既有建筑物加固修缮勘察与地基基础加固方案选择

0 前言建国初期北京城区建设的大部分多层建筑采用砖混结构、条形基础，一般不设地下室，基础埋深相对较浅，有的基础直接砌置在人工填土层上或仅作褥垫层处理，由于建筑结构整体刚度较差，加上人工填土层或其下天然沉积地层工程性质较差，导致了建筑物墙体开裂、基础下沉，严重影响了其使用功能，对于具有历史文物保护意义的重要建筑，需要进行加固修缮工作。既有建筑加固修缮工程，为了满足现行结构设计、抗震设计等技术规范的要求，往往需要增加其基础底面上的荷载，并且须保证在加固工程中和后续使用期间建筑物的破坏变形不再继续发展，这就需要首先对其地基基础进行加固处理，以满足建筑物加固修缮后设计对地基承载力及变形的要求。采用适宜、可行的勘察手段查明既有建筑物基础下地基土的工程特性，是地基基础加固方案合理选择的前提条件。1 工程案例1. 1 二教的建筑设计条件清华大学第二教室楼 (简称 二教) 位于清华大学校内西区中心位置，科技馆南侧，1954 年建成，已使用 50 余年。整栋楼建筑平面呈L 形，东西向总长39. 65m，南北向总宽 23. 13m，为二层坡屋顶砖混结构，檐口高度 10. 55m (绝对高程 53. 85m)。室内地坪最低处标高 43. 47m，室内地坪最高处标高44. 57m，室外地坪标高 43. 30m。红色砖砌外墙，素混凝土条形基础，埋深约 1. 0m (下部 300mm 厚毛石混凝土，上部 700mm 厚 90 号素混凝土)，基础宽度 分 别 为 1. 8m、1. 4m、1. 1m 及 0. 8m 四 种(见图 1)。1. 2 已有勘察资料根据 1954 年清华大学地基勘测组的地质资料，基础砌置在人工回填土层，填土层以下为新近沉积的含有未腐烂植物的黑色有机土，地基存在软弱下卧层，基底标高约 42. 30m，许可耐压力为 10t/m2。地下水埋深在自然地面以下约 2. 3m。1. 3 加固前二教楼的使用状况在加固前，楼房的外承重墙多处出现裂缝，有的甚至是新近出现的，且外承重墙墙体风化较为严重，部分内承重墙也出现裂缝，2006 年的检测结果表明，二楼北段东、西两侧墙体向东倾斜严重，东墙顶最大倾斜 10cm，西墙最大倾斜 11cm，较 1963年检测结果更严重。此外，建筑的上部结构严重不符合地处 8°抗震设防的北京地区的空旷砖房屋抗震要求，承重墙抗震承载力不足; 钢木桁架结构屋顶局部破损严重。本建筑物的结构安全性鉴定评级的综合评定等级为 Dsu级，已属危房。1. 4 加固修缮的设计意图因二教楼具有文物保护价值，为了能够安全使用，必须进行加固修缮处理。加固的原则为: 总体上满足国家现行建筑结构规范、规程，加固后建筑物外观总体不变，主要在室内采取措施，以达到文物保护的要求，加固改造后改善教室楼的建筑使用要求。因此，拟对其地基基础、墙体、楼板及梁等采用结构抗震加固措施。2 勘察方法由于已有的勘察资料过于简单，不能满足现行规范要求的建筑物加固修缮设计所需，因此需进行补充勘察。本次勘察的重点包括以下几个方面: ①通过现场调查及勘探，进一步确定既有建筑物基础直接持力层岩性特征及工程性质; ② 进一步查明现状基础的埋深、变形及破坏情况; ③ 查明地下水的水位标高、类型与赋存特征，分析其对建筑物基础设计和地基加固施工的影响，并评价地下水对主要基础结构材料的腐蚀性。2. 1 现场勘探工作在制定勘察方案前，调阅了场地周边的地质资料，同时考虑到可能采用的地基基础加固措施，使勘察方法具有针对性。首先对现状墙体的裂缝发育情况进行了调查，根据调查结果，裂缝发育有以下几个特征: ① 多分布于东南角、东门两侧墙体; ② 长度一般为 1 ～3m; ③ 宽度一般 0. 5 ～ 1. 0cm; ④ 多沿 45°或垂直方向发展。然后针对建筑物墙体裂缝发育较多的部位和转角处布设钻孔、探坑，共布设 7 个钻孔和 7 个探坑。在钻孔内采取土样、水样并进行原位测试工作(包括标准贯入试验和轻型动力触探试验)，现场勘探过程中加强对软弱地层 (如人工回填土和黑色有机质土密实程度、干湿状态和含有物等) 的描述，变层深度校核钻进进尺; 在墙体底部发育有裂缝的部位挖掘探坑，先挖至基础底面标高后，进行轻型动力触探试验，再垂直基础向下挖 50cm，在基底下坑槽侧壁采用环刀取原状土样，立即密封，最后用北京铲人工钻至 5m 深度，对探坑揭示的基础尺寸、材料、变形情况和破坏程度 (裂缝发育宽度及贯通性) 逐一详实记录，并拍摄照片。考虑到对现状地基、基础的保护，防止地表水或地下水沿钻孔、探坑入渗浸泡地基而使其软化，勘探结束后对钻孔、探坑进行分层回填、捣实。2. 2 室内试验工作根据搜集到的资料及现场勘探情况，室内试验分析工作针对以下几个方面展开。(1) 对所取土样进行了物理力学试验，主要试验指标统计结果见表 1。试验表明基础底下的粉土填土①2 层具有一定压密作用，与原位测试结果(N10击数为 20 次以上) 反应的情况基本一致;(2) 针对可能采取的注浆法地基加固方案，对浅部土层进行了水平渗透和垂直渗透试验 (表2)，试验表明浅层粘性土、粉土的渗透性均较低。3 地基基础加固方案3. 1 地基条件评价根据勘察结果，可以得出以下几点结论。(1) 教室楼场地的地层沉积规律表明，其地貌单元属于清河古河道范围，人工填土及新近沉积层厚度约 7 ～ 8m，建筑基底下分布有一层厚度约 0. 8～ 1. 4m 高压缩性的有机质粘土，新近沉积粘性土下至第四纪土层间为分布较稳定的中密砂砾石层，厚度约 3m;(2) 基底下浅部的粘性土、粉土地层的渗透性很低，其试验成果参见表 2;(3) 新近沉积的砂砾石层基本不含地下水，目前地下水基本在砂砾石底部或以下，埋深约 7 ～8m，且上层滞水存在的概率较小;(4) 建筑基础均砌置在人工填土上，直接持力层岩性主要为粉土填土，厚度 0. 5 ～ 1. 2m 左右，具有一定变化，东部厚度较大，在基础上荷载作用下，具有一定的压密效果，基底下 0. 5m 深度内较为明显。其下的粘性土、粉土在水位下降过程中，均表现为具有一定的固结程度，但下卧有机质粘土仍属于高压缩性土。3. 2 建筑物墙体裂缝分布及倾斜发展分析(1) 东墙基底比西墙基底的填土厚度较厚，其中东墙基础下填土厚为 1. 5 ～ 1. 6m，而西墙处为0. 5 ～ 0. 9m;(2) 东墙基底下的含有机质的软弱地层稍厚于西墙基础下的地层，分别为 1. 2 ～ 1. 4m 和 0. 8 ～0. 9m;(3) 自教室楼建成后，地下水基本呈逐年下降的趋势，地下水下降加大了地基固结沉降变形;(4) 室外整体地面标高，西侧地面高于东侧地面，所以东侧地面易形成积水，积水下渗会软化地基土;(5) 由于二教教室内墙体多处曾经过凿墙改装接线槽，室内裂缝一般在线槽附近发展;(6) 二教曾经过一次加固工作，通过调查可知，其植筋和喷混凝土的荷载只是附着在墙体上，而没有传至地基上，没有从根本上解决不均匀变形问题，同时又增加了基底荷载，加速了墙体的变形;(7) 对于东南角小开间平面范围未设置圈梁，整体性差，墙体裂缝发育密度大、裂缝宽; 其他大开间均设置圈梁，所以表现为裂缝发育较少，主要是墙体整体倾斜。现状教室楼的病害是由上述几个方面共同作用的结果，要防止裂缝继续发展，必须从加固地基基础和上部结构两个方面入手。3. 3 地基基础加固方案比选分析根据勘察结果，结合场地施工条件及工程经验，二教楼的地基基础加固方案主要对注浆法、树根桩法［1］和托换承台梁法进行了优缺点分析与比较，见表 3。