周健男 戴占彪 劉 輝 趙曉玉

河北建研科技有限公司 河北 石家莊 050200

隨著城市建設的快速發(fā)展，某些建筑物在建設或使用過程中，由于各種原因產生了不均勻沉降，造成建筑物傾斜，例如著名的意大利比薩斜塔、中國都江堰的奎光塔等。同樣，也有一些建筑物由于傾斜量過大，且采取措施不及時而發(fā)生倒塌，如建于中世紀著名的英國Fly大教堂。為了避免更大的經濟損失，業(yè)內學者開始重點研究建（構）筑物的糾傾和基礎托換加固技術[1-3]。目前，工程中較為常見的頂升糾傾方法有迫降糾傾和頂升糾傾兩類。由于迫降糾傾所需工期較長、精確度不易控制等原因，頂升糾傾法更受技術人員的歡迎。史軍等[4]提出了整體頂升對建筑糾傾的加固方案，使房屋整體傾斜率由1.184%降至0.085%；張永前等[5]通過數(shù)值模擬對磚混結構的頂升糾傾技術展開研究，發(fā)現(xiàn)人工成孔樁和混凝土托梁能從根本上解決磚混結構地基不均勻沉降造成的傾斜問題；崔少華等[6]針對多層剪力墻結構提出采用斷墻（柱）頂升法對結構進行糾傾。上述頂升技術均需將建筑物上部結構與基礎分離，再單獨對基礎進行加固處理，而較少有方法將基礎和上部結構整體進行糾傾加固。

本文以張家口地區(qū)某住宅樓糾傾加固工程為研究對象。該地區(qū)大多數(shù)為回填地基，由于地基不均勻沉降導致建筑物傾斜的案例時有發(fā)生，對此提出采用樁基托換頂升法對該建筑進行糾傾加固施工。該方法無需將基礎與上部結構分離，在基礎下直接制作托換樁進行糾傾施工，保留了建筑的完整性，使頂升受力更加合理，安全性能更高。與此同時，待頂升完成后，托換樁與原基礎形成樁筏基礎，極大地提高了地基承載力，若地基土浸水產生濕陷，樁基也完全可以獨立承擔上部建筑物的荷重，防止建筑再次發(fā)生沉降（圖1）。

1 工程概況

圖1 樁基托換頂升

張家口市某小區(qū)17#住宅樓為地上6層、地下1層的砌體結構，東西長40.2 m，南北寬13.76 m，自東向西由1～5單元組成，2單元和3單元交界處設置1道變形縫，建筑總高度為17.87 m，建筑平面如圖2所示。

圖2 建筑平面

2015年12月，住宅樓西北角散水及附近地面出現(xiàn)局部下沉、墻體開裂等現(xiàn)象。經檢測發(fā)現(xiàn)，該樓3～5單元存在嚴重傾斜，傾斜率達0.55%，超出GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》中傾斜率上限值0.4%的規(guī)定，具體沉降檢測結果見表1。

表1 沉降檢測結果

2 工程地質情況

依據(jù)巖土工程勘察報告，該場地地表以下約20.0 m深度范圍內共有4種土層，主要為人工填土，其余主要土層為粉質黏土、強風化粗面巖及中風化粗面巖，各層地基土的物理力學特性見表2。

3 傾斜原因分析

結合該工程地質情況及周圍環(huán)境得知，該住宅樓發(fā)生傾斜的主要原因有以下幾點：

表2 土層物理力學特性

1）地基處理不均勻。該建筑原地勢低洼，高低不平，東部為基巖地基，西部經人工回填后作為建筑用地，回填土厚度變化大，且后期地基處理不到位，基礎受力不均勻，是建筑物傾斜的根本原因。

2）化糞池滲漏。在該樓西北角處化糞池發(fā)生滲漏。此外，該處地勢較低，雨季積水嚴重，造成地基局部浸水，加劇地基不均勻沉降。因此沉降大致規(guī)律為對角線式降低，西北方向沉降最為明顯，東南方向基本未發(fā)生沉降。

4 糾傾處理方案

4.1 重難點分析

通過分析建筑物沉降和傾斜程度，可知地基不均勻沉降仍有不斷加劇的可能。為確保糾傾工作順利進行，須對施工過程中的重難點逐一進行分析：

1）場地回填土層厚度較大，含水率高，經前期處理后地基仍存在濕陷性，采取何種措施對既有建筑物進行止傾，是本工程需考慮的關鍵問題之一。

2）在確定糾傾方案前，需綜合考慮各種影響因素，如施工場地條件、建筑物的剛度以及荷載的大小等。若糾傾方法選擇不當，不僅達不到預期的糾傾效果，而且還會增加工程施工成本，延長施工周期。因此，選擇合適的糾傾方法及施工設備是至關重要的。

4.2 制定糾傾方案

既有建筑的糾傾加固技術根據(jù)糾偏原理的不同可分為迫降糾傾和頂升糾傾兩大類。迫降糾傾是以改變原始建筑地基應力為原理，從地基下手強迫建筑下沉；而頂升糾傾則主要靠調整結構自身來達到糾傾的目的。

該住宅樓帶有1層地下室，外加地基土層分布也不均勻、地質條件復雜，若采用迫降糾傾法，不僅施工難度大，而且會影響地下1層的使用功能。出于上述考慮，本工程制定了樁基托換頂升法對該住宅樓進行糾傾加固。

5 糾傾施工

5.1 整體思路

為避免機械施工過程中對周圍土體產生擾動，進而造成建筑物的二次下沉，本工程采用人工成孔灌注樁基礎托換原有條形基礎，形成樁筏基礎，增大地基承載力。

上部墻體通過雙托梁進行托換，條形基礎和托換梁組成上部托換體系，在樁承臺與上部托換體系之間布置千斤頂，樁基礎提供支座反力，對建筑進行頂升糾傾（圖3）。

圖3 頂升示意

頂升糾傾結束后，用特制的鋼支柱置換千斤頂并將其撤出，將上部托換體系、鋼支柱用鋼筋與樁筏基礎相連，并澆筑混凝土使其成為一個整體。

5.2 主要施工工藝

頂升糾偏加固施工主要分為3個階段，即：前期頂升準備工作、正式頂升作業(yè)、后期建筑物恢復階段。具體施工步驟如圖4所示。

圖4 加固糾傾施工工藝

5.2.1 托換體系施工

前期頂升準備工作占據(jù)了施工周期大部分時間，準備工作是否到位直接關系到最終糾偏成功與否，其中最為重要的是托換體系的施工。

1）托換樁施工。本工程采用人工挖孔灌注樁，以④層中風化粗面巖作為樁端持力層，在建筑物構造柱正下方設置樁徑800 mm、樁長20 m的托換樁，共計60根。樁端進入持力層不小于0.5 m，單樁承載力特征值均不小于4 900 kN，樁位布置見圖2。樁孔開挖過程中，為了確保建筑物不進一步沉降，開挖采用間隔交叉方式。樁孔成形后，綁扎鋼筋籠和承臺鋼筋，隨后澆筑混凝土。待混凝土強度達到設計強度，放置千斤頂并施加初步頂升后，方可開挖相鄰樁。

2）托換梁施工。將既有墻體剔鑿一定寬度后，在既有砌體墻雙側與條形基礎相連位置設雙托梁，托梁截面尺寸為250 mm×500 mm，兩側托換梁采用銷鍵連接，銷鍵間距不大于1 m。墻體采用分段托換方式，按照設計順序分別托換同一側的墻體，待該側混凝土強度滿足要求后再按同樣順序托換另一側，如圖5所示。

5.2.2 頂升作業(yè)

本次頂升采用高精度PLC（可編程邏輯控制器）液壓同步頂升系統(tǒng)，控制精度為0.01 mm，施工精度為0.1 mm，頂升過程中通過人機交互作業(yè)實現(xiàn)智能化控制、信息化頂升（圖6），與以往口哨式頂升作業(yè)相比，無論是施工精度還是工作效率均大幅提高。在托梁側面布置應變傳感器，各測點處設置位移計，頂升過程中系統(tǒng)可自動采集施工中千斤頂?shù)墓ぷ鲏毫晚斏灰?，保證了整個頂升作業(yè)得以平穩(wěn)順利進行。

圖5 托換梁

圖6 泵站聯(lián)機電氣控制

頂升之前按設計將千斤頂、鋼支柱、鋼板等放置到位，千斤頂?shù)撞亢晚敳糠胖娩摪澹⒊醪绞┘訅毫ΡＷC千斤頂與基礎底緊密接觸。

頂升采用分離式液壓千斤頂，共60臺，每臺千斤頂最大起重量達200 t，最大頂起高度30 cm。本次頂升共分10個區(qū)域，分別由10個油泵站控制，每個油泵站控制5～8個千斤頂。

經試頂升確認各系統(tǒng)可正常工作后，開始正式頂升。頂升糾傾以5號點（西北角）的頂升量作為主控，全過程可分為4個階段，即：頂升稱重、北向南頂升20 mm、西向東頂升230 mm和局部調整階段。

頂升過程中，通過高精度的位移、壓力檢測系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)精確、實時地傳至電腦，通過調整工作壓力，精確控制千斤頂，實現(xiàn)多點線性同步頂升。圖7為5號頂升點（西北角）的頂升控制界面，頂升位移為233.06 mm，頂升基本到位。

此時，測量人員采用全站儀測出建筑的傾斜率和沉降量，若未頂升到位，仍可局部調整。最終3個單元墻體最大一處傾斜率調整至0.06%，滿足規(guī)范和施工合同要求，施工效果如圖8所示。

圖7 5號頂升控制點

圖8 頂升效果

6 有限元數(shù)值分析

為進一步了解頂升過程中建筑物基礎、托換梁及底部墻體間的受力情況，本節(jié)對基礎底面以上2 m，長度為2.9 m范圍內托梁夾墻結構的受力情況展開分析。根據(jù)對稱結構原理，同時為提高模擬的精確性，本模型按照“1/2l0＋1 m”的原則進行三維建模。實體單元模擬條形基礎、托換梁和底部墻體，采用整體模型進行配筋，如圖9所示。

頂升過程中，模型的應力云圖如圖10所示，頂升力的傳力路徑為條形基礎→托換梁→墻體，最大應力出現(xiàn)在基礎底面頂升力的加載面附近。應力分布自上而下均勻變化，上部墻體應力基本呈均勻分布狀態(tài)，說明由條形基礎和托換梁組成的托換體系擴散應力效果明顯。

圖9 有限元模型

圖10 頂升應力云圖

頂升前后托換梁的應力變化如圖11所示。從圖11中可以看出，頂升之前托換梁將上部荷載分層均勻向下傳遞；待施加頂升力后，頂升面上部位置應力增加明顯，但自梁底至梁頂、自梁端至梁中部位的應力增加呈逐漸減少的趨勢。與此同時，梁中部位頂升前后應力基本保持在0.4 MPa以下，由此可見頂升力對托換梁端部的影響較大，而對托梁中部的影響相對較小。

圖11 托換梁應力云圖

7 結語

1）結合某條形基礎砌體結構糾傾工程，系統(tǒng)地介紹了樁基托換頂升糾傾加固技術，該技術不但可以保留建筑的完整性，還能解決地基日后再次沉降的問題，達到治本的目標。

2）本次頂升采用先進的PLC液壓同步頂升系統(tǒng)，配以先進的電控裝置和高精度的位移、壓力檢測系統(tǒng)，精確控制千斤頂?shù)纳邓俣?，實現(xiàn)多點同步升降的控制。

3）通過有限元數(shù)值模擬分析了托換梁頂升過程中的應力變化，得出樁基托換頂升糾傾技術中基礎、托換梁、墻體應力分布合理，安全冗余度較高的結論。

4）本次工程歷時3個月，最大頂升量達233 mm，整體傾斜度由0.55%降至0.06%，糾傾效果顯著。