斷墻頂升法糾傾加固工程實(shí)例分析★

戴占彪 周健男 尚燕民 趙曉玉

(河北建研科技有限公司，河北 石家莊 050021)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，建筑結(jié)構(gòu)由于勘察、設(shè)計(jì)、施工或使用不當(dāng)?shù)仍蚴沟鼗a(chǎn)生了不均勻沉降，導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)開裂、傾斜等危害，使用功能受到嚴(yán)重威脅，甚至危及建筑物的穩(wěn)定性，造成生命財(cái)產(chǎn)損失[1]。對(duì)于大多數(shù)出現(xiàn)傾斜但仍具有使用價(jià)值的建筑物而言，采取一定的糾偏加固改造措施不僅可恢復(fù)其使用功能，延長(zhǎng)其使用壽命，還能減少巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

實(shí)際工程中，糾傾方案的確定需將建筑物傾斜的原因、上部結(jié)構(gòu)類型、下部基礎(chǔ)形式以及周圍環(huán)境等因素考慮在內(nèi)。目前，對(duì)既有建筑的糾偏方法大致可分為迫降糾偏法和頂升糾偏法[2]。巖土工程專家劉祖德教授[3]發(fā)明的“地基應(yīng)力接觸法”為糾偏高層建筑提供了理論依據(jù)。此后，建筑糾傾技術(shù)得到迅猛發(fā)展，頂升糾偏法、浸水糾傾法、斜孔取土糾傾法等眾多糾傾加固方法[4-10]被廣泛應(yīng)用于工程中，如李科技等[11]針對(duì)高層建筑、裙樓一體結(jié)構(gòu)提出了“樁基加固，基底陶土和錨索加壓”的組合糾傾加固措施。本文以張家口某6層砌體結(jié)構(gòu)糾偏加固工程為背景，該建筑基礎(chǔ)形式為墻下條形基礎(chǔ)，由于地基不均勻沉降，其上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了嚴(yán)重傾斜，選定斷墻頂升法對(duì)該建筑物進(jìn)行糾偏加固，經(jīng)分析，該方案具有可行性，并取得了良好的工程效果。

1 工程概況

河北省張家口市某住宅樓建于2010年，為地上6層，地下1層的砌體結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為墻下條形基礎(chǔ)。住宅樓總長(zhǎng)62.65 m，建筑面積約為5 859.7 m2，自西向東分為4個(gè)單元，在2單元與3單元中間設(shè)有變形縫，建筑平面圖見圖1。

該住宅樓在投入使用4年后，北側(cè)地面出現(xiàn)沉降，墻體出現(xiàn)開裂，樓梯變形縫處出現(xiàn)傾斜。第一單元～第四單元戶內(nèi)墻體存在不同程度的斜向裂縫，衛(wèi)生間排水系統(tǒng)被破壞，導(dǎo)致客廳陽(yáng)臺(tái)浸水。經(jīng)河北省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心鑒定，該建筑是由于地基不均勻變形導(dǎo)致了主體結(jié)構(gòu)傾斜及裂縫。四個(gè)單元中1單元、2單元沉降較為嚴(yán)重，沉降最大處可達(dá)320 mm，局部最大傾斜率達(dá)12.75‰，超過了《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中規(guī)定的4‰，因此必須對(duì)該樓進(jìn)行糾傾加固，以滿足相關(guān)規(guī)范及正常使用要求，沉降檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 沉降檢測(cè)結(jié)果

2 糾傾處理方案

出于對(duì)該建筑物自身情況和地基特點(diǎn)的考慮，若在傾斜反側(cè)采用深層掏土法，如地基應(yīng)力解除法、水平放射孔掏土法等較難達(dá)到預(yù)期效果。綜合考慮，確定采取斷墻頂升法對(duì)該建筑進(jìn)行糾傾加固。具體的實(shí)施方案如下：

1)考慮場(chǎng)地的特殊性，地基土中摻有大量碎石，若采用錨桿靜壓樁對(duì)其進(jìn)行加固，難以將樁壓入指定土層，故采用人工成孔的方法對(duì)原有條形基礎(chǔ)進(jìn)行止傾加固；

2)將東西兩側(cè)以變形縫為界進(jìn)行劃分，托換梁與承臺(tái)之間將砌體墻斷開，樁基礎(chǔ)作為反力支座，托換梁支撐上部托換體系，分別對(duì)東西兩側(cè)進(jìn)行頂升糾傾，直至建筑物傾斜量滿足規(guī)范要求。

3 糾偏加固施工

頂升糾傾加固工程，主要分為三個(gè)階段：頂升前期準(zhǔn)備工作、正式頂升作業(yè)、后期建筑物恢復(fù)。具體施工流程如下：

拆除地下室所有隔墻→托換體系施工→PLC同步頂升系統(tǒng)安裝、調(diào)試→3單元、4單元頂升糾傾→鋼墊塊置換千斤頂→1單元、2單元頂升糾傾→鋼墊塊置換千斤頂→建筑物恢復(fù)。

3.1 托換體系施工

前期頂升準(zhǔn)備工作占據(jù)了施工周期大部分時(shí)間，準(zhǔn)備工作是否到位直接關(guān)系到最終頂升成功與否，其中最為重要的是托換體系的施工。

1)托換樁施工。

托換樁為人工挖孔灌注樁，截面形狀有直徑為1 m的圓形樁和長(zhǎng)徑1.3 m、短徑1 m的橢圓形樁兩種，共設(shè)置76根托換樁，其中東西兩側(cè)分別設(shè)置36根圓形樁，在變形縫處設(shè)置4根橢圓形樁，樁位布置詳圖見圖1。

室內(nèi)室外同時(shí)開挖導(dǎo)坑，人工挖孔至設(shè)計(jì)深度，下放鋼筋籠，采用C30免振混凝土成樁。為避免建筑物產(chǎn)生二次沉降，樁孔開挖采用間隔交叉開挖。

2)托換梁施工。

在樁承臺(tái)上部高于千斤頂100 mm處設(shè)置托換梁，為保證托換梁與既有墻體的有效連接，在二者之間設(shè)置鋼筋混凝土銷鍵，銷鍵的設(shè)置間隔為1 m，頂升示意圖如圖2所示。

托換過程中嚴(yán)格按圖紙及規(guī)范要求在原墻體彈線，控制剔鑿深度，嚴(yán)禁超尺寸剔鑿，如圖3所示?？v橫墻節(jié)點(diǎn)部位托換時(shí)，應(yīng)注意陰陽(yáng)角的鋼筋預(yù)留。同時(shí)，銷鍵部位和節(jié)點(diǎn)部位應(yīng)把混凝土接觸面鑿毛，用細(xì)毛刷刷去表層油污、磚屑，澆筑托換梁時(shí)，刷界面劑或水泥漿以使接觸面充分接觸。

3.2 頂升糾傾施工

與以往的口哨式人工協(xié)同操作相比，本次頂升作業(yè)所采用的PLC液壓同步頂升系統(tǒng)，不僅省時(shí)、省力，還能提高精準(zhǔn)度，控制精度可達(dá)0.01 mm，施工精度約為0.1 mm。PLC液壓同步頂升系統(tǒng)，采用變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，依靠調(diào)節(jié)供電的頻率，來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，使油泵的流量連續(xù)可調(diào)，再配以先進(jìn)的電控裝置和高精度的位移、壓力檢測(cè)系統(tǒng)，精確控制千斤頂?shù)纳邓?，可?shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步升降，如圖4所示。

頂升作業(yè)前按設(shè)計(jì)要求將千斤頂、鋼墊塊、鋼板等放置到位。在千斤頂上部和底部分別設(shè)置鋼墊板，并初步施加壓力保證千斤頂與托換梁、承臺(tái)緊密接觸。油泵通過油管、分油閥與千斤頂連接，油泵最大輸出油壓60 MPa，千斤頂最大頂升力2 000 kN、一次最大頂升量30 cm。

千斤頂數(shù)量按下式進(jìn)行估算[4]：

(1)

其中，n為頂升點(diǎn)數(shù)量；Q為建筑物總荷載設(shè)計(jì)值；N為頂升支撐點(diǎn)的荷載設(shè)計(jì)值，可取0.8倍的千斤頂額定工作荷載；K為安全系數(shù)，一般取1.5。

本次頂升采用的千斤頂額定工作荷載為2 000 kN，由式(1)可以得出頂升荷載小于1 066 kN時(shí)需用一個(gè)千斤頂，頂升荷載在1 066 kN～2 132 kN之間時(shí)需兩個(gè)千斤頂。根據(jù)式(2)可求得各部位頂升量，邊角位置頂升值見圖1。

建筑物頂升量按下式進(jìn)行估算[4]：

Siv=Siv1+Siv2+a

(2)

其中，Siv為建筑某部位頂升量；Siv1為建筑不均勻沉降調(diào)整值；Siv2為根據(jù)使用功能需要的整體調(diào)整值；a為預(yù)留沉降值。

以變形縫為界，建筑物1單元、2單元沉降大，3單元、4單元沉降小，故頂升分兩次進(jìn)行，先頂升3單元、4單元，再頂升1單元、2單元。由式(1)求得1單元、2單元千斤頂共需80個(gè)，3單元、4單元共需66個(gè)。

正式頂升前要進(jìn)行一次試頂升，按理論頂升力的15%～20%進(jìn)行試頂升，同時(shí)全面檢驗(yàn)各項(xiàng)工作是否完備，如水電管線等配套設(shè)備與頂升體是否分離妥當(dāng)，頂升設(shè)備是否正常工作，包括系統(tǒng)通訊、進(jìn)油管出油管順序、千斤頂油管是否漏油等。

正式頂升糾傾由3單元變形縫處頂升量作為主控，分三次進(jìn)行，即：結(jié)構(gòu)稱重、頂升86 mm和局部調(diào)整。頂升過程遵循以壓力控制為主，位移控制為輔的原則，結(jié)合高精度的位移、壓力檢測(cè)系統(tǒng)，調(diào)整分區(qū)頂升壓力值實(shí)現(xiàn)分區(qū)位移計(jì)數(shù)值的逐步增加，然后根據(jù)位移計(jì)數(shù)值增長(zhǎng)速率實(shí)時(shí)調(diào)整分區(qū)值壓力，精確控制千斤頂，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)線性同步頂升。

3單元、4單元頂升完成后，將千斤頂移至1單元、2單元，1單元、2單元頂升區(qū)域同樣分為10個(gè)，由西北角作為主控。由于北側(cè)較南側(cè)沉降較多和西北角頂升量347 mm超出了千斤頂?shù)捻斏秶?，故頂升?次進(jìn)行，即：結(jié)構(gòu)稱重、由北向南頂升37 mm、由東向西頂升100 mm、千斤頂回油置換墊塊、由東向西頂升200 mm、局部調(diào)整。

測(cè)量人員測(cè)出建筑的傾斜率和沉降量，若未頂升到位，仍可局部微調(diào)頂升。頂升到位后操作人員通過電腦發(fā)出收缸命令，千斤頂回缸，由鋼墊塊支撐上部結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

施工期間，嚴(yán)格按照《檢測(cè)測(cè)量技術(shù)要求》對(duì)建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)測(cè)量，緊密觀測(cè)裂縫的發(fā)展情況，根據(jù)綜合監(jiān)測(cè)結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整頂升施工。

4 有限元數(shù)值分析

為進(jìn)一步了解頂升過程中托換梁和底部墻體的受力情況，采用有限元軟件對(duì)工程進(jìn)行數(shù)值模擬，模型尺寸見圖6。為保證模擬的精準(zhǔn)度，采取“1/2l0+1 m”(l0=3 m)的方式，將模型向外延伸。

圖7為頂升10 mm時(shí)各部位的位移云圖，其中，千斤頂布置于圖中黑色區(qū)域，頂升位移為10 mm，自加載面向中部逐漸降至9.91 mm。頂升加載面帶動(dòng)建筑物其他部位一并上升，但隨加載面與各部位間距離的增大，被頂升位移略有減少。

此時(shí)模型的第一主應(yīng)力如圖8所示，黑色與深灰色區(qū)域表示第一主應(yīng)力為正值，即拉應(yīng)力區(qū)域，其他顏色數(shù)值為負(fù)，即三維受壓區(qū)域。頂升過程中最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在托換梁底中部，并由托換梁向上逐漸變小，最終發(fā)展至墻體靠近加載面小部分區(qū)域消失，墻體其他部位呈三維受壓。

對(duì)比托換梁頂升前后第一主應(yīng)力，這個(gè)現(xiàn)象更加明顯，如圖9所示。頂升前，托換梁除了與墻體邊緣接觸區(qū)域有很小的拉應(yīng)力外，其他地方基本上呈三維受壓，壓應(yīng)力自梁頂至梁底均勻擴(kuò)散。頂升中，梁中下部受拉，梁中上部受壓，梁端加載面附近受壓。

本工程托換梁處于同一平面呈閉合形式，數(shù)值模擬分析可知托換梁可以起到新的基礎(chǔ)作用，可有效地?cái)U(kuò)散頂升荷載和建筑物荷載，保證頂升安全平穩(wěn)進(jìn)行。

5 結(jié)論與建議

根據(jù)建筑物自身情況及地基的特點(diǎn)，采用斷墻頂升法對(duì)建筑物進(jìn)行糾傾加固處理，經(jīng)基礎(chǔ)托換加固及同步頂升糾傾施工后，建筑物整體傾斜率得到明顯改善，傾斜度由12.75‰減小至0.7‰，已滿足規(guī)范和使用方面的要求，取得了良好的工程效果，可為同類工程提供參考。

1)根據(jù)建筑物自身的情況和地基的特點(diǎn)，提出采用人工挖孔灌注樁進(jìn)行建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行托換，不僅有效地阻止了建筑物的繼續(xù)沉降，而且提高了建筑地基承載力。

2)采用先進(jìn)的PLC液壓同步頂升系統(tǒng)，既省時(shí)、省力，還可提高頂升的精準(zhǔn)度，該系統(tǒng)可精確控制各區(qū)域千斤頂?shù)纳担瑢?shí)現(xiàn)多點(diǎn)線性同步頂升，達(dá)到糾傾目標(biāo)。

3)應(yīng)用有限元軟件對(duì)托換梁和下部墻體在頂升過程中的應(yīng)力分布進(jìn)行模擬分析，得出托換梁可有效擴(kuò)散頂升荷載，保證頂升作業(yè)安全平穩(wěn)進(jìn)行。