某条形基础房屋的顶升纠倾加固技术

2021-05-14周健男戴占彪赵晓玉

建筑施工 2021年1期

周健男戴占彪刘辉赵晓玉

河北建研科技有限公司河北石家庄 050200

随着城市建设的快速发展，某些建筑物在建设或使用过程中，由于各种原因产生了不均匀沉降，造成建筑物倾斜，例如著名的意大利比萨斜塔、中国都江堰的奎光塔等。同样，也有一些建筑物由于倾斜量过大，且采取措施不及时而发生倒塌，如建于中世纪著名的英国Fly大教堂。为了避免更大的经济损失，业内学者开始重点研究建（构）筑物的纠倾和基础托换加固技术[1-3]。目前，工程中较为常见的顶升纠倾方法有迫降纠倾和顶升纠倾两类。由于迫降纠倾所需工期较长、精确度不易控制等原因，顶升纠倾法更受技术人员的欢迎。史军等[4]提出了整体顶升对建筑纠倾的加固方案，使房屋整体倾斜率由1.184%降至0.085%；张永前等[5]通过数值模拟对砖混结构的顶升纠倾技术展开研究，发现人工成孔桩和混凝土托梁能从根本上解决砖混结构地基不均匀沉降造成的倾斜问题；崔少华等[6]针对多层剪力墙结构提出采用断墙（柱）顶升法对结构进行纠倾。上述顶升技术均需将建筑物上部结构与基础分离，再单独对基础进行加固处理，而较少有方法将基础和上部结构整体进行纠倾加固。

本文以张家口地区某住宅楼纠倾加固工程为研究对象。该地区大多数为回填地基，由于地基不均匀沉降导致建筑物倾斜的案例时有发生，对此提出采用桩基托换顶升法对该建筑进行纠倾加固施工。该方法无需将基础与上部结构分离，在基础下直接制作托换桩进行纠倾施工，保留了建筑的完整性，使顶升受力更加合理，安全性能更高。与此同时，待顶升完成后，托换桩与原基础形成桩筏基础，极大地提高了地基承载力，若地基土浸水产生湿陷，桩基也完全可以独立承担上部建筑物的荷重，防止建筑再次发生沉降（图1）。

1 工程概况

图1 桩基托换顶升

张家口市某小区17#住宅楼为地上6层、地下1层的砌体结构，东西长40.2 m，南北宽13.76 m，自东向西由1～5单元组成，2单元和3单元交界处设置1道变形缝，建筑总高度为17.87 m，建筑平面如图2所示。

图2 建筑平面

2015年12月，住宅楼西北角散水及附近地面出现局部下沉、墙体开裂等现象。经检测发现，该楼3～5单元存在严重倾斜，倾斜率达0.55%，超出GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》中倾斜率上限值0.4%的规定，具体沉降检测结果见表1。

表1 沉降检测结果

2 工程地质情况

依据岩土工程勘察报告，该场地地表以下约20.0 m深度范围内共有4种土层，主要为人工填土，其余主要土层为粉质黏土、强风化粗面岩及中风化粗面岩，各层地基土的物理力学特性见表2。

3 倾斜原因分析

结合该工程地质情况及周围环境得知，该住宅楼发生倾斜的主要原因有以下几点：

表2 土层物理力学特性

1）地基处理不均匀。该建筑原地势低洼，高低不平，东部为基岩地基，西部经人工回填后作为建筑用地，回填土厚度变化大，且后期地基处理不到位，基础受力不均匀，是建筑物倾斜的根本原因。

2）化粪池渗漏。在该楼西北角处化粪池发生渗漏。此外，该处地势较低，雨季积水严重，造成地基局部浸水，加剧地基不均匀沉降。因此沉降大致规律为对角线式降低，西北方向沉降最为明显，东南方向基本未发生沉降。

4 纠倾处理方案

4.1 重难点分析

通过分析建筑物沉降和倾斜程度，可知地基不均匀沉降仍有不断加剧的可能。为确保纠倾工作顺利进行，须对施工过程中的重难点逐一进行分析：

1）场地回填土层厚度较大，含水率高，经前期处理后地基仍存在湿陷性，采取何种措施对既有建筑物进行止倾，是本工程需考虑的关键问题之一。

2）在确定纠倾方案前，需综合考虑各种影响因素，如施工场地条件、建筑物的刚度以及荷载的大小等。若纠倾方法选择不当，不仅达不到预期的纠倾效果，而且还会增加工程施工成本，延长施工周期。因此，选择合适的纠倾方法及施工设备是至关重要的。

4.2 制定纠倾方案

既有建筑的纠倾加固技术根据纠偏原理的不同可分为迫降纠倾和顶升纠倾两大类。迫降纠倾是以改变原始建筑地基应力为原理，从地基下手强迫建筑下沉；而顶升纠倾则主要靠调整结构自身来达到纠倾的目的。

该住宅楼带有1层地下室，外加地基土层分布也不均匀、地质条件复杂，若采用迫降纠倾法，不仅施工难度大，而且会影响地下1层的使用功能。出于上述考虑，本工程制定了桩基托换顶升法对该住宅楼进行纠倾加固。

5 纠倾施工

5.1 整体思路

为避免机械施工过程中对周围土体产生扰动，进而造成建筑物的二次下沉，本工程采用人工成孔灌注桩基础托换原有条形基础，形成桩筏基础，增大地基承载力。

上部墙体通过双托梁进行托换，条形基础和托换梁组成上部托换体系，在桩承台与上部托换体系之间布置千斤顶，桩基础提供支座反力，对建筑进行顶升纠倾（图3）。

图3 顶升示意

顶升纠倾结束后，用特制的钢支柱置换千斤顶并将其撤出，将上部托换体系、钢支柱用钢筋与桩筏基础相连，并浇筑混凝土使其成为一个整体。

5.2 主要施工工艺

顶升纠偏加固施工主要分为3个阶段，即：前期顶升准备工作、正式顶升作业、后期建筑物恢复阶段。具体施工步骤如图4所示。

图4 加固纠倾施工工艺

5.2.1 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纠偏成功与否，其中最为重要的是托换体系的施工。

1）托换桩施工。本工程采用人工挖孔灌注桩，以④层中风化粗面岩作为桩端持力层，在建筑物构造柱正下方设置桩径800 mm、桩长20 m的托换桩，共计60根。桩端进入持力层不小于0.5 m，单桩承载力特征值均不小于4 900 kN，桩位布置见图2。桩孔开挖过程中，为了确保建筑物不进一步沉降，开挖采用间隔交叉方式。桩孔成形后，绑扎钢筋笼和承台钢筋，随后浇筑混凝土。待混凝土强度达到设计强度，放置千斤顶并施加初步顶升后，方可开挖相邻桩。

2）托换梁施工。将既有墙体剔凿一定宽度后，在既有砌体墙双侧与条形基础相连位置设双托梁，托梁截面尺寸为250 mm×500 mm，两侧托换梁采用销键连接，销键间距不大于1 m。墙体采用分段托换方式，按照设计顺序分别托换同一侧的墙体，待该侧混凝土强度满足要求后再按同样顺序托换另一侧，如图5所示。

5.2.2 顶升作业

本次顶升采用高精度PLC（可编程逻辑控制器）液压同步顶升系统，控制精度为0.01 mm，施工精度为0.1 mm，顶升过程中通过人机交互作业实现智能化控制、信息化顶升（图6），与以往口哨式顶升作业相比，无论是施工精度还是工作效率均大幅提高。在托梁侧面布置应变传感器，各测点处设置位移计，顶升过程中系统可自动采集施工中千斤顶的工作压力和顶升位移，保证了整个顶升作业得以平稳顺利进行。

图5 托换梁

图6 泵站联机电气控制

顶升之前按设计将千斤顶、钢支柱、钢板等放置到位，千斤顶底部和顶部放置钢板，并初步施加压力保证千斤顶与基础底紧密接触。

顶升采用分离式液压千斤顶，共60台，每台千斤顶最大起重量达200 t，最大顶起高度30 cm。本次顶升共分10个区域，分别由10个油泵站控制，每个油泵站控制5～8个千斤顶。

经试顶升确认各系统可正常工作后，开始正式顶升。顶升纠倾以5号点（西北角）的顶升量作为主控，全过程可分为4个阶段，即：顶升称重、北向南顶升20 mm、西向东顶升230 mm和局部调整阶段。

顶升过程中，通过高精度的位移、压力检测系统，将数据精确、实时地传至电脑，通过调整工作压力，精确控制千斤顶，实现多点线性同步顶升。图7为5号顶升点（西北角）的顶升控制界面，顶升位移为233.06 mm，顶升基本到位。

此时，测量人员采用全站仪测出建筑的倾斜率和沉降量，若未顶升到位，仍可局部调整。最终3个单元墙体最大一处倾斜率调整至0.06%，满足规范和施工合同要求，施工效果如图8所示。

图7 5号顶升控制点

图8 顶升效果

6 有限元数值分析

为进一步了解顶升过程中建筑物基础、托换梁及底部墙体间的受力情况，本节对基础底面以上2 m，长度为2.9 m范围内托梁夹墙结构的受力情况展开分析。根据对称结构原理，同时为提高模拟的精确性，本模型按照“1/2l0＋1 m”的原则进行三维建模。实体单元模拟条形基础、托换梁和底部墙体，采用整体模型进行配筋，如图9所示。

顶升过程中，模型的应力云图如图10所示，顶升力的传力路径为条形基础→托换梁→墙体，最大应力出现在基础底面顶升力的加载面附近。应力分布自上而下均匀变化，上部墙体应力基本呈均匀分布状态，说明由条形基础和托换梁组成的托换体系扩散应力效果明显。

图9 有限元模型

图10 顶升应力云图

顶升前后托换梁的应力变化如图11所示。从图11中可以看出，顶升之前托换梁将上部荷载分层均匀向下传递；待施加顶升力后，顶升面上部位置应力增加明显，但自梁底至梁顶、自梁端至梁中部位的应力增加呈逐渐减少的趋势。与此同时，梁中部位顶升前后应力基本保持在0.4 MPa以下，由此可见顶升力对托换梁端部的影响较大，而对托梁中部的影响相对较小。