止倾迫降综合纠倾法机理分析及在高层建筑纠偏中的应用

邓正定，孙　琪，王　珑，张三福

( 1．中国铁道科学研究院，北京　100081; 2．中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州　730000)



止倾迫降综合纠倾法机理分析及在高层建筑纠偏中的应用

邓正定1，孙琪2，王珑2，张三福2

( 1．中国铁道科学研究院，北京100081; 2．中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州730000)

摘要:对一高层建筑的倾斜原因予以分析，为确保其倾斜率安全、平稳、线性地恢复到允许值，保证其沉降的长期稳定，减少纠倾过程中给多沉侧带来的拖带沉降，提高纠倾效率，提出了止倾迫降的综合纠倾方法。对用应力控制掏土量、锚索加压调控、将石灰桩与钢管桩组合使用等多重纠倾加固控制技术机理进行研究。基于摩尔库伦准则确定出塑性区范围，将掏土区划分为全塑性区和半塑性区，并得出对应的宽度，为掏土孔参数设计提供依据。通过制定科学合理的施工工序，最终保证了该高层建筑物纠倾加固工程的成功实施，使其倾斜率由纠倾前的5. 52‰减小到2. 54‰，满足规范及正常使用要求。采取的石灰桩与钢管桩组合桩型加固措施有效减少了纠倾带来的拖带沉降问题。提出的用应力控制掏土量的方法填补了在湿陷性黄土复合地基、复杂结构纠倾加固掏土计算方法方面的空白，对于类似建筑物纠偏设计与施工具有较强的指导意义。

关键词:止倾迫降塑性区应力控制组合桩

目前，建筑物纠倾的方法共有30多种，根据处理方式可归结为迫降法、抬升法、预留法、横向加载法、综合法(组合纠倾法)等五大类。由于大部分建筑物倾斜是由地基土的不均匀沉降引起的，故水平掏土迫降纠倾法适用范围较广。该方法纠倾沉降量容易控制，适用于软土地基、黄土地基和片筏基础上的倾斜建筑物。但如何防止建筑物矫枉过正，减少多沉侧的拖带沉降，确保建筑物纠偏扶正后地基长期稳定，做到风险可控，一直是困扰纠偏工程界的难题，特别是对高层建筑物的纠倾加固而言。本文以成功实施的甘肃一商住楼纠倾加固工程为例，对坐落在湿陷性黄土地基、结构复杂的高层建筑物纠倾过程中的防复倾止倾加固技术进行针对性的研究，对类似工程具有较好的借鉴意义。

1　工程概况

甘肃一高层商住楼主楼地上有17层，地下1层，裙楼3层，主楼总高度为50 m。主楼为剪力墙结构，裙楼均为框架剪力墙结构。基础形式均为平板式筏形基础，且主楼与裙楼筏板相连。筏板东西向最大长度为43 m，南北向宽度为36 m。埋深－5. 2 m，板厚1. 0 m，外伸1. 2 m。筏板下为厚150 mm的C20素混凝土垫层，垫层与筏板之间为建筑防水层，防水层上为50 mm厚的C20混凝土保护层，垫层下为厚500 mm 的3∶7灰土垫层。

该建筑所在场地属于关川河西岸二级阶地后缘。根据详勘报告及后期勘察资料，场地地层自上而下主要由黄土、角砾及泥岩三层组成。由于对湿陷性黄土进行了孔内深层强夯法( DDC法)整片处理，故该楼基础坐落于黄土复合地基土地层之上。复合地基土物理力学参数见表1。

表1复合地基土物理力学参数

2倾斜原因及纠偏难点分析

2. 1变形情况

该建筑于2013年3月开始主体工程施工，同年9月主体结构封顶，不久，在电梯安装时发现倾斜现象。经有关单位检测发现，大楼向西南倾斜，筏板最北端与西南角沉降差达139 mm，楼体倾斜变形为180～195 mm。大楼整体倾斜率在4. 61‰～5. 52‰(见图1)，远超过《建筑地基基础设计规范》( GB 50007—2011)规定的3. 0‰的允许值。

图1大楼倾斜情况示意

2. 2倾斜原因分析

通过对大楼结构形式、地质条件和周边环境的综合分析发现，可能的倾斜原因包括荷载偏心、局部地基软弱、南北侧含水率不均等，具体分析如下:

1)根据检测鉴定结果，经过处理的复合地基的桩间土呈中、低压缩性，压缩系数、挤密系数均满足设计要求，湿陷性已消除。故可以排除地基黄土湿陷性引起地基不均匀沉降导致楼体倾斜这一原因。

2)由于裙楼只有3层，而主楼有17层，裙楼与主楼筏板相连且没有设置后浇带，也导致大楼荷载严重不均。对筏板基础进行检算，筏板偏心矩达9. 03，远大于1. 0的限值。因此，荷载分布不均造成的严重偏心是大楼倾斜的主要原因。

3)探井揭露筏板以下10～14 m处均存在约4 m厚含水率较高的软弱夹层。对主楼筏板下各层土体进行土工试验，结果显示主楼南侧地基土含水率普遍高于北侧约6%。由于南侧外约10 m处存在两处积水冲沟，雨季积水渗入主楼南侧地基土中，导致复合地基南侧局部承载力下降，变形增大，使基础产生不均匀沉降。

4)主楼一侧基础顶面以上填土高度高出裙房一侧填土高度3. 60 m，主楼筏板边缘上填土荷载作用较大，裙房筏板边缘上填土荷载作用较小，基础两侧填土荷载作用的差异加重了地基基础沉降变形差异。因此，筏板边缘覆土不均匀使地基基础不均匀沉降加剧，导致楼体倾斜加剧。

5)大楼北侧存在4处面积约9 m2、从筏板往下深度约1 m的集水井及电梯井，相当于4个“混凝土墩”，给大楼北侧形成强有力支撑，加剧了不均匀沉降。

综上分析认为，基础荷载偏心是造成不均匀沉降进而导致大楼倾斜的主要原因。此外，基础下深层软弱层、南侧含水率偏高、北侧集水井支撑及侧向偏心受压均对不均匀沉降产生不利影响。

2. 3纠偏难点分析

1)大楼荷载偏心严重，沉降少的一侧筏板处于裙楼筏板下，上部荷载较小，造成原有地基应力较小。若采用掏土纠倾法减少荷载面积，增加地基土应力，势必增加掏土量。

2)大楼北侧存在4个集水井及电梯井，由于处于筏板标高以下1 m处，与掏土面不在同一标高且面积较大，对掏土造成较大影响，如何解除集水井底部支撑，是本次纠偏的难点之一。

3)大楼南侧荷载较大且含水率较高，地基土较软弱，北侧掏土时势必会造成多沉侧的拖带沉降。同时由于荷载偏心长期存在，如何采取有效的加固止倾措施保证大楼的长期稳定也是纠偏面临的难点。

3　纠倾加固方案

鉴于大楼的倾斜主要由筏板荷载偏心引起(西南侧沉降大、东北侧沉降小)，根据倾斜方向、差异沉降量以及地基基础形式并结合以往的纠倾经验，采用“多竖井掏土迫降+锚索加压调控+钢管桩和石灰桩加固”的综合纠倾加固方案。同时将基础以沉降变形中性轴为界分为两部分，西南侧为调整区，东北侧为迫降区。对调整区采用钢管桩及石灰桩进行加固止倾，对迫降区采用取土迫降法进行纠倾，运用止倾与纠倾相结合的综合纠倾方法，保证在多沉侧沉降值不变的情况下降低少沉侧的建筑物基础标高，从而达到调整不均匀沉降差、实现纠倾的目的(图2)。

图2工程措施

具体工程措施为:

1)东北侧竖井放射状掏土。沿建筑物东北侧取土迫降区开挖4个取土竖井TJ1～TJ4，采用放射状掏土，通过削弱地基土承压面积来增加地基应力，促进基础下沉。

2)锚索加压调控。在每个竖井所对应的筏板边缘布置一排锚索，每排两孔，每孔7束钢绞线，间距为1. 50 m。每束由7根1860级高强度低松弛钢绞线组成(型号为φs15. 24)。每孔锚索孔径为130 mm，长17 m，其中锚固段长12 m。每孔设计最大拉力分别为910 kN，通过千斤顶加压，对纠倾速率和回倾量进行微调，做到人为可控，从而提高纠倾精度和回倾过程中的安全度。

3)西南侧用钢管桩和石灰桩混合加固。在大楼西南侧布设ZJ1～ZJ4共4个加固桩竖井。采用钢管桩与石灰桩相结合的加固方案，每个竖井内布置15个石灰桩垂直孔，8个钢管桩垂直孔，桩长均为15 m，同时在筏板下靠楼体一侧坑壁上设置两排石灰桩，桩间距600 mm，桩径150 mm，桩长15 m，与水平面夹角呈45°角。加固桩施工完成后，在竖井底部绑扎钢筋笼，并将筏板边缘凿开，将筏板的部分钢筋与钢筋笼焊接相连，并用C25混凝土对筏板以下的空间进行浇筑，用原状土对筏板以上空间加以回填夯实。

4　纠倾加固机理分析

4. 1用应力控制掏土量

建筑物的荷载通过基础传递到土中，因此基础底面的压力分布形式将对土产生直接影响。这涉及到上部结构物、基础和地基土的共同作用问题，是一个十分复杂的课题，因此在简化分析时仅看作压力接触问题，即上部结构自重直接传递到土体中。掏土前应力分布等值线如图3所示。

图3地基应力等值线(单位: kPa)

在上部荷载P一定时，随着受荷面积A不断减小，孔间土σ应力不断增加，可知有如下关系

式中，σ0为掏土前初始应力，D为掏土孔直径，L为掏土孔间土宽度。

由于掏土孔的存在，孔周地基土初始应力被解除。随着应力的增加，孔周一定范围地基土将由弹性状态转为塑性状态且塑性区范围随着掏土量的增加而增加，而在塑性区之外的土体仍保持弹性状态。由于孔间土破坏往往发生在孔间土宽度最小处，故可将孔间土看成近似宽度一致的条带，并将孔间土的变形问题看成圆孔扩张问题的特殊形式，孔间土受压缩剪胀破坏。其受力特性如图4所示。

图4单元体应力分布

单元力系的平衡方程为

对式( 2)的非齐次微分方程求通解可得

结合掏土孔边界条件，当l = r时，相当于孔间土无侧限，则σx= 0，可得

假设孔间土中，弹性区与塑性区交界处的土体服从摩尔—库伦准则，则有如下关系

式中，c为黏聚力，φ为内摩擦角。

联解式( 4)、式( 5)得掏土孔塑性区长度l为

由式( 6)可知，当l = D/2时，孔间土全部为弹性区，但即将形成部分塑性区，即处于临界状态。这是纠偏中的重要参数。因此，可采取“掏土至临界，锚索加压至破坏”的措施，设计掏土量为达到临界应力即可。再通过锚索加压使塑性区范围扩大，加速沉降量。计算得掏土临界应力值为

式中，σcr为即将形成塑性区时的临界应力值。

结合式( 3)、式( 7)可得达到临界应力时，所对应的土条宽度与各相关参数的关系为

根据《建筑物移位纠倾增层改造技术规范》，建筑物纠倾需要调整的沉降量应按下式计算

式中: Sv为建筑物设计沉降量，mm;α回归值为建筑物纠倾回归倾斜率; b为纠倾方向建筑物宽度，mm。

由式( 9)可知，在少沉侧及多沉侧所需沉降值随纠倾方向宽度的增大而增大，可以用所需沉降量等值线图表示，如图5所示。

图5所需沉降量等值线

根据所需沉降量，结合沉降量由西南往东北逐渐增大的特点将迫降区划分为全塑性区、半塑性区、全弹性区3部分。其中全塑性区掏土孔间条带土的宽度＜2l;半塑性区孔间土条带宽度＞2l;全弹性区不掏土，仅由土体应力增加促使土体弹性压缩从而达到沉降的目的。

结合钻孔机械特点，一般可供选择的钻孔孔径为130或150 mm。由于大楼东北侧筏板边缘目标沉降量为90 mm，而孔周土破坏压缩后需占用部分体积，故选择钻机孔径为130 mm。

结合式( 7)及各物理参数，计算可得东北方向达到全塑性区所需土条宽度≤42 mm。为便于施工，可取全塑性区土条宽度为40 mm，半塑性区土条宽度为100 mm。

4. 2锚索加压机制分析

锚索加压纠倾法是在建(构)筑物沉降量较小一侧的基础上垂直打锚索，仅锚索伸入地基深部并与千斤顶组成反力系统，利用千斤顶向基础筏板施压，增加沉降较小一侧的基底附加应力，以增加少沉侧的地基沉降量，从而达到纠倾的目的。锚索加压纠倾技术安全稳妥，极大地提高了大楼纠倾控制技术水平。

通过掏土为主、锚索加压为辅的原则，当掏土至临界破坏状态时，上部荷载增大，掏土孔间土地基应力进一步增大，从而造成塑性破坏区范围进一步增大，加速孔间土破坏。锚索加压纠倾(图6)的可控性较好，因为锚索加压可根据电动油泵、压力传感器精确控制。若锚索加压过大，则引起的基础下沉速率大，锚索受力随之衰减而卸荷，进而减小了基础受力，减缓了基础的沉降速率，从而达到纠倾速率人为可控的效果。

图6锚索加压纠倾示意

4. 3钢管桩和石灰桩组合止倾加固

考虑到大楼荷载偏心严重且荷载偏心将长期存在，为确保纠倾完成后大楼多沉侧沉降得到控制，同时减少纠倾过程中所造成的拖带沉降，首次引入钢管桩和石灰桩相结合的综合加固措施。此种加固方法主要有以下优点:①由于南侧含水量较高，生石灰吸水膨胀，对周围土体具有挤密作用，能消除黄土湿陷性;②石灰桩置换部分土体，增强地基土承载力，达到改善土体的目的;③石灰桩对土体进行挤密，从而使钢管桩周围土体对钢管桩侧向摩阻力增大，增大钢管桩承载力;④钢管桩与筏板形成有机整体，增加承载力;⑤通过钢筋植入筏板扩大了筏板基础。

在纠倾加固前分别对原地基、石灰桩、钢管桩进行现场承载力试验，试验结果如图7所示。

图7石灰桩、钢管桩及地基土承载力曲线

由图7可知，每根钢管桩单根承载力为200 kN，单根石灰桩承载力为80 kN，据工程实践经验及文献［2］，石灰桩能增加约1. 2倍钢管桩周围土体摩阻力。根据组合效应，单竖井承台能承担1 920 kN荷载，则4个加固竖井内能承担7 680 kN荷载。通过石灰桩与钢管桩组合桩型的加固方式，能改善大楼长期偏心状况，防止大楼再次发生倾斜。此外，通过先加固后纠偏的方式，能减少纠偏过程中带来的拖带沉降，提高纠偏效率。

5　纠倾效果

在历时4个多月的纠偏加固过程中，通过及时监测大楼沉降及倾斜率，并根据监测反馈的信息决定是否进行下一道程序，贯彻了“动态化设计，信息化施工”的理念。纠倾后大楼最大倾斜率由原来的5. 52‰变为2. 54‰，达到我国规范规定的建筑物安全使用要求。

纠倾加固后大楼沉降基本趋于稳定，位于东北侧的1#，2#，3#观测点沉降值为60～70 mm，西南角的6#观测点沉降最小，约10 mm，是由加固侧竖井开挖所致，但随着加固竖井内钢管桩及石灰桩施工完成，6#观测点沉降基本趋于稳定，说明钢管桩与石灰桩组合加固方案取得了较好的效果。

6　结论与建议

本文基于工程实例，对采用止倾迫降综合纠倾法的纠倾加固机理进行了分析。主要结论如下:

1)基于塑性理论的观点，分析孔间土的应力分布特点，得出孔间土塑性区范围以及达到临界状态时所对应的土条宽度，为掏土参数设计提供了依据。

2)提出钢管桩与石灰桩组合桩型加固措施，能有效减少纠倾带来的拖带沉降问题。

3)建筑物纠倾加固是一项技术难度大、影响因素多的技术密集型工作。由于在目前的纠倾技术水平下掏土计算理论还不尽完善，在纠倾过程中坚持“动态设计，信息化施工”显得尤为重要。

参考文献

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［10］中华人民共和国住房和城乡建设部．JGJ 270—2012建筑物倾斜纠偏技术规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．

(责任审编李付军)

Mechanism analysis of integrated incline-rectifying and forced settlement rectification method and its application to high-rise building rectification

DENG Zhengding1，SUN Qi2，WANG Long2，ZHANG Sanfu2

( 1．China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．Northwest Research Institute Co．，Ltd．，China Railway Engineering Corporation，Lanzhou Gansu 730000，China)

Abstract:Based on the analysis of the reasons which lead to building incline，in order to ensure a safe，smooth and linear regression of the incline building，and long-term stability of the building settlement，reduce towing settlement of that side having more settlement in the process，improve the efficiency of rectifying inclination，this paper provided a integrated rectification method based on incline-rectifying and forced settlement．The mechanism of multiple inclinerectifying reinforcement controlling technologies was studied，such as soil quantity control by stress，anchor cable pressure regulation，and application of steel and lime pile．The plastic zone was determined based on the Mohr Coulomb criterion．Soil excavation zone was divided into full-plastic zone and semi-plastic zone，their corresponding width was obtained．That provided the basis for soil excavation hole parameter design．By formulating a scientific and reasonable construction process to ensure the successful implementation of the incline-rectifying reinforcement of the high-rise building，building incline rate was reduced from 5. 52‰to 2. 54‰，satisfying the requirements of relevant national standards and normal service．The application of composite pile，which consists of lime pile and steel pile，effectively reduced the towing settlement problems caused by rectification．The soil excavation quantity control technology by stress filled the blank of soil excarvation quantity calculation method of collapsible loess composite foundation and complex structure．It has strong guiding significance in rectification design and construction for similar buildings．

Key words:Incline-rectifying and forced settlement; Plastic zone; Stress control; Composite pile

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0116-05

作者简介:邓正定( 1987—)，男，博士研究生。

基金项目:中铁科学研究院有限公司科技开发计划项目( 2015-SQ1-05)

收稿日期:2015-06-25;修回日期: 2015-07-29

中图分类号:TU472

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．28