多層民用建筑穩(wěn)沉階段加固與糾偏技術(shù)研究

李永超，楊傳金，佟化洲，魏鼎峰，鄧 芃

（1.山東省岱莊生建煤礦，山東 濟寧 277600；2.山東省七五生建煤礦綜采工區(qū)，山東 濟寧 277600；3.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590）

濟寧市微山縣所轄區(qū)域的煤炭資源豐富，然而“三下”（建筑物下、鐵路下以及水體下）占用了大量的煤炭資源，尤其以鄉(xiāng)鎮(zhèn)多層民用建筑物下壓煤比例最大。為避免采煤對民用建筑造成過大的影響，采煤區(qū)域受到顯著的限制，但由于煤炭資源逐步減少，對“三下”的煤炭資源，尤其是臨近多層民用建筑地下的資源，煤炭的開采工作幾乎是每天都在進行的。這種采煤活動對建筑的影響非常顯著，必然導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)危及結(jié)構(gòu)安全的裂縫、房屋整體傾斜超限，甚至出現(xiàn)房屋倒塌等安全事故。因此，有必要對這類建筑物的損壞情況進行預(yù)測，并預(yù)先采取安全措施以避免建筑物出現(xiàn)嚴重的損壞，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全問題，從而減少后期加固和維修的費用。

山東科技大學(xué)對岱莊礦采煤所引起的地表變形進行系統(tǒng)的分析，預(yù)測岱莊礦區(qū)內(nèi)有兩棟建筑所在區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)最大約1.0m的沉降，伴隨不均勻沉降，如圖1所示。預(yù)計建筑傾斜角度達到7‰，這遠遠超過3‰的限值[1]。因此，有必要對兩棟建筑的安全性進行評估，并提出解決措施。

圖1 建筑所處

1 工程概況

在閆樓管區(qū)的協(xié)助下，山東省岱莊生建煤礦及山東科技大學(xué)對其中的商業(yè)樓兩棟樓房進行了勘測。情況如下：（1）商業(yè)樓為2層的單跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，柱截面為350mm×350mm，房屋進深約為8m，梁高度約為900mm；基礎(chǔ)采用獨立基礎(chǔ)；完工約有半年左右，因發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)傾斜較大，暫停使用。（2）目測商業(yè)樓的傾斜角度非常顯著，立面呈明顯的弓形，根據(jù)工程經(jīng)驗，傾斜已經(jīng)超過4‰。鋼筋混凝土構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫，填充墻也未見裂縫。

和業(yè)主以及岱莊煤礦技術(shù)部門的負責(zé)人進行了咨詢，得出如下結(jié)論：（1）周邊地區(qū)因歷史原因，持續(xù)存在沉降問題。此前問題并不嚴重，但近兩個月地表和房屋的變形顯著增大。煤礦的技術(shù)負責(zé)人解釋為因生產(chǎn)周期的影響，該地區(qū)巷道的挖掘工作2個月前已經(jīng)完成，由此導(dǎo)致兩棟多層民用建筑發(fā)生顯著的變形。（2）房屋的傾斜角度已經(jīng)超過規(guī)范的限值，如等到該地區(qū)穩(wěn)沉以后再進行糾偏，房屋的傾斜角將超過10‰，房屋的安全問題非常嚴重。因此，應(yīng)首先測量房屋的傾斜情況，并制定穩(wěn)沉期間防區(qū)的安全保障方案，并盡可能控制施工費用、減小后期維修費用。

為此，山東科技大學(xué)對商業(yè)樓的傾斜情況進行了初步測量，商業(yè)樓建筑面積為345m2，總高度為7.0m，房屋縱向傾斜7.1‰，即頂部側(cè)向傾斜達50mm；進深方向未見傾斜。

2 方案對比

由測量數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場調(diào)查情況可知，商業(yè)樓的傾斜是近期巷道掘進所致，然而根據(jù)對該區(qū)域的地表變形預(yù)測，該場地的傾斜為7‰，而此時該建筑的傾斜已經(jīng)達到該數(shù)值，這說明對地表變形的預(yù)測并不準確。和岱莊煤礦的技術(shù)人員交流可知，采煤會加劇該區(qū)域地表的傾斜。根據(jù)當前地表傾斜情況，最終傾斜將導(dǎo)致房屋的傾斜達到15‰左右。對此，根據(jù)岱莊煤礦所具備的施工能力，山東科技大學(xué)提出三種方案進行討論。

2.1 注漿頂升方案

壓密注漿法是通過鉆孔將漿液擠入土體，注漿處的漿體對周圍土體產(chǎn)生壓縮作用，較近區(qū)域產(chǎn)生塑性變形、較遠區(qū)的土體產(chǎn)生彈性變形，在增加土體密度的同時，將產(chǎn)生較大的上抬力，這種擠密作用和上抬力對地基加固和基礎(chǔ)抬升非常有效[2-3]。通過控制注漿位置和注漿量，并配合對建筑變形的監(jiān)測，可對沉降較大的區(qū)域進行控制注漿，即預(yù)先施加與地表傾斜規(guī)律相反的變形。

2.2 加大承重構(gòu)件截面方案

隨著地基不均勻沉降的繼續(xù)增加，各構(gòu)件將產(chǎn)生更大的附加內(nèi)力，這將導(dǎo)致構(gòu)件的不安全系數(shù)增加，最終有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，甚至造成建筑傾覆。增大截面以提高結(jié)構(gòu)的承載能力和抵抗變形的能力是結(jié)構(gòu)加固中最為常見的方案[4]。對于鋼筋混凝土梁和柱，采用角鋼加固、碳纖維進行加固都是比較成熟的技術(shù)；對于墻體，可以采用在墻體內(nèi)外兩側(cè)設(shè)置鋼筋網(wǎng)、水泥砂漿面層進行加固。

2.3 整體剛度增大且動態(tài)糾偏方案

整體剛度增大法是提高建設(shè)標準比較低的農(nóng)村住宅抗震設(shè)防標準最為有效的方法。通過增加圈梁和構(gòu)造的剛度以及增加二者與墻體的拉結(jié)，不僅可以提高墻體的抗彎、抗剪能力，還可以提高結(jié)構(gòu)的延性[5]。另外，對于地基不均勻沉降的問題，設(shè)置圈梁可避免局部沉降引起的墻體開裂，剛度較大的圈梁可協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的不均勻變形，緩解不均勻沉降所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)傾斜等問題。

穩(wěn)沉后，預(yù)期結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生大約15‰的傾斜，這將顯著增加承重構(gòu)件的內(nèi)力、導(dǎo)致墻體大面積開裂，甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)坍塌。因此，在穩(wěn)沉期間進行糾偏尤為必要。常用的糾偏方式包括注漿頂升法、掏土糾偏法、堆載糾偏法、錨桿靜壓抬樁法以及結(jié)構(gòu)脫換后頂升法。其中掏土糾偏方式的技術(shù)難度低，但周期比較長，這種方法恰好與地面穩(wěn)沉的周期相匹配，通過較為頻繁地觀測獲得數(shù)據(jù)，可及時調(diào)整掏土相關(guān)參數(shù)，從而獲得滿意的效果。

2.4 綜合對比

三種方案的優(yōu)劣比較如表1所示。由表1可知，增大構(gòu)件截面法是通過增加結(jié)構(gòu)冗余承載力以提高結(jié)構(gòu)的安全性，屬于被動的方式，這種對結(jié)構(gòu)進行整體糾偏的措施造價過高，幾乎與重建費用相當，并且后期還需要進行糾偏，不僅再次增加費用，而且對業(yè)主的影響非常大。注漿抬升法試圖增加地基的剛度，同時通過局部控制頂升的高度的方式，希望能與發(fā)生的沉降相協(xié)調(diào)，但由于變形存在不可預(yù)測性，且注漿對先有的結(jié)構(gòu)形成一定的損傷，所以，風(fēng)險過大，施工費用高昂，對業(yè)主影響也非常大。相比較而言，整體剛度增大且配合變形監(jiān)測與動態(tài)糾偏是一種非常合理的方式，不僅增加了結(jié)構(gòu)整體剛度，而且提高了結(jié)構(gòu)的安全性；由于結(jié)構(gòu)的整體剛度增大，后期進行糾偏時，建筑也更為安全，開裂也可以減少；與監(jiān)測相配合，可控制結(jié)構(gòu)的傾斜在規(guī)定范圍內(nèi)；加固、糾偏以及后期維修的費用比其他方案顯著減小。因此，最終采用整體剛度增大且動態(tài)糾偏方案。

3 方案實施

3.1 地基梁加固與施工

在商業(yè)樓地基梁同一標高處，設(shè)置與地基梁相同尺寸的附加地基梁。原計劃內(nèi)外同時設(shè)置，但考慮到施工對室內(nèi)地面影響過大、施工比較麻煩，僅在外側(cè)設(shè)置附加地基梁，如圖2所示。通過植筋將附加地基梁與原地基梁進行連接，箍筋間距為200mm，植入鋼筋的間距為400mm；在鋼筋混凝土柱下獨立成基礎(chǔ)處，通過與原結(jié)構(gòu)相連的附加立柱，將附加地基梁和地基梁上的荷載傳至基礎(chǔ)，如圖3所示。通過附加地基梁、附加立柱以及二者與原結(jié)構(gòu)之間的植筋，新增的結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)形成共同工作的整體，顯著增加了基礎(chǔ)部分的整體剛度，增加了結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形的能力和結(jié)構(gòu)的安全性，也便于糾偏工作的開展[6]。

3.2 監(jiān)測與施工的配合

監(jiān)測包括地表變形監(jiān)測與房屋傾斜監(jiān)測兩部分。由于該項目關(guān)注的地表區(qū)域較小，數(shù)量也比較少。目前，多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運行參考站（Continuously Operating Reference Stations,CORS）成為城市GPS應(yīng)用的發(fā)展熱點之一。用戶采用該系統(tǒng)借助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可實時獲得地表變形的數(shù)據(jù)，對這種試驗性的小型工程非常有效，也便于控制費用。

建筑變形監(jiān)測由岱莊礦的施工方和山東科技大學(xué)相互配合完成，地表變形共設(shè)置15個測點，均勻布置在管區(qū)院內(nèi)，其中第1點和第5點與商業(yè)樓呈平行關(guān)系，二者的距離與樓層的外輪廓對齊，為40m。2019-05-01至2019-12-30所測地表沉降數(shù)據(jù)如表2所示，沉降最大的點達到了884mm，最小的點也達到了420mm；另外，第1點和第2點的豎向變形差為224mm，地表傾斜達到了5.6‰。考慮到前期因巷道掘進所引起的沉降，該區(qū)域的沉降最終超過1m，地表的傾斜度也超過7‰。按照經(jīng)驗，地表變形基本在6個月能達到穩(wěn)定，考慮到巷道掘進的時間為2018年的年底，可認為該地區(qū)已經(jīng)處于穩(wěn)沉的狀態(tài)。持續(xù)的檢測數(shù)據(jù)也表明，后期的觀測數(shù)據(jù)變化甚微，可視為誤差所引起的數(shù)據(jù)震蕩。由于該地域位于微山湖周圍，地基為黏土，因此，糾偏的效率較低。在掏土糾偏過程中，根據(jù)對地表變形的觀測以及對建筑傾斜角的變化，及時調(diào)整獨立基礎(chǔ)下掏孔的數(shù)量，并采用灌水和沖刷掏孔的方式，至2019年12月，對商業(yè)樓傾斜角的觀測數(shù)據(jù)表明，該建筑物的傾斜角控制在2‰，承重結(jié)構(gòu)未見有開裂現(xiàn)象，墻體也未見裂縫。

表1 方案比較

圖2 附加地基梁布置圖（單位：mm）

圖3 加固施工

4 結(jié)束語

對于采煤區(qū)周邊的多數(shù)多層民用建筑，很可能在前期已經(jīng)出現(xiàn)超過規(guī)范限值的傾斜，如果在臨近這些區(qū)域的地區(qū)再次采煤，房屋傾斜角必然超限，承重結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)安全的裂縫，甚至出現(xiàn)房屋倒塌等安全事故。對于這類情況，該項目的成功經(jīng)驗在保證結(jié)構(gòu)的安全性以及有效降低維修費用方面具有現(xiàn)實意義。具體而言，對于采煤的房屋進行基礎(chǔ)加固以提高房屋的整體剛度，從而提高房屋協(xié)調(diào)不均勻變形的能力；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)對地表變形以及房屋傾斜的觀測，在穩(wěn)沉期間進行掏土糾偏，從而保證房屋的安全性且有效降低企業(yè)成本。

表2 地表沉降數(shù)據(jù)（2019-05-01至2019-12-30）單位：mm