雙梁頂升法糾偏設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

(上海泓源建筑工程科技股份有限公司，上?！?01707)

建筑物常用的糾偏方法有沉降法、頂升法、綜合法，其中，沉降法又分為主動(dòng)迫沉法和被動(dòng)限沉法。采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ菇ㄖ锏膬A斜得到糾正，既保障了建筑物的安全正常使用，也是關(guān)系民生的一項(xiàng)重要建筑技術(shù)措施。

多年來，由于地基土性質(zhì)、建筑物荷載分布及其他外因，導(dǎo)致建筑物傾斜的事例屢見不鮮，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)建筑物的糾偏都進(jìn)行了較為深入的研究，建筑糾偏技術(shù)也取得了較快的發(fā)展和應(yīng)用。

本文擬以上海崇明島1號(hào)水閘工程為背景，對(duì)雙梁頂升法進(jìn)行設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用，為類似工程建筑物的糾偏提供一種可靠的全新的方法。

1　工程概況及地質(zhì)條件

1.1　工程概況

位于上海崇明島的1號(hào)水閘工程，長(zhǎng)9.8m，寬7.2m，框架結(jié)構(gòu)，梁板基礎(chǔ)，底梁高60cm，寬50cm，筏板厚40cm。該水閘發(fā)生由東向西傾斜，東西兩側(cè)高差達(dá)1.3m的情況。發(fā)生傾斜后，整體結(jié)構(gòu)良好，未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象。

1.2　地質(zhì)條件

經(jīng)查看原勘察資料，水閘下的主要土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1及表2。

表1　土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

表2　土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2　傾斜原因分析

調(diào)查原設(shè)計(jì)資料，水閘為天然地基，水閘外圍無隔水措施。此時(shí)，水閘上下游兩側(cè)的滲流路徑長(zhǎng)度為水閘寬度7.2m，根據(jù)滲流理論公式(1)和(2)：

(1)

(2)

式中i——水力梯度；

Δh——上下游水頭差,m；

l——滲流路徑長(zhǎng)度,m；

icr——臨界水力梯度；

γ′——地基土的有效重度,kN/m3；

γw——水的重度,kN/m3。

當(dāng)實(shí)際水力梯度大于臨界水力梯度，且地基土的組成符合流土的形成條件時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生流沙、管涌等現(xiàn)象。該水閘底部為砂質(zhì)粉土，勘察資料顯示其顆粒組成具備產(chǎn)生流土的條件，在上下游形成的水力梯度大于臨界水力梯度時(shí)，產(chǎn)生流沙、管涌，水閘底部地基土被不斷帶走，從而使水閘底部地基土被局部掏空，水閘在自重作用下產(chǎn)生傾斜。

3　糾偏方法選擇

根據(jù)原設(shè)計(jì)資料，水閘翼墻頂標(biāo)高為4.36m，最大防洪高程為3.86m，水閘底層頂面標(biāo)高與翼墻標(biāo)高相同，若采用沉降法進(jìn)行水閘糾偏，則糾偏后水閘閘門處頂面標(biāo)高不能滿足防洪需求。因而，決定采用頂升法對(duì)水閘進(jìn)行糾偏處理。

4　糾偏設(shè)計(jì)

4.1　頂升裝置設(shè)計(jì)

水閘總重量為2800kN，由于頂升時(shí)水閘一側(cè)位于地面，另一側(cè)位于頂升用的底梁上，所以頂升裝置所承受的重量按0.6倍考慮，則頂升重量按1680kN考慮。

頂升裝置由4個(gè)千斤頂(每個(gè)頂升能力為200t，兩兩交替頂升)、上梁、下梁、連接梁帽、連接鋼板及連接鋼筋組成，鋼筋采用Φ32螺紋鋼筋，每根焊接后的極限抗拉力為50t，安全系數(shù)取2，則每根鋼筋的抗拉力設(shè)計(jì)值為25t，鋼梁每端焊接10根鋼筋。具體裝置設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　頂升裝置

4.2　頂升用地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

②3層灰色砂質(zhì)粉土的地基土承載力特征值為105kPa，水閘總重量為2800kN，由于頂升時(shí)水閘的一側(cè)位于地面、另一側(cè)位于頂升用的底梁上，所以地基所承受的重量按0.6倍考慮，則頂升重量按1680kN考慮。由于梁兩端受力，故每側(cè)地基土所承擔(dān)的反力為840kN，地基土所提供的反力按荷載的1.5倍考慮，則每側(cè)地基土需確保能夠提供1260kN的反力。

軸心受壓時(shí)，確定基礎(chǔ)面積的計(jì)算公式見式(3)：

(3)

式中A——基礎(chǔ)面積,m2；

pk——相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面處的平均壓力,kN；

fa——經(jīng)深度和寬度修正后的地基承載力特征值,kPa。

地基承載力特征值修正公式見式(4)：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)

(4)

式中fak——地基承載力特征值,kPa；

ηb——基礎(chǔ)寬度的地基承載力修正系數(shù)；

ηd——基礎(chǔ)埋置深度的地基承載力修正系數(shù),m；

γ——基礎(chǔ)底面以下土的重度,kN/m3；

b——基礎(chǔ)底面寬度,m，當(dāng)基礎(chǔ)底面寬度小于3m時(shí)按3m取值，大于6m時(shí)按6m取值；

γm——基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度,kN/m3，位于地下水位以下的土層取有效重度；

d——基礎(chǔ)埋置深度，m。

以原有水閘基礎(chǔ)底面為基準(zhǔn)面，水閘沉降差為1.3m，千斤頂高度為0.5m，上下鋼梁的凈距為0.6cm，頂升用基礎(chǔ)底板及其上的鋼墊板總厚度為0.5m，由此計(jì)算頂升用基礎(chǔ)底面埋深為1.7m。受場(chǎng)地范圍的影響，設(shè)定頂升用基礎(chǔ)寬度小于3.0m，由于頂升用基礎(chǔ)上無覆土，所以地基土承載力不進(jìn)行深度修正，因此，fa=fak=105kPa。

若對(duì)提供反力的地基不加固，則所需承擔(dān)反力的基礎(chǔ)面積：

A=1260/105=12m2

若采用高壓旋噴樁對(duì)擬放置千斤頂位置一定范圍內(nèi)的地基土進(jìn)行加固，根據(jù)上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)旋噴樁加固后的②3層灰色砂質(zhì)粉土復(fù)合地基承載力特征值可達(dá)210kPa，則需承擔(dān)反力的基礎(chǔ)面積：

A=1260/210=6.0m2

由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工操作面較小，所以采用旋噴樁對(duì)擬提供反力的基礎(chǔ)范圍進(jìn)行加固，加固范圍以擬放置千斤頂?shù)奈恢脼橹行乃闹芨骷庸?.25m，即加固尺寸為2.5m×2.5m。在此加固地基上澆筑厚度30cm的鋼筋混凝土基礎(chǔ)。

4.3　頂升鋼梁設(shè)計(jì)

該次頂升糾偏工作采用雙梁頂升方法，首先將長(zhǎng)度8.0m的梁從水閘基礎(chǔ)下面橫穿而過，后將長(zhǎng)度為9.0m的上梁從基礎(chǔ)底板上面橫穿而過，梁的高度均為56cm，梁的寬度均為35cm，由工字鋼及厚度為3cm的鋼板加工而成，梁的腿寬166mm、腹寬14.5mm，下梁受均布荷載作用，上梁受集中荷載作用。

上下梁的強(qiáng)度等相關(guān)計(jì)算公式及計(jì)算結(jié)果如下所示。

①下梁抗彎強(qiáng)度：

驗(yàn)算公式：

(5)

彎矩公式：

(6)

My=0

(7)

慣性矩：

(8)

凈截面模量：

(9)

式中Mx、My——同一截面處繞x軸和y軸的彎矩,kN·m；

γx、γy——截面塑性發(fā)展系數(shù)；

Wnx、Wny——對(duì)x軸和y軸的凈截面模量,cm3；

f——鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N；

q——梁上均布荷載,N/m2；

l——梁的長(zhǎng)度,m；

Ix——截面繞x軸的慣性矩,cm4；

B——梁的寬度,m；

H——梁的高度,m；

b——梁的腿寬,m；

h——梁腹板高度,m；

y——梁截面計(jì)算點(diǎn)至截面x軸的高度,m。

下梁相關(guān)計(jì)算結(jié)果見表3。

表3　下梁抗彎強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

下梁抗彎強(qiáng)度滿足要求。

②上梁抗彎強(qiáng)度：

驗(yàn)算公式：

(10)

彎矩公式：

Mx=Fa

(11)

My=0

(12)

式中F——梁一端所受的集中荷載；

a——梁支點(diǎn)至集中荷載作用點(diǎn)的距離。

上梁相關(guān)計(jì)算結(jié)果見表4。

表4　上梁抗彎強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

上梁抗彎強(qiáng)度滿足要求。

③梁抗剪強(qiáng)度：

驗(yàn)算公式：

(13)

剪力：

(14)

面積矩：

(15)

式中τ——梁所受到的抗剪強(qiáng)度,kPa；

V——計(jì)算截面沿腹板平面作用的剪力,kN；

S——計(jì)算剪力處以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩,cm3；

I——毛截面慣性矩,cm4；

tw——腹板厚度,cm；

fv——鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2。

上下鋼梁的抗剪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表5。

表5　抗剪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

梁的抗剪強(qiáng)度滿足要求。

5　加固及隔水設(shè)計(jì)

5.1　水閘地基基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)

頂升后，水閘底部留下較大的空隙，另外原有地基土受到極大的擾動(dòng)，為保證水閘今后使用的安全性，設(shè)計(jì)擬采用錨桿靜壓樁作為水閘的樁基礎(chǔ)，并將水閘底部空隙采用C30混凝土予以灌注充填密實(shí)。錨桿靜壓樁的具體設(shè)計(jì)如下。

根據(jù)原有勘察報(bào)告的地層特性、物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、埋藏分布特征結(jié)合上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，該工程水閘基礎(chǔ)下土層樁周土極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值fs及樁端極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值fp的見取值表6。

擬采用預(yù)制方樁，邊長(zhǎng)為250mm，6節(jié)樁，每節(jié)2m(水閘內(nèi)凈高3.1m)，共6節(jié)，單樁長(zhǎng)度12.0m。

表6　樁周土極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值 fs及樁端土極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值 fp

單樁承載力計(jì)算公式見式(16)～式(19)。

樁端極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值：

RPK=fpAp

(16)

樁側(cè)總極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值：

Rsk=Up∑fsili

(17)

端阻比：

(18)

單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值：

(19)

用樁數(shù)量計(jì)算公式見式(20)。

(20)

式中RPK——樁端極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

fp——樁端土極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

Ap——樁端全斷面面積；

Rsk——樁側(cè)總極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

Up——樁全斷面周長(zhǎng)；

fsi——樁周第i層土的極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

li——樁周第i層土的厚度；

ρp——端阻比，樁端極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值與樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值的比值；

Rd——單樁承載力設(shè)計(jì)值；

Ys——樁側(cè)阻力分項(xiàng)系數(shù)；

Yp——樁端阻力分項(xiàng)系數(shù)；

n——樁數(shù)；

N——相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合作用于基礎(chǔ)底面總荷載。

單樁承載力及樁數(shù)計(jì)算結(jié)果見表7。

表7　單樁承載力計(jì)算結(jié)果

錨桿靜壓樁沿著基礎(chǔ)底板均勻?qū)ΨQ布置。

5.2　隔水設(shè)計(jì)

為防止由于水力梯度過大而導(dǎo)致水閘基礎(chǔ)底部及周圍地基土流失，在水閘基礎(chǔ)外圍距離水閘基礎(chǔ)邊緣1.5m的位置設(shè)置封閉止水帷幕，止水帷幕采用高壓旋噴樁，樁徑600mm，間距400mm，搭接200mm。在泵閘東西兩側(cè)現(xiàn)狀地坪上施工的止水帷幕，樁長(zhǎng)約12.5m，樁底進(jìn)入第③層相對(duì)隔水層不少于0.5m；在泵閘南北兩側(cè)臨河面施工的止水帷幕，樁長(zhǎng)約10m，樁底需進(jìn)入第③層相對(duì)隔水層不少于0.5m。高壓旋噴樁采用三重管旋噴工藝，水泥摻入量不小于500kg/m3，水泥漿水灰比約1.0，噴射提升速度不大于10cm/min，樁位偏差小于50mm，成樁垂直度偏差小于1%。

在止水帷幕與水閘基礎(chǔ)邊緣的空隙內(nèi)，采用壓密注漿對(duì)基礎(chǔ)標(biāo)高下5.0m深度范圍內(nèi)的地基土進(jìn)行加固處理，壓密注漿采用純水泥漿，水灰比為0.6。

6　糾偏加固施工

該工程糾偏加固施工總流程如圖2所示。按照設(shè)計(jì)要求及施工流程圖進(jìn)行施工，圓滿完成了水閘糾偏加固工程，并恢復(fù)了水閘原有使用功能，提高了水閘安全使用性能。

圖2　施工總流程

7　結(jié)　語

a.雙梁頂升法糾偏的設(shè)計(jì)研究從地質(zhì)工程、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多個(gè)角度出發(fā)，成功地使水閘工程恢復(fù)了其安全使用功能。

b.雙梁頂升法糾偏的設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用為類似工程糾偏加固提供了新思路，具有一定的創(chuàng)新意義，為類似工程建筑物的糾偏找到了一種安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的方法，具有一定的應(yīng)用前景。

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