基础加固方法在既有建筑中的实践

基础加固方法在既有建筑中的实践

沈南生陈明童敏杰

（上海现代建筑设计集团有限公司，上海，200041）

【摘要】本文通过归纳既有建筑中使用到的多种基础加固方法，结合多个有一定影响力的既有建筑加固改造工程基础加固案例，介绍了基础加大截面法、地基注浆加固法、高压喷射注浆加固法、静压桩基础加固法、桩底锤击桩加固法等多种基础加固方法的工作机理、应用范围及实际操作中遇到的实际问题及处理方案。对今后历史保护建筑及其他既有建筑基础加固设计起参考作用。

【关键词】既有建筑；基础加固；沉降

1．前言

目前，上海地区有保护价值的历史建筑较多，如何在软土地基上进行地基基础加固对这一类建筑是一个最大的难点。采用的加固方法不当，对历史保护建筑将会造成无法挽回的损失。目前对既有建筑的基础加固技术有多种，最常见的有以下五种：

（1）基础加大截面法：就是加大构件的截面尺寸，由于基础底面面积的加大，提高基础的承载能力。优点是加固效果好、经济、适应面广；缺点是施工复杂，湿作业工作量大，工期长。最大难点在于新旧部分混凝土整体工作，共同受力的问题，而新、老混凝土的结合面是加固结构受力时的薄弱环节。因此，从设计构造上应尽可能使之为刚性基础，配置足够的贯穿于结合面的剪切摩擦筋或锚固件将两部新老混凝土连成一体，共同工作。

（2）地基注浆加固法：是法利用气压或液压配以填充渗透和挤密等方式，把能凝固的浆液均匀地注入岩土层中，驱走岩石裂隙中或泥土颗粒间的水分和气体，并以其自身填充，待硬化后即可将岩土胶结成一个整体，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”。可以改善持力层受力状态和荷载传递性能，从而使地基得到加固，防止或减少渗透或不均匀沉降。

（3）高压喷射注浆加固法：是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，以高压设备使浆液成为20Mpa左右的高压流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体。当能量大，速度快和呈脉动状的喷射流的动压超过土体结构强度时，土粒便从土体剥落下来。一部分细小的土粒随着浆液冒出水面，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力等作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和质量大小有规律的重新排列。浆液凝固后，便在土中形成一个固结体，一定程度上起到相当于桩的作用。

上述⑵、⑶方法均对地基土产生扰动，增加了保护建筑沉降的风险。因此在保护建筑中应慎用。

（4）静压桩基础加固法：借助专用设备的自重和配重或以结构物做反力，通过卷扬机滑轮组或液压油缸作用于预制好的桩顶或桩身上，对其施加持续压力，将桩压入地基中形成的桩。

（5）桩底锤击桩加固法：由于静压桩基础加固大对场地空间要求较高，许多工程由于场地的限制，难以实现。桩底锤击桩的优势就是避免了这一不足。利用桩内部作为重锤下落的行程，在桩底进行锤击沉桩。该方法在多项历史保护建筑加固中成功应用。

本文通过总结国内若干既有建筑基础加固的实例，对适合于既有建筑基础加固的相关技术，结合成功应用的工程实例进行了总结。对今后这一类建筑基础加固工程提供参考和借鉴。

2．基础加固工程技术及应用实例

基础需要进行加固的情况主要有以下几种：使用荷载加大；由于地基承载力不足使基础产生不均匀沉降、导致房屋开裂。

2.1基础不均匀沉降导致墙体裂缝但不进行基础加固的情况

以南昌路47号上海科学会堂1号楼为例：

该楼主体建于1904～1930年，高两层、采用砖木混合结构，建筑风格具有法国文艺复兴特征，曾为法国总会、法国公董局学校。1958年由上海市科学技术协会使用，成为“科学家的俱乐部”。房屋1994年被列入上海市第二批优秀历史建筑，保护类别为二类。

主体基础类型为“砖砌大放脚+刚性混凝土垫层+木桩”，东翼为砖砌大放脚刚性基础、西翼外墙为钢筋混凝土条形基础，东西翼均无木桩。基础形式如图3所示。一层室内地坪由架空混凝土楼板、架空木地板、回填土水泥地坪组成，二层结构大部分为混凝土梁板结构（局部木结构），屋盖主要采用木屋架（局部木结构/混凝土结构平屋面）。竖向采用实心粘土砖、混合砂浆砌筑的砖墙（局部混凝土柱/砖柱）承重。在历次改扩建过程中进行过多次加固、改造。

图3原设计基础

本结构超长，达到132.1米，且结构通长未设置结构缝，因不均匀沉降，房屋多处出现裂缝（详见图4），甚至在房屋北侧出现一条屋面至基础的通缝，严重影响结构安全。

图4墙体裂缝

制定加固方案前，建筑检测裂缝达3年之久，裂缝没有加大的趋势，且根据计算地基基础承载力满足规范要求。经多次组织专家讨论，认为基础不均匀沉降已经完成，采取基础加固反而会对现有基础形成扰动，产生新的不利沉降。因此本工程采用不进行基础加固的方法，对开裂墙体采用结构胶修补墙体裂缝后，钢丝网片加固开裂墙体的办法进行加固。加固工程2012年完成，至今使用良好，未出现新的裂缝。

2.2高压旋喷加固法

以浙江大学第六教学大楼为例〔5〕：

该楼建于1960年，建筑面积5000m2。平面布置是L形，门厅部分为五层，两翼三～四层。地基设计承载力200kN/m2。房屋建成后正常使用16年。1976年为增加供水来源，在距离本建筑200m处钻一口315米深的水井，主要取水层位于90～94米，这样使地下水位从地面以下0.5米降到25米以下。由于深井过量抽水，使本建筑发生严重不均匀下沉，墙体开裂倾斜，沉降最大速率达28mm/d。1977年11月14日，土工试验室一楼地坪出现裂缝。1978年2月上旬，二楼墙上水管被拉断，该楼成为危楼，必须进行加固。

根据综合判断，本工程采用旋喷法进行基础加固，由于墙基宽度仅1.50m，机具安装受到限制，旋喷孔中心只能在基础外0.3m。两孔间距2.1m。旋喷固结体无法在墙基范围内直接支承上部荷载。但持力层为5～8m的砾石土，强度高并有一定的整体性。基础的压力层按扩散角22°计算，至砾石土底面，应力影响范围约有10～13m。因此，旋喷固结体仍在应力传递范围内。同时，在旋喷固结体排桩式布设较密的情况下，砾质土厚度与固结体间距之比为2.5～4倍，不可能产生冲切破坏。所以砾质土将起到桩基承台的作用，旋喷固结体可以起到桩的作用。如图5所示。

图5基础力的传递情况

采用旋喷法加固后效果非常明显。从各测点沉降曲线看，旋喷法施工完毕后，沉降已经停止发展。1978年12月中旬完成主楼裂缝修补处理，上部结构使用至今未发现任何裂缝，证实了地基加固已经取得预期效果。

2.3静压桩基础加固法

以益丰大厦为例：

沿北京东路的益丰洋行为上海市优秀历史建筑，建于1911年，五层砖木结构。外立面为文艺复兴风格，局部带有巴洛克符号，其沿街的建筑风貌具有历史保护价值，保护要求为三类。主立面朝向北京东路，长约124m、高约22m（女儿墙顶标高）。原设计采用砖墙，钢柱，钢梁，木楼盖，木梁及木屋架共同承重的混合结构。项目保留原益丰洋行的主要外墙，将建筑内部进行改造。

经本次改建后，本大楼将为五层钢筋混凝土框架-剪力墙结构，现浇楼板。原外墙作为历史建筑不得损坏或重建，在保留墙体托换、完成整体浇注的基础上，必须防止地基沉降，结构变形，温度收缩以及邻近深基坑开挖影响等方面引起的老墙开裂。因此基础采用预制方桩静压锚杆桩筏基础，保证基础整体性及控制沉降。基础施工托换过程如下：

首先在各原始的承重墙之间的空间部位，浇捣新的钢筋混凝土梁式片筏基础，虽然新的筏板在施工期间暂时被原大楼的承重墙分隔成数块，但可以采用“切割墙洞”法通过新的钢筋混凝土筏板基础梁，将整个筏板基础连成一个整体。新的筏板基础下部设置锚杆静压桩桩基，以有效地控制新旧结构之间的沉降差。基础筏板钢筋施工时，在原砖墙处采用电钻钻Ф25孔，筏板筋从钻孔处穿过，按施工图设置筏板内钢筋,并浇捣混凝土，待原有砖墙拆除后，再采用C35混凝土进行底板的补缺浇灌，其构造同后浇带。

本工程采用静压锚杆桩很好的解决了保护建筑打桩机无法进场、施工空间有限、运输不便等困难，桩上部为300x300预制方桩，底部5节采用Φ300x8的钢管桩，明显减少了挤土效应，并通过灵活布置桩位，避免偏心。单桩抗压承载力设计值为727KN，总桩数约400根，持力层为⑤3层灰色粉质粘土夹砂质粉土。

本工程施工完成后监测表明所采用的静压锚杆桩+筏板基础表现完全符合设计的要求，沉降控制在10mm以内，很好起到了保护老墙的作用。

2.4桩底锤击桩加固法

以汉口路50号大楼修缮改造工程为例：

房屋建造于1908年，为一幢五层的以砖木为主的混合结构房屋，由通和洋行设计，建筑面积为6856.9平方米。房屋平面基本为规则的矩形，东西向总长约为71.71m，南北向总长约为23.0m。原房屋为五层，局部四层。房屋为第四批上海市优秀近代建筑，保护要求为：建筑立面和结构体系不得改变，建筑内部允许改变。

本项目在兼顾建筑功能使用的情况下，原钢柱、组合柱框架区域以及新增局部空间均改造成混凝土框架梁、柱来传递竖向荷载至基础。拆除一部分内部墙体，新增部分混凝土剪力墙，调整整体刚度，在需要大空间的部分形成框架，总体上形成框架-抗震墙结构体系。

原外墙作为历史建筑不得损坏或重建，因保护墙体超长超高，不能独立设置，新浇注结构需作为老墙的稳定支撑存在，并不得反作用影响其安全，因此在确保墙体和新建建筑可靠连为整体的基础上将原老墙天然基础托换，使其具有同样的基础类型-桩基，以避免不均匀沉降。老墙经历上百年后地基沉降相当稳定，为减小沉降差异，严格控制新建结构总沉降量，同时通过调整桩位布置，使桩位形心与荷载中心基本重合。

图8外墙基础处理示意图

考虑到房屋基础的混凝土强度很低，且地基反力较大，房屋存在一定的不均匀沉降现象，改建后房屋的荷载包括楼板等自重及活荷载有所增加，因此在兼顾施工工艺、操作面等限制条件下，在混凝土柱、墙下采用混凝土条形基础下打钢管桩的方法来严格控制沉降。

传统的锚杆静压桩技术必须提供反力梁等作业环境，若原来没有，须根据加固位置重新设计，并预埋反力装置，使施工成本和周期增大；另外每节桩必须预先制作，并达到一定强度后运之现场，存在周期较长、高耗能等问题。本工程通过比较优选采用管底小锤钢管桩基础，有针对性的解决了本项目基础施工的难点。管底小锤桩主要特点是由于小锤在钢管内进行桩底锤击，桩的长度可以设计较长；管底封底板加缓冲层后，施工低振动、低噪音；桩与桩连接采用焊接，质量可靠；施工时不需要设计反力装置，这使桩设计布置不受限制，更加灵活；施工周期大大缩短，对后续工期没有影响；施工设备小，方便在原有建筑内操作；施工过程严格控制住了垂直度等。

本工程采用Φ300x8的钢管桩，桩长32m，桩端持力层为⑤2层灰色粘质粉土，单桩抗压承载力设计值为520kN，总桩数为273根，沉桩标准按标高控制。

工程实践及检测结果表明该桩型施工顺利，周期短，操作灵活，承载力达到设计要求，沉降稳定，很好的解决了本老楼改造项目的实际困难。

结论

有针对性地选择适合工程特点的加固方法，是地基基础加固成功的重要因素。结合以上基础加固改造实例，为类似工程提供以下可参考的建议：

（1）尽可能不对原有地基进行加固。基础是否需要进行加固需要具体分析，对于地基土已完成固结且基础承载力满足要求的情况一般应不进行基础加固，以免扰动地基土而带来不利沉降。

（2）对存在软弱下卧层，因地下水位降低引起的不均匀沉降的基础采用高压旋喷加固法能取得良好的加固效果。但在加固前应对上部结构卸载，并控制高压旋喷施工进度，避免有害沉降发生。

（3）基础加大截面法是有效减小基底附加压力，减小建筑物沉降的方法，应以刚性基础设计为首选，避免基底压力产生的弯矩，使加固更加方便。

（4）既有建筑外墙立面完全保留原状，内部布局全面调整（形象的说相当于热水瓶换胆的做法），采用预制方桩静压锚杆桩筏基础，能够保证基础整体性及有效控制沉降，将不利沉降对外围保护墙体的影响减到最小。

（5）管底小锤桩由于小锤在钢管内进行桩底锤击，桩的长度可以设计较长；管底封底板加缓冲层后，施工低振动、低噪音；桩与桩连接采用焊接，质量可靠；施工时不需要设计反力装置，这使桩设计布置不受限制，更加灵活。是一种可以推广应用的有效基础加固方法。

参考文献：

[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范.［S］北京：中国建筑工业出版社，2010

[2]GB50367-2013混凝土结构加固设计规范.［S］北京：中国建筑工业出版社，2013

[3]GB50009-2012建筑结构荷载规范.［S］北京：中国建筑工业出版社，2012

[4]GB50009-2010混凝土结构设计规范.［S］北京：中国建筑工业出版社，2010

[5]地基处理手册.［S］北京：中国建筑工业出版社，1988