上海某柔性框架結(jié)構(gòu)房屋的糾偏加固技術(shù)應(yīng)用研究

余 楠

（同濟(jì)大學(xué)，上海 200082）

0 引言

建筑物糾偏技術(shù)是建立在土力學(xué)基礎(chǔ)上的一項(xiàng)工程技術(shù)。建筑物傾斜的主要原因是基礎(chǔ)下地基土質(zhì)松軟，或土層承載力不一，再加之建筑物本身荷重分部不均，導(dǎo)致基礎(chǔ)不均勻沉降，使建筑物發(fā)生傾斜。因發(fā)生傾斜的建筑物或構(gòu)筑物所處環(huán)境以及所有權(quán)人的經(jīng)濟(jì)狀況多有不同，因而采取的糾偏技術(shù)不可能千篇一律，要因地制宜，具體問題具體分析，采取合理可行的施工方案。本文基于整體剛度偏弱的某柔性框架結(jié)構(gòu)糾偏實(shí)際案例，為保證糾偏過程中的房屋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及避免相鄰柱間的過大沉降差。設(shè)計(jì)了完備的糾偏工藝：采取增設(shè)支撐的方式提高房屋剛度加強(qiáng)房屋整體性，通過掏土糾偏與基礎(chǔ)托換法相結(jié)合的方式，在掏土過程中加強(qiáng)信息化施工，控制整體的矢高差及相鄰柱間的矢高差，降低不均勻沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生附加作用，最終保證了糾偏過程中的結(jié)構(gòu)安全并使得房屋回正。

1 工程概況

上海桂林路某房屋是 20 世紀(jì) 80 年代建成的四層廠房，房屋平面呈矩形，東西向長度約 54.0 m，南北向?qū)挾燃s 37.5 m，總建筑面積約為 8 100 m2，建筑高度為22.5 m。其一層平面圖如圖 1 所示。

圖1 房屋底層平面圖（單位：mm）

該廠房為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)（預(yù)制裝配式），樓面板與屋面板均為預(yù)制槽形板。預(yù)制框架梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式有：橫向框架柱設(shè)鋼筋混凝土牛腿，框架梁梁端頂部設(shè)鋼板與柱側(cè)預(yù)埋件焊接，底部設(shè)角鋼與牛腿頂部預(yù)埋件焊接，形成半剛性連接節(jié)點(diǎn)；縱向連系梁通過柱側(cè)鋼牛腿擱置在柱上，梁端頂部設(shè)鋼板與柱側(cè)預(yù)埋件焊接，底部設(shè)角鋼與牛腿焊接。具體節(jié)點(diǎn)示意圖如圖 2、圖 3 所示。

圖2 橫向框架梁柱節(jié)點(diǎn)

圖3 縱向框架梁柱節(jié)點(diǎn)

房屋基礎(chǔ)為鋼筋混凝土雙向條形基礎(chǔ)，柱下設(shè)杯口，東西向基底寬度 1.6 m 和 4.0 m，南北向基底寬度為 2.0 m。基礎(chǔ)采用 200 號(hào)（C 18）混凝土。

根據(jù)房屋質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告，房屋現(xiàn)狀主要表現(xiàn)為房屋呈現(xiàn)西北側(cè)低、東南側(cè)高的規(guī)律，按相對(duì)高差推算，房屋整體向西傾斜 12.44 ‰，向北傾斜 3.40 ‰，傾斜率超出了危房鑒定標(biāo)準(zhǔn)［1］的限值 10 ‰ 的要求，所以應(yīng)當(dāng)對(duì)該建筑物基礎(chǔ)采取有效的糾偏措施。

2 場地地質(zhì)條件

按照本工程勘測(cè)資料可得，該建筑物持力層為第 2 層褐黃色黏土，第 3 層土缺失，下臥層（15 m 深度范圍內(nèi)）為灰色淤泥質(zhì)黏性土，對(duì)沉降控制較為不利；本工程地質(zhì)條件如表 1 所示。

表1 各層土物理力學(xué)指標(biāo)表

3 糾偏方案及計(jì)算分析

3.1 糾偏方案

根據(jù)本工程特點(diǎn)與以往經(jīng)驗(yàn)，本次采取掏土糾偏法與基礎(chǔ)托換法相結(jié)合的方式進(jìn)行糾偏加固。

掏土糾偏法［2］是利用基底軟土強(qiáng)度低且變形大，在上部荷載加荷速率過大的情況下，造成基地軟土側(cè)向擠出，用以調(diào)整建筑傾斜和變形的原理。

基礎(chǔ)托換法［3］是對(duì)既有建筑物的地基土因不滿足地基承載力和變形要求，而進(jìn)行地基處理和基礎(chǔ)加固的方式，該方法施工方便，作業(yè)面小，施工時(shí)不停產(chǎn)，適用于密集建筑群中。上海地區(qū)普遍使用的加固方式是樁式托換。

本次采用的糾偏方式有鉆孔掏土及靜壓錨桿樁兩種，在掏土過程中為了掌握基礎(chǔ)下沉和傾斜情況，需使用精密儀器在基礎(chǔ)四周設(shè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，做到信息化施工［4］。

同時(shí)，由于房屋為橫向半剛接、縱向鉸接的柔性框架體系，整體性差，相鄰柱基的聯(lián)動(dòng)性較差，糾偏過程中可能會(huì)出現(xiàn)房屋整體回正，產(chǎn)生房屋內(nèi)部局部柱傾斜過大的情況，額外引起柱身P～Δ 效應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。因此，本次采用的方式為增設(shè)柱間支撐以提高房屋整體性。柱間支撐布置圖如圖 4、圖 5 所示。

圖4 房屋支撐布置平面圖（單位：mm）

圖5 典型柱間支撐立面圖（單位：mm）

3.2 基礎(chǔ)加固方案

本案例中，在掏土糾偏過程中，對(duì)原有地基土進(jìn)行了較大擾動(dòng)。為避免后期產(chǎn)生過大沉降和加大原地基的承載力，本工程采用增設(shè)錨桿靜壓樁，使該建筑上部荷載由錨桿靜壓樁與天然地基共同承擔(dān)，但錨桿靜壓樁的主要作用是控制建筑物后期沉降及差異沉降。

本工程中，設(shè)計(jì)樁樁型為直徑 250 mm×250 mm，樁長 30 m 的錨桿靜壓預(yù)制方樁。樁基持力層為 ⑤1層黏土；每節(jié)樁長 2.5 m；樁數(shù)為 216 根，單樁承載力設(shè)計(jì)值為 340 kN，以樁長或以壓樁力作為壓樁控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 糾偏目標(biāo)

1）采用掏土方法進(jìn)行糾偏，控制房屋糾偏加固后平均傾斜率滿足規(guī)范要求。

2）通過采用錨桿靜壓樁對(duì)原基礎(chǔ)進(jìn)行拖換，使建筑物上部荷載經(jīng)由錨桿靜壓樁傳至深層較堅(jiān)硬土層，以避免建筑物后期沉降過大或差異沉降，避免房屋復(fù)傾。

3.4 計(jì)算復(fù)核

3.4.1 糾偏前后房屋重心校核

為保證糾偏方案的科學(xué)性和可靠性，本次采用中國建科院 PKPM 軟件的基礎(chǔ)模塊 JCCAD 進(jìn)行了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)糾偏前后的計(jì)算分析，地基土反力保守取 80 kPa。并以此計(jì)算房屋糾偏前，上部結(jié)構(gòu)形心和地基土反力中心位置。經(jīng)驗(yàn)算可知上部結(jié)構(gòu)形心與地基土反力重心基本重合，符合規(guī)范要求。

根據(jù)糾偏方案，采取掏土迫降與靜壓錨桿樁相結(jié)合的方式進(jìn)行糾偏加固，并以此驗(yàn)算糾偏完成后房屋后樁中心和上部形心也基本重合，符合規(guī)范要求。上部荷載約 61 % 由樁承擔(dān)。考慮到該房屋的后期沉降不易控制，大部分荷載由樁承擔(dān)是很合理的。

糾偏前后房屋重心校核計(jì)算如圖 6、圖 7 所示。

圖6 糾偏前北樓計(jì)算結(jié)果

圖7 糾偏后北樓計(jì)算結(jié)果

3.4.2 迫降量計(jì)算

本建筑整體呈向西北傾斜的趨勢(shì)，擬將建筑物糾偏至整體傾斜率控制在 3 ‰ 左右，最終迫降量可由式（1）、式（2）計(jì)算，糾偏迫降示意圖如圖 8 所示。

圖8 糾偏迫降示意圖

式中：Sv為建筑物糾偏迫降量，mm；Sh1為建筑物頂部水平位移偏移值，mm；b為建筑物糾偏方向?qū)挾龋琺m；Hg為建筑物高度，mm；Sv′建筑物糾偏最終調(diào)整的迫降量，mm；Sh為建筑物頂部水平位移設(shè)計(jì)控制值，mm；a為預(yù)留沉降值，mm。

根據(jù)建筑物傾斜資料，由上式可計(jì)算得出房屋東西向和南北向的最終迫降量約 487 mm 和 76 mm。

3.4.3 掏土量計(jì)算

鉆孔掏土量可由式（3）計(jì)算：

式中：Q為表示鉆孔掏土量，m2；k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，軟土地區(qū)一般為 0.2～0.3；a、b為表示建筑物基礎(chǔ)地面的長度和寬度，m；sv為表示建筑物糾偏最終調(diào)整的迫降量，m。

由此可估算北側(cè)主樓掏土量約為 342 m3，南側(cè)附樓掏土量約為 82 m3，由于軟土自身的蠕變特性，最終的掏土量需根據(jù)實(shí)際情況和現(xiàn)場監(jiān)測(cè)情況調(diào)整，不同位置掏土量應(yīng)根據(jù)傾斜情況靈活調(diào)整，使每天的糾偏迫降量不超過 5.0 mm。具體掏土布置圖如圖 9、圖 10 所示。

圖9 房屋掏土布置圖（單位：mm）

圖10 掏土做法示意圖（單位：mm）

4 施工總控制計(jì)劃及項(xiàng)目實(shí)施難點(diǎn)與重點(diǎn)

4.1 施工總控制計(jì)劃

本工程糾偏加固后控制總的傾斜率＜3‰，并使得房屋回正后，在后續(xù)使用過程中，房屋沉降總體趨于穩(wěn)定。

4.2 糾偏難點(diǎn)與對(duì)策

1）主樓房屋體量大，整體面積約 9 700 m2，單層面積約 2 400 m2，各點(diǎn)糾偏沉降要相對(duì)統(tǒng)一，最高點(diǎn)及最低點(diǎn)高差大。

2）主樓為裝配式框架結(jié)構(gòu)，整體性很差，糾偏時(shí)很難做到整體下沉，需要對(duì)每個(gè)柱下進(jìn)行掏土。

3）掏土量太大破壞房屋整體性，因此需 6 套糾偏設(shè)備同時(shí)施工，也可根據(jù)掏土的效果適當(dāng)增減掏土設(shè)備。

由于該房屋整體性差，故在房屋框架柱間增加人字形柱間支撐提高整體性以帶動(dòng)相鄰柱基迫降。考慮糾偏過程中結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性及后續(xù)加固要求增設(shè)柱間支撐，因房屋為既有結(jié)構(gòu)，新增柱間支撐與既有混凝土梁采用化學(xué)螺栓連接。連接節(jié)點(diǎn)示意圖如圖 11、圖 12 所示。

圖11 新增支撐底部與既有混凝土梁連接節(jié)點(diǎn)

圖12 新增支撐頂部與既有混凝土梁連接節(jié)點(diǎn)

4.3 糾偏重點(diǎn)與注意事項(xiàng)

在糾偏過程中，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)各柱沉降量，做到信息化施工，避免上部結(jié)構(gòu)因各機(jī)臺(tái)施工不同步，而造成局部開裂及產(chǎn)生裂縫；日沉降量控制 2～5 mm/d，每柱設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，計(jì)算每柱的沉降量，并在糾偏過程中，實(shí)際測(cè)量值與理論值比較，做到及時(shí)調(diào)整糾偏順序及節(jié)奏。

糾偏過程中由于產(chǎn)生較大沉降，不可避免出現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)裂縫［6，7］，對(duì)于縫寬達(dá)到 1 mm 的裂縫，這時(shí)必須采用化學(xué)注漿法對(duì)出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件進(jìn)行修補(bǔ)，使其恢復(fù)剛度，達(dá)到正常的承載力。

5 房屋糾偏施工流程

根據(jù)前述糾偏方案，本次房屋糾偏施工將分為如下工況進(jìn)行施工。

5.1 工況一：沉降觀測(cè)

首先對(duì)沉降觀測(cè)點(diǎn)（每根柱上距地 50 cm 設(shè)置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)）進(jìn)行核實(shí)、補(bǔ)設(shè)，做初始觀測(cè)，其次復(fù)核初始傾斜率，并將沉降傾斜觀測(cè)位置繪制成平面圖，將沉降觀測(cè)點(diǎn)以編號(hào)標(biāo)出，做初始化沉降傾斜觀測(cè)記錄表，并依據(jù)糾偏程度，確認(rèn)每個(gè)點(diǎn)的最終沉降量作為控制值。

5.2 工況二：錨桿樁施工

先對(duì) H 軸/15 軸、G 軸/15 軸、H 軸/16 軸進(jìn)行壓錨桿樁施工，其中先對(duì) H 軸/15 軸錨桿樁進(jìn)行封樁；其他兩個(gè)樁位依據(jù)沉降情況，在過程中封樁。

5.3 工況三：鉆孔掏土

先在 24 軸東側(cè)進(jìn)行掏土；待錨桿樁封樁一周后，再在 1/B 軸布置一套設(shè)備掏土。在北樓房屋內(nèi)安排 3 臺(tái)設(shè)備糾偏。掏土孔直徑、深度由東向西逐漸減少，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，使各點(diǎn)沉降量前期控制在 4～5 mm/d，后期控制在 2～3 mm/d，并逐漸減少至符合糾偏要求。

5.4 工況四：過程調(diào)整

中間過程觀測(cè)每個(gè)點(diǎn)的沉降值，按原計(jì)劃的最終沉降值的線性變化確認(rèn)現(xiàn)沉降合理性，如實(shí)際值與理論線性插值得出的沉降值偏差超過 2 cm，要作掏土位置及掏土量調(diào)整的方案。

5.5 工況五：精細(xì)計(jì)算

中間過程定時(shí)觀測(cè)每個(gè)點(diǎn)的沉降值，按原計(jì)劃的最終沉降值的線性變化確認(rèn)現(xiàn)沉降合理性，并且由于房屋為柔性框架，相鄰柱基之間沉降差相差較大，基礎(chǔ)下沉總體呈中間高，兩端低的情況，具體變形情況如圖 13、圖 14 所示。施工過程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基底矢高Δ，當(dāng)Δ 未達(dá)到 7 cm 時(shí)，對(duì)房屋基礎(chǔ)最東點(diǎn)進(jìn)行掏土，當(dāng)Δ達(dá)到 7 cm 時(shí)，發(fā)現(xiàn)房屋內(nèi)部預(yù)制板現(xiàn)澆層出現(xiàn)裂縫，故立即對(duì)基底曲線矢高最大點(diǎn)進(jìn)行掏土，后續(xù)均以 7 cm 作為房屋矢高最大值進(jìn)行控制，如此來回往復(fù)調(diào)整，直至達(dá)到預(yù)期糾偏目標(biāo)。糾偏時(shí)以整體曲線矢高來控制糾偏對(duì)上部結(jié)構(gòu)的整體性能影響，局部影響以相鄰柱間的沉降差進(jìn)行控制。

圖13 掏土變形控制圖

圖14 基底變形示意圖

5.6 工況六：后期封錨

待糾偏達(dá)到 4 ‰ 左右，施工錨桿靜壓樁，待糾偏到達(dá) 3 ‰ 左右，由西向東逐漸封樁。

5.7 工況七：孔口灌漿

在掏土孔中填中粗砂，并注漿回填掏土孔，注漿量約為 30 kg/m P.O32.5 水泥。

圖15 施工過程中實(shí)測(cè)變形圖

現(xiàn)房屋已糾偏完成，完成后房屋各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足前述控制目標(biāo)，且在對(duì)房屋的后續(xù)沉降監(jiān)測(cè)中未發(fā)生明顯不均勻沉降，糾偏前后房屋傾斜量如表 2、圖 16、圖 17 所示。

圖16 糾偏前后傾斜量折線圖（東西向）

圖17 糾偏前后傾斜量折線圖（南北向）

表2 糾偏前后房屋傾斜量對(duì)比表

6 結(jié)語

對(duì)于柔性框架結(jié)構(gòu)，為保證糾偏過程中的房屋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及避免相鄰柱間的過大沉降差，可采取增設(shè)支撐的方式提高房屋剛度加強(qiáng)房屋整體性，通過掏土糾偏與基礎(chǔ)托換法相結(jié)合的方式，在掏土過程中加強(qiáng)信息化施工，控制整體的矢高差及相鄰柱間的矢高差，降低不均勻沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生附加作用，保證糾偏過程中的結(jié)構(gòu)安全并使得房屋回正。目前該房屋使用情況較好，后續(xù)無復(fù)傾情況發(fā)生，達(dá)到預(yù)期效果。Q