断墙顶升法纠倾加固工程实例分析★

戴占彪 周健男 尚燕民 赵晓玉

(河北建研科技有限公司，河北 石家庄 050021)

0 引言

随着城镇化进程的不断加快，建筑结构由于勘察、设计、施工或使用不当等原因使地基产生了不均匀沉降，导致建筑物出现开裂、倾斜等危害，使用功能受到严重威胁，甚至危及建筑物的稳定性，造成生命财产损失[1]。对于大多数出现倾斜但仍具有使用价值的建筑物而言，采取一定的纠偏加固改造措施不仅可恢复其使用功能，延长其使用寿命，还能减少巨大的经济损失。

实际工程中，纠倾方案的确定需将建筑物倾斜的原因、上部结构类型、下部基础形式以及周围环境等因素考虑在内。目前，对既有建筑的纠偏方法大致可分为迫降纠偏法和顶升纠偏法[2]。岩土工程专家刘祖德教授[3]发明的“地基应力接触法”为纠偏高层建筑提供了理论依据。此后，建筑纠倾技术得到迅猛发展，顶升纠偏法、浸水纠倾法、斜孔取土纠倾法等众多纠倾加固方法[4-10]被广泛应用于工程中，如李科技等[11]针对高层建筑、裙楼一体结构提出了“桩基加固，基底陶土和锚索加压”的组合纠倾加固措施。本文以张家口某6层砌体结构纠偏加固工程为背景，该建筑基础形式为墙下条形基础，由于地基不均匀沉降，其上部结构产生了严重倾斜，选定断墙顶升法对该建筑物进行纠偏加固，经分析，该方案具有可行性，并取得了良好的工程效果。

1 工程概况

河北省张家口市某住宅楼建于2010年，为地上6层，地下1层的砌体结构，基础形式为墙下条形基础。住宅楼总长62.65 m，建筑面积约为5 859.7 m2，自西向东分为4个单元，在2单元与3单元中间设有变形缝，建筑平面图见图1。

该住宅楼在投入使用4年后，北侧地面出现沉降，墙体出现开裂，楼梯变形缝处出现倾斜。第一单元～第四单元户内墙体存在不同程度的斜向裂缝，卫生间排水系统被破坏，导致客厅阳台浸水。经河北省建筑工程质量检测中心鉴定，该建筑是由于地基不均匀变形导致了主体结构倾斜及裂缝。四个单元中1单元、2单元沉降较为严重，沉降最大处可达320 mm，局部最大倾斜率达12.75‰，超过了《建筑地基基础设计规范》[3]中规定的4‰，因此必须对该楼进行纠倾加固，以满足相关规范及正常使用要求，沉降检测结果见表1。

表1 沉降检测结果

2 纠倾处理方案

出于对该建筑物自身情况和地基特点的考虑，若在倾斜反侧采用深层掏土法，如地基应力解除法、水平放射孔掏土法等较难达到预期效果。综合考虑，确定采取断墙顶升法对该建筑进行纠倾加固。具体的实施方案如下：

1)考虑场地的特殊性，地基土中掺有大量碎石，若采用锚杆静压桩对其进行加固，难以将桩压入指定土层，故采用人工成孔的方法对原有条形基础进行止倾加固；

2)将东西两侧以变形缝为界进行划分，托换梁与承台之间将砌体墙断开，桩基础作为反力支座，托换梁支撑上部托换体系，分别对东西两侧进行顶升纠倾，直至建筑物倾斜量满足规范要求。

3 纠偏加固施工

顶升纠倾加固工程，主要分为三个阶段：顶升前期准备工作、正式顶升作业、后期建筑物恢复。具体施工流程如下：

拆除地下室所有隔墙→托换体系施工→PLC同步顶升系统安装、调试→3单元、4单元顶升纠倾→钢垫块置换千斤顶→1单元、2单元顶升纠倾→钢垫块置换千斤顶→建筑物恢复。

3.1 托换体系施工

前期顶升准备工作占据了施工周期大部分时间，准备工作是否到位直接关系到最终顶升成功与否，其中最为重要的是托换体系的施工。

1)托换桩施工。

托换桩为人工挖孔灌注桩，截面形状有直径为1 m的圆形桩和长径1.3 m、短径1 m的椭圆形桩两种，共设置76根托换桩，其中东西两侧分别设置36根圆形桩，在变形缝处设置4根椭圆形桩，桩位布置详图见图1。

室内室外同时开挖导坑，人工挖孔至设计深度，下放钢筋笼，采用C30免振混凝土成桩。为避免建筑物产生二次沉降，桩孔开挖采用间隔交叉开挖。

2)托换梁施工。

在桩承台上部高于千斤顶100 mm处设置托换梁，为保证托换梁与既有墙体的有效连接，在二者之间设置钢筋混凝土销键，销键的设置间隔为1 m，顶升示意图如图2所示。

托换过程中严格按图纸及规范要求在原墙体弹线，控制剔凿深度，严禁超尺寸剔凿，如图3所示。纵横墙节点部位托换时，应注意阴阳角的钢筋预留。同时，销键部位和节点部位应把混凝土接触面凿毛，用细毛刷刷去表层油污、砖屑，浇筑托换梁时，刷界面剂或水泥浆以使接触面充分接触。

3.2 顶升纠倾施工

与以往的口哨式人工协同操作相比，本次顶升作业所采用的PLC液压同步顶升系统，不仅省时、省力，还能提高精准度，控制精度可达0.01 mm，施工精度约为0.1 mm。PLC液压同步顶升系统，采用变频调速闭环控制系统，依靠调节供电的频率，来改变电机转速，使油泵的流量连续可调，再配以先进的电控装置和高精度的位移、压力检测系统，精确控制千斤顶的升降速，可实现多点同步升降，如图4所示。

顶升作业前按设计要求将千斤顶、钢垫块、钢板等放置到位。在千斤顶上部和底部分别设置钢垫板，并初步施加压力保证千斤顶与托换梁、承台紧密接触。油泵通过油管、分油阀与千斤顶连接，油泵最大输出油压60 MPa，千斤顶最大顶升力2 000 kN、一次最大顶升量30 cm。

千斤顶数量按下式进行估算[4]：

(1)

其中，n为顶升点数量；Q为建筑物总荷载设计值；N为顶升支撑点的荷载设计值，可取0.8倍的千斤顶额定工作荷载；K为安全系数，一般取1.5。

本次顶升采用的千斤顶额定工作荷载为2 000 kN，由式(1)可以得出顶升荷载小于1 066 kN时需用一个千斤顶，顶升荷载在1 066 kN～2 132 kN之间时需两个千斤顶。根据式(2)可求得各部位顶升量，边角位置顶升值见图1。

建筑物顶升量按下式进行估算[4]：

Siv=Siv1+Siv2+a

(2)

其中，Siv为建筑某部位顶升量；Siv1为建筑不均匀沉降调整值；Siv2为根据使用功能需要的整体调整值；a为预留沉降值。

以变形缝为界，建筑物1单元、2单元沉降大，3单元、4单元沉降小，故顶升分两次进行，先顶升3单元、4单元，再顶升1单元、2单元。由式(1)求得1单元、2单元千斤顶共需80个，3单元、4单元共需66个。

正式顶升前要进行一次试顶升，按理论顶升力的15%～20%进行试顶升，同时全面检验各项工作是否完备，如水电管线等配套设备与顶升体是否分离妥当，顶升设备是否正常工作，包括系统通讯、进油管出油管顺序、千斤顶油管是否漏油等。

正式顶升纠倾由3单元变形缝处顶升量作为主控，分三次进行，即：结构称重、顶升86 mm和局部调整。顶升过程遵循以压力控制为主，位移控制为辅的原则，结合高精度的位移、压力检测系统，调整分区顶升压力值实现分区位移计数值的逐步增加，然后根据位移计数值增长速率实时调整分区值压力，精确控制千斤顶，实现多点线性同步顶升。

3单元、4单元顶升完成后，将千斤顶移至1单元、2单元，1单元、2单元顶升区域同样分为10个，由西北角作为主控。由于北侧较南侧沉降较多和西北角顶升量347 mm超出了千斤顶的顶升范围，故顶升分6次进行，即：结构称重、由北向南顶升37 mm、由东向西顶升100 mm、千斤顶回油置换垫块、由东向西顶升200 mm、局部调整。

测量人员测出建筑的倾斜率和沉降量，若未顶升到位，仍可局部微调顶升。顶升到位后操作人员通过电脑发出收缸命令，千斤顶回缸，由钢垫块支撑上部结构，如图5所示。

施工期间，严格按照《检测测量技术要求》对建筑物进行监测测量，紧密观测裂缝的发展情况，根据综合监测结果，适当调整顶升施工。

4 有限元数值分析

为进一步了解顶升过程中托换梁和底部墙体的受力情况，采用有限元软件对工程进行数值模拟，模型尺寸见图6。为保证模拟的精准度，采取“1/2l0+1 m”(l0=3 m)的方式，将模型向外延伸。

图7为顶升10 mm时各部位的位移云图，其中，千斤顶布置于图中黑色区域，顶升位移为10 mm，自加载面向中部逐渐降至9.91 mm。顶升加载面带动建筑物其他部位一并上升，但随加载面与各部位间距离的增大，被顶升位移略有减少。

此时模型的第一主应力如图8所示，黑色与深灰色区域表示第一主应力为正值，即拉应力区域，其他颜色数值为负，即三维受压区域。顶升过程中最大拉应力出现在托换梁底中部，并由托换梁向上逐渐变小，最终发展至墙体靠近加载面小部分区域消失，墙体其他部位呈三维受压。

对比托换梁顶升前后第一主应力，这个现象更加明显，如图9所示。顶升前，托换梁除了与墙体边缘接触区域有很小的拉应力外，其他地方基本上呈三维受压，压应力自梁顶至梁底均匀扩散。顶升中，梁中下部受拉，梁中上部受压，梁端加载面附近受压。

本工程托换梁处于同一平面呈闭合形式，数值模拟分析可知托换梁可以起到新的基础作用，可有效地扩散顶升荷载和建筑物荷载，保证顶升安全平稳进行。

5 结论与建议

根据建筑物自身情况及地基的特点，采用断墙顶升法对建筑物进行纠倾加固处理，经基础托换加固及同步顶升纠倾施工后，建筑物整体倾斜率得到明显改善，倾斜度由12.75‰减小至0.7‰，已满足规范和使用方面的要求，取得了良好的工程效果，可为同类工程提供参考。

1)根据建筑物自身的情况和地基的特点，提出采用人工挖孔灌注桩进行建筑物基础进行托换，不仅有效地阻止了建筑物的继续沉降，而且提高了建筑地基承载力。

2)采用先进的PLC液压同步顶升系统，既省时、省力，还可提高顶升的精准度，该系统可精确控制各区域千斤顶的升降，实现多点线性同步顶升，达到纠倾目标。

3)应用有限元软件对托换梁和下部墙体在顶升过程中的应力分布进行模拟分析，得出托换梁可有效扩散顶升荷载，保证顶升作业安全平稳进行。