趙文強,張小兵，汪生斌，寇麗娜

(1. 青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局 青海省環(huán)境地質(zhì)重點實驗室 青海九O六工程勘察設(shè)計院，青海 西寧　810007； 2. 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州　730000)

0　前　言

預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)源于國外，它是錨桿技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物[1]。錨索主要是由錨頭、錨固段、自由段、錨桿配件組成的，兩端其中一段可通過外端固定于坡面，另一端則固定于堅固的巖石層中，其可以對不穩(wěn)定的巖體進行固定。預(yù)應(yīng)力錨索具有高邊坡坡面防護、病害防治，預(yù)防邊坡深層破壞的優(yōu)點，同時預(yù)應(yīng)力錨索外部形態(tài)美觀，施工難度較低，不容易出現(xiàn)技術(shù)事故?，F(xiàn)目前，預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)廣泛的應(yīng)用于國內(nèi)的諸多工程，如高壩工程、深基坑工程、邊坡工程、地下隧道工程、水利工程、水電工程等[2]。

預(yù)應(yīng)力錨索其初衷是對錨索施以一定的拉力，從而使得巖土體得到固定的一種技術(shù)，其可以通過張拉力將巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改善，達到穩(wěn)定的效果。是一種采用了鉆孔、漿注技術(shù)固定鋼絞線于深層的穩(wěn)定地層中的技術(shù)，從而使得需要進行加固的物體表面和鋼絞線之間產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，其不僅可以起到穩(wěn)固作用，對于防止其發(fā)生形變也有重要意義[3]。本研究主要旨在研究錨索加壓調(diào)控輔助糾傾的技術(shù)，需要注意的是現(xiàn)目前錨索應(yīng)用于糾傾工程的先例極少，但在一些先例中表明其應(yīng)用效果較好，本研究就此展開相關(guān)的探討，希望為糾傾工程的錨索應(yīng)用提供一點先導(dǎo)和借鑒作用。

1　工程概況

青海某師大3號住宅樓，地上30層，地下1層，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑高度97 m，總重約300 000 kN，建筑面積15 896 m2。采用梁板式筏形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深-8.2 m。場地自上而下地層依次為：雜填土、黃土狀土、粉土、卵石層、強風化泥巖、中風化泥巖、微風化泥巖?；A(chǔ)位于強風化泥巖層中，地下水主要賦存于卵石層內(nèi)，水量豐富。

2007年7月，青海某師大3號樓主體結(jié)構(gòu)封頂，后不久，地基便發(fā)生不均勻沉降，大樓整體朝北東方向傾斜，且差異沉降與日遞增，傾斜變形不斷加劇，截止2008年10月15日，大樓向北的傾斜率達2.66‰，向東傾斜率達1.82‰，大樓頂端的最大偏移量達到254.0 mm，遠遠大于國家相關(guān)規(guī)范的允許標準，不但電梯無法安裝，而且可能引起更為嚴重的后果。因此，糾傾加固工作已是迫在眉睫。

2　糾傾加固方案

2.1　糾傾加固方案比選

我國的糾傾加固技術(shù)始于上世紀80年代，以蘇州虎丘塔的糾傾加固為標志。但發(fā)展較快，經(jīng)過短短約40年的歷程，糾傾技術(shù)如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，林林總總已有30余種，糾傾成功的工程已有上千例。糾傾方法從大的方面主要分為5種，分別為迫降法、抬升法、橫向加載法、預(yù)留法及綜合糾傾法，其中迫降法與抬升法是兩種最基本、最常用的方法[4-5]。鑒于3號樓的實際情況，可以考慮迫降法或抬升法對大樓實施糾傾。

師大3號樓主體高度97 m，設(shè)計荷載約300 000 kN，基礎(chǔ)埋深-8.2 m，如若采用抬升法糾傾，必須處理好以下幾個方面的問題：①大樓較重，千斤頂支撐點數(shù)量與大樓基礎(chǔ)剛度協(xié)調(diào)的問題，若采用500 T規(guī)格(需要訂做)的千斤頂，在安全系數(shù)取1.5的情況下，則需要90臺千斤頂；②千斤頂抬升時的受力不均與位移同步控制問題，若采用同步頂升系統(tǒng)，僅建立一個供給90臺千斤頂?shù)拇笮鸵簤罕谜炯巴轿灰瓶刂葡到y(tǒng)，在當時的條件下，初步估計費超過500萬；③安裝千斤頂，勢必將大樓基礎(chǔ)開挖臨空，如何解決大樓的橫向穩(wěn)定問題？一旦失穩(wěn)，將造成極為不良的社會影響；④過程控制問題，該方法實施過程中，環(huán)環(huán)相扣、息息相關(guān)，如千斤頂?shù)馁|(zhì)量、泵站的質(zhì)量、同步控制系統(tǒng)的可靠性以及操作人員的技術(shù)水平等構(gòu)成一個相互影響、相互制衡的系統(tǒng)，一旦某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩盤。鑒于以上幾個方面的考慮，相比而言，采用迫降法糾傾更為可行、可靠、經(jīng)濟、安全。

2.2　預(yù)應(yīng)力錨索的引入

迫降法糾傾在多層建筑糾傾加固工程中已得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)相對較成熟，但理論研究滯后，存在可控性差、糾傾精度不高的問題，這在高層建筑糾傾加固工程中是不允許的，因為高層建筑對垂直度的要求更為嚴格。根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索“占用空間小、加載噸位大，加載壓力人為可調(diào)”等特點，項目組經(jīng)過反復(fù)探討，決定引入預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)，以彌補常規(guī)迫降法的不足[6]。

經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟對比與專家認證，最終確定了“放射狀水平掏土為主，錨索加壓調(diào)控為輔”的綜合糾傾方案。具體糾傾措施分以下兩點。

1)在大樓迫降區(qū)設(shè)置5個豎井，豎井沿大樓外墻向下開挖，平面上部分與大樓基礎(chǔ)筏板外挑部分重合，深度低于筏板底面2 m。豎井作為水平掏土的作業(yè)面，在基礎(chǔ)下強風化泥巖層進行水平掏土，以削減基底受力面積，增大基底應(yīng)力，促進該側(cè)地基下沉(見圖1)。

圖1　豎井及錨索位置平面圖

2)在每個豎井中外挑的筏板上，設(shè)置2孔預(yù)應(yīng)力錨索，由5ΦS15.2高強度低松弛鋼絞線制作，最大加載能力為500 kN/孔。錨索與千斤頂組成反力系統(tǒng)，以錨索的抗拔力作為反力，利用千斤頂對筏板加壓，根據(jù)水平掏土量調(diào)整加載壓力的大小，既可控制迫降速率，又可調(diào)整不同位置的壓力大小以控制回傾方向，最終實現(xiàn)糾傾目標。

2.3　預(yù)應(yīng)力錨索的作用機理

預(yù)應(yīng)力錨索用于糾傾工程中主要存在3個顯著作用，其分別是加載、安全防護與防復(fù)傾，現(xiàn)我將這3個作用簡要介紹如下。

1)加載，加載即是以錨索的錨固定段對以錨索錨固段提供的抗拔力作為反力，之后再應(yīng)用千斤頂實現(xiàn)對錨索的張拉及鎖定，這一過程完成后即表示完成了第1次的基礎(chǔ)加載。隨后地基會逐漸發(fā)生壓縮形變，產(chǎn)生沉降，這時錨索就會逐漸釋放預(yù)應(yīng)力，直到其達到了原設(shè)計的負載后便可進行第2次的加載工作，如此反復(fù)則可以完成糾傾。

2)安全防護，錨索通過加力把建筑物基礎(chǔ)與深部穩(wěn)定地層連為一個整體，增加了建筑物的穩(wěn)定性，降低了糾傾過程中大樓傾斜惡化甚至傾倒的風險，起到安全防護的作用。

3)防復(fù)傾，對于在迫降區(qū)的錨索，在糾傾結(jié)束后，可以通過錨索張拉鎖定對基礎(chǔ)施加一定的豎向約束力，相當于對建筑物施加了一個回傾力矩，起到平衡傾斜建筑物殘留偏心力矩的作用，從而達到防覆傾加固的目的(見圖2)。

除以上3個主要作用外，在傾斜建筑物的糾傾工程中還需要應(yīng)用預(yù)應(yīng)力對掏土進行控制，還可以通過預(yù)應(yīng)力錨索來控制建筑物的回傾方向、回傾速率、線性變位等，同時還具有安全防護的作用，即通過調(diào)整錨索加載的大小達到建筑物逐漸糾傾的目的，其與控制錨索加載的大小來使建筑物穩(wěn)步回傾，這種方法同千斤頂?shù)募m傾方法有一定的相似之處，但其實際的作用機理卻不盡相同。錨索是以其錨固段的抗拔力作為反力，之后再通過對其錨頭部位加以預(yù)應(yīng)力的方法將傾斜建筑物進行糾傾，在糾傾的過程中通過在錨頭部位施加預(yù)應(yīng)力，迫使建筑物回傾，同時在糾傾過程中需要實時根據(jù)糾傾速率調(diào)整其預(yù)應(yīng)力施加的大小，最終達到建筑物平穩(wěn)安全回傾的目的。同時不同錨索的承載力也并不完全相同，可以根據(jù)建筑物基礎(chǔ)的剛度和強度靈活選擇[7-9]。

圖2　錨索防復(fù)傾加固示意圖

自身的承載能力是預(yù)應(yīng)力錨索控制技術(shù)中最大的特點，其可以充分利用錨索中錨頭部的裝置進行預(yù)應(yīng)力大小的靈活調(diào)節(jié)，值得一提的是其除了被動的調(diào)節(jié)功能外還具有自我的調(diào)節(jié)功能，一旦其受到預(yù)應(yīng)力的作用，就會隨著傾斜建筑物的糾傾進展而自動收縮回彈。

總的來說，錨索控制技術(shù)具有效率高、應(yīng)用靈活、安全性高、占用空間小、成本較低等諸多優(yōu)點。

3　糾傾方案的實施

為保證在整個糾傾過程中建筑物能夠“安全、平穩(wěn)、線性”的回歸，按照“分區(qū)、分井、分批間隔掏土”的原則進行掏土，并且第1批次的掏土量控制為最大掏土量的一半，第2批次的掏土量為第1批次掏土量的一半，第3批次的掏土量為第2批次掏量的一半，依次類推。直到跟蹤監(jiān)測的數(shù)據(jù)顯示大樓已開始回傾，即停止掏土，此時說明掏土區(qū)的土體受掏土的影響已經(jīng)開始發(fā)生壓縮變形；根據(jù)回傾速度的大小，考慮對不同位置的錨索分級加壓，直至設(shè)計最大加載值，如果糾傾效果仍不理想，應(yīng)繼續(xù)進行掏土，此次掏土量應(yīng)是由掏土面積來決定，即掏除土體分擔的上部荷載應(yīng)稍大于錨索加載的最大壓力，然后再次對錨索進行分級加壓，如此反復(fù)，直至達到理想糾傾目標。

師大3號樓糾傾加固工程中共設(shè)置有8根錨索，每束錨索的設(shè)計最大加載壓力為500 kN(根據(jù)筏板基礎(chǔ)的強度以及地基巖土體的力學(xué)性質(zhì)確定)，并且每束錨索都安裝有壓力傳感器，可以隨時測量錨索的應(yīng)力大小，同時還可以校核千斤頂加載壓力(見圖3)。其工作機理是：“掏土緩慢啟動，錨索加壓調(diào)控”，也即由掏土引起的地基應(yīng)力能夠使掏土孔間的土條接近或達到極限狀態(tài)，并開始發(fā)生彈塑性壓縮變形；然后停止掏土，通過錨索加壓，使掏土孔洞四周的塑性區(qū)向深部擴展，實現(xiàn)彈性變形——塑性破壞——壓密重塑的轉(zhuǎn)變過程。同時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反映出的大樓變形特征，可以通過錨索加壓對大樓的回傾方向、回傾速率以及筏板基礎(chǔ)的線性變位等進行矯正和調(diào)節(jié)，保證大樓按照人為意愿朝著即定目標回傾。

圖3　錨索加壓糾傾示意圖

錨索加壓，每10 t為一級，分級施加，每級荷載應(yīng)穩(wěn)定24 h后方可施加下一級荷載。由錨索的受力特點可知，鋼膠線受拉產(chǎn)生彈性變形，一旦筏板壓縮土體下沉，鋼膠線收縮，錨索施加的荷載也隨之釋放。錨索循環(huán)加荷載的應(yīng)力變化特征如圖4所示。

錨索加壓期間沉降量最大的E5點25天下沉了16 mm，最大日下沉量為1 mm，日平均沉降速率為0.64 mm/d，大樓在整個加壓糾傾過程中處于安全可控狀態(tài)。E5點沉降量隨錨索加力變化曲線圖如圖5所示。

圖4　3號井東側(cè)錨索的受力變形圖

圖5　E5(西南角)觀測點沉降量隨錨索加力變化曲線

4　方案實施效果

通過2批次掏土和4批次錨索循環(huán)加壓，師大3號樓于2009年1月5日順利達到了預(yù)期糾傾目標，大樓的最大偏移量由糾傾前的245 mm回傾到了125 mm，南北向的傾斜率由2.66‰降低到0.87‰，東西向的傾斜率由1.82‰降低到1.28‰，并且整個糾傾過程中大樓基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒有產(chǎn)生任何裂縫、損傷現(xiàn)象。并于2009年6月6日，該樓順利通過了竣工驗收，驗收前一百天的平均沉降速率為0.018 mm/d，根據(jù)《建筑變形測量規(guī)程》JGJ 8-2007的5.5.5條文規(guī)定：“當最后100天的沉降速度小于0.01～0.04 mm/d時可認為已進入穩(wěn)定階段”， 大樓的基礎(chǔ)沉降已經(jīng)進入穩(wěn)定階段[10]。至此，作為建筑物糾傾工程中層數(shù)(30層)最多、高度(97 m)最大的師大3號樓宣告糾傾成功。而且根據(jù)后續(xù)5年的跟蹤監(jiān)測成果顯示，師大3號樓一直處于良好的使用狀態(tài)。

圖6　青海某范大3號樓糾傾工后5年沉降觀測曲線圖

5　結(jié)　語

對于高層傾斜建筑物，多采用迫降法進行糾傾，在迫降法中最常用到的又是加載法，這種糾傾方法同其他的方法對比具有更為顯著的優(yōu)勢。而預(yù)應(yīng)力錨索則更為簡單靈活，其在實際的應(yīng)用中基本不受過多的場地限制，且其單錨承載能力可高達近百噸，在應(yīng)用中可以根據(jù)實際情況靈活調(diào)整，自由度、可控度極高。但其也具有一些硬性的要求，一般情況下來講，剛度、硬度不達標的傾斜建筑物是無法使用這種方法進行糾傾的。因此，可以把預(yù)應(yīng)力錨索與其它糾傾方法結(jié)合使用，取其所長，避其所短，以求達到更好的糾傾效果。預(yù)應(yīng)力錨索在糾傾工程中的應(yīng)用還處于萌芽階段，但已有成功的先例，效果十分顯著，而且易于人為控制，加(卸)載靈活自如。期待在今后的糾傾工程能夠進行更多的嘗試，以使預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)得到更為廣泛的應(yīng)用，為糾傾工藝增添新的動力，推動高層建筑糾傾技術(shù)的發(fā)展。