某高層住宅建筑糾偏加固設(shè)計(jì)分析

陳衛(wèi)東 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

1 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，工程建設(shè)總量和規(guī)模越來(lái)越大，因勘察、設(shè)計(jì)、施工、使用不當(dāng)或因改擴(kuò)建荷載變化、受鄰近新建工程和自然災(zāi)害影響等導(dǎo)致建筑物傾斜時(shí)有發(fā)生，恢復(fù)傾斜建筑的安全和正常使用功能需要應(yīng)用糾偏技術(shù)。糾偏工程復(fù)雜因素多、技術(shù)難度高、風(fēng)險(xiǎn)大，特別是高層建筑物基礎(chǔ)面積小、重心高，傾斜后產(chǎn)生的附加傾覆彎矩大，如果加固技術(shù)方案僅考慮地基補(bǔ)強(qiáng)而忽略糾偏防復(fù)傾設(shè)計(jì)，糾偏后建筑物可能再次發(fā)生傾斜。本文結(jié)合工程實(shí)例，主要介紹地基補(bǔ)強(qiáng)加固常用的錨桿靜壓樁法，以及如何進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)糾偏加固設(shè)計(jì)。

2 工程概況

本工程為地上18層的剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓，地下2層，其中地下1層北側(cè)與負(fù)一層大地庫(kù)相連，地下1層南側(cè)直通室外。主體結(jié)構(gòu)采用筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為第②層粉質(zhì)粘土，筏板基礎(chǔ)下方有貫穿南北的防空洞和局部換填（圖1）。該工程主體結(jié)構(gòu)于2018年4月封頂，2018年8月所在地區(qū)遭遇罕見(jiàn)暴雨，2018年9月起主體沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，隨即建設(shè)單位邀請(qǐng)相關(guān)單位對(duì)該棟樓地基進(jìn)行了注漿加固處理，經(jīng)注漿處理后建筑物仍處于接近規(guī)范界限值的傾斜變形狀態(tài)，2019年5月第三方測(cè)得上部結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)南向傾斜最大實(shí)測(cè)值達(dá)到H/311，近100日的最大沉降速率為0.11mm/d。總體沉降變形趨于收斂，但尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，需要二次處理。

圖1 地基換填區(qū)及防空洞位置示意圖

3 建筑傾斜原因分析

該工程主體結(jié)構(gòu)封頂后，南邊負(fù)二層外側(cè)回填尚未全部完成，遭遇罕見(jiàn)暴雨，排水不及時(shí)造成筏板基礎(chǔ)持力層進(jìn)水。筏板基礎(chǔ)下方有貫穿南北的防空洞和局部換填，又形成滲水通路，導(dǎo)致大面積地基土遭水浸泡，測(cè)得暴雨前后第②層地基土承載力相差較大（表1），地基土遇水軟化承載力不足是主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生異常沉降的主要原因。雨水主要從南側(cè)滲入，且北側(cè)有負(fù)一層地下室約束，南北不均勻沉降導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)向南傾斜。

各施工階段地基土物理參數(shù)表

暴雨過(guò)后，地基土內(nèi)外注漿加固雖然一定程度阻止了主體結(jié)構(gòu)加速沉降，但室內(nèi)鉆孔檢測(cè)結(jié)果表明，筏板下東、西兩端注漿層厚度較厚（130mm～350mm之間），中部注漿層厚度較?。?～200mm之間）；較厚部位注漿層上部形成顯著的水泥凈漿端，較薄部位注漿層多為水泥漿裹夾土體固結(jié)成塊。注漿層均勻性較差，導(dǎo)致不同位置處理后的地基土承載力與壓縮模量差別也較大（下表），局部地基承載力仍不滿足要求，雖然總體沉降變形趨于收斂，但尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，地基基礎(chǔ)仍然需要進(jìn)行二次加固處理。

4 糾偏加固方案

4.1 方案概述

雖然該工程沉降變形尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但總體沉降變形趨于收斂，且上部結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)傾斜最大實(shí)測(cè)值H/311仍在規(guī)范允許范圍內(nèi)，原則上二次加固處理主要考慮地基基礎(chǔ)止沉補(bǔ)強(qiáng)與防復(fù)傾加固設(shè)計(jì)為主；該工程精裝已經(jīng)完成，傾斜后樓層地坪南北高差約10mm，為不影響今后住戶使用，建設(shè)單位要求對(duì)該樓主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)糾偏，故二次加固處理需要同時(shí)考慮主體結(jié)構(gòu)糾偏設(shè)計(jì)?？紤]前期注漿加固處理過(guò)程中相鄰地庫(kù)底板已出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，且實(shí)測(cè)筏板下注漿層均勻性較差，故不再采用繼續(xù)注漿地基補(bǔ)強(qiáng)加固方案。該工程交房在即且傾斜量并不大，糾偏采用傳統(tǒng)的迫降法與抬升法勢(shì)必影響工期且風(fēng)險(xiǎn)較大，利用主體沉降變形尚未穩(wěn)定，糾偏方案可考慮對(duì)建筑物南側(cè)進(jìn)行止沉，北側(cè)讓其繼續(xù)下沉，以達(dá)到糾偏目的。

該工程二次加固方案最終采用在筏板上新增錨桿靜壓樁法進(jìn)行基礎(chǔ)加固，為提高靜壓樁穿越注漿層的能力和節(jié)省樁身預(yù)制時(shí)間，工程樁均采用Φ273×10開(kāi)口型樁尖的鋼管樁。施工時(shí)先壓南側(cè)樁并持壓封樁（圖2），形成向上反力進(jìn)行止沉糾偏，再壓北側(cè)樁。為節(jié)約糾偏工期滿足交房時(shí)間要求，北側(cè)樁需要提前封閉，封樁前采取樁頂預(yù)埋15mm厚軟質(zhì)泡沫墊作為預(yù)留沉降措施（圖3），以保證北側(cè)能繼續(xù)下沉而不影響糾偏，在滿足工期要求前提下以達(dá)到地基補(bǔ)強(qiáng)與主體糾傾目的。

圖2 南側(cè)樁持壓封樁節(jié)點(diǎn)圖

圖3 樁頂預(yù)留沉降措施節(jié)點(diǎn)圖

4.2 地基補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

本工程計(jì)算總豎向荷載240021kN（1.0恒 +1.0活），平均基底反力315kPa。按照補(bǔ)勘報(bào)告提供的地基承載力特征值fak=140kPa，復(fù)核計(jì)算fa=140+1.5 ×18 ×（4.1-0.5）=237kPa<315kPa，地基承載力不滿足要求。

地基補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)按樁承擔(dān)40%、地基土承擔(dān)60%原則進(jìn)行估算：Φ273×10鋼管靜壓樁設(shè)計(jì)單樁承載力特征值1000kN，共106根，樁基總承載力106000kN，可承擔(dān)荷載率44%>40%；修正后的地基土承載力特征值fa=237kPa，基礎(chǔ)面積 754m，地基土總承載力178698kN，可承擔(dān)荷載率75%>60%。復(fù)核新增靜壓樁量能夠滿足地基補(bǔ)強(qiáng)要求，再結(jié)合糾偏設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行合理布樁。

4.3 主體糾偏設(shè)計(jì)

在基礎(chǔ)沉降較大一側(cè)增設(shè)預(yù)封錨桿靜壓樁，此時(shí)基底土反力合力點(diǎn)移向基礎(chǔ)沉降較小一側(cè)，在主體結(jié)構(gòu)自重作用下，主體結(jié)構(gòu)就可能發(fā)生反傾。

圖4中基底土反力分布為錨桿靜壓樁施工前的狀態(tài)，圖5中的基底土反力分布為預(yù)封錨桿靜壓樁施工后基底反力重新分布的狀態(tài)。根據(jù)圖5，由力學(xué)平衡方程∑M=0得：

圖4 糾偏前主體受力狀態(tài)示意圖

圖5 糾偏后基礎(chǔ)受力狀態(tài)簡(jiǎn)圖

式中：

P-南側(cè)預(yù)封樁總持力；

χ-基地土反力重分布后的合力點(diǎn)距O點(diǎn)距離；

θ=0.1421度，H=61.95m，

e=0.074m

N=240021kN，L=2.275m，

B=9.141m，B=6.409m

N=240021×cos(0.1421)

=240020kN

N=240021×sin(0.1421)=595kN

M=Ne+NH/2

=240020×0.074+595×61.95/2

=36192kNm

N=N-Pcosθ≈240020-P

上述代入平衡方程式（1）可得χ：

（240020-P）χ+P ×（9.141+6.409-2.275）×cos（0.1421）

=240020×9.141+36192

→χ=

（2230215-13.275P）/（240020-P）

由圖5可以看出，χ值應(yīng)不超過(guò)B才能使基礎(chǔ)沉降小的一側(cè)土反力增大，從而使建筑物有反傾趨勢(shì)。將χ≤B代入上式可得：P≥8755kN。

本工程沿南側(cè)外墻邊均勻布置預(yù)封樁28根，計(jì)算預(yù)封樁單樁持力滿足P/28≥313kN即可，實(shí)際封樁力900kN可以滿足糾偏要求。

4.4 糾偏防傾覆設(shè)計(jì)

為防止反傾過(guò)大，需要在基礎(chǔ)沉降少的一側(cè)增設(shè)輔助錨桿靜壓樁，如圖6所示。其作用就是待建筑物反傾至目標(biāo)位置后，阻止主體結(jié)構(gòu)的繼續(xù)反傾，為保證輔助樁能及時(shí)封閉均在樁頂預(yù)留沉降措施（圖3）。輔助樁的數(shù)量宜使建筑物反傾至正常位置后的基底土反力均勻分布，基本保證房屋糾偏后的剩余沉降是均勻的。輔助樁合力定量計(jì)算的計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖7，由平衡方程∑M=0得：

圖6 糾偏前輔助樁狀態(tài)示意圖

圖7 糾偏后基底反力分布狀態(tài)簡(jiǎn)圖

式中：

P'-基礎(chǔ)北側(cè)輔助樁合力，輔助樁合力點(diǎn)距基礎(chǔ)邊緣距離L'=6.6m

M=Ne=240021×0.074=17762kNm

NS=N-P-P'

=240021-28×900-P'=214821-P'

代入平衡方程式（2）可得：

P'×6.6+（214821-P'）×9.141+28×900×（9.141+6.409-2.275）=240021×9.141+17762

→P'=34008kN，本工程基礎(chǔ)北側(cè)布置輔助樁37根，按設(shè)計(jì)單樁承載力1000kN，實(shí)際合力37000kN>34008kN，可以滿足防止向北反傾要求。

最后，將剩余41根錨桿靜壓樁按照均勻?qū)ΨQ(chēng)原則，結(jié)合地基基礎(chǔ)有限元計(jì)算分析情況，合理布置在基礎(chǔ)中部形心線附近，以保證糾偏完成后地基與基礎(chǔ)承載力均能滿足設(shè)計(jì)要求，最終完成所有錨桿靜壓樁布置（圖8）。

圖8 錨桿靜壓樁布置圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際工程，分析其傾斜原因，選擇采用錨桿靜壓樁法加固設(shè)計(jì)方案。結(jié)合地基補(bǔ)強(qiáng)加固要求，通過(guò)合理布樁、可靠措施以及計(jì)算分析進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)糾偏設(shè)計(jì)。糾偏技術(shù)方案既滿足了工期緊要求，又降低了糾偏過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)，直接降低了糾偏加固成本，可為類(lèi)似糾傾量較小的工程加固設(shè)計(jì)提供借鑒。