理了 10幢倾斜楼房,楼房高度6~9层,纠偏前的倾斜率一般为10‰~20‰o,纠偏后降低至1‰~5%,虽然地基条件不一,建筑物体型各异,但均在较短时间内收到了预期的效果。

每一幢楼房的纠偏过程都是一次严肃而又艰苦的实践。同时又是一次经验总结上升到理论的飞跃,因此应力解除法在一定的地基土条件下是值得推荐的有效方法。它的突出优点是费用省、时间短、施工文明、对环境于扰少,并可在住房不迁出的情况下进行工作;但是也还有一系列理论和实践方面的问题需要进一步研究和探讨,使这一方法日臻成熟和完善。