陳逸飛，魏煥衛(wèi)*，陳朝偉，劉建民

（1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟南250101；2.山東建和土木工程咨詢有限公司，山東濟南250101；3.青建集團股份公司，山東青島266011）

建筑物的微型樁加固和頂升糾偏設(shè)計方案

陳逸飛1，魏煥衛(wèi)1*，陳朝偉2，劉建民3

（1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟南250101；2.山東建和土木工程咨詢有限公司，山東濟南250101；3.青建集團股份公司，山東青島266011）

基礎(chǔ)的不均勻沉降將會影響建筑物結(jié)構(gòu)的安全性，對基礎(chǔ)進行加固糾偏是保證上部建筑結(jié)構(gòu)安全使用的重要途徑。文章針對某建筑物獨立基礎(chǔ)和墻下條形基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致建筑物發(fā)生傾斜的現(xiàn)象，通過對場地地層和建筑物結(jié)構(gòu)進行分析，闡述了基礎(chǔ)四周深厚填土堆載導(dǎo)致基底壓力增大是引起建筑物沉降的主要原因，基于變形控制的原則和場地條件的限制，提出利用頂升糾偏及微型樁托換加固的方法對該建筑物結(jié)構(gòu)進行加固糾偏，糾偏后該工程的傾斜率達到了規(guī)范要求。

基礎(chǔ)沉降；頂升糾偏；加固設(shè)計；微型樁托換

0　引言

既有建筑物在建設(shè)或使用過程中由于原來的地基承載力設(shè)計不足或后期基底壓力的增加，導(dǎo)致地基不均勻沉降［1］。當建筑物由于地基不均勻沉降引起建筑物傾斜，影響建筑物正常使用時，必須對該建筑物進行糾偏。如果全部拆除重建，經(jīng)濟損失和社會影響都是難以估量的，如山東某電廠120 m高的煙囪發(fā)生傾斜，全部拆除重建，經(jīng)濟損失和社會影響都是難以估量的［2］。糾傾往往花費巨大，如為了控制比薩斜塔的傾斜花費了2500萬美元［3］。因此，建（構(gòu)）筑物糾傾技術(shù)的研究具有重要的工程意義。常用的糾偏方法有迫降法和頂升法。迫降法會造成整體建筑物整體標高下沉，從而有可能會對建筑物的使用，或一些管線的正常使用造成影響，在這種情況下往往會采用頂升法。頂升法是在建筑物基礎(chǔ)沉降較大部位設(shè)置若干千斤頂，將傾斜一側(cè)整體頂升，用調(diào)整建筑物各部分的頂升量，使建筑物沿某一點或某一直線做整體平面轉(zhuǎn)動使恢復(fù)原位［4］。

目前國內(nèi)外許多學(xué)者對頂升糾偏法的設(shè)計和施工進行了試驗研究。劉麗萍等對預(yù)壓托換樁加固在升糾傾中的應(yīng)用進行了研究［5］；魏煥衛(wèi)等通過對實際工程的設(shè)計施工，得出頂升糾偏設(shè)計的關(guān)鍵在于對托換體系剛度的控制［6］；朱石葦?shù)韧ㄟ^對相鄰框架柱荷載相差懸殊的結(jié)構(gòu)分析，提出了異步頂升法如何在柱間差異敏感或剛性建筑中的應(yīng)用［7］。GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》、JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》、JGJ 123—2012《既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范》為建筑物的基礎(chǔ)的加固和糾偏提供了技術(shù)標準和原則［8-10］。文章將結(jié)合實際工程，來介紹頂升糾偏的設(shè)計和施工方法。

1　工程概況

糾偏建筑物位于中海國際社區(qū)，該建筑物地下一層，地上三層，建筑高度為9.700 m。主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土異性柱框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用柱下獨立基礎(chǔ)和墻下條形基礎(chǔ)。56#前后有效位置一致。56#別墅建成后出現(xiàn)較大沉降，其沉降相對標高示意圖，如圖1所示。

對建筑物4個角柱進行沉降觀測及分析，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中低于24 m的民用建筑物整體傾斜率不得超過0.4%的規(guī)定［8］。該建筑物整體傾斜超出規(guī)范安全要求，故需要對該建筑物進行糾偏。

表1　建筑物高差及整體傾斜率

圖1　相對標高示意圖/mm

據(jù)場地的巖土工程勘察報告，該場地范圍內(nèi)的土層自上而下依次是：（1）層雜填土 雜色、松散、稍濕，主要以建筑垃圾、碎石為主，多量粘性土，局部混少量生活垃圾層厚。（2）層素填土 淺棕黃、松散、稍濕，主要以粘性土為主，含少量石灰質(zhì)碎石及磚塊層厚。（3）層粉質(zhì)粘土 淺棕黃、硬塑、韌性及干強度中等層厚。（4）層含碎石粉質(zhì)粘土 棕黃色、硬塑、韌性及干強度中等含多量石灰?guī)r碎石，碎石呈次棱角狀層厚。地質(zhì)剖面圖如圖2所示，其中，N為標準貫入試驗錘擊數(shù)。

2　沉降原因分析

建筑物地基在外在荷載或特殊荷載作用下會發(fā)生沉降，當在不同位置發(fā)生的沉降不同，將會引起建筑物的傾斜［11］。導(dǎo)致建筑物不均勻沉降的原因有很多，主要可以分為荷載原因、施工原因和土層原因。根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)分析報告可知，該地區(qū)的濕陷性黃土和回填土對該建筑物的不均勻沉降有一定影響。

圖2　場地工程地質(zhì)剖面圖/m

2.1土層原因

場區(qū)黃土分布較連續(xù)。場地黃土自重濕陷系數(shù)δzs=0.002～0.014，濕陷系數(shù)δs=0.013～0.068（δs＜0.015不參與統(tǒng)計），濕陷起始壓力Psh=63～123 kPa，根據(jù)GB 50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》［12］相關(guān)規(guī)定，初步判定場地黃土為非自重濕陷性黃土，濕陷程度為中等。

根據(jù)GB 50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》中附錄C.0.2條公式［12］，由式（1）表示為

式中：R為新近堆積黃土；R0為晚更新世黃土；e為土的孔隙比；α為壓縮系數(shù)，MPa-1；ω為土的含水量；γ為土的重度，kN/m3。

根據(jù)式（1），計算得R=-153.54＞R0，該場區(qū)黃土屬新近堆積黃土。

利用式（2）計算黃土總濕陷量為

式中：δsi為第i層土的濕陷系數(shù)；hi為第i層土的厚度；β為修正系數(shù)，按基底下5 m深度內(nèi)取值1.5。

根據(jù)探井揭露，各探井黃土濕陷量計算見表2。

表2　黃土濕陷量計算一覽表

場區(qū)黃土為非自重濕陷性黃土，濕陷程度為濕陷性中等，黃土地基的濕陷等級為級（輕微）。

2.2填土原因

建筑物附近的大面積堆載將會對樁基的受力情況產(chǎn)生很大的影響。該建筑物柱下獨立基礎(chǔ)和墻下連續(xù)基礎(chǔ)四周回填土過厚，相當于基礎(chǔ)四周存在大面積堆載，會對該部位的基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響。當基礎(chǔ)四周堆載時，柱基會產(chǎn)生沉降。其值由式（3）［13］計算為

式中：S為因填土作用于基礎(chǔ)產(chǎn)生的沉降，mm；δz為填土底部自重應(yīng)力，kPa；γ為回填土重度，這里取18 kN/m3；h為回填土厚度，m；hi為基底下第i層土厚度，m。

由于填土的作用導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生的沉降，其沉降量計算見表3。

表3　基礎(chǔ)沉降一覽表/m

通過表2和3數(shù)據(jù)分析，回填土過厚是導(dǎo)致該建筑物沉降的主要原因。雖然現(xiàn)在該建筑物的最大沉降差為144 mm，但根據(jù)數(shù)據(jù)分析該建筑物有繼續(xù)沉降的可能性，故需對該建筑物進行加固糾偏處理。

3　微型樁托換加固及頂升糾偏設(shè)計方案

3.1微型樁托換加固方案的選擇

基于安全經(jīng)濟合理可行的原則，對沉降較大的部位進行糾偏。由于該建筑物導(dǎo)致沉降的主要原因是回填土太厚，所以糾偏前需要對基礎(chǔ)進行加固處理。

3.1.1注漿加固

注漿加固法是通過在基礎(chǔ)四周布置注漿管，向土體中強行注入水泥漿液，充填土體中的空隙或擠密土體，從而達到提高土體強度減小基礎(chǔ)沉降的目的。頂升糾偏施工前應(yīng)首先采用分層注漿法對基礎(chǔ)下的填土進行加固處理，并適當注意注漿加固施工過程中可能產(chǎn)生的附加沉降或者頂升量。注漿施工完成后方可進行頂升的施工。該工程在前期施工時采用了注漿加固的方法，注漿完成后，水泥漿沒有注入到建筑物的底部，而是注入到建筑物四周的管道，導(dǎo)致管道堵塞，達不到預(yù)期加固成果，故采用微型托換樁加固。

3.1.2微型托換樁加固

微型樁托換加固法是通過新增微型樁與原基礎(chǔ)將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到下部較硬土層，并且通過微型樁提供的端阻力與側(cè)摩擦阻力提高基礎(chǔ)的豎向承載力。原基礎(chǔ)采用二次壓漿微型樁進行對該建筑物地基基礎(chǔ)加固，首先對建筑物基礎(chǔ)進行托換加固處理，然后進行頂升糾偏施工。

原結(jié)構(gòu)為條形基礎(chǔ)和獨立基礎(chǔ)，其承臺面積較小，混凝土強度很難達到設(shè)計要求，并且不宜于施工，所以需要增大原有承臺面積。新增承臺設(shè)置雙層雙向鋼筋（如圖3（a）所示），穿透原結(jié)構(gòu)柱子或墻體的鋼筋采用植筋方式，新舊基礎(chǔ)之間采用植筋方式連接，孔徑為18 mm，內(nèi)灌喜利得膠。微型樁為豎直樁，其樁體結(jié)構(gòu)及承臺如圖3（b）所示。

初步設(shè)計單樁豎向承載力特征值和樁數(shù)可按經(jīng)驗公式（4）（5）進行估算為［14］

式中：kp、ks為微型樁樁側(cè)摩阻力及端阻力修正系數(shù)，這里取1.35；qs、qp按照GB 5007—2011《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［8］中灌注樁的參數(shù)取值，kPa；Gk為新增承臺及以上土自重標準，kN。

圖3　微型樁承臺示意圖及樁結(jié)構(gòu)圖/mm

新舊基礎(chǔ)之間采用植筋方式連接，需要對該部位進行強度驗算。此處鋼筋承擔(dān)豎向剪力，由式（6）進行強度計算為

式中：V1為上部結(jié)構(gòu)荷載；βsh為受剪承載力截面高度影響系數(shù)；β為沖切系數(shù)，fth為新增混凝土抗拉強度設(shè)計值，b0為截面尺寸，m；h0為計算處有效高度，m。

3.2糾偏方案的確定與設(shè)計

建筑物的糾偏包括頂升和迫降兩大類，其中迫降是通過掏土或降水的方法進行，使沉降較小一側(cè)的基礎(chǔ)下沉達到整個建筑物均勻沉降的目的，掏土糾偏之后需要對基礎(chǔ)進行加固處理；頂升則是通過千斤頂沉降較大一側(cè)基礎(chǔ)底部、新設(shè)頂升構(gòu)建使結(jié)構(gòu)主體抬升一定高度，或者通過注漿頂升的方式使結(jié)構(gòu)主體抬升一定高度，從而達到沉降均勻的目的。在根據(jù)周邊環(huán)境條件和地層條件，前期掏土糾偏過程中發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)下地基內(nèi)存在大量的石塊，影響了掏土糾偏的實施。故采用頂升的方法對該建筑物進行糾偏。

3.2.1頂升點的確定

由于該建筑物采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土異形柱框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用柱下獨立基礎(chǔ)和墻下條形基礎(chǔ)，同時設(shè)置了厚度250 mm的鋼筋混凝土底板，周邊剪力墻位置千斤頂采用掏洞的方式，頂升點位于剪力墻內(nèi)（如圖4（a）所示）；柱子位置千斤頂采用架設(shè)牛腿柱的方式，頂升點位于柱子兩側(cè)（如圖4（b）所示）。

圖4　頂升點位置圖/mm

3.2.2新增頂升梁

頂升糾偏的托換梁（柱）體系應(yīng)是一套封閉式的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系。由于該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用柱下獨立基礎(chǔ)和墻下條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)的不連續(xù)性導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)在頂升施工時不能夠同步頂升。頂升梁能夠約束框架柱間的變位及調(diào)整差異頂升量。在頂升之前，為了保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性以及頂升時結(jié)構(gòu)的同步頂升和穩(wěn)固，需對該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)增設(shè)頂升梁（如圖5所示）。首先通過穿透原地下室剪力墻植筋的方式新設(shè)頂升梁，植筋孔采用喜利得膠粘結(jié)，頂升梁與原剪力墻接觸部位，應(yīng)剔除原鋼筋保護層，并采用灌漿料澆注頂升梁。

頂升梁是關(guān)系到別墅頂升成功的關(guān)鍵，因此，必須保證其強度、剛度和整體性。新增頂升梁截面尺寸采用b×h=400 mm×400 mm。經(jīng)荷載統(tǒng)計和配筋計算，新增頂升梁采用雙筋布置。受拉筋為3Φ20，受壓筋為3Φ20，根據(jù)構(gòu)造要求并配置2Φ20腹筋。（如圖6所示）

3.2.3千斤頂?shù)牟贾?/p>

千斤頂設(shè)置的數(shù)量應(yīng)通過基礎(chǔ)頂面以上建筑物的荷載的計算確定。采用考慮恒載、屋面活荷載和水平風(fēng)荷載的組合進行上部結(jié)構(gòu)荷載計算，由式（7）。

圖5　新增頂升梁平面布置圖/mm

圖6　新增頂升梁（ZCL）配筋圖/mm

建筑物墻柱內(nèi)力可分為3種：最大軸力組合內(nèi)力（Nmax、M、V）、最大彎矩組合內(nèi)力（N、Mmax、V）、最大剪力組合內(nèi)力（N、M、Vmax）。該處采用最大軸力組合進行豎向荷載統(tǒng)計。

通過荷載統(tǒng)計的計算，在剪力墻和獨立柱下設(shè)置千斤頂。根據(jù)JGJ 123—2012《既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范》［9］中單片墻或單柱下頂升點數(shù)量的計算，可按式（8）估算為

式中：n為頂升點數(shù)；Q為相應(yīng)于作用的標準組合時，單片墻總荷載或單柱集中荷載，kN；Na為頂升支承點千斤頂?shù)墓ぷ骱奢d設(shè)計值，kN；可取千斤頂額定工作荷載的0.8；K為安全系數(shù)，可取2.0。

按本建筑結(jié)構(gòu)形式（框架—剪力墻），通過對基礎(chǔ)頂面以上建筑物的荷載統(tǒng)計，基于安全考慮，采用75 t的千斤頂進行布設(shè)。千斤頂?shù)捻斏扛鶕?jù)傾斜方向呈線性關(guān)系來計算確定，已實現(xiàn)建筑物的剛性轉(zhuǎn)體。通過公式（6）的計算，見表4。

表4　Z1、Z2處千斤頂布置數(shù)量

該建筑物千斤頂?shù)牟贾?，如圖7所示。

圖7　千斤頂平面布置圖/mm

對于位于原異形柱下的頂升千斤頂，應(yīng)把該位置頂升梁下至原基礎(chǔ)頂面直接的鋼筋混凝土剔除，剔除部位尺寸應(yīng)以保證頂升千斤頂?shù)陌卜藕晚斏m偏操作為準。頂升的千斤頂上、下應(yīng)設(shè)置應(yīng)力擴散的鋼墊塊，頂升過程應(yīng)均勻分布，且應(yīng)有不少于30%的千斤頂保持與頂升梁、墊塊、基礎(chǔ)梁兩成一體［9］。

3.2.4剪力墻內(nèi)千斤頂位置局部承載力驗算

由GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［15］對剪力墻進行局部受壓承載力驗算。配置間接鋼筋的混凝土構(gòu)件，其局部受壓區(qū)的截面尺寸應(yīng)符合式（9）要求為

式中：Fl為局部受壓面上作用的局部荷載或局部壓力設(shè)計值；fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；βc為混凝土強度影響系數(shù)，取1.0；βl為混凝土局部受壓時的強度提高系數(shù)；Al為混凝土局部受壓面積mm2；Aln為混凝土局部受壓凈面積為mm2；Ab為局部受壓的計算底面積mm2。

經(jīng)驗算局部受壓截面尺寸為

局部受壓區(qū)的截面尺寸符合規(guī)范。

3.2.5獨立柱牛腿承載力驗算

牛腿可按后置牛腿進行計算設(shè)計，經(jīng)計算配筋如圖8所示。由GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［15］對牛腿進行承載力驗算。當柱牛腿僅有豎向力Fvk作用時，柱牛腿的裂縫控制要求由式（10）計算為

式中：Fvk為作用于牛腿頂部按荷載效應(yīng)標準組合計算的豎向值；β為裂縫控制系數(shù)，取0.80；a為豎向的作用點至下柱邊緣的水平距離；b為柱牛腿寬度，一般與柱寬相同；h0為牛腿與下柱交接處的垂直截面有效度；as=35 mm。

頂升前，應(yīng)對頂升點進行承載力試驗，試驗荷載應(yīng)為設(shè)計荷載的1.5倍。

圖8　獨立柱位置牛腿結(jié)構(gòu)圖/mm

則Fvk取值為Fvk，max=1.5Nmax=610.7 kN

將Fvk帶入式（10）為

h0=580 mm；h=615 mm；取h=650 mm

牛腿局部受壓承載力計算由式（11）為

式中：A為局部受壓面積，A=a×b，此處a、b分別為墊板的長和寬。

帶入式（11）

故局部受壓承載力滿足設(shè)計要求。

3.2.6墻柱的連接

頂升達到設(shè)計高度后，應(yīng)立即在墻體交叉點和主要受力部位增設(shè)墊塊支承，并迅速對頂升后的縫隙采用灌漿料填筑密實，然后通過增加截面的方式進行結(jié)構(gòu)連接。千斤頂應(yīng)待結(jié)構(gòu)連接達到設(shè)計強度后，方可分批分期拆除。

新增結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用灌漿料澆筑，穿透原結(jié)構(gòu)柱子或墻體的鋼筋采用植筋方式，新舊基礎(chǔ)之間采用植筋方式連接，內(nèi)灌喜利得膠（如圖9所示）。新舊混凝土連接部位應(yīng)將墻柱表面疏松混凝土剔除，新舊混凝土結(jié)合面鑿毛，澆注灌漿料前，舊混凝土結(jié)合面沖洗干凈，刷界面劑一道。

圖9　柱連接圖/mm

4　結(jié)語

文章通過分析建筑物沉降的原因，對建筑物進行糾偏設(shè)計施工。建議對小尺寸建筑物地基進行注漿加固時，由于無法準確控制漿液的流向，注漿將很難達到效果。這時可采用二次壓漿微型樁，通過微型樁把上部荷載傳遞至深部土層，從而達到減沉的目的。當基礎(chǔ)下地基內(nèi)為建筑垃圾或有大塊碎石時，掏土糾偏很難達到糾偏效果。此時，采用頂升糾偏較為合適。該工程前期采用掏土糾偏，施工近一個月未能達到糾偏效果。而后改為頂升糾偏，結(jié)構(gòu)加固完成后，2 d即達到糾偏目的。頂升糾偏前必須對結(jié)構(gòu)進行整體加固，保證結(jié)構(gòu)的整體性，減少頂升過程中產(chǎn)生的次應(yīng)力，或其他安全隱患。

［1］ 魏煥衛(wèi)，李巖，孫劍平，等.微型樁在某儲煤倉基礎(chǔ)加固中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報，2011，33（2）：384-387.

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A building by micro pile reinforcement and jack lifting rectification design

Chen Yifei1，Wei Huanwei1*，Chen Chaowei2，et al.

（1.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Ji’nan 250101，China；2.Shandong Jianhe Civil Engineering Consulting Ltd.，Jinan 250101，China）

Foundation uneven settlement will affect the safety of the building structure，and reinforcement and rectification of foundation is an important way to ensure the safe use of the upper part of the building structure.Considering the phenomenon of building tilt by strip foundation under the wall of a building independent basis and differential settlement，through the analysis of the formation of the site and the building structure，the paper elaborates the main cause of building settlement is that the base pressure is increased due to the thick soil around the foundation.Based on the principles and limits deformation control site conditions，it puts forward the method of the building structure reinforcement correction by making use of jacking correction and micropiling underpinning. Tilt rate correction after the project was significantly reduced，in line with regulatory requirements，indicating that the design is safe and feasible.

foundation settlement；learning rectification by jack lifting；reinforcement design；micro pile underpinning

TU 443

A

1673-7644（2016）04-0390-07

2016-06-05

國家自然科學(xué)基金項目（41272281）；山東省自然科學(xué)基金項目（ZR2012EEM016）

陳逸飛（1991-），男，在讀碩士，主要從事地基基礎(chǔ)與基坑支護新技術(shù)方面的研究.E-mail：chenyifeicc@163.com

*：魏煥衛(wèi)（1974-），男，副教授，博士，主要從事巖土工程共同作用和變形控制等方面的研究.E-mail：13181718169@163.com