某條形基礎(chǔ)房屋的頂升糾傾加固技術(shù)

周健男 戴占彪 劉 輝 趙曉玉

河北建研科技有限公司 河北 石家莊 050200

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，某些建筑物在建設(shè)或使用過程中，由于各種原因產(chǎn)生了不均勻沉降，造成建筑物傾斜，例如著名的意大利比薩斜塔、中國都江堰的奎光塔等。同樣，也有一些建筑物由于傾斜量過大，且采取措施不及時而發(fā)生倒塌，如建于中世紀(jì)著名的英國Fly大教堂。為了避免更大的經(jīng)濟損失，業(yè)內(nèi)學(xué)者開始重點研究建（構(gòu)）筑物的糾傾和基礎(chǔ)托換加固技術(shù)[1-3]。目前，工程中較為常見的頂升糾傾方法有迫降糾傾和頂升糾傾兩類。由于迫降糾傾所需工期較長、精確度不易控制等原因，頂升糾傾法更受技術(shù)人員的歡迎。史軍等[4]提出了整體頂升對建筑糾傾的加固方案，使房屋整體傾斜率由1.184%降至0.085%；張永前等[5]通過數(shù)值模擬對磚混結(jié)構(gòu)的頂升糾傾技術(shù)展開研究，發(fā)現(xiàn)人工成孔樁和混凝土托梁能從根本上解決磚混結(jié)構(gòu)地基不均勻沉降造成的傾斜問題；崔少華等[6]針對多層剪力墻結(jié)構(gòu)提出采用斷墻（柱）頂升法對結(jié)構(gòu)進行糾傾。上述頂升技術(shù)均需將建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)分離，再單獨對基礎(chǔ)進行加固處理，而較少有方法將基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)整體進行糾傾加固。

本文以張家口地區(qū)某住宅樓糾傾加固工程為研究對象。該地區(qū)大多數(shù)為回填地基，由于地基不均勻沉降導(dǎo)致建筑物傾斜的案例時有發(fā)生，對此提出采用樁基托換頂升法對該建筑進行糾傾加固施工。該方法無需將基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)分離，在基礎(chǔ)下直接制作托換樁進行糾傾施工，保留了建筑的完整性，使頂升受力更加合理，安全性能更高。與此同時，待頂升完成后，托換樁與原基礎(chǔ)形成樁筏基礎(chǔ)，極大地提高了地基承載力，若地基土浸水產(chǎn)生濕陷，樁基也完全可以獨立承擔(dān)上部建筑物的荷重，防止建筑再次發(fā)生沉降（圖1）。

1 工程概況

圖1 樁基托換頂升

張家口市某小區(qū)17#住宅樓為地上6層、地下1層的砌體結(jié)構(gòu)，東西長40.2 m，南北寬13.76 m，自東向西由1～5單元組成，2單元和3單元交界處設(shè)置1道變形縫，建筑總高度為17.87 m，建筑平面如圖2所示。

圖2 建筑平面

2015年12月，住宅樓西北角散水及附近地面出現(xiàn)局部下沉、墻體開裂等現(xiàn)象。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，該樓3～5單元存在嚴(yán)重傾斜，傾斜率達0.55%，超出GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中傾斜率上限值0.4%的規(guī)定，具體沉降檢測結(jié)果見表1。

表1 沉降檢測結(jié)果

2 工程地質(zhì)情況

依據(jù)巖土工程勘察報告，該場地地表以下約20.0 m深度范圍內(nèi)共有4種土層，主要為人工填土，其余主要土層為粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化粗面巖及中風(fēng)化粗面巖，各層地基土的物理力學(xué)特性見表2。

3 傾斜原因分析

結(jié)合該工程地質(zhì)情況及周圍環(huán)境得知，該住宅樓發(fā)生傾斜的主要原因有以下幾點：

表2 土層物理力學(xué)特性

1）地基處理不均勻。該建筑原地勢低洼，高低不平，東部為基巖地基，西部經(jīng)人工回填后作為建筑用地，回填土厚度變化大，且后期地基處理不到位，基礎(chǔ)受力不均勻，是建筑物傾斜的根本原因。

2）化糞池滲漏。在該樓西北角處化糞池發(fā)生滲漏。此外，該處地勢較低，雨季積水嚴(yán)重，造成地基局部浸水，加劇地基不均勻沉降。因此沉降大致規(guī)律為對角線式降低，西北方向沉降最為明顯，東南方向基本未發(fā)生沉降。

4 糾傾處理方案

4.1 重難點分析

通過分析建筑物沉降和傾斜程度，可知地基不均勻沉降仍有不斷加劇的可能。為確保糾傾工作順利進行，須對施工過程中的重難點逐一進行分析：

1）場地回填土層厚度較大，含水率高，經(jīng)前期處理后地基仍存在濕陷性，采取何種措施對既有建筑物進行止傾，是本工程需考慮的關(guān)鍵問題之一。

2）在確定糾傾方案前，需綜合考慮各種影響因素，如施工場地條件、建筑物的剛度以及荷載的大小等。若糾傾方法選擇不當(dāng)，不僅達不到預(yù)期的糾傾效果，而且還會增加工程施工成本，延長施工周期。因此，選擇合適的糾傾方法及施工設(shè)備是至關(guān)重要的。

4.2 制定糾傾方案

既有建筑的糾傾加固技術(shù)根據(jù)糾偏原理的不同可分為迫降糾傾和頂升糾傾兩大類。迫降糾傾是以改變原始建筑地基應(yīng)力為原理，從地基下手強迫建筑下沉；而頂升糾傾則主要靠調(diào)整結(jié)構(gòu)自身來達到糾傾的目的。

該住宅樓帶有1層地下室，外加地基土層分布也不均勻、地質(zhì)條件復(fù)雜，若采用迫降糾傾法，不僅施工難度大，而且會影響地下1層的使用功能。出于上述考慮，本工程制定了樁基托換頂升法對該住宅樓進行糾傾加固。

5 糾傾施工

5.1 整體思路

為避免機械施工過程中對周圍土體產(chǎn)生擾動，進而造成建筑物的二次下沉，本工程采用人工成孔灌注樁基礎(chǔ)托換原有條形基礎(chǔ)，形成樁筏基礎(chǔ)，增大地基承載力。

上部墻體通過雙托梁進行托換，條形基礎(chǔ)和托換梁組成上部托換體系，在樁承臺與上部托換體系之間布置千斤頂，樁基礎(chǔ)提供支座反力，對建筑進行頂升糾傾（圖3）。

圖3 頂升示意

頂升糾傾結(jié)束后，用特制的鋼支柱置換千斤頂并將其撤出，將上部托換體系、鋼支柱用鋼筋與樁筏基礎(chǔ)相連，并澆筑混凝土使其成為一個整體。

5.2 主要施工工藝

頂升糾偏加固施工主要分為3個階段，即：前期頂升準(zhǔn)備工作、正式頂升作業(yè)、后期建筑物恢復(fù)階段。具體施工步驟如圖4所示。

圖4 加固糾傾施工工藝

5.2.1 托換體系施工

前期頂升準(zhǔn)備工作占據(jù)了施工周期大部分時間，準(zhǔn)備工作是否到位直接關(guān)系到最終糾偏成功與否，其中最為重要的是托換體系的施工。

1）托換樁施工。本工程采用人工挖孔灌注樁，以④層中風(fēng)化粗面巖作為樁端持力層，在建筑物構(gòu)造柱正下方設(shè)置樁徑800 mm、樁長20 m的托換樁，共計60根。樁端進入持力層不小于0.5 m，單樁承載力特征值均不小于4 900 kN，樁位布置見圖2。樁孔開挖過程中，為了確保建筑物不進一步沉降，開挖采用間隔交叉方式。樁孔成形后，綁扎鋼筋籠和承臺鋼筋，隨后澆筑混凝土。待混凝土強度達到設(shè)計強度，放置千斤頂并施加初步頂升后，方可開挖相鄰樁。

2）托換梁施工。將既有墻體剔鑿一定寬度后，在既有砌體墻雙側(cè)與條形基礎(chǔ)相連位置設(shè)雙托梁，托梁截面尺寸為250 mm×500 mm，兩側(cè)托換梁采用銷鍵連接，銷鍵間距不大于1 m。墻體采用分段托換方式，按照設(shè)計順序分別托換同一側(cè)的墻體，待該側(cè)混凝土強度滿足要求后再按同樣順序托換另一側(cè)，如圖5所示。

5.2.2 頂升作業(yè)

本次頂升采用高精度PLC（可編程邏輯控制器）液壓同步頂升系統(tǒng)，控制精度為0.01 mm，施工精度為0.1 mm，頂升過程中通過人機交互作業(yè)實現(xiàn)智能化控制、信息化頂升（圖6），與以往口哨式頂升作業(yè)相比，無論是施工精度還是工作效率均大幅提高。在托梁側(cè)面布置應(yīng)變傳感器，各測點處設(shè)置位移計，頂升過程中系統(tǒng)可自動采集施工中千斤頂?shù)墓ぷ鲏毫晚斏灰疲ＷC了整個頂升作業(yè)得以平穩(wěn)順利進行。

圖5 托換梁

圖6 泵站聯(lián)機電氣控制

頂升之前按設(shè)計將千斤頂、鋼支柱、鋼板等放置到位，千斤頂?shù)撞亢晚敳糠胖娩摪澹⒊醪绞┘訅毫ΡＷC千斤頂與基礎(chǔ)底緊密接觸。

頂升采用分離式液壓千斤頂，共60臺，每臺千斤頂最大起重量達200 t，最大頂起高度30 cm。本次頂升共分10個區(qū)域，分別由10個油泵站控制，每個油泵站控制5～8個千斤頂。

經(jīng)試頂升確認(rèn)各系統(tǒng)可正常工作后，開始正式頂升。頂升糾傾以5號點（西北角）的頂升量作為主控，全過程可分為4個階段，即：頂升稱重、北向南頂升20 mm、西向東頂升230 mm和局部調(diào)整階段。

頂升過程中，通過高精度的位移、壓力檢測系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)精確、實時地傳至電腦，通過調(diào)整工作壓力，精確控制千斤頂，實現(xiàn)多點線性同步頂升。圖7為5號頂升點（西北角）的頂升控制界面，頂升位移為233.06 mm，頂升基本到位。

此時，測量人員采用全站儀測出建筑的傾斜率和沉降量，若未頂升到位，仍可局部調(diào)整。最終3個單元墻體最大一處傾斜率調(diào)整至0.06%，滿足規(guī)范和施工合同要求，施工效果如圖8所示。

圖7 5號頂升控制點

圖8 頂升效果

6 有限元數(shù)值分析

為進一步了解頂升過程中建筑物基礎(chǔ)、托換梁及底部墻體間的受力情況，本節(jié)對基礎(chǔ)底面以上2 m，長度為2.9 m范圍內(nèi)托梁夾墻結(jié)構(gòu)的受力情況展開分析。根據(jù)對稱結(jié)構(gòu)原理，同時為提高模擬的精確性，本模型按照“1/2l0＋1 m”的原則進行三維建模。實體單元模擬條形基礎(chǔ)、托換梁和底部墻體，采用整體模型進行配筋，如圖9所示。

頂升過程中，模型的應(yīng)力云圖如圖10所示，頂升力的傳力路徑為條形基礎(chǔ)→托換梁→墻體，最大應(yīng)力出現(xiàn)在基礎(chǔ)底面頂升力的加載面附近。應(yīng)力分布自上而下均勻變化，上部墻體應(yīng)力基本呈均勻分布狀態(tài)，說明由條形基礎(chǔ)和托換梁組成的托換體系擴散應(yīng)力效果明顯。

圖9 有限元模型

圖10 頂升應(yīng)力云圖

頂升前后托換梁的應(yīng)力變化如圖11所示。從圖11中可以看出，頂升之前托換梁將上部荷載分層均勻向下傳遞；待施加頂升力后，頂升面上部位置應(yīng)力增加明顯，但自梁底至梁頂、自梁端至梁中部位的應(yīng)力增加呈逐漸減少的趨勢。與此同時，梁中部位頂升前后應(yīng)力基本保持在0.4 MPa以下，由此可見頂升力對托換梁端部的影響較大，而對托梁中部的影響相對較小。

圖11 托換梁應(yīng)力云圖

7 結(jié)語

1）結(jié)合某條形基礎(chǔ)砌體結(jié)構(gòu)糾傾工程，系統(tǒng)地介紹了樁基托換頂升糾傾加固技術(shù)，該技術(shù)不但可以保留建筑的完整性，還能解決地基日后再次沉降的問題，達到治本的目標(biāo)。

2）本次頂升采用先進的PLC液壓同步頂升系統(tǒng)，配以先進的電控裝置和高精度的位移、壓力檢測系統(tǒng)，精確控制千斤頂?shù)纳邓俣龋瑢崿F(xiàn)多點同步升降的控制。

3）通過有限元數(shù)值模擬分析了托換梁頂升過程中的應(yīng)力變化，得出樁基托換頂升糾傾技術(shù)中基礎(chǔ)、托換梁、墻體應(yīng)力分布合理，安全冗余度較高的結(jié)論。

4）本次工程歷時3個月，最大頂升量達233 mm，整體傾斜度由0.55%降至0.06%，糾傾效果顯著。