戴占彪，周啟港，尚燕民，路邑沐，楊穎超

(河北建研科技有限公司,河北 石家莊 050021)

0 引言

建筑結構在正常設計年限內(nèi),會因各種外界因素導致建筑發(fā)生沉降。隨著城市化進程的發(fā)展,我國逐漸出現(xiàn)較多的建筑因發(fā)生不均勻沉降而導致建筑傾斜,嚴重影響建筑使用功能,部分傾斜較為嚴重的建筑甚至會威脅居民的生命財產(chǎn)安全。由于鋼筋混凝土為不可回收材料,出于經(jīng)濟與環(huán)保的考慮,相比于直接拆除,對建筑進行加固修復無疑是更優(yōu)的選擇,因此近年來,我國出現(xiàn)大量建筑糾傾的工程,積累了大量經(jīng)驗。黃哲輝等[1]對一棟6層混凝土剪力墻結構進行糾傾,并采用一套高精度、自動化的遠程監(jiān)測系統(tǒng)對建筑傾斜量實時監(jiān)測,為指導施工提供了參考;林華藝[2]采用錨桿靜壓樁止傾結合水沖掏土的迫降法將一棟3層混凝土框架結構扶正;李尚飛等[3]采用頂升法對一荒山坡地上的獨立基礎的混凝土框架結構糾傾;陳信院[4]討論了裝配式建筑梁偏位移的原因,并指出了頂升糾偏法在裝配式建筑中應注意的問題。

楊澤君[5]通過在原樁基礎附近新增樁基礎為反力平臺,對一橋梁進行頂升糾偏。田龍龍等[6]結合工程實際,對一不均勻沉降的儲罐群采用高壓旋噴帷幕樁將儲蓄罐隔開,并結合灌漿擠密地基土的方法將各個儲蓄罐分別糾正;楊學林等[7]建立了基于考慮群樁效應、樁土相互作用以及樁基缺陷的等效Q(n)-S(n)曲線,構建了帶缺陷基礎與上部結構協(xié)同作用力學模型;楊志昆等[8]通過筏板外擴的方法對一建筑進行止傾,并采用錨索加壓、鉆孔取土、地基注漿、重物堆載多種方法共同作用的迫降法扶正建筑。文獻[9-12]通過數(shù)值模擬指導頂升施工,對頂升過程中建筑構件、結構響應、整體動力的研究,科學的對一歷史建筑進行糾傾。

1 工程概況與地質(zhì)情況

某6層磚混結構住宅,東西方向長13.08 m,南北方向寬14.58 m,層高2.8 m,建筑面積約1 550 m2。設1層地下室,基礎類型為鋼筋混凝土筏型基礎,埋深-2.8 m,地基處理方式為大開挖3∶7灰土換墊層,壓實系數(shù)大于0.95,厚度2.5 m。該樓設有構造柱和圈梁,建筑整體性較好,平面整體呈“凸”字型。

該工程地基土層情況如下:

①1雜填土層:場地大部分分布,雜色,含磚塊、混凝土塊、碎石等建筑垃圾及煤渣。

①2素填土層:場地均有分布,巖性以粉土為主。

①3灰土層:場地大部分分布由粉質(zhì)黏土和白灰組成,濕,含水量(質(zhì)量分數(shù))介于21.7%～24.2%。

褐黃色,巖性以粉土為主,稍濕,含水量(質(zhì)量分數(shù))介于13.5%～15.5%,稍密,高壓縮性。蟲孔發(fā)育,具濕陷性。

褐黃色,巖性以粉土為主,稍濕—濕,含水量介于15.5%～22.5%,稍密,中—高壓縮性。

褐黃色,稍濕—濕,含水量(質(zhì)量分數(shù))介于17.2%～29.0%,稍密—中密,中高壓縮性。

褐黃色,巖性以粉土為主,局部為粉質(zhì)黏土。濕,中密,中壓縮性。

褐黃色,巖性以粉土為主,局部為粉質(zhì)黏土。濕,中密—密實,中壓縮性。

場地濕陷土層主要為第②層,自重濕陷量為11.00 mm,濕陷量為94.50 mm。

土層層厚、層底埋深統(tǒng)計表見表1。

2 檢測鑒定及結果分析

該住房2000年建成并投入使用,2022年出現(xiàn)局部下沉,基礎的不均勻沉降大于國家現(xiàn)行標準《建筑地基基礎設計規(guī)范》[13]規(guī)定的允許沉降差,并導致建筑整體向西傾斜 12.7‰～13.4‰,向南傾斜 6.5‰～8.0‰已經(jīng)超過《民用建筑可靠性鑒定標準》[14]中表 7.3.10 的界限值。該樓的基礎及主體結構整體性較好,其地下室有個別承重墻體出現(xiàn)因基礎不均勻沉降所致的斜裂縫,為非受力裂縫,裂縫尚不影響結構的豎向承載能力。

該樓周邊近幾年曾經(jīng)發(fā)生過供熱管道、雨污水管道、自來水管道跑水。2022年3月下旬,在該樓的南側有自來水管道跑水,造成了南側小區(qū)道路地面沉陷明顯,該樓的西側和南側樓外也出現(xiàn)了地面沉陷、裂縫等不均勻沉降的現(xiàn)象。通過地質(zhì)勘探報告可知,該工程第②層為濕陷性粉土層,由此推斷,該樓的地基土局部受到外來水的侵入,造成基礎產(chǎn)生不均勻沉降,從而導致上部主體結構的傾斜。

3 糾傾設計

建筑糾傾加固技術方案按原理可劃分為迫降法與頂升法。迫降法原理為在沉降較小的一側,通過人工降低地下水位、掏土、地基浸水、堆載重物等技術手段迫使建筑物沉降較小的一側加大沉降量來達到糾偏的目的。頂升法原理為通過技術手段抬升建筑沉降較大的一側,從而達到糾偏的效果。

考慮到建筑周圍路面同樣因地基浸水多次發(fā)生沉降,迫降法難以準確控制建筑沉降量并保證后續(xù)建筑不再發(fā)生沉降。并且迫降法還會改變建筑首層標高,影響該層建筑功能使用。因此結合建筑使用功能需求和地質(zhì)勘探資料,決定采用頂升法對建筑進行糾偏。

頂升糾偏法按反力系統(tǒng)可分為兩類:

1)原基礎支撐體系:保留原基礎體系,截斷基礎以上豎向構件,新增托換結構,以原基礎為反力平臺,通過千斤頂頂升達到糾傾的目的,頂升結束后連接原有豎向構件。

2)新基礎支撐體系:在原基礎下,新增樁基礎,以新增樁基礎為反力平臺對原建筑整體進行頂升,頂升結束后連接原建筑與新增樁基礎。

既有建筑頂升過程中,支撐體系必須能夠承受千斤頂?shù)姆戳Α＝Y合現(xiàn)場情況,原建筑的筏板基礎東北角已翹起,具體受力情況較為復雜,難以作為反力平臺,并且無法保證地基土不再受水侵蝕,因此采用樁基托換頂升法。

整個糾偏工程結束后,原建筑筏板基礎與新增樁基形成“樁筏基礎”受力模式,此時原地基與新增樁基礎共同承受上部結構荷載。但是,在頂升過程中,原筏板基礎脫離原地基,此時筏板基礎由原來的“筏板受力模式”變?yōu)椤皹前迨芰δＪ健?因此需對原筏板強度進行驗算。經(jīng)驗算該樓筏板強度滿足頂升過程中的強度需求,無需采取加固措施。頂升過程中,原建筑荷載通過千斤頂傳至樁基礎,此時建筑荷載由樁基礎單獨承載,因此在進行樁基礎設計時,不考慮原地基與樁基礎協(xié)調(diào)作用,此時樁基礎設計雖然偏于保守,但可保證施工安全進行。通過盈建科計算上部結構荷載,最終在原基礎下布置28根端承樁作為反力平臺,設計樁徑1 m,樁長為12 m,持力層為⑤層粉土層,樁頂標高為-3.500 m,原基礎底標高為-2.800 m,中間預留700 mm放置墊塊與頂升設備,墊塊強度根據(jù)樁豎向承載力要求確定。具體布置情況如圖1所示。新增樁群承載力合力點,應與原建筑包括原筏板在內(nèi)的所有豎向荷載合力作用點重合。新增樁盡量布置在橫墻縱墻交點,并且結合筏板強度,確定最大樁距,避免托換結構發(fā)生破壞。由于場地因素限制,決定采用人工挖孔成樁的方法。

4 頂升施工

頂升施工整個階段包含前期準備工作、建筑試頂稱重、正式頂升、后期恢復四個階段。工藝流程圖如圖2所示。

4.1 PLC頂升系統(tǒng)

本工程采用PLC頂升系統(tǒng),PLC同步頂升控制系統(tǒng)由總控制平臺、液壓泵站控制系統(tǒng)、液壓千斤頂、位移監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

PLC控制器可以通過編程實現(xiàn)自動化控制,根據(jù)設定的參數(shù)控制液壓頂升設備的升降、停止、保壓等操作。位移監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài),將信號傳輸給PLC控制器,執(zhí)行器則根據(jù)PLC控制器的指令進行相應的操作。由于設備限制,同步頂升前需合理劃分頂升區(qū)域,計算頂升參數(shù)。頂升區(qū)域的劃分應符合頂升力相近、頂升量相近的原則。區(qū)域與區(qū)域之間應無交叉,確保位移傳感器能即時反映其監(jiān)測區(qū)域的位移情況,以便調(diào)節(jié)個別千斤頂頂升力。

4.2 前期準備工作

前期準備工作階段包括人工挖孔灌樁,PLC頂升系統(tǒng)布置,燃氣、污水等管道臨時鏈接。在此過程中實時更新建筑沉降情況。

由于頂升階段涉及建筑高度改變,原建筑的給排水與燃氣管道可能存在斷裂、漏水等情況,需采取相關措施保證管道安全。

樁基礎施工前,根據(jù)圖紙導坑位置所示,對筏板開洞,挖導坑作為工作平臺,并根據(jù)現(xiàn)場實際墻體位置,在導坑內(nèi)放線確定樁中心位置。人工挖孔過程前,按區(qū)域對樁分組,多組同時施工。為避免樁孔密集導致建筑沉降,應按照隔一挖一的原則合理安排挖樁順序,按人工挖孔→下鋼筋籠→灌樁→布置千斤頂與墊塊→人工挖孔的順序循環(huán),直至所有樁灌注完成。本工程鋼筋籠采用分段下坑,再用人工連接的方式完成,考慮到樁坑內(nèi)氧氣問題,采用綁扎的形式進行連接。樁頂澆筑至距其上部筏板700 mm后,根據(jù)設計圖紙植筋,并在樁頂鋪設10 mm厚細砂,人工將千斤頂與墊塊搬運至樁頂,保證墊塊與千斤頂在頂升過程中的穩(wěn)定。墊塊正對樁心,千斤頂根據(jù)上部墻體情況,布置在墊塊兩側。確保千斤頂對準墻體,用鋼板填充千斤頂頂部與筏板間的空隙,最終原建筑總荷載由千斤頂傳遞至樁基礎,臨時由樁基礎承載。

4.3 建筑試頂階段

由于建筑沉降并未停止,在正式施工前,傾斜量已達到16‰,因此實際構件受力情況與理論計算存在一定偏差。理論計算的意義在于給出頂升力的范圍,而確切的頂升力則需通過試頂稱重進行確定。

建筑試頂稱重階段前,需對PLC控制系統(tǒng)進行測試,包括總控制平臺與液壓泵站控制系統(tǒng)、位移監(jiān)控系統(tǒng)的信息傳遞,液壓泵站與液壓千斤頂?shù)挠吐愤B接,檢查液壓千斤頂是否擺放穩(wěn)定。試頂稱重過程中,觀察樁、建筑是否出現(xiàn)新增裂縫。

試頂稱重時采用壓力控制,初試階段按15%～20%理論值輸入,逐步加載至理論值80%時,加載步改為5%理論值,直至位移檢測系統(tǒng)發(fā)生明顯變化。當各個頂升點位移均勻增加時,保持壓力值不變;當頂升位移均勻同步達到5 mm后停止加載,記錄各樁位千斤頂壓力即為實際頂升力,并計算所有千斤頂壓力值之和即為建筑實際重量。

4.4 正式頂升階段

正式頂升階段根據(jù)建筑頂升量,合理擬定頂升速度。由于本次正式頂升階段的西南側的頂升量較大,超出千斤頂?shù)捻斏谐?因此采用交替式頂升系統(tǒng)如圖3所示。由于只需交替一次,為盡量減少頂升過程中對建筑的擾動,頂升階段采用先糾東西方向,之后糾正南北方向的頂升方案。建筑頂升后,不同區(qū)域的筏板與墊塊之間存在不同的距離,應根據(jù)距離補充墊塊或鋼板。具體步驟為:單個千斤頂頂升至目標行程→卡環(huán)鎖死→油管倒換到另一千斤頂→頂升至目標行程→補充鋼墊塊→千斤頂卸載撤除。

本工程采用拉線式位移計作為位移監(jiān)控系統(tǒng),由于涉及到千斤頂交替頂升,因此將位移計放置在兩個千斤頂?shù)膶ΨQ軸上,并且在頂升時,盡量保證所有樁位用同一方位的千斤頂,避免因更換千斤頂導致位移計產(chǎn)生人為誤差。

建筑在傾斜的過程中,內(nèi)部構件已經(jīng)產(chǎn)生裂縫,建筑糾正過程中,部分裂縫會閉合。由于本工程第一天進行東西向糾偏,第二天進行南北向糾偏,建筑在扶正過程中,裂縫難以保證“按原路徑”閉合,因此,隨著建筑傾斜率越來越小,頂升速度應逐漸放緩,避免出現(xiàn)裂縫閉合過程中,因構件搓動導致個別千斤頂頂升力突然增大的情況。

4.5 后期恢復

后期恢復階段,通過植筋的方法將樁與原筏板基礎連接,通過焊接的方法修復因筏板開洞切開的縱向鋼筋,采用無收縮細石混凝土對下部結構進行澆筑,直至樁位、導坑與頂升產(chǎn)生的筏板與地基之間的空間全部灌滿。根據(jù)設計圖紙,修復筏板洞口,使新增樁與原筏板地基形成一個整體,最終形成樁筏基礎。

5 糾偏效果

本工程通過新增樁基礎托換體系將原建筑由筏板基礎改為樁筏基礎,不僅滿足地基承載力,同時通過改變持力土層的方式,降低了后續(xù)建筑再次沉降的風險。頂升階段共歷時2 d,將原建筑由傾斜16‰糾正至1‰,滿足規(guī)范所規(guī)定的4‰的要求,且并未對建筑造成二次損傷。

6 結語

1)本工程中通過分析建筑沉降原因結合工程地質(zhì)條件,采用新增樁基礎作為反力平臺的頂升法進行糾傾加固的方案。

2)采用先東西向后南北向分別糾傾的頂升方案,更加合理的規(guī)劃了頂升量與頂升速度。

建筑糾偏方案應結合工程實際情況作出合理設計,避免后續(xù)建筑再次因相同的不可控因素發(fā)生沉降。頂升過程本質(zhì)上是能量輸入的過程,應合理規(guī)劃頂升速度,實時觀測建筑各個構件的情況,避免發(fā)生二次破壞或產(chǎn)生新的損傷。