鄧正定，孫　琪，王　瓏，張三福

( 1．中國鐵道科學研究院，北京　100081; 2．中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅蘭州　730000)

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止傾迫降綜合糾傾法機理分析及在高層建筑糾偏中的應用

鄧正定1，孫琪2，王瓏2，張三福2

( 1．中國鐵道科學研究院，北京100081; 2．中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅蘭州730000)

摘要:對一高層建筑的傾斜原因予以分析，為確保其傾斜率安全、平穩(wěn)、線性地恢復到允許值，保證其沉降的長期穩(wěn)定，減少糾傾過程中給多沉側(cè)帶來的拖帶沉降，提高糾傾效率，提出了止傾迫降的綜合糾傾方法。對用應力控制掏土量、錨索加壓調(diào)控、將石灰樁與鋼管樁組合使用等多重糾傾加固控制技術機理進行研究。基于摩爾庫倫準則確定出塑性區(qū)范圍，將掏土區(qū)劃分為全塑性區(qū)和半塑性區(qū)，并得出對應的寬度，為掏土孔參數(shù)設計提供依據(jù)。通過制定科學合理的施工工序，最終保證了該高層建筑物糾傾加固工程的成功實施，使其傾斜率由糾傾前的5. 52‰減小到2. 54‰，滿足規(guī)范及正常使用要求。采取的石灰樁與鋼管樁組合樁型加固措施有效減少了糾傾帶來的拖帶沉降問題。提出的用應力控制掏土量的方法填補了在濕陷性黃土復合地基、復雜結(jié)構(gòu)糾傾加固掏土計算方法方面的空白，對于類似建筑物糾偏設計與施工具有較強的指導意義。

關鍵詞:止傾迫降塑性區(qū)應力控制組合樁

目前，建筑物糾傾的方法共有30多種，根據(jù)處理方式可歸結(jié)為迫降法、抬升法、預留法、橫向加載法、綜合法(組合糾傾法)等五大類。由于大部分建筑物傾斜是由地基土的不均勻沉降引起的，故水平掏土迫降糾傾法適用范圍較廣。該方法糾傾沉降量容易控制，適用于軟土地基、黃土地基和片筏基礎上的傾斜建筑物。但如何防止建筑物矯枉過正，減少多沉側(cè)的拖帶沉降，確保建筑物糾偏扶正后地基長期穩(wěn)定，做到風險可控，一直是困擾糾偏工程界的難題，特別是對高層建筑物的糾傾加固而言。本文以成功實施的甘肅一商住樓糾傾加固工程為例，對坐落在濕陷性黃土地基、結(jié)構(gòu)復雜的高層建筑物糾傾過程中的防復傾止傾加固技術進行針對性的研究，對類似工程具有較好的借鑒意義。

1　工程概況

甘肅一高層商住樓主樓地上有17層，地下1層，裙樓3層，主樓總高度為50 m。主樓為剪力墻結(jié)構(gòu)，裙樓均為框架剪力墻結(jié)構(gòu)?；A形式均為平板式筏形基礎，且主樓與裙樓筏板相連。筏板東西向最大長度為43 m，南北向?qū)挾葹?6 m。埋深－5. 2 m，板厚1. 0 m，外伸1. 2 m。筏板下為厚150 mm的C20素混凝土墊層，墊層與筏板之間為建筑防水層，防水層上為50 mm厚的C20混凝土保護層，墊層下為厚500 mm 的3∶7灰土墊層。

該建筑所在場地屬于關川河西岸二級階地后緣。根據(jù)詳勘報告及后期勘察資料，場地地層自上而下主要由黃土、角礫及泥巖三層組成。由于對濕陷性黃土進行了孔內(nèi)深層強夯法( DDC法)整片處理，故該樓基礎坐落于黃土復合地基土地層之上。復合地基土物理力學參數(shù)見表1。

表1復合地基土物理力學參數(shù)

2傾斜原因及糾偏難點分析

2. 1變形情況

該建筑于2013年3月開始主體工程施工，同年9月主體結(jié)構(gòu)封頂，不久，在電梯安裝時發(fā)現(xiàn)傾斜現(xiàn)象。經(jīng)有關單位檢測發(fā)現(xiàn)，大樓向西南傾斜，筏板最北端與西南角沉降差達139 mm，樓體傾斜變形為180～195 mm。大樓整體傾斜率在4. 61‰～5. 52‰(見圖1)，遠超過《建筑地基基礎設計規(guī)范》( GB 50007—2011)規(guī)定的3. 0‰的允許值。

圖1大樓傾斜情況示意

2. 2傾斜原因分析

通過對大樓結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)條件和周邊環(huán)境的綜合分析發(fā)現(xiàn)，可能的傾斜原因包括荷載偏心、局部地基軟弱、南北側(cè)含水率不均等，具體分析如下:

1)根據(jù)檢測鑒定結(jié)果，經(jīng)過處理的復合地基的樁間土呈中、低壓縮性，壓縮系數(shù)、擠密系數(shù)均滿足設計要求，濕陷性已消除。故可以排除地基黃土濕陷性引起地基不均勻沉降導致樓體傾斜這一原因。

2)由于裙樓只有3層，而主樓有17層，裙樓與主樓筏板相連且沒有設置后澆帶，也導致大樓荷載嚴重不均。對筏板基礎進行檢算，筏板偏心矩達9. 03，遠大于1. 0的限值。因此，荷載分布不均造成的嚴重偏心是大樓傾斜的主要原因。

3)探井揭露筏板以下10～14 m處均存在約4 m厚含水率較高的軟弱夾層。對主樓筏板下各層土體進行土工試驗，結(jié)果顯示主樓南側(cè)地基土含水率普遍高于北側(cè)約6%。由于南側(cè)外約10 m處存在兩處積水沖溝，雨季積水滲入主樓南側(cè)地基土中，導致復合地基南側(cè)局部承載力下降，變形增大，使基礎產(chǎn)生不均勻沉降。

4)主樓一側(cè)基礎頂面以上填土高度高出裙房一側(cè)填土高度3. 60 m，主樓筏板邊緣上填土荷載作用較大，裙房筏板邊緣上填土荷載作用較小，基礎兩側(cè)填土荷載作用的差異加重了地基基礎沉降變形差異。因此，筏板邊緣覆土不均勻使地基基礎不均勻沉降加劇，導致樓體傾斜加劇。

5)大樓北側(cè)存在4處面積約9 m2、從筏板往下深度約1 m的集水井及電梯井，相當于4個“混凝土墩”，給大樓北側(cè)形成強有力支撐，加劇了不均勻沉降。

綜上分析認為，基礎荷載偏心是造成不均勻沉降進而導致大樓傾斜的主要原因。此外，基礎下深層軟弱層、南側(cè)含水率偏高、北側(cè)集水井支撐及側(cè)向偏心受壓均對不均勻沉降產(chǎn)生不利影響。

2. 3糾偏難點分析

1)大樓荷載偏心嚴重，沉降少的一側(cè)筏板處于裙樓筏板下，上部荷載較小，造成原有地基應力較小。若采用掏土糾傾法減少荷載面積，增加地基土應力，勢必增加掏土量。

2)大樓北側(cè)存在4個集水井及電梯井，由于處于筏板標高以下1 m處，與掏土面不在同一標高且面積較大，對掏土造成較大影響，如何解除集水井底部支撐，是本次糾偏的難點之一。

3)大樓南側(cè)荷載較大且含水率較高，地基土較軟弱，北側(cè)掏土時勢必會造成多沉側(cè)的拖帶沉降。同時由于荷載偏心長期存在，如何采取有效的加固止傾措施保證大樓的長期穩(wěn)定也是糾偏面臨的難點。

3　糾傾加固方案

鑒于大樓的傾斜主要由筏板荷載偏心引起(西南側(cè)沉降大、東北側(cè)沉降小)，根據(jù)傾斜方向、差異沉降量以及地基基礎形式并結(jié)合以往的糾傾經(jīng)驗，采用“多豎井掏土迫降+錨索加壓調(diào)控+鋼管樁和石灰樁加固”的綜合糾傾加固方案。同時將基礎以沉降變形中性軸為界分為兩部分，西南側(cè)為調(diào)整區(qū)，東北側(cè)為迫降區(qū)。對調(diào)整區(qū)采用鋼管樁及石灰樁進行加固止傾，對迫降區(qū)采用取土迫降法進行糾傾，運用止傾與糾傾相結(jié)合的綜合糾傾方法，保證在多沉側(cè)沉降值不變的情況下降低少沉側(cè)的建筑物基礎標高，從而達到調(diào)整不均勻沉降差、實現(xiàn)糾傾的目的(圖2)。

圖2工程措施

具體工程措施為:

1)東北側(cè)豎井放射狀掏土。沿建筑物東北側(cè)取土迫降區(qū)開挖4個取土豎井TJ1～TJ4，采用放射狀掏土，通過削弱地基土承壓面積來增加地基應力，促進基礎下沉。

2)錨索加壓調(diào)控。在每個豎井所對應的筏板邊緣布置一排錨索，每排兩孔，每孔7束鋼絞線，間距為1. 50 m。每束由7根1860級高強度低松弛鋼絞線組成(型號為φs15. 24)。每孔錨索孔徑為130 mm，長17 m，其中錨固段長12 m。每孔設計最大拉力分別為910 kN，通過千斤頂加壓，對糾傾速率和回傾量進行微調(diào)，做到人為可控，從而提高糾傾精度和回傾過程中的安全度。

3)西南側(cè)用鋼管樁和石灰樁混合加固。在大樓西南側(cè)布設ZJ1～ZJ4共4個加固樁豎井。采用鋼管樁與石灰樁相結(jié)合的加固方案，每個豎井內(nèi)布置15個石灰樁垂直孔，8個鋼管樁垂直孔，樁長均為15 m，同時在筏板下靠樓體一側(cè)坑壁上設置兩排石灰樁，樁間距600 mm，樁徑150 mm，樁長15 m，與水平面夾角呈45°角。加固樁施工完成后，在豎井底部綁扎鋼筋籠，并將筏板邊緣鑿開，將筏板的部分鋼筋與鋼筋籠焊接相連，并用C25混凝土對筏板以下的空間進行澆筑，用原狀土對筏板以上空間加以回填夯實。

4　糾傾加固機理分析

4. 1用應力控制掏土量

建筑物的荷載通過基礎傳遞到土中，因此基礎底面的壓力分布形式將對土產(chǎn)生直接影響。這涉及到上部結(jié)構(gòu)物、基礎和地基土的共同作用問題，是一個十分復雜的課題，因此在簡化分析時僅看作壓力接觸問題，即上部結(jié)構(gòu)自重直接傳遞到土體中。掏土前應力分布等值線如圖3所示。

圖3地基應力等值線(單位: kPa)

在上部荷載P一定時，隨著受荷面積A不斷減小，孔間土σ應力不斷增加，可知有如下關系

式中，σ0為掏土前初始應力，D為掏土孔直徑，L為掏土孔間土寬度。

由于掏土孔的存在，孔周地基土初始應力被解除。隨著應力的增加，孔周一定范圍地基土將由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)為塑性狀態(tài)且塑性區(qū)范圍隨著掏土量的增加而增加，而在塑性區(qū)之外的土體仍保持彈性狀態(tài)。由于孔間土破壞往往發(fā)生在孔間土寬度最小處，故可將孔間土看成近似寬度一致的條帶，并將孔間土的變形問題看成圓孔擴張問題的特殊形式，孔間土受壓縮剪脹破壞。其受力特性如圖4所示。

圖4單元體應力分布

單元力系的平衡方程為

對式( 2)的非齊次微分方程求通解可得

結(jié)合掏土孔邊界條件，當l = r時，相當于孔間土無側(cè)限，則σx= 0，可得

假設孔間土中，彈性區(qū)與塑性區(qū)交界處的土體服從摩爾—庫倫準則，則有如下關系

式中，c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角。

聯(lián)解式( 4)、式( 5)得掏土孔塑性區(qū)長度l為

由式( 6)可知，當l = D/2時，孔間土全部為彈性區(qū)，但即將形成部分塑性區(qū)，即處于臨界狀態(tài)。這是糾偏中的重要參數(shù)。因此，可采取“掏土至臨界，錨索加壓至破壞”的措施，設計掏土量為達到臨界應力即可。再通過錨索加壓使塑性區(qū)范圍擴大，加速沉降量。計算得掏土臨界應力值為

式中，σcr為即將形成塑性區(qū)時的臨界應力值。

結(jié)合式( 3)、式( 7)可得達到臨界應力時，所對應的土條寬度與各相關參數(shù)的關系為

根據(jù)《建筑物移位糾傾增層改造技術規(guī)范》，建筑物糾傾需要調(diào)整的沉降量應按下式計算

式中: Sv為建筑物設計沉降量，mm;α回歸值為建筑物糾傾回歸傾斜率; b為糾傾方向建筑物寬度，mm。

由式( 9)可知，在少沉側(cè)及多沉側(cè)所需沉降值隨糾傾方向?qū)挾鹊脑龃蠖龃?，可以用所需沉降量等值線圖表示，如圖5所示。

圖5所需沉降量等值線

根據(jù)所需沉降量，結(jié)合沉降量由西南往東北逐漸增大的特點將迫降區(qū)劃分為全塑性區(qū)、半塑性區(qū)、全彈性區(qū)3部分。其中全塑性區(qū)掏土孔間條帶土的寬度＜2l;半塑性區(qū)孔間土條帶寬度＞2l;全彈性區(qū)不掏土，僅由土體應力增加促使土體彈性壓縮從而達到沉降的目的。

結(jié)合鉆孔機械特點，一般可供選擇的鉆孔孔徑為130或150 mm。由于大樓東北側(cè)筏板邊緣目標沉降量為90 mm，而孔周土破壞壓縮后需占用部分體積，故選擇鉆機孔徑為130 mm。

結(jié)合式( 7)及各物理參數(shù)，計算可得東北方向達到全塑性區(qū)所需土條寬度≤42 mm。為便于施工，可取全塑性區(qū)土條寬度為40 mm，半塑性區(qū)土條寬度為100 mm。

4. 2錨索加壓機制分析

錨索加壓糾傾法是在建(構(gòu))筑物沉降量較小一側(cè)的基礎上垂直打錨索，僅錨索伸入地基深部并與千斤頂組成反力系統(tǒng)，利用千斤頂向基礎筏板施壓，增加沉降較小一側(cè)的基底附加應力，以增加少沉側(cè)的地基沉降量，從而達到糾傾的目的。錨索加壓糾傾技術安全穩(wěn)妥，極大地提高了大樓糾傾控制技術水平。

通過掏土為主、錨索加壓為輔的原則，當掏土至臨界破壞狀態(tài)時，上部荷載增大，掏土孔間土地基應力進一步增大，從而造成塑性破壞區(qū)范圍進一步增大，加速孔間土破壞。錨索加壓糾傾(圖6)的可控性較好，因為錨索加壓可根據(jù)電動油泵、壓力傳感器精確控制。若錨索加壓過大，則引起的基礎下沉速率大，錨索受力隨之衰減而卸荷，進而減小了基礎受力，減緩了基礎的沉降速率，從而達到糾傾速率人為可控的效果。

圖6錨索加壓糾傾示意

4. 3鋼管樁和石灰樁組合止傾加固

考慮到大樓荷載偏心嚴重且荷載偏心將長期存在，為確保糾傾完成后大樓多沉側(cè)沉降得到控制，同時減少糾傾過程中所造成的拖帶沉降，首次引入鋼管樁和石灰樁相結(jié)合的綜合加固措施。此種加固方法主要有以下優(yōu)點:①由于南側(cè)含水量較高，生石灰吸水膨脹，對周圍土體具有擠密作用，能消除黃土濕陷性;②石灰樁置換部分土體，增強地基土承載力，達到改善土體的目的;③石灰樁對土體進行擠密，從而使鋼管樁周圍土體對鋼管樁側(cè)向摩阻力增大，增大鋼管樁承載力;④鋼管樁與筏板形成有機整體，增加承載力;⑤通過鋼筋植入筏板擴大了筏板基礎。

在糾傾加固前分別對原地基、石灰樁、鋼管樁進行現(xiàn)場承載力試驗，試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7石灰樁、鋼管樁及地基土承載力曲線

由圖7可知，每根鋼管樁單根承載力為200 kN，單根石灰樁承載力為80 kN，據(jù)工程實踐經(jīng)驗及文獻［2］，石灰樁能增加約1. 2倍鋼管樁周圍土體摩阻力。根據(jù)組合效應，單豎井承臺能承擔1 920 kN荷載，則4個加固豎井內(nèi)能承擔7 680 kN荷載。通過石灰樁與鋼管樁組合樁型的加固方式，能改善大樓長期偏心狀況，防止大樓再次發(fā)生傾斜。此外，通過先加固后糾偏的方式，能減少糾偏過程中帶來的拖帶沉降，提高糾偏效率。

5　糾傾效果

在歷時4個多月的糾偏加固過程中，通過及時監(jiān)測大樓沉降及傾斜率，并根據(jù)監(jiān)測反饋的信息決定是否進行下一道程序，貫徹了“動態(tài)化設計，信息化施工”的理念。糾傾后大樓最大傾斜率由原來的5. 52‰變?yōu)?. 54‰，達到我國規(guī)范規(guī)定的建筑物安全使用要求。

糾傾加固后大樓沉降基本趨于穩(wěn)定，位于東北側(cè)的1#，2#，3#觀測點沉降值為60～70 mm，西南角的6#觀測點沉降最小，約10 mm，是由加固側(cè)豎井開挖所致，但隨著加固豎井內(nèi)鋼管樁及石灰樁施工完成，6#觀測點沉降基本趨于穩(wěn)定，說明鋼管樁與石灰樁組合加固方案取得了較好的效果。

6　結(jié)論與建議

本文基于工程實例，對采用止傾迫降綜合糾傾法的糾傾加固機理進行了分析。主要結(jié)論如下:

1)基于塑性理論的觀點，分析孔間土的應力分布特點，得出孔間土塑性區(qū)范圍以及達到臨界狀態(tài)時所對應的土條寬度，為掏土參數(shù)設計提供了依據(jù)。

2)提出鋼管樁與石灰樁組合樁型加固措施，能有效減少糾傾帶來的拖帶沉降問題。

3)建筑物糾傾加固是一項技術難度大、影響因素多的技術密集型工作。由于在目前的糾傾技術水平下掏土計算理論還不盡完善，在糾傾過程中堅持“動態(tài)設計，信息化施工”顯得尤為重要。

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(責任審編李付軍)

Mechanism analysis of integrated incline-rectifying and forced settlement rectification method and its application to high-rise building rectification

DENG Zhengding1，SUN Qi2，WANG Long2，ZHANG Sanfu2

( 1．China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．Northwest Research Institute Co．，Ltd．，China Railway Engineering Corporation，Lanzhou Gansu 730000，China)

Abstract:Based on the analysis of the reasons which lead to building incline，in order to ensure a safe，smooth and linear regression of the incline building，and long-term stability of the building settlement，reduce towing settlement of that side having more settlement in the process，improve the efficiency of rectifying inclination，this paper provided a integrated rectification method based on incline-rectifying and forced settlement．The mechanism of multiple inclinerectifying reinforcement controlling technologies was studied，such as soil quantity control by stress，anchor cable pressure regulation，and application of steel and lime pile．The plastic zone was determined based on the Mohr Coulomb criterion．Soil excavation zone was divided into full-plastic zone and semi-plastic zone，their corresponding width was obtained．That provided the basis for soil excavation hole parameter design．By formulating a scientific and reasonable construction process to ensure the successful implementation of the incline-rectifying reinforcement of the high-rise building，building incline rate was reduced from 5. 52‰to 2. 54‰，satisfying the requirements of relevant national standards and normal service．The application of composite pile，which consists of lime pile and steel pile，effectively reduced the towing settlement problems caused by rectification．The soil excavation quantity control technology by stress filled the blank of soil excarvation quantity calculation method of collapsible loess composite foundation and complex structure．It has strong guiding significance in rectification design and construction for similar buildings．

Key words:Incline-rectifying and forced settlement; Plastic zone; Stress control; Composite pile

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0116-05

作者簡介:鄧正定( 1987—)，男，博士研究生。

基金項目:中鐵科學研究院有限公司科技開發(fā)計劃項目( 2015-SQ1-05)

收稿日期:2015-06-25;修回日期: 2015-07-29

中圖分類號:TU472

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．28