一、概述 既有建(构)筑物地基加固与基础托换主要从三方面考虑:一是通过将原基础加宽,减 小作用在地基土上的接触压力虽然地基土强度和压缩性没有改变但单位面积上荷载减小地基土中附加应力水平减小,可使原地基满足建筑物对地基承载力和变形的要求。或者通过基础加深,虽未改变作用在地基土上的接触应力,但由于基础埋深加大,一者使基础置入较深的好土层,再者加大埋深,地基承载力通过深度修正也有所增加。二是通过地基处理改良地基土体或改良部分地基土体,提高地基土体抗剪强度、改善压缩性,以满足建筑物对地基承载力和变形的要求,常用如高压喷射注浆、压力注浆以及化学加固、排水固结、压密、挤密等技术。三是在地基中设置墩基础或桩基础等竖向增强体,通过复合地基作用来满足建筑物对地基承载力和变形的要求,常用锚杆静压桩、树根桩或高压旋喷注浆等加固技术。有时可将上述几种技术综合应用。
一、概述
二、基础加宽、加深技术
1.1、基础加大后刚性基础应满足混凝土刚性角要求,柔性基础应满足抗弯要求；
1.2、为使新旧基础牢固联结,在灌注混凝土前应将原基础凿毛并刷洗干净,再涂一层高
标号水泥砂浆,沿基础高度每隔一定距离应设置锚固钢筋;也可在脚或圈梁钻孔穿钢筋再用环氧树脂填满.穿孔钢筋须与加固筋焊牢;
1.3、对加套的混凝土或钢筋混凝土的加宽部分、其地基上应铺设的垫料及其厚度,应与原基础垫层的材料及厚度相同,使加套后的基础与原基础的基底标高和应力扩散条件相同和变形协调;
1.4、对条形基础应按长度15-20m划分成许多单独区段,分别进行分批、分段、间隔
施工,决不能在基础全长挖成连续的坑槽和使全长上地基土暴露过久,以免导致地基土浸泡软化。使基础随之产生很大的不均匀沉降。
1.5、当原基础承受中心荷载时,可采用双面加宽;当原基础承受偏心荷载,或受相邻建筑基础条件限制,或为沉降缝处的基础,或为了不影响室内正常使用时,可在单面加宽原基
础;亦可将柔性基础改为刚性基础;也可将条形基础扩大成片筏基础。
2、若根据验算原地基承载力和变形不能满足规范要求时除了可采用基础加宽的托换方法外,尚可将基础落深在较好的新持力层上的坑式托换加固方法,也称为墩式托换。坑式托换基础施工步骤
2.1、在贴近被托换的基础侧面,由人工开挖一个长x宽为12m×09m的竖向导坑,并挖到比原有基础底面下再深15m处；
2.2、再将导坑横向扩展到直接的基础下面,并继续在基础下面开挖到所要求的持力层标高；
2.3、采用现浇混凝土浇筑已被开挖出来的基础下的挖坑体积形成墩子。但在离原有基础底面8cm处停止浇注,养护一天后,再将11干硬性水泥砂浆放进8m的空隙内,充分捣实成填充层；
2.4、用同样步骤,再分段分批的挖坑和修筑墩子,直至全部托换基础的工作完成为止。
三、锚杆静压桩技术
1、锚杆静压桩是锚杆和静力压桩两项技术巧妙结合而形成的一种桩基施工新工艺,它是对需进行地基基础加固的既有建筑物基础上按设计开凿压桩孔和锚杆孔,用粘结剂埋好锚杆,然后安装压桩架与建筑物基础连为一体,并利用既有建筑物自重作反力,用千斤顶将预制桩段压人土中,桩段间用硫磺胶泥或焊接连接。当压桩力或压人深度达到设计要求后,将桩与基础用微膨胀混凝土浇注在一起,桩即可受力从而达到提高地基承载力和控制沉降的目的。
2、锚杆静压桩施工机具简单。施工作业面小,施工方便灵活、技术可靠,效果明显,施工时无振动,无污染,对原有建筑物里生活或生产秩序影响小。锚杆静压桩适用范围广,可适用于粘性土、淤泥质土、杂填土、粉土、黄土等地基。锚杆静压桩技术除应用于已有建筑物地基加固外,也应用于新建建(构)筑物基础工程在闹市区旧城改造中,限于周围交通条件难以运进打桩设备,或施工场所很窄,打桩施工作面不够时,可采用锚杆静压桩技术进行桩基施工。在施工设备短缺地区,无打桩设备,也可用锚杆静压桩技术进行桩基施工。对于新建建筑物,在基础施工时可按设计预留压桩孔和预埋锚杆,待上部结构施工至3~4层时,再利用建筑物自重作为压桩反力开始压桩。
3、锚杆静压桩的压桩施工应遵循下述各点
3.1、根据压桩力大小选定压桩设备及锚杆直径,对触变性土(粘性土),压桩力可取1.3～1.5倍的单桩容许承载力,对非触变性土(砂土),压桩力可取2倍的单桩容许承载力。
3.2、压桩架要保持垂直,应均衡拧紧锚固螺栓的螺帽,在压桩施工过程中,应随时拧紧松动的螺帽；
3.3、桩段就位必须保持垂直,不得偏压。当压桩力较大时,桩顶应垫3-4cm厚的麻袋其上垫钢板再进行压桩,防止桩顶压碎；
3.4、压桩施工时不宜数台压桩机同时在一个独立柱基上施工。施工期间,压桩力总和不得超过既有建筑物的自重,以防止基础上抬造成结构破坏；
3.5、压桩施工不得中途停顿,应一次到位。如不得已必须中途停顿时,桩尖应停留在软弱土层中,且停歇时间不宜超过24小时；
3.6、采用硫磺胶泥接桩时,上节桩就位后应将插筋插人插筋孔内,检查重合无误,间隙均匀后,将上节桩吊起10cm,装上硫磺胶泥夹箍,浇注硫磺胶泥,并立即将上节桩保持垂直放下,接头侧面应平整光滑,上下桩面应充分粘结,待接桩中的硫磺胶泥固化后(一般气温下,经五分钟硫磺胶泥即可固化),才能开始继续压桩施工。当环境温度低于5℃时,应对插筋和插筋孔作表面加温处理；
3.7、熬制硫磺胶泥的温度应严格控制在140-145℃范围内,浇注时温度不得低140℃；
3.8、采用焊接桩时,应清除表面铁锈,进行满焊确保质量；
3.9、桩与基础的连接(即封桩)是整个压桩施工中的关键工序之一,必须认真进行;
3.10、压桩施工的控制标准,应以设计最终压桩力为主,桩入土深度为辅加以控制。
4、树根桩技术
1、桩式托换
桩式托换是包括所有采用桩的型式进行托换的方法总称,因而内容十分广泛,主要介绍坑式静压桩和预压桩。
(1)坑式静压桩
坑式静压桩(亦称压人桩或顶承静压桩)是在已开挖的基础下托换坑内,利用建筑物上部结构自重作支承反力,用千斤顶将预制好的钢管桩或钢筋混凝土桩段接长后逐段压人土中的托换方法。
坑式静压桩亦是将千斤顶的顶升原理和静压桩技术融为一体的托换技术新方法。
坑式静压桩适用于淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、湿陷性土和人工填土,且有埋深较浅的硬持力层。当地基土中含有较多的大块石、坚硬粘性土或密实的砂土夹层时,由于桩压人时难度较大,则应根据现场试验确定其适用与否。
坑式静压桩的施工步骤:
1)先在贴近被托换既有建筑物的一侧,开挖一个长×宽约15m×1.0m的竖向导坑,直挖到比原有基础底面下再深15m处;
2)再将竖向导坑朝横向扩展到基础梁、承台梁或基础板下,垂直开挖长×宽×深约为0.8m×0.5m×1.8m的托换坑;
3)将桩用千斤顶逐节压入土中、直至桩端到达设计深度或桩阻力满足设计要求为止;
4)通过封顶和回填,将桩与既有基础梁浇灌在一起,形成整体连接以承受荷载。对于采用钢筋混凝土的静压桩,封顶和回填应同时进行,或先回填后封顶,即从坑底每层回填夯实至一定深度后,再支模在桩周围浇灌混凝土;对于钢管桩,一般不需在桩顶包混凝土,只需用素土或灰土回填夯实到顶;回填时通常在封顶混凝土里掺加膨胀剂或预留空隙后填实的方法(在离原有基础底面80mm处停止浇筑待养护一天后,再将1:1的干硬水泥砂浆塞进80mm的空隙内,用铁锤锤击短木,使在填塞位置的砂浆得到充分捣实成为密实的填充层)
(2)预压桩
预压桩的设计思路是针对坑式静压桩的施工存在局限而予以改进的。亦即预压桩能阻止坑式静压桩施工中在撤出千斤顶时压入桩的回弹阻止压入桩回弹的方法是在撤出千斤顶之前,在被顶压的桩顶与基础底面之间加进一个楔紧的工字钢。
预压桩的施工方法,其前阶段施工与坑式静压桩施工完全相同。即当钢管桩(或预制钢筋混凝土桩)达到要求的设计深度、如果是钢管桩管内要灌注混凝土,则需待混凝土结硬后才能进行预压工作。一般要用两个并排设置的液压千斤顶放在基础底和钢管桩顶面间。两个千斤顶间要有足够的空位,以便将来安放楔紧的工字钢钢柱,两个液压千斤顶可由小液压泵手摇驱动。荷载应施加到桩的设计荷载的150%为止。在荷载保持不变的情况下(一小时内沉降不增加才被认为是稳定的).然后截取一段工字钢竖放在两个千斤顶之间,再将铁锤打紧钢楔,实践经验证明,只要转移10%-15%的荷载,就可有效地对桩进行预压,并阻止了压人桩的回弹,此时千斤顶已停止工作,并可将其撤出。然后用干填法或在压力不大的情况下将混凝土灌注到基础底面,最后将桩顶与工字钢柱用混凝土包起来,此时预压桩施工才告结束。
(1)概述
灌浆法是指利用液压、气压或电化学原理,通过注浆管把浆液均匀地注入地层中,浆液以填充、渗透和挤密等方式,赶走土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气后占据其位置,经人工控制一定时间后,浆液将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体,形成一个结构新、强度大、防水性能好和化学稳定性良好的“结石体”。
灌浆法在我国煤炭、冶金、水电、建筑、交通和铁道等部门都进行了广泛使用.并取得了良好的效果。其加固目的有以下几方面：
1)增加地基土的不透水性。防止流砂、钢板桩渗水、坝基漏水和隧道开挖时涌水,以及改善地下工程的开挖条件；
2)防止桥墩和边坡护岸的冲刷
3)整治坍方滑坡,处理路基病害
4)提高地基土的承载力,减少地基的沉降和不均匀沉降
5)进行托换技术,对古建筑的地基加固。
(2)加固机理
1)浆液材料
灌浆加固离不开浆材,而浆材品种和性能的好坏,又直接关系着灌浆工程的成败、质量和造价,因而灌浆工程界历来对灌浆材料的研究和发展极为重视。现在可用的浆材越来越多尤其在我国,浆材性能和应用问题的研究比较系统和深入,有些浆材通过改性使其缺点消除后,正朝理想浆材的方向演变。
灌浆工程中所用的浆液是由主剂(原材料)、溶剂(水或其它溶剂)及各种外加剂混合而成。通常所提的灌浆材料是指浆液中所用的主剂。外加剂可根据在浆液中所起的作用,分为固化剂、催化剂、速凝剂、缓凝剂和悬浮剂等。
a.浆液材料分类浆液材料分类的方法很多,如:按浆液所处状态,可分为真溶液、悬浮液和乳化液;按工艺性质,可分为单浆液和双浆液;按主剂性质,可分为无机系和有机系
b.浆液性质灌浆材料的主要性质包括:分散度、沉淀析水性、凝结性、热学性、收缩性、结石强度、渗透性和耐久性。
(a)材料的分散度分散度是影响可灌性的主要因素,一般分散度越高,可灌性就越好。分散度还将影响浆液的一系列物理力学性质。
(b)沉淀析水性在浆液搅拌过程中,水泥颗粒处于分散和悬浮于水中的状态,但当浆液制成和停止搅拌时,除非浆液极为浓稠,否则水泥颗粒将在重力作用下沉淀,并使水向浆液顶端上升。
沉淀析水性是影响灌浆质量的有害因素。浆液水灰比是影响析水性的主要因素,研究证明,当水灰比为10时、水泥浆的最终析水率可高达20%
(c)凝结性浆液的凝结过程被分为两个阶段:初期阶段.浆液的流动性减少到不可泵送的程度;第二阶段,凝结后的浆液随时间而逐渐硬化。研究证明,水泥浆的初凝时间一般变化在2~4h,粘土水泥浆则更慢。由于水泥微粒内核的水化过程非常缓慢,故水泥结石强度的增长将延续几十年；
(d)热学性由于水化热引起的浆液温度主要取决于水泥类型、细度、水泥含量、灌注温度和绝热条件等因素。例如,当水泥的比表面积由250m/kg增至40m/kg时,水化热的发展速度将提高约60%。
当大体积灌浆工程需要控制浆温时,可采用低热水泥、低水泥含量及降低拌和水温度等措施。当采用粘土水泥浆灌注时,一般不存在水化热问题。
(e)收缩性 浆液及结石的收缩性主要受环境条件的影响。潮湿养护的浆液只要长期维持其潮湿条件,不仅不会收缩还可能随时间而略有膨胀。反之、干燥养护的浆液或潮湿养护后又使其处于干燥环境中,就可能发生收缩。一旦发生收缩,就将在灌浆体中形成微细裂隙使浆液效果降低,因而在灌浆设计中应采取防御措施；
(f)结石强度影响结石强度的因素主要包括:浆液的起始水灰比、结石的孔隙率、水泥的品种及掺合料等,其中以浆液浓度最为重要。
(g)渗透性 与结石的强度一样,结石的渗透性也与浆液起始水灰比、水泥含量及养护龄期等一系列因素有关,不论纯水泥浆还是粘土水泥浆,其渗透性都很小；
(h)耐久性 水泥结石在正常条件下是耐久的,但若灌浆体长期受水压力作用,则可能使结石破坏。
c.浆液材料选择要求
(a)浆液应是真溶液而不是悬浊液。桨液粘度低,流动性好,能进入细小裂隙；
(b)浆液凝胶时间可从几秒至几小时范围内随意调节,并能准确地控制,浆液一经发生凝胶就在瞬间完成。
(c)浆液的稳定性好。在常温常压下,长期存放不改变性质,不发生任何化学反应
(d)浆液无毒无臭。对环境不污染,对人体无害,属非易爆物品。
(e)浆液应对注浆设备、管路、混凝土结构物、橡胶制品等无腐蚀性,并容易清洗。
(f)浆液固化时无收缩现象,固化后与岩石、混凝土等有一定粘接性。
(g)浆液结石体有一定抗压和抗拉强度,不龟裂,抗滲性能和防冲刷性能好。
(h)结石体耐老化性能好,能长期耐酸、碱、盐、生物细菌等腐蚀,且不受温度和湿度的影响。
(i)材料来源丰富、价格低廉；
(j)浆液配制方便，操作容易；
现有灌浆材料不可能同时满足上述要求,一种灌浆材料只能符合其中几项要求。因此在施工中要根据具体情况选用某一种较为合适的灌浆材料。
(3)灌浆分类
根据灌浆机理,灌浆法可分为下述几类
1)渗透灌浆渗透灌浆是指在压力作用下使浆液充填土的孔隙和岩石的裂隙排挤出孔隙中存在的自由水和气体,而基本上不改变原状土的结构和体积(砂性土灌浆的结构原理)所用灌浆压力相对较小。这类灌浆一般只适用于中砂以上的砂性土和有裂隙的岩石。代表性的滲透灌浆理论有:球形扩散理论、柱形扩散理论和袖套管法理论。
2)劈裂灌浆劈裂灌浆是指在压力作用下,浆液克服地层的初始应力和抗拉强度,引起岩石和土体结构的破坏和扰动,使其沿垂直于小主应力的平面上发生劈裂,使地层中原有的裂隙或孔隙张开,形成新的裂隙或孔隙,浆液的可灌性和扩散距离增大,而所用的灌浆压力相对较高。
对岩石地基,目前常用的灌浆压力尚不能使新鲜岩体产生劈裂,主要是使原有的隐裂隙或微裂隙产生扩张。
对于砂砾石地基,其透水性较大,浆液掺入将引起超静水压力,到一定程度后将引起砂砾石层的剪切破坏,土体产生劈裂。
对粘性土地基,在具有较高灌浆压力作用下,土体可能沿垂直于小主应力的平面产生劈裂,浆液沿劈裂面扩散,并使劈裂面延伸。在荷载作用下地基中各点小主应力方向是变化的，而且应力水平不同,在劈裂灌浆中,劈裂缝的发展走向较难估计。
3)挤密灌浆挤密灌浆是指通过钻孔在土中灌入极浓的浆液,在注浆点使土体挤密,在注浆管端部附近形“浆泡”。
当浆泡的直径较小时,灌浆压力基本上沿钻孔的径向扩展。随着浆泡尺寸的逐渐增大便产生较大的上抬力而使地面抬动。
经研究证明,向外扩张的浆泡将在土体中引起复杂的径向和切向应力体系。紧靠浆泡处的土体将遭受严重破坏和剪切,并形成塑性变形区,在此区内土体的密度可能因扰动而减小；
离浆泡较远的土则基本上发生弹性变形,因而土的密度有明显的增加。
浆泡的形状一般为球形或圆柱形。在均匀土中的浆泡形状相当规则,而在非均质土中则很不规则。浆泡的最后尺寸取决于很多因素,如土的密度、湿度、力学性质、地表约束条件灌浆压力和注浆速率等。有时浆泡的横截面直径可达1m或更大,实践证明,离浆泡界面0.3-20m内的土体都能受到明显的加密。
挤密灌浆常用于中砂地基,粘土地基中若有适宜的排水条件也可采用。如遇排水困难而可能在土体中引起高孔隙水压力时,这就必须采用很低的注浆速率。挤密灌浆可用于非饱和的土体,以调整不均匀沉降进行托换技术,以及在大开挖或隧道开挖时对邻近土进行及加固。
4）电动化学灌浆电动化学灌浆是指在施工时将带孔的注浆管作为阳极用滤水管作为阴极,将溶液由阳极压入土中,并通以直流电(两电极间电压梯度0.3~10V/cm),在电渗作用下,孔隙水由阳极流向阴极,促使通电区域中土的含水量降低,并形成渗浆通路化学浆液也随之流入土的孔隙中,并在土中硬结。因而电动化学灌浆是在电渗排水和灌浆法的基础上发展起来的一种加固方法。但由于电渗排水作用,可能会引起邻近既有建筑物基础的附加下沉,这一情况应予慎重注意。
(4)设计计算
1)方案选择 灌浆方案的选择一般应遵循下述原则：
a.灌浆目的如为提高地基强度和变形模量,一般可选用以水泥为基本材料的水泥浆、水泥砂浆和水泥水玻璃浆等,或采用高强度化学浆材,如环氧树脂、聚氨酯以及以有机物为固化剂的硅酸盐浆材等。
b.灌浆目的如为防渗堵漏时,可采用粘土水泥浆、粘土水玻璃浆、水泥粉煤灰混合物丙凝、ACMS铬木素以及无机试剂为固化剂的硅酸盐浆液等。
c.在裂隙岩层中灌浆一般采用纯水泥浆或在水泥浆(水泥砂浆)中掺入少量膨润土,在砂砾石层中或溶洞中可采用粘土水泥浆,在砂层中一般只采用化学浆液,在黄土中采用单液硅化法或碱液法。
d.对孔隙较大的砂砾石层或裂隙岩层中采用渗入性注浆法,在砂层灌注粒状浆材宜采用水力劈裂法;在粘性土层中采用水力劈裂法或电动硅化法;矫正建筑物的不均匀沉降则采用挤密灌浆法。
2)灌浆标准所谓灌浆标准,是指设计者要求地基灌浆后应达到的质量指标。所用灌浆标准的高低,关系到工程量、进度、造价和建筑物的安全
设计标准涉及的内容较多,而且工程性质和地基条件千差万别.对灌浆的目的和要求很不相同、因而很难规定一个比较具体和统一的准则,而只能根据具体情况作出具体的规定。一般有防渗标准、强度和变形标准和施工控制标准等。
3)浆材及配方设计原则 地基灌浆工程对浆液的技术要求较多,可根据土质和灌浆目的进行选择。一般应优先考虑水泥系浆材或通过灌浆试验确定。
4)浆液扩散半径的确定浆液扩散半径r是一个重要的参数,它对灌浆工程量及造价具有重要的影响。F值应通过现场灌浆试验来确定。在没有试验资料时,可按土的渗透系数参照表4.3.5-1确定；
5)孔位布置注浆孔的布置是根据浆液的注浆有效范围,且应相互重迭,使被加固土体在平面和深度范围内连成一个整体的原则决定的；
6)灌浆压力的确定灌浆压力是指不会使地表面产生变化和邻近建筑物受到影响前提下可能采用的最大压力。
由于浆液的扩散能力与灌浆压力的大小密切相关,有人倾向于采用较高的灌浆压力,在保证灌浆质量的前提下,使钻孔数尽可能减少。高灌浆压力还能使一些微细孔隙张开,有助于提高可灌性。当孔隙中被某种软弱材料充填时,高灌浆压力能在充填物中造成劈裂灌注使软弱材料的密度、强度和不透水性等得到改善。此外,高灌浆压力还有助于挤出浆液中的多余水分,使浆液结石的强度提高。
但是,当灌浆压力超过地层的压重和强度时,将有可能导致地及其上部结构的破坏因此,一般都以不使地层结构破坏或仅发生局部的和少量的破坏,作为确定地基容许灌浆压力的基本原则。
灌浆压力值与地层土的密度、强度和初始应力、钻孔深度、位置及灌浆次序等因素有关，而这些因素又难于准确地预知,因而宜通过现场灌浆试验来确定。
上海市标准《地基处理技术规范》①DBJ08-4094)中规定:“对劈裂注浆,在浆液注浆的范围内应尽量减少注浆压力。灌浆压力的选用应根据土层的性质及其埋深确定。在砂土中的经验数值是02～0.MPa;在粘性土中的经验数值是0.2～0.3MPa。灌浆压力因地基条件、环境条件和注浆目的等不同而不能确定时,可参考类似条件下的成功工程实例决定。一般情况下,当埋深浅于10m时,可取较小的注浆压力值”“对压密注浆,注浆压力主要取决于浆液材料的稠度。如采用水泥砂浆的浆液,坍落度一般在25～75mm注浆压力应选定在1～7MPa范围内,坍落度较小时,注浆压力可取上限值,如采用水泥水玻璃双液快凝浆液,则
注浆压力应小于1MPa
7其它
a.灌浆量 灌注所需的浆液总用量Q可参照下式计算：
式中 Q —— 浆液总用量(L）
V —— 注浆对象的土量(m3)
n —— 土的孔隙率
K —— 经验系数
软土、粘性土、细砂 K=0.3～0.5
中砂、粗砂 K=0.5～0.7
砾砂 K=0.7～1.0
湿陷性黄土 K=0.5～0.8
一般情况下,粘性土地基中的浆液注入率为15%～20%。
b.注浆顺序注浆顺序必须采用适合于地基条件、现场环境及注浆目的的方法进行,一般不宜采用自注浆地带某一端单向推进压注方式,应按跳孔间隔注浆方式进行,以防止串浆提高注浆孔内浆液的强度与时俱增的约束性。对有地下动水流的特殊情况、应考虑浆液在动水流下的迁移效应,从水头高的一端开始注浆。
对加固渗透系数相同的土层,首先应完成最上层封顶注浆.然后再按由下而上的原则进行注浆,以防浆液上冒。如土层的渗透系数随深度而增大,则应自下而上进行注浆
注浆时应采用先外围,后内部的注浆顺序;若注浆范围以外有边界约束条件(能阻挡浆液流动的障碍物)时,也可采用自内侧开始顺次往外侧的注浆方法。
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