某高层住宅建筑纠偏加固设计分析

陈卫东 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

1 引言

随着我国城市化进程不断推进，工程建设总量和规模越来越大，因勘察、设计、施工、使用不当或因改扩建荷载变化、受邻近新建工程和自然灾害影响等导致建筑物倾斜时有发生，恢复倾斜建筑的安全和正常使用功能需要应用纠偏技术。纠偏工程复杂因素多、技术难度高、风险大，特别是高层建筑物基础面积小、重心高，倾斜后产生的附加倾覆弯矩大，如果加固技术方案仅考虑地基补强而忽略纠偏防复倾设计，纠偏后建筑物可能再次发生倾斜。本文结合工程实例，主要介绍地基补强加固常用的锚杆静压桩法，以及如何进行主体结构纠偏加固设计。

2 工程概况

本工程为地上18层的剪力墙结构住宅楼，地下2层，其中地下1层北侧与负一层大地库相连，地下1层南侧直通室外。主体结构采用筏板基础，基础持力层为第②层粉质粘土，筏板基础下方有贯穿南北的防空洞和局部换填（图1）。该工程主体结构于2018年4月封顶，2018年8月所在地区遭遇罕见暴雨，2018年9月起主体沉降观测数据出现异常，随即建设单位邀请相关单位对该栋楼地基进行了注浆加固处理，经注浆处理后建筑物仍处于接近规范界限值的倾斜变形状态，2019年5月第三方测得上部结构顶点南向倾斜最大实测值达到H/311，近100日的最大沉降速率为0.11mm/d。总体沉降变形趋于收敛，但尚未达到稳定状态，需要二次处理。

图1 地基换填区及防空洞位置示意图

3 建筑倾斜原因分析

该工程主体结构封顶后，南边负二层外侧回填尚未全部完成，遭遇罕见暴雨，排水不及时造成筏板基础持力层进水。筏板基础下方有贯穿南北的防空洞和局部换填，又形成渗水通路，导致大面积地基土遭水浸泡，测得暴雨前后第②层地基土承载力相差较大（表1），地基土遇水软化承载力不足是主体结构产生异常沉降的主要原因。雨水主要从南侧渗入，且北侧有负一层地下室约束，南北不均匀沉降导致主体结构向南倾斜。

各施工阶段地基土物理参数表

暴雨过后，地基土内外注浆加固虽然一定程度阻止了主体结构加速沉降，但室内钻孔检测结果表明，筏板下东、西两端注浆层厚度较厚（130mm～350mm之间），中部注浆层厚度较薄（0～200mm之间）；较厚部位注浆层上部形成显著的水泥净浆端，较薄部位注浆层多为水泥浆裹夹土体固结成块。注浆层均匀性较差，导致不同位置处理后的地基土承载力与压缩模量差别也较大（下表），局部地基承载力仍不满足要求，虽然总体沉降变形趋于收敛，但尚未达到稳定状态，地基基础仍然需要进行二次加固处理。

4 纠偏加固方案

4.1 方案概述

虽然该工程沉降变形尚未达到稳定状态，但总体沉降变形趋于收敛，且上部结构顶点倾斜最大实测值H/311仍在规范允许范围内，原则上二次加固处理主要考虑地基基础止沉补强与防复倾加固设计为主；该工程精装已经完成，倾斜后楼层地坪南北高差约10mm，为不影响今后住户使用，建设单位要求对该楼主体结构进行适当纠偏，故二次加固处理需要同时考虑主体结构纠偏设计。考虑前期注浆加固处理过程中相邻地库底板已出现隆起现象，且实测筏板下注浆层均匀性较差，故不再采用继续注浆地基补强加固方案。该工程交房在即且倾斜量并不大，纠偏采用传统的迫降法与抬升法势必影响工期且风险较大，利用主体沉降变形尚未稳定，纠偏方案可考虑对建筑物南侧进行止沉，北侧让其继续下沉，以达到纠偏目的。

该工程二次加固方案最终采用在筏板上新增锚杆静压桩法进行基础加固，为提高静压桩穿越注浆层的能力和节省桩身预制时间，工程桩均采用Φ273×10开口型桩尖的钢管桩。施工时先压南侧桩并持压封桩（图2），形成向上反力进行止沉纠偏，再压北侧桩。为节约纠偏工期满足交房时间要求，北侧桩需要提前封闭，封桩前采取桩顶预埋15mm厚软质泡沫垫作为预留沉降措施（图3），以保证北侧能继续下沉而不影响纠偏，在满足工期要求前提下以达到地基补强与主体纠倾目的。

图2 南侧桩持压封桩节点图

图3 桩顶预留沉降措施节点图

4.2 地基补强设计

本工程计算总竖向荷载240021kN（1.0恒 +1.0活），平均基底反力315kPa。按照补勘报告提供的地基承载力特征值fak=140kPa，复核计算fa=140+1.5 ×18 ×（4.1-0.5）=237kPa<315kPa，地基承载力不满足要求。

地基补强设计按桩承担40%、地基土承担60%原则进行估算：Φ273×10钢管静压桩设计单桩承载力特征值1000kN，共106根，桩基总承载力106000kN，可承担荷载率44%>40%；修正后的地基土承载力特征值fa=237kPa，基础面积 754m，地基土总承载力178698kN，可承担荷载率75%>60%。复核新增静压桩量能够满足地基补强要求，再结合纠偏设计要求，进行合理布桩。

4.3 主体纠偏设计

在基础沉降较大一侧增设预封锚杆静压桩，此时基底土反力合力点移向基础沉降较小一侧，在主体结构自重作用下，主体结构就可能发生反倾。

图4中基底土反力分布为锚杆静压桩施工前的状态，图5中的基底土反力分布为预封锚杆静压桩施工后基底反力重新分布的状态。根据图5，由力学平衡方程∑M=0得：

图4 纠偏前主体受力状态示意图

图5 纠偏后基础受力状态简图

式中：

P-南侧预封桩总持力；

χ-基地土反力重分布后的合力点距O点距离；

θ=0.1421度，H=61.95m，

e=0.074m

N=240021kN，L=2.275m，

B=9.141m，B=6.409m

N=240021×cos(0.1421)

=240020kN

N=240021×sin(0.1421)=595kN

M=Ne+NH/2

=240020×0.074+595×61.95/2

=36192kNm

N=N-Pcosθ≈240020-P

上述代入平衡方程式（1）可得χ：

（240020-P）χ+P ×（9.141+6.409-2.275）×cos（0.1421）

=240020×9.141+36192

→χ=

（2230215-13.275P）/（240020-P）

由图5可以看出，χ值应不超过B才能使基础沉降小的一侧土反力增大，从而使建筑物有反倾趋势。将χ≤B代入上式可得：P≥8755kN。

本工程沿南侧外墙边均匀布置预封桩28根，计算预封桩单桩持力满足P/28≥313kN即可，实际封桩力900kN可以满足纠偏要求。

4.4 纠偏防倾覆设计

为防止反倾过大，需要在基础沉降少的一侧增设辅助锚杆静压桩，如图6所示。其作用就是待建筑物反倾至目标位置后，阻止主体结构的继续反倾，为保证辅助桩能及时封闭均在桩顶预留沉降措施（图3）。辅助桩的数量宜使建筑物反倾至正常位置后的基底土反力均匀分布，基本保证房屋纠偏后的剩余沉降是均匀的。辅助桩合力定量计算的计算简图见图7，由平衡方程∑M=0得：

图6 纠偏前辅助桩状态示意图

图7 纠偏后基底反力分布状态简图

式中：

P'-基础北侧辅助桩合力，辅助桩合力点距基础边缘距离L'=6.6m

M=Ne=240021×0.074=17762kNm

NS=N-P-P'

=240021-28×900-P'=214821-P'

代入平衡方程式（2）可得：

P'×6.6+（214821-P'）×9.141+28×900×（9.141+6.409-2.275）=240021×9.141+17762

→P'=34008kN，本工程基础北侧布置辅助桩37根，按设计单桩承载力1000kN，实际合力37000kN>34008kN，可以满足防止向北反倾要求。

最后，将剩余41根锚杆静压桩按照均匀对称原则，结合地基基础有限元计算分析情况，合理布置在基础中部形心线附近，以保证纠偏完成后地基与基础承载力均能满足设计要求，最终完成所有锚杆静压桩布置（图8）。

图8 锚杆静压桩布置图

5 结语

本文结合实际工程，分析其倾斜原因，选择采用锚杆静压桩法加固设计方案。结合地基补强加固要求，通过合理布桩、可靠措施以及计算分析进行主体结构纠偏设计。纠偏技术方案既满足了工期紧要求，又降低了纠偏过程风险，直接降低了纠偏加固成本，可为类似纠倾量较小的工程加固设计提供借鉴。