深层掏土和截桩纠偏方法的应用研究

深层掏土和截桩纠偏法的应用研究软土地基上建（构）筑物由于各种原因发生倾斜，将严重影响建筑物的正常使用功能甚至危及结构安全，建（构）筑物纠偏技术就是为了避免建筑物倒塌、改善已经倾斜建筑物工作状态而产生的。但由于纠偏是一项风险工程，难度大、计算理论不成熟；目前虽然出现了多种纠偏技术，但大多依赖于技术人员的经验，因此，还有必要深入研究。对于桩基础的纠偏方法，有以下几种：（1）常规纠偏方法；采用深层掏土或降水等浅基础常用纠偏方法，使沉降较小一侧的桩侧摩阻力部分解除，且因为地基的下沉必然使作用在承台底的抗力减小，从而达到纠偏目的。（2）截桩纠偏法；将原建筑物沉降较小一侧桩体横断面的部分甚至全部凿除，当桩体横断面减小后，因桩的刚度减小，所以原先作用在被截桩上的荷载必然转移至邻近桩上，从而使沉降较小一侧的桩接近或达到极限荷载，迫使承台及上部建筑物下沉；当全部桩体被截除以后，则可以直接控制承台和上部结构下沉来使建筑物得到纠正。（3）桩基冲水纠偏法；采用高压水喷射建筑物沉降较小一侧桩身或冲松桩底土层，暂时破坏桩基的承载力，促使桩基础产生下沉来达到纠偏要求；待达到纠偏目的后，再采取措施恢复桩的承载力。（4）承台底卸荷法；对于承台分担荷载较大的桩基础，可通过承台下射水或掏土等办法，破坏承台下的土层，使沉降较小侧由承台分担的荷载转移到桩上，迫使桩基础沉降。以上几种桩基础纠偏方法中，常规纠偏法由于受土层的力学特性限制，纠偏措施的影响深度也受土层力学性质限制，对桩的承载力的改变很有限，因此，对于桩所承受的荷载与极限承载力相比较小的情况下，特别是端承桩，其效果可能会不明显；对于桩基冲水纠偏法，纠倾后桩侧和桩端承载力恢复是一个值得研究的课题，这也限制了它的应用；截桩纠偏法具有效果明显，对摩擦桩和端承桩都适用的优点，但一些人员怀疑桩截断以后建筑物的安全和桩的承载力的恢复问题，因此在纠偏方案中总是避免对结构物的破坏，所以采用较少。本文将主要探讨深层钻孔掏土纠偏法、截桩纠偏法的工作原理及其在桩基础中的应用。一深层掏土纠偏法及其在桩基础中的应用1.1深层掏土纠偏法工作原理深层掏土纠偏法是在倾斜建筑物原沉降较小的一侧布设钻孔排，有计划、有次序、分期分批地从钻孔内适当深度处掏出适量的流塑状软土，并配合各种促沉措施，促使软土向该侧孔内移动，从而增大该侧地基沉降量。与此同时，在原沉降较大一侧则严格保护地基土不受扰动，避免纠偏过程中发生较大附加沉降，最终达到预期纠偏目标。深层掏土纠偏法有两种：大直径竖孔和小直径斜孔。到目前为止，武汉大学土力学教研室运用该项技术已成功地进行了多栋建筑物的纠偏活动，实践证明它是一种十分有效的纠偏方法。但用该方法纠偏的建筑物大多数是筏板、条形基础等浅基础形式的建筑物，应用于桩基础的实例很少。深层掏土纠偏法与浅层掏土纠偏法的工作原理是完全不同的，刘祖德教授把深层掏土纠偏法称为应力解除法，并把应力解除法纠偏的工作原理概括为“五解除、二均化”。如图1所示的筏板基础，“五解除”可以表述为：在建筑物原沉降较小的一侧布置大直径掏土孔（孔径一般为30～50cm），则孔周土体的径向应力必然得到释放，孔被挤压而变形从而带动周围的土体下沉；沿孔排上，因建筑物底部的应力高于掏土孔排外侧，掏土孔排减小了竖向抗剪阻力，从而有利于建筑物底部的土体下沉；当掏土部位的土层为软弱流塑状土体时，在螺旋钻的牵引作用下，孔内产生真空更有利于土体向孔内流动；由于孔周土体向孔内挤淤，原沉降较大一侧的地基必然下沉，作用在基础上的抗力势必减小；随之而出现的“跷跷板效应”使中心部位的软土竖向应力短暂增大，沿水平方向由中心向四周的竖向应力梯度也增高，促使软土的变形和位移都能较温和地产生，有利于基础和建筑物结构的安全。倾斜方向掏土孔套管段掏土段地面/4图1掏土法纠偏示意图所谓“二均化”就是：第一，基土变形模量的均化，使沉降较小一侧较硬的土产生一定的剪切变形，而切线变形模量有所降低，使其接近于另一侧未被扰动软土的初始变形模量，从而整个建筑物下两侧基土变形模量趋于均匀化；第二纠偏过程使基底压力均匀化，硬侧加载，软侧卸载。桩基础与浅基础不同，因为它是靠桩侧和桩端的土体来承担上部结构荷载的，桩侧所分担的荷载最终也要扩散到桩端以下。根据群桩承载力计算的等代墩基础法，上部荷载是靠群桩外围所组成的实体深基础周边的极限抗剪力和底端的极限承载力来分担，且极限抗剪力以某一扩散角向深部土层扩散（见图1）。所以，在群桩基础沉降较小一侧深开孔，则该侧的侧阻力必然得到部分解除；且钻孔越深，解除的阻力越大。此外，当深层土体向孔内挤淤时，钻孔周围的土体必然下沉，作用在桩侧的摩阻力必然有一部分转换为负摩阻力，桩的抗力减小，而负摩阻力又增加了作用在桩上的荷载。对于摩擦桩，如果掏土以后桩的承载力改变较多，单桩所分担的荷载接近极限承载力时，其桩顶沉降必然加大，从而使建筑物倾斜得到纠正。此外，对于承台分担较大荷载的情况，在沉降较小侧掏土，必然会解除承台底部的抗力。1.2掏土纠偏法的有限元-无限元耦合分析钻孔掏土和孔周围土体向孔内挤淤的过程是十分复杂的，在该过程中土是被源源不断地取走，土体向孔内挤淤时土体的变形形态十分复杂，理论上没有成熟可靠的计算方法，用数值方法也很难模拟这种复杂的过程，国内外对该课题的理论研究报道很少。在解家毕的博士论文中，用控制位移的方法来进行模拟，即人为地控制掏土段孔壁土体向孔内挤淤的位移，以观察孔周围土体的位移趋势和桩侧桩土相对位移的变化。在一定的孔壁位移下，如果掏土深度范围内桩侧摩阻力转变为负摩阻力，就可以说明掏土纠偏法能解除掏土深度范围内桩侧摩阻力。研究表明深层掏土纠偏法是可以应用于桩基础的，掏土使得掏土孔周围的土体向孔内挤淤时，桩的摩阻力有部分转变为负值，桩的承载力减小，而作用在桩上的荷载增加，这样就有可能迫使桩基沉降，从而达到纠偏的目的。但由于掏土使桩的摩阻力减小及单桩荷载增加的量受掏土段的深度约束，纠偏效果还受桩所承担的荷载与其极限荷载的比值有关，当掏土以后桩所分担的荷载与极限承载力相比较小的情况下，纠偏效果不明显。所以必须和其它纠偏方法联合使用，综合多方面因素，以到达纠偏的目的。二截桩纠偏法的基本原理截桩纠偏法的基本原理是：在建筑物基础沉降相对较小的一侧将基底土掏空露出基桩，分期将部分桩体一部分甚至全部桩体凿除，使原先作用在被截桩上的荷载转移至邻近未截的桩上，从而使沉降较小一侧的桩达到或接近极限荷载，迫使承台及上部建筑物可控下沉。因为截桩纠偏法是通过迫使沉降较小一侧的桩达到或接近其极限荷载来增加其沉降的，有的情况下甚至是把全部桩体截断，从单桩的桩顶荷载-位移曲线可以看出，在桩顶荷载达到或接近其极限荷载时，很小的荷载增量有可能引起较大的沉降，因此，必须通过各种措施来控制上部结构的沉降，以保证建筑物安全；同时，在凿桩过程中沉降较大一侧的桩顶荷载也会增加，如果通过工程措施把其沉降控制在很小的范围内，则纠偏效果会更好。截桩法纠偏常采用的方式是将桩逐根顺次凿去桩颈周边混凝土成楔状、以缩小桩断面截面积，增大该处局部压应力，使此处混凝土一点点地被压破坏而使承台下降至所需沉降量，见图2。在截桩过程中用钢板或其它塞子垫紧截桩缺口，使基础沉降完全可以控制，以免沉降过快、过大而无法控制，造成工程事故。工作通道截桩处承台柱桩WjQpi图2截桩示意图以承受竖向荷载为主的群桩为例，若不考虑桩间土承载，桩顶荷载的静力平衡条件和力矩平衡的理论计算式可以表示为：PMMRRRRyyyyxxxxyxninini2121211111（1）式中，P为作用于承台的竖向荷载（包括承台及其上土体自重荷载），Mx，My为作用于承台的外力对坐标轴x、y的力矩，Ni、xi、yi分别为第i根桩的轴向荷载和到x、y轴的坐标。对于桩箱基础和筏板较厚的桩筏基础，因为承台和上部结构刚度较大，承台的局部绕曲较小，可以认为各桩顶沉降按一定比例分布，此时，桩顶沉降可以表示为：02121211111wyyyyxxxx（2）式中，wi为第i根桩的承台沉降，w0为坐标原点处的承台沉降，θx，θy为承台绕坐标轴x、y的转角。根据群桩沉降计算的弹性理论法，桩顶沉降、荷载和桩土体系刚度的关系可以表示为：ninninniniiinininissssKKKKKKKKKKKKKKKKRRRR212121222211112121（3）式中，si为第i根桩的桩顶沉降，si＝wi，Kik为桩土体系的刚度。对于群桩效应很小的群桩基础，上式中的刚度矩阵只有主对角线上有值。联合以上三个式子，就可以求得上部结构和承台为刚性条件下的承台位移和转角、以及桩顶沉降。对于柱下独立基础，可以把每个承台下的桩基础应用上式求解。对于上部结构和承台刚度较小的情况，上部结构和承台对荷载的重分布调节作用较小，上部荷载将直接传递给桩。因此，当桩截面变小时，其局部应力增大，变形增大，从而可以达到纠偏目的。实际建筑物上部结构和承台总是有一定的局部变形，截桩过程中沉降较小一侧的桩基础的刚度减小，基础形心主轴向沉降较大一侧移动，截桩侧的桩体荷载增加较大，因此，可以达到纠偏目的。