某筏板基础居民楼顶升纠偏方案设计与实践★

戴占彪，周启港，尚燕民，路邑沐，杨颖超

(河北建研科技有限公司,河北 石家庄 050021)

0 引言

建筑结构在正常设计年限内,会因各种外界因素导致建筑发生沉降。随着城市化进程的发展,我国逐渐出现较多的建筑因发生不均匀沉降而导致建筑倾斜,严重影响建筑使用功能,部分倾斜较为严重的建筑甚至会威胁居民的生命财产安全。由于钢筋混凝土为不可回收材料,出于经济与环保的考虑,相比于直接拆除,对建筑进行加固修复无疑是更优的选择,因此近年来,我国出现大量建筑纠倾的工程,积累了大量经验。黄哲辉等[1]对一栋6层混凝土剪力墙结构进行纠倾,并采用一套高精度、自动化的远程监测系统对建筑倾斜量实时监测,为指导施工提供了参考;林华艺[2]采用锚杆静压桩止倾结合水冲掏土的迫降法将一栋3层混凝土框架结构扶正;李尚飞等[3]采用顶升法对一荒山坡地上的独立基础的混凝土框架结构纠倾;陈信院[4]讨论了装配式建筑梁偏位移的原因,并指出了顶升纠偏法在装配式建筑中应注意的问题。

杨泽君[5]通过在原桩基础附近新增桩基础为反力平台,对一桥梁进行顶升纠偏。田龙龙等[6]结合工程实际,对一不均匀沉降的储罐群采用高压旋喷帷幕桩将储蓄罐隔开,并结合灌浆挤密地基土的方法将各个储蓄罐分别纠正;杨学林等[7]建立了基于考虑群桩效应、桩土相互作用以及桩基缺陷的等效Q(n)-S(n)曲线,构建了带缺陷基础与上部结构协同作用力学模型;杨志昆等[8]通过筏板外扩的方法对一建筑进行止倾,并采用锚索加压、钻孔取土、地基注浆、重物堆载多种方法共同作用的迫降法扶正建筑。文献[9-12]通过数值模拟指导顶升施工,对顶升过程中建筑构件、结构响应、整体动力的研究,科学的对一历史建筑进行纠倾。

1 工程概况与地质情况

某6层砖混结构住宅,东西方向长13.08 m,南北方向宽14.58 m,层高2.8 m,建筑面积约1 550 m2。设1层地下室,基础类型为钢筋混凝土筏型基础,埋深-2.8 m,地基处理方式为大开挖3∶7灰土换垫层,压实系数大于0.95,厚度2.5 m。该楼设有构造柱和圈梁,建筑整体性较好,平面整体呈“凸”字型。

该工程地基土层情况如下:

①1杂填土层:场地大部分分布,杂色,含砖块、混凝土块、碎石等建筑垃圾及煤渣。

①2素填土层:场地均有分布,岩性以粉土为主。

①3灰土层:场地大部分分布由粉质黏土和白灰组成,湿,含水量(质量分数)介于21.7%～24.2%。

褐黄色,岩性以粉土为主,稍湿,含水量(质量分数)介于13.5%～15.5%,稍密,高压缩性。虫孔发育,具湿陷性。

褐黄色,岩性以粉土为主,稍湿—湿,含水量介于15.5%～22.5%,稍密,中—高压缩性。

褐黄色,稍湿—湿,含水量(质量分数)介于17.2%～29.0%,稍密—中密,中高压缩性。

褐黄色,岩性以粉土为主,局部为粉质黏土。湿,中密,中压缩性。

褐黄色,岩性以粉土为主,局部为粉质黏土。湿,中密—密实,中压缩性。

场地湿陷土层主要为第②层,自重湿陷量为11.00 mm,湿陷量为94.50 mm。

土层层厚、层底埋深统计表见表1。

2 检测鉴定及结果分析

该住房2000年建成并投入使用,2022年出现局部下沉,基础的不均匀沉降大于国家现行标准《建筑地基基础设计规范》[13]规定的允许沉降差,并导致建筑整体向西倾斜 12.7‰～13.4‰,向南倾斜 6.5‰～8.0‰已经超过《民用建筑可靠性鉴定标准》[14]中表 7.3.10 的界限值。该楼的基础及主体结构整体性较好,其地下室有个别承重墙体出现因基础不均匀沉降所致的斜裂缝,为非受力裂缝,裂缝尚不影响结构的竖向承载能力。

该楼周边近几年曾经发生过供热管道、雨污水管道、自来水管道跑水。2022年3月下旬,在该楼的南侧有自来水管道跑水,造成了南侧小区道路地面沉陷明显,该楼的西侧和南侧楼外也出现了地面沉陷、裂缝等不均匀沉降的现象。通过地质勘探报告可知,该工程第②层为湿陷性粉土层,由此推断,该楼的地基土局部受到外来水的侵入,造成基础产生不均匀沉降,从而导致上部主体结构的倾斜。

3 纠倾设计

建筑纠倾加固技术方案按原理可划分为迫降法与顶升法。迫降法原理为在沉降较小的一侧,通过人工降低地下水位、掏土、地基浸水、堆载重物等技术手段迫使建筑物沉降较小的一侧加大沉降量来达到纠偏的目的。顶升法原理为通过技术手段抬升建筑沉降较大的一侧,从而达到纠偏的效果。

考虑到建筑周围路面同样因地基浸水多次发生沉降,迫降法难以准确控制建筑沉降量并保证后续建筑不再发生沉降。并且迫降法还会改变建筑首层标高,影响该层建筑功能使用。因此结合建筑使用功能需求和地质勘探资料,决定采用顶升法对建筑进行纠偏。

顶升纠偏法按反力系统可分为两类:

1)原基础支撑体系:保留原基础体系,截断基础以上竖向构件,新增托换结构,以原基础为反力平台,通过千斤顶顶升达到纠倾的目的,顶升结束后连接原有竖向构件。

2)新基础支撑体系:在原基础下,新增桩基础,以新增桩基础为反力平台对原建筑整体进行顶升,顶升结束后连接原建筑与新增桩基础。

既有建筑顶升过程中,支撑体系必须能够承受千斤顶的反力。结合现场情况,原建筑的筏板基础东北角已翘起,具体受力情况较为复杂,难以作为反力平台,并且无法保证地基土不再受水侵蚀,因此采用桩基托换顶升法。

整个纠偏工程结束后,原建筑筏板基础与新增桩基形成“桩筏基础”受力模式,此时原地基与新增桩基础共同承受上部结构荷载。但是,在顶升过程中,原筏板基础脱离原地基,此时筏板基础由原来的“筏板受力模式”变为“楼板受力模式”,因此需对原筏板强度进行验算。经验算该楼筏板强度满足顶升过程中的强度需求,无需采取加固措施。顶升过程中,原建筑荷载通过千斤顶传至桩基础,此时建筑荷载由桩基础单独承载,因此在进行桩基础设计时,不考虑原地基与桩基础协调作用,此时桩基础设计虽然偏于保守,但可保证施工安全进行。通过盈建科计算上部结构荷载,最终在原基础下布置28根端承桩作为反力平台,设计桩径1 m,桩长为12 m,持力层为⑤层粉土层,桩顶标高为-3.500 m,原基础底标高为-2.800 m,中间预留700 mm放置垫块与顶升设备,垫块强度根据桩竖向承载力要求确定。具体布置情况如图1所示。新增桩群承载力合力点,应与原建筑包括原筏板在内的所有竖向荷载合力作用点重合。新增桩尽量布置在横墙纵墙交点,并且结合筏板强度,确定最大桩距,避免托换结构发生破坏。由于场地因素限制,决定采用人工挖孔成桩的方法。

4 顶升施工

顶升施工整个阶段包含前期准备工作、建筑试顶称重、正式顶升、后期恢复四个阶段。工艺流程图如图2所示。

4.1 PLC顶升系统

本工程采用PLC顶升系统,PLC同步顶升控制系统由总控制平台、液压泵站控制系统、液压千斤顶、位移监控系统等组成。

PLC控制器可以通过编程实现自动化控制,根据设定的参数控制液压顶升设备的升降、停止、保压等操作。位移监控系统可以实时监测系统的状态,将信号传输给PLC控制器,执行器则根据PLC控制器的指令进行相应的操作。由于设备限制,同步顶升前需合理划分顶升区域,计算顶升参数。顶升区域的划分应符合顶升力相近、顶升量相近的原则。区域与区域之间应无交叉,确保位移传感器能即时反映其监测区域的位移情况,以便调节个别千斤顶顶升力。

4.2 前期准备工作

前期准备工作阶段包括人工挖孔灌桩,PLC顶升系统布置,燃气、污水等管道临时链接。在此过程中实时更新建筑沉降情况。

由于顶升阶段涉及建筑高度改变,原建筑的给排水与燃气管道可能存在断裂、漏水等情况,需采取相关措施保证管道安全。

桩基础施工前,根据图纸导坑位置所示,对筏板开洞,挖导坑作为工作平台,并根据现场实际墙体位置,在导坑内放线确定桩中心位置。人工挖孔过程前,按区域对桩分组,多组同时施工。为避免桩孔密集导致建筑沉降,应按照隔一挖一的原则合理安排挖桩顺序,按人工挖孔→下钢筋笼→灌桩→布置千斤顶与垫块→人工挖孔的顺序循环,直至所有桩灌注完成。本工程钢筋笼采用分段下坑,再用人工连接的方式完成,考虑到桩坑内氧气问题,采用绑扎的形式进行连接。桩顶浇筑至距其上部筏板700 mm后,根据设计图纸植筋,并在桩顶铺设10 mm厚细砂,人工将千斤顶与垫块搬运至桩顶,保证垫块与千斤顶在顶升过程中的稳定。垫块正对桩心,千斤顶根据上部墙体情况,布置在垫块两侧。确保千斤顶对准墙体,用钢板填充千斤顶顶部与筏板间的空隙,最终原建筑总荷载由千斤顶传递至桩基础,临时由桩基础承载。

4.3 建筑试顶阶段

由于建筑沉降并未停止,在正式施工前,倾斜量已达到16‰,因此实际构件受力情况与理论计算存在一定偏差。理论计算的意义在于给出顶升力的范围,而确切的顶升力则需通过试顶称重进行确定。

建筑试顶称重阶段前,需对PLC控制系统进行测试,包括总控制平台与液压泵站控制系统、位移监控系统的信息传递,液压泵站与液压千斤顶的油路连接,检查液压千斤顶是否摆放稳定。试顶称重过程中,观察桩、建筑是否出现新增裂缝。

试顶称重时采用压力控制,初试阶段按15%～20%理论值输入,逐步加载至理论值80%时,加载步改为5%理论值,直至位移检测系统发生明显变化。当各个顶升点位移均匀增加时,保持压力值不变;当顶升位移均匀同步达到5 mm后停止加载,记录各桩位千斤顶压力即为实际顶升力,并计算所有千斤顶压力值之和即为建筑实际重量。

4.4 正式顶升阶段

正式顶升阶段根据建筑顶升量,合理拟定顶升速度。由于本次正式顶升阶段的西南侧的顶升量较大,超出千斤顶的顶升行程,因此采用交替式顶升系统如图3所示。由于只需交替一次,为尽量减少顶升过程中对建筑的扰动,顶升阶段采用先纠东西方向,之后纠正南北方向的顶升方案。建筑顶升后,不同区域的筏板与垫块之间存在不同的距离,应根据距离补充垫块或钢板。具体步骤为:单个千斤顶顶升至目标行程→卡环锁死→油管倒换到另一千斤顶→顶升至目标行程→补充钢垫块→千斤顶卸载撤除。

本工程采用拉线式位移计作为位移监控系统,由于涉及到千斤顶交替顶升,因此将位移计放置在两个千斤顶的对称轴上,并且在顶升时,尽量保证所有桩位用同一方位的千斤顶,避免因更换千斤顶导致位移计产生人为误差。

建筑在倾斜的过程中,内部构件已经产生裂缝,建筑纠正过程中,部分裂缝会闭合。由于本工程第一天进行东西向纠偏,第二天进行南北向纠偏,建筑在扶正过程中,裂缝难以保证“按原路径”闭合,因此,随着建筑倾斜率越来越小,顶升速度应逐渐放缓,避免出现裂缝闭合过程中,因构件搓动导致个别千斤顶顶升力突然增大的情况。

4.5 后期恢复

后期恢复阶段,通过植筋的方法将桩与原筏板基础连接,通过焊接的方法修复因筏板开洞切开的纵向钢筋,采用无收缩细石混凝土对下部结构进行浇筑,直至桩位、导坑与顶升产生的筏板与地基之间的空间全部灌满。根据设计图纸,修复筏板洞口,使新增桩与原筏板地基形成一个整体,最终形成桩筏基础。

5 纠偏效果

本工程通过新增桩基础托换体系将原建筑由筏板基础改为桩筏基础,不仅满足地基承载力,同时通过改变持力土层的方式,降低了后续建筑再次沉降的风险。顶升阶段共历时2 d,将原建筑由倾斜16‰纠正至1‰,满足规范所规定的4‰的要求,且并未对建筑造成二次损伤。

6 结语

1)本工程中通过分析建筑沉降原因结合工程地质条件,采用新增桩基础作为反力平台的顶升法进行纠倾加固的方案。

2)采用先东西向后南北向分别纠倾的顶升方案,更加合理的规划了顶升量与顶升速度。

建筑纠偏方案应结合工程实际情况作出合理设计,避免后续建筑再次因相同的不可控因素发生沉降。顶升过程本质上是能量输入的过程,应合理规划顶升速度,实时观测建筑各个构件的情况,避免发生二次破坏或产生新的损伤。