余浪，劉瓊蓮，胡玉華
（昆明市政工程設計科學研究院有限公司，昆明，6501100）
摘 要：既有建筑獨立基礎地下空間的拓展施工需要對原有地基四周土體開挖并超過原有基礎深度，因此需要托換既有建筑的基礎，通過托換的樁基礎將建筑基礎向下延伸到拓展空間以下的持力層。本文首先簡單總結了房屋基礎托換技術并對樁式托換技術作了詳細總結，然后以安徽中元化肥廠成品車間向下拓展地下室工程為依托探討了新型組合錨桿靜壓樁技術對既有建筑獨立基礎進行托換和土方開挖的施工方法。
關鍵詞：：既有建筑獨立基礎；地下空間；型組合錨桿靜壓樁；托換和土方開挖
采用新型組合錨桿靜壓樁技術在既有建筑獨立基礎下增層的技術流程十分復雜。首先要對原建筑物獨立基礎進行結構加固，然后才能對其進行整體樁基托換，此外還包含錨桿靜壓樁的組合施工以及基坑支護等技術問題，目前很少有將這些技術結合使用的工程實例。
房屋基礎托換技術一般主要應用于：（1）既有建筑物基礎的加固與糾偏；（2）在原有建筑物附近新建工程以及在既有建筑物基礎下新建地下室或者其他結構工程時，保證原有建筑物結構的安全[1]。房屋基礎托換法可分為非樁式托換法和樁式托換法。當建筑物沉降較小時，一般采用非樁式托換法。原有建筑上部結構托換改造完成后，如果原有基礎的承載能力不足，或者是基礎沉降量較大時，一般采用通過在原基礎部位設樁處理的樁基托換方法[2]。
1．房屋基礎托換方法分類
房屋基礎托換技術一般主要應用于：（1）既有建筑物基礎的加固與糾偏；（2）在原有建筑物附近新建工程以及在既有建筑物基礎下新建地下室或者其他結構工程時，保證原有建筑物結構的安全[1]。房屋基礎托換法可分為非樁式托換法和樁式托換法。當建筑物沉降較小時，一般采用非樁式托換法。原有建筑上部結構托換改造完成后，如果原有基礎的承載能力不足，或者是基礎沉降量較大時，一般采用通過在原基礎部位設樁處理的樁基托換方法[2]。
1.1非樁式托換法
（1）基礎擴大托換法
在既有建筑物上部結構托換改造完成后，當托換后基礎的承載力不足或者是在基礎底面產生裂縫時必須采取技術對其進行處理，一般首先考慮采用基礎擴大托換法[2]。當上部荷載為中心荷載時，對條形基礎可采用兩面加寬處理，對獨立基礎可沿基底四面擴大和拓寬處理。當上部荷載為為偏心荷載時，可根據計算對基礎單面進行加寬。
（2）坑式托換法
當條形基礎基底所在土層土質不良導致承載力不夠并且沉降較大，而在離基礎底部不遠處有良好的持力層時，宜采用坑式托換法對原有基礎進行托換[3]。在條形基礎下設置一系列的混凝土墩，使建筑結構的上部荷載通過條形基礎轉換到混凝土墩，然后再由混凝土墩傳到新的持力層?；炷炼臻g隔設置時，必須考慮基礎抗彎強度是否滿足。
1.2樁式托換法
（1）打入樁托換法
打入樁托換法須先在室內安裝打樁設備，因此一般只用于凈寬和凈高達到要求的空曠的建筑物，還要確保建筑結構不會因為打樁時產生的振動和“擠土”效應而產生破壞，應優先選用排土較少的開口型鋼管樁。打樁機選用和樁長確定需要滿足室內凈空高度。樁打設完畢待沉降完成后，然后在樁頂澆筑與原有基礎上部承力柱相連接的新增承臺。
（2）樹根樁托換法
樹根樁托換法主要采用一種直徑較小的鉆孔灌注樁，其孔徑范圍一般在150-300
之間[4]。采用樹根樁進行托換時，樹根樁穿過原建筑基礎伸入土中與原基礎一起承擔上部建筑物荷載。樹根樁為摩擦樁，其表面凹凸不平、截面形狀不規則，樁側摩阻力較大。樹根樁與地基土由于壓力灌漿而結合緊密，適用各種類型地基土且產生的附加應力較小。
（3）鋼管壓入樁托換法
鋼管壓入樁在基礎托換中使用較多[5][6]。首先在被托換基礎四周開挖導坑，然后在被托換基礎底部土體挖出一個可以安放千斤頂和壓入樁的缺口。將鋼管樁放入缺口內，在樁頂安裝好鋼墊板，利用鋼墊板上的千斤頂將鋼管逐段壓入土中直到所有節段都壓入，對稱抽出千斤頂，并向樁管內注入混凝土。然后再在原有基礎底部支模澆筑混凝土加厚基礎并將鋼管樁和基礎連接。
（4）錨桿靜壓樁托換法
錨桿靜壓樁托換法是將鋼筋混凝土預制樁(一般為300X300mm)壓入地基土體至設計高程的托換方法。錨桿靜壓樁托換工藝把建筑物原有基礎改換為樁基礎，大大提高了承載力，可以有效地控制建筑物沉降[7][8]。錨桿靜壓樁托換技術施工具有對周圍環境影響小、設備操作簡單、施工成本低，施工速度快、入樁的損耗率較低等優點。同時也具有加固時須開孔破壞原基礎、樁體難以穿入的地基中較硬土層等缺點。
2.現場工程地質條件
本次研究將結合安徽中元化肥廠成品車間向下拓展地下室工程實例，安徽中元化肥廠位于安徽宿州經濟技術開發區，地貌屬淮北平原區淺丘狀平原次級地貌單元區。地層分布如下：
（1）人工填土層（主要為粘性土），比較疏松，層厚0.7
2.1m。承載力特征值110
，混凝土預制樁側摩阻力特征值15。
（2）粉質粘土層，可塑硬塑。層厚1.25.6m，承載力特征值170，混凝土預制樁側摩阻力特征值32。強度較高，厚度較大，天然地基良好持力層。
（3）粉細砂層，飽和。層厚2.94.7m，承載力特征值為190，混凝土預制樁側摩阻力特征值35。強度較高，厚度較大，是天然地基良好下臥層。
（4）粉質粘土層，可塑硬塑。層厚0.95.5m。承載力特征值210，混凝土預制樁側摩阻力特征值45。強度較高，厚度較大，是良好下臥層。
（5）粉細砂層，飽和。層厚0.36.1m。承載力特征值為180，混凝土預制樁側摩阻力特征值46。強度較高，厚度較大，是良好下臥層。
（6）粉質粘土層，可塑硬塑。該層未揭穿，最大揭露厚度38.60m。承載力特征值為220，混凝土預制樁側摩阻力特征值48。強度較高，厚度較大，埋藏深度適中，是比較良好的樁端持力層。
為滿足新的工藝需求，現公司在廠房成品車間新增地下室。廠房原基礎為獨立柱基框架結構，改造完成后地下室地面標高為-4.500m。由于該廠房車間的周圍建筑還在正常使用，且距離較近，無法使用大型施工設備施工。根據工程地質資料可知，現場土層工程性質良好，能夠提供較高的側摩阻力，適合采用摩擦樁施工。綜合考慮空間限制、工期長短、成本投入等其他條件，決定優先使用錨桿靜壓樁托換技術對原有柱基托換，然后進行土方開挖修建地下室。由于是在地面以下進行土方的開挖，必須嚴格地控制設計和施工中的各項要素。同時，施工過程必須進行嚴格監測，以確保挖土過程中樁基礎與原有結構的安全。
3.獨立柱基下地下空間拓展施工過程
廠房獨立柱基下進行地下空間的拓展首先要對原有的獨立基礎進行托換。托換完成后順次向下施工其他地下結構部分。一般施工工藝是先對獨立基礎進行拓寬加固形成剛性基礎，然后對獨立基礎進行進行整體樁基托換，待所有基礎托換完畢后采用放坡或在邊樁中間施工地下連續墻形成擋土圍護結構，再分層開挖土體直到開挖深度達到地下室底板設計標高，然后澆筑地下室主體部分并加固圍護結構，最后由下往上施工地下加層的其他組成部分，地下地下空間拓展施工完成。
3.1原有獨立基礎加固
在進行現場施工之前，需要對原有建筑結構進行全方面的檢測與評估，對結構的質量和承載性能進行可靠性論證。在可靠性滿足要求的前提下方可進行后續施工。
對施工現場進行場地清理和圍護處理，破除原有地坪，進行第一次土方開挖并開挖至獨立基礎底面標高，目的是為錨桿靜壓樁施工做準備。檢查各個獨立基礎的完好性并對有損傷的基礎進行局部加固，然后對原有臺階狀獨立基礎進行拓寬加厚處理如圖3-1。待其強度達到要求后方可進行樁位放樣。
圖3-1 原有獨立柱基加固圖
3.2錨桿靜壓樁施工
錨桿靜壓樁將錨桿技術和靜力壓樁技術相結合，施工時采用千斤頂將預制的混凝土樁采用分段壓入的方式壓入既有建筑基礎中，施工前應該將預制錨桿靜壓樁節段提前運至施工現場并合理堆放。具體施工流程如下：
（1）樁位及錨桿位置開孔：鑒于原有基礎位置對開孔位置和整個壓樁過程的影響，實際施工中可對開孔位置作適當調整，然后經抗剪切、抗沖切以及抗彎等復核滿足要求后方可進行開孔，施工現場開孔并埋置錨桿圖見圖3-2。
圖3-2 現場開孔圖
圖3-3 壓樁架架設圖
（2）在壓樁孔周圍埋設錨桿，安裝壓樁反力架如圖3-3。
（3）壓樁：用千斤頂利用樁架反力將預制樁逐節壓入土中，節與節之間采用焊接或硫磺膠泥連接。壓樁時務必保持壓樁架和樁段垂直，樁段軸線和千斤頂處于同一垂線，并且不得進行偏壓。
壓樁盡量做到一次到位，中途不能停頓，若不得不停頓時，則樁尖宜停在軟弱土層且停頓時間不宜過長，以避免重塑土強度在停歇時間內得到恢復，從而增加了壓樁的難度。樁節段之間要垂直對接，采用焊接時須確保焊接質量滿足要求。壓樁時要控制好壓樁速度和壓樁位置的選擇，最大限度減小擠土效應和減小對原有地基的擾動。
（4）封樁：本次錨桿靜壓樁在基礎以下埋入深度設計為15m，最后一節樁壓入設計標高后將多余的部分截去，然后采用C30早強微膨脹性混凝土對其進行封樁并與基礎連接為一體。
3.3二次土方開挖形成新型組合錨桿靜壓樁
所有錨桿靜壓樁壓樁施工完成后，需要等土體超孔隙水壓力消散完全后方可進行土方的二次開挖，同時需要需對地基沉降進行嚴格觀測。二次土方開挖時，上部加載將全部由錨桿靜壓樁來承擔，并通過錨桿靜壓樁向更深的持力層傳遞。
二次土方開挖前土體基本處于穩定狀態[9]，由于土體的側壓力影響，土方開挖施工時采用分層對稱平衡開挖法，在樁的兩側同時進行挖土并且采用相同的挖土速度。為了避免對獨立基礎及其毗鄰地基產生過大擾動，在距離獨立基礎1m外采用小型機械開挖，在距離獨立基礎1m以內的范圍內采用人工開挖的方式進行。土方開挖施工階段是結構內力發生轉化的階段，挖土時要保證結構安全和施工安全。盡量減小施工過程對地下水電管線和地表沉降的影響，挖土施工時嚴禁擾動獨立基礎下土方體（內圈核心土），為防止錨桿靜壓樁發生破壞或失穩，施工時嚴禁挖土器械觸碰。
圖3-4 挖土過程圖
每層土方開挖深度為1.5m，橫向挖至錨桿靜壓樁的最外圍，如圖3-4。錨桿靜壓樁外圍土方開挖后，為了對裸露出來的錨桿靜壓樁四周進行實時約束保護，應該及時用鋼筋將所有錨桿靜壓樁及內部核心土箍起來，如圖3-4。并在外圍澆筑300mm厚的混凝土外壁，以提高抗壓強度和整體穩定性。外圈混凝土壁澆筑完畢后形成的組合體見圖3-5，將此時形成組合體稱為新型組合錨桿靜壓樁，新型組合錨桿靜壓樁的上部結構是由內圈核心土、外圈混凝土壁以及中間包裹的四根錨桿靜壓樁上部樁段組合而成，將這個組合體稱為新型組合錨桿靜壓樁的上部組合體（以下簡稱上部組合體），將埋入土中部分的下部錨桿靜壓樁稱為新型組合錨桿靜壓樁的樁腳（以下簡稱組合樁樁腳）。
圖3-5 新型組合錨桿靜壓樁剖面圖
待混凝土強度達到設計強度要求之后，再采用同樣的施工方法進行下一層土體的開挖并進行下一階段組合體的澆筑，直到地下室底部設計標高。
為了保證原有建筑在施工過程的穩定性和以及施工時的安全，以及土方開挖過程是否會造成上部結構的傾斜開裂或者其他過大的變形，需要對地基的沉降和以及上部結構的位移進行實時觀測。
3.4澆筑地下室混凝土
在土體分層開挖至地下室設計標高后，受基坑工程的空間和時間效應的影響，必須按要求立即對地下室進行底板澆筑，先澆筑混凝土墊層，然后再施工底板防水層，最后澆筑地下室底板混凝土，同時，對新型組合錨桿靜壓樁與地基土體相接觸部分周圍進行嵌固處理。地下室底板澆筑后效果圖見圖3-6，其中的樁體即為組合樁上部組合體部分。底板混凝土澆筑完成后，再澆筑地下室其他構件以及連續墻體。
圖3-6 地下室底板澆筑完成后效果圖
4.組合樁上部組合體組合模量和組合重度的計算
4.1等代法計算組合樁上部組合體組合模量
圖4-1 組合樁上部組合體結構圖（單位：mm）
如圖4-1所示，土方開挖后所形成的新型組合錨桿靜壓樁樁體上部上部組合體由外圍混凝土壁（厚度為300mm）、四根錨桿靜壓樁樁體以及內圈核心土三部分組成，屬于非均質體。為了簡化計算和方便建立模型，將其視為均質體[11]，并提出了與原非均質體等價的均質體的模量（以下稱為組合模量EZP）。組合模量的大小由外圍混凝土模量、原錨桿靜壓樁樁體混凝土模量和核[10]心土模量按照一定的比例組合而成，其表達式為：
（2-1）
（2-2）
（2-3）
式中：
——組合模量，Pa/m2；
——外壁混凝土彈性模量，Pa/m2；
——錨桿靜壓樁樁體混凝土彈性模量，Pa/m2；
——內圈核心土模量，Pa/m2；
——外壁混凝土截面積與組合體面積比；
——錨桿靜壓樁總截面積與組合體面積比；
——外壁混凝土截面積，m2；
——錨桿靜壓樁總截面積，m2；
——組合體面積，m2。
4.2等代法計算組合樁上部組合體組合重度
同理，組合體組合密度的表達式如下：
（2-4）
式中：
——組合密度，kN/m3；
——外壁混凝土密度，kN/m3；
——錨桿靜壓樁樁體混凝土密度，kN/m3；
——內圈核心土密度，kN/m3；
外壁混凝土模量密度
取25.0kN/m3，錨桿靜壓樁樁體密度
取27.0kN/m3，核心土的密度
取18.5kN/m3。此處核心土的模量取核心土的壓縮模量。計算得到
的大小為21.18kN/m3。
5.結語
本文首先對房屋基礎托換技術進行簡單總結并詳細介紹了樁式托換技術的分類和相關施工技術特點。本章研究基于安徽中元成品車間地下室增設工程，現場土層工程性質良好，能夠提供較高的側摩阻力，適合采用摩擦樁施工。綜合考慮空間限制、工期長短、成本投入等其他條件，決定使用新型組合錨桿靜壓樁托換技術對原有柱基進行托換，然后進行土方開挖修建地下室。
然后本章詳細介紹了使用新型組合錨桿靜壓樁進行廠房地下室增層施工的具體施工工藝：破除廠房原有地坪，進行第一次土方開挖并直接開挖至獨立基礎底面標高；對獨立基礎進行加固處理；采用錨桿靜壓樁進行托換；再進行第二次土方開挖，挖土深度為1.5m，已開挖部分錨桿靜壓樁外圍澆筑混凝土形成新型組合錨桿靜壓樁的上部組合體部分。再順次分層進行下方土體開挖，土體開挖至設計標高后澆筑地下室底板及其他部位混凝土，托換施工完畢。最后采用等代法計算出了組合樁上部組合體的組合模量和組合重度。
參考文獻
[1] 高劍平. 國內外既有房屋加層改造發展概況[J]. 華東交通大學學報，2006，23(2):1-4.
[2] Cassidy P. BUILDING RAISING AND UNDERPINNING SYSTEM:
US, US3852970[P]. 1974.
[3] 李盡致. 對老舊房屋維修加固處理施工方法論述[J]. 建筑工程技術與設計，2016(27).
[4] Concrete C &, /India N D. ROOT-PATTERN PILES
UNDERPINNING [J]. 1964.
[5] 王世君. 微型鋼管灌注樁在房屋基礎托換工程中的應用[J]. 甘肅科技，2006，22(1):40-42.
[6] 劉更寧. 微型鋼管樁和鋼筋錨固技術在廠房基礎加固中的應用[J]. 中國煤炭地質，2002，14(3):52-54.
[7] 王鵬. 錨桿靜壓樁托換技術在某別墅新增地下室中的應用[J]. 建筑結構，2015(9):59-62.
[8] 李空軍，吳如軍，陳明亮. 錨桿靜壓樁托換技術在工程應用中的若干問題研究[C]// 全國FRP學術交流會.2007.
[9] 湯熙海. 既有商業建筑增建地下空間施工過程的數值模擬研究[D]. 南京工業大學，2014.
[10] Ruwanpura J Y, Ariaratnam S T.
Simulation modeling techniques for underground infrastructure construction
processes [J]. Tunnelling & Underground Space Technology， 2007，22(5–6):553-567.
[11] 錢玉林. 水泥加固土復合模量的研究[J].
工業建筑，2001，31(2):31-33