莫振林， 王海洋， 祖德權(quán)， 汪 凱， 蘭 杰， 康景文

(中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司， 成都 610052)

1 工程概況

該項目位于九寨溝縣漳扎鎮(zhèn)，工程規(guī)劃用地面積約為20萬m2，屬山地建筑群，均為單層獨棟客房，采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用獨立基礎(chǔ)，46號樓建筑物外貌見圖1。本工程抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，設(shè)計地震分組為第3組，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計特征周期為0.45s。

圖1 46號樓建筑物外貌

該工程于2014年開工，2017年8月8日21∶19九寨溝縣發(fā)生7.0級地震。經(jīng)鑒定，此次強震造成房屋個別鋼筋混凝土墻、部分鋼筋混凝土框架梁出現(xiàn)裂縫，見圖2，房屋傾斜率不滿足地基規(guī)范[1]要求。應(yīng)對房屋進(jìn)行地基基礎(chǔ)加固及糾傾處理，對出現(xiàn)裂縫、損傷的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行可靠處理[2]。

圖2 框架梁裂縫

2 場地地質(zhì)條件

該場地原始地貌屬構(gòu)造侵蝕中山地貌，整個場地呈西高東低的特點，建筑物施工后形成臺階狀地形，場地地勢起伏相對高差約69.58m，場地全景見圖3，場地地層及建筑物分布典型剖面見圖4。

圖3 場地全景圖

圖4 場地地層及建筑物分布典型剖面示意

根據(jù)詳勘報告及后期補勘資料，場地除表層的素填土(Q4ml)外，其下由第四系全新統(tǒng)崩坡積含粉質(zhì)黏土角礫、含角礫粉質(zhì)黏土、碎石(Q4eol+dl)組成，各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

各土層物理力學(xué)指標(biāo) 表1

3 事故介紹及原因分析

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查量測，共計8棟建筑物傾斜率超出地基規(guī)范[1]限值，沉降速率超出測量規(guī)范[3]限值，見表2。

建筑物傾斜沉降情況匯總 表2

現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，地震后場地北側(cè)發(fā)育一滑坡地質(zhì)災(zāi)害，滑坡外圍出現(xiàn)弧形裂縫，長約327m，寬約108m。本次受損最為嚴(yán)重的31號樓正位于滑坡體前緣角部，周邊建筑物也出現(xiàn)明顯傾斜和沉降。同時原深埋排水管震時損壞，滑坡體邊緣地表出現(xiàn)裂縫，且由于錯位等原因造成地表水下滲嚴(yán)重?，F(xiàn)場開挖探坑表明，原持力層③-1(含粉質(zhì)黏土角礫)在地下水浸潤下，土質(zhì)軟化，強度降低。

4 糾傾加固方案

為保障震后恢復(fù)工作順利推進(jìn)，筆者認(rèn)為在滑坡治理場地穩(wěn)定條件下，可對受災(zāi)建筑物進(jìn)行糾傾加固處理，主要包括兩個方面：1)建筑物持力層結(jié)構(gòu)性較差，采用補樁方式進(jìn)行地基基礎(chǔ)加固[4]；2)建筑物荷載較小，對剪力墻采用頂升方式進(jìn)行糾傾處理[5-6]。

5 建筑物地基基礎(chǔ)補樁加固

該類建筑地基基礎(chǔ)加固方法與破壞模式較常規(guī)方法略有不同[7-8]。以場地整體穩(wěn)定為前提，本次加固應(yīng)分別考慮非地震作用組合和地震作用組合工況下的樁基豎向承載力，同時尚需考慮地震時建筑物范圍內(nèi)土體自穩(wěn)定性，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)作用進(jìn)行樁基水平承載力驗算。

5.1 非地震作用組合工況下樁基豎向承載力

考慮基底土尚可正常發(fā)揮作用，與新增樁共同受力，單樁豎向承載力Ra可參照復(fù)合減沉疏樁基礎(chǔ)[1]，按下式進(jìn)行計算：

(1)

式中：Fk為上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)合力；Gk為基礎(chǔ)自重；Ac為樁基承臺凈面積；fak為地基承載力特征值；n為新增樁數(shù)。

5.2 地震作用組合工況下樁基豎向承載力

地震作用下考慮基底土退出工作，此時豎向荷載全由新增樁承擔(dān)。結(jié)合糾偏規(guī)程[2]，單樁豎向承載力Ra按下式計算：

(2)

式中NEk為地震作用下上部結(jié)構(gòu)豎向荷載。

5.3 地震作用組合工況下樁基水平承載力

場地整體穩(wěn)定條件下，地震時建筑物范圍內(nèi)土體局部穩(wěn)定由新增樁承擔(dān)，參照邊坡規(guī)范[8]，考慮上部結(jié)構(gòu)及覆土荷載，計算簡圖見圖5，樁基水平承載力Rha按下式驗算：

圖5 建筑物范圍土體局部穩(wěn)定計算簡圖

Rha≥

(3)

式中：Fs為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；Qe為地震作用下滑體滑動方向荷載；G為滑體自重；FEk為地震作用下上部結(jié)構(gòu)水平荷載；θ為滑面傾角；c，φ為滑動面黏聚力和內(nèi)摩擦角。

以31號樓為例，最不利滑動面為②-1層底部，建筑物范圍內(nèi)滑體自重G=26 162kN，上部結(jié)構(gòu)NEK=2 559kN(豎向)，F(xiàn)EK=693kN(水平向)，滑動面傾角θ約為20°，按式(1)計算樁數(shù)n=1.45；按式(2)計算樁數(shù)n=6.47;按式(3)計算樁數(shù)n=7.54，最終新增樁數(shù)取n=8。由此可見，此類震后山地建筑地基基礎(chǔ)加固工程，尚應(yīng)進(jìn)行地震作用工況下基樁水平承載力驗算。

6 頂升力計算分析

既有傾斜建筑物柱底內(nèi)力計算采用柱底施加彈簧約束進(jìn)行模擬分析[9]?？紤]到頂升截斷后墻底彎矩釋放，本次考慮支座施加3個平動約束。實際上支承剛度隨著建筑沉降變形并非保持不變，很難準(zhǔn)確模擬[10]。本次設(shè)計以建筑物實際差異沉降及層間水平位移量為控制目標(biāo)，通過多次試算，最終得到可實現(xiàn)變形目標(biāo)的“支座等效剛度”。

以43號樓為例，各豎向構(gòu)件沉降量見圖6。初設(shè)支座豎向剛度采用未傾斜模型的各支座軸力除以各支座實測相對沉降量。上部結(jié)構(gòu)采用彈性板單元，本次模擬支座沉降為各支座相對沉降量，故等效剛度實際為相對值，43號樓傾斜模擬結(jié)果見圖7。

圖6 43號樓各豎向構(gòu)件沉降量示意圖

圖7 43號樓傾斜模擬結(jié)果

43號樓1層層高4.3m，2層層高3.9m，1層頂平均側(cè)移為26.66mm，2層頂平均側(cè)移為50.84mm。

經(jīng)試算，取各支座水平向相對剛度為1 500kN/m。豎向剛度模擬計算結(jié)果見表3，各支座沉降模擬最大偏差為1.43%；水平剛度模擬計算結(jié)果見表4，各支座水平變形模擬最大偏差為1.00%。達(dá)到建筑物傾斜目標(biāo)后，根據(jù)得到的各支座等效剛度，計算確定房屋糾傾時的頂升力，計算結(jié)果見表5。

計算結(jié)果表明，各支座頂升力約為初始軸力的0.72～1.25倍，大多數(shù)支座軸力變化并不顯著。實際頂升過程中，各支座軸力(即頂升力)隨著回傾過程不斷變化，理論上完全回傾后，各支座軸力應(yīng)恢復(fù)至未傾斜狀態(tài)，故最終頂升力取原初始軸力的1.0～1.25倍。

7 剪力墻施工過程分析

加固時采用墻身開洞方式選擇50t機械式千斤頂進(jìn)行體內(nèi)頂升，開洞位置選擇墻體邊緣構(gòu)件處。施工過程中分別對開洞后及頂升時墻身受力情況進(jìn)行分析。

43號樓各支座豎向剛度模擬結(jié)果 表3

43號樓各支座水平剛度模擬結(jié)果 表4

43號樓頂升力計算結(jié)果 表5

墻體開洞后，上部結(jié)構(gòu)荷載由墻身承擔(dān)，考慮最不利情況下連續(xù)開洞時墻體受力情況。墻體頂升過程中，墻身分離，此時所有豎向荷載由千斤頂承擔(dān)。經(jīng)計算，單個千斤頂實際最大控制值為40t，計算此時墻體受力情況。

采用ABAQUS有限元分析軟件對上述兩種情況進(jìn)行計算分析，其中混凝土采用實體單元，彈性模量為3.0×104MPa，泊松比為0.2，考慮混凝土塑性損傷模型；鋼筋采用D2T3桁架單元，彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為400MPa。

墻體開洞階段計算結(jié)果表明，混凝土最大壓應(yīng)力為6.6MPa，鋼筋最大壓應(yīng)力為57.2MPa，構(gòu)件處于彈性狀態(tài)；墻體頂升階段計算結(jié)果表明，混凝土最大壓應(yīng)力為12.9MPa，鋼筋最大壓應(yīng)力為133.7MPa，見圖8。結(jié)果表明，頂升接觸面混凝土局壓應(yīng)力較大，構(gòu)件整體仍處于彈性狀態(tài)[11]。

圖8 頂升施工階段剪力墻數(shù)值模擬/Pa

計算結(jié)果表明，本次加固在邊緣構(gòu)件處開洞是可行的，該做法免去了體外托換結(jié)構(gòu)，可有效縮短工期。考慮在頂升時混凝土局壓應(yīng)力較大，在頂升面澆筑10cm灌漿料，底部預(yù)埋鋼墊板。

8 單向抗側(cè)裝置

單向抗側(cè)裝置主要由上下頂升盒和抗側(cè)鋼板組成，抗側(cè)鋼板穿過頂升盒兩側(cè)的限位卡槽與剪力墻緊貼，在頂升盒(下)開孔設(shè)置鋼銷子，用于固定抗側(cè)鋼板，見圖9。頂升盒無需另行錨固，措施簡單，施工方便，適用于此類糾傾加固。同時該裝置可限制墻身截斷后因桿端彎矩釋放造成的墻體水平錯位。

圖9 單向抗側(cè)裝置做法

以46號樓為例，考慮多遇地震作用下，算得結(jié)構(gòu)基底產(chǎn)生地震總剪力分別為675.84kN和693.41kN。采用抗側(cè)鋼板規(guī)格5mm×100mm，鋼材Q235，每組裝置抗力62.5kN。經(jīng)計算，X向設(shè)置11套抗側(cè)裝置，Y向設(shè)置12套抗側(cè)裝置。

9 糾傾加固效果

本次共糾傾加固8棟建筑，各棟受損建筑糾傾后傾斜率見表6。其中31號及87號樓回傾控制標(biāo)準(zhǔn)為2.5‰，其余建筑物回傾控制標(biāo)準(zhǔn)為1.0‰。

本工程在“8.8九寨溝地震”后出現(xiàn)明顯沉降，經(jīng)地質(zhì)災(zāi)害治理(施工周期：2017.09-2018.02)，建筑物沉降出現(xiàn)減緩趨勢，隨后進(jìn)行受損建筑物地基基礎(chǔ)加固(施工周期：2018.02-2018.05)，地基基礎(chǔ)加固完成后，建筑物沉降穩(wěn)定，沉降過程曲線見圖10。由此可見，本次地基基礎(chǔ)加固效果良好。

場地內(nèi)受損建筑物糾傾效果匯總 表6

圖10 建筑物沉降過程曲線

10 結(jié)論

對“8.8九寨溝地震”震后8棟山地建筑沉降傾斜原因進(jìn)行分析，提出了地基基礎(chǔ)加固設(shè)計方法，對傾斜建筑剪力墻進(jìn)行體內(nèi)開洞頂升，并采用一種簡易的單向抗側(cè)裝置抵抗頂升過程中的水平荷載，控制墻體水平錯位。主要結(jié)論如下：

(1)震后誘發(fā)滑坡，滑坡體影響附近建筑場地穩(wěn)定性，導(dǎo)致相鄰建筑物出現(xiàn)不同程度的沉降及傾斜；此類建筑物糾傾加固前應(yīng)先進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害治理，保證場地的整體穩(wěn)定性。

(2)工程地基基礎(chǔ)加固考慮不同工況作用。在正常使用過程中，考慮樁-土共同作用，按復(fù)合減沉疏樁基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計；在地震作用下，荷載由樁全部承擔(dān)，按樁基設(shè)計；同時應(yīng)考慮建筑物范圍內(nèi)的滑動面以上土體的自穩(wěn)定性，并考慮本地區(qū)設(shè)計基本地震加速度，進(jìn)行單樁水平承載力驗算。

(3)采用彈簧單元模擬支座約束，以豎向差異

沉降量和層頂水平側(cè)移為控制目標(biāo)，通過試算確定約束水平向和豎向等效剛度，進(jìn)而計算出各支座的頂升力。各支座計算頂升力約為初始軸力的0.72～1.25倍，大多數(shù)支座軸力變化并不顯著。實際頂升過程中，各支座軸力隨著回傾過程不斷變化，最終頂升力取原初始軸力的1.0～1.25倍。

(4)采用體內(nèi)頂升法對剪力墻進(jìn)行頂升，對不同施工階段的剪力墻受力情況進(jìn)行分析。結(jié)果表明，開洞階段剪力墻體受力較小，可不采取措施；頂升階段墻體頂升面局壓應(yīng)力較大，應(yīng)采取局部加強措施。

(5)采用單向抗側(cè)裝置抵抗水平荷載并限制墻體平面外錯位，措施簡單，施工方便，適用于此類糾傾加固。

本工程經(jīng)過合理設(shè)計，精細(xì)化施工，目前建筑物沉降處于穩(wěn)定狀態(tài)，傾斜率滿足規(guī)范要求。實踐證明，用本文方法進(jìn)行山地建筑物震后糾傾加固效果良好，安全可靠。