某高层住宅楼倾斜原因及纠倾加固技术研究_程晓伟

第34卷第4期岩土工程学报Vol.34No.42012年.4月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringApr.2012某高层住宅楼倾斜原因及纠倾加固技术研究程晓伟，王桢，张小兵（中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州730000）摘要：在正确分析一30层高住宅楼倾斜原因的基础上，对该楼纠倾加固工程采取的纠倾加固措施以及控制技术进行了针对性的研究。为确保该倾斜建筑物安全、平稳、线性的回归，本工程通过首次采用“基底掏土为主，锚索加压为辅”的组合纠倾方法，对应力控制、锚索加压调控及变形控制等多重纠倾控制技术进行深入的研究，而后制定科学合理的施工工序，最终保证了该高层建筑物纠倾加固工程的成功实施，大楼倾斜率由纠倾前的2.66‰回归到0.87‰，满足了国家相关规范及正常实用要求，本工程在纠倾高度（97m）及层数（30层）方面，刷新了国内高层建筑物纠倾纪录，填补了在强风化泥岩、复杂地基、深埋基础中实施双向纠倾的空白，对高层建筑物的纠倾具有很高的借鉴价值。关键词：高层建筑；纠倾加固；控制技术中图分类号：TU475文献标识码：A文章编号：1000–4548(2012)04–0756–06作者简介：程晓伟(1982–)，男，河南夏邑人，硕士，工程师，主要从事建（构）筑物病害治理，高边坡及滑坡病害治理等方面的研究及设计和施工。E-mail:[e-mail]。Causesofinclinationofahigh-riseresidentialbuildingandrelevantinclination-rectifyingandreinforcementtechnologyCHENGXiao-wei,WANGZhen,ZHANGXiao-bing(NorthwestResearchInstituteCo.,Ltd.ofChinaRailwayEngineeringCorporation,Lanzhou730000,China)Abstract:Basedontheinclination-rectifyingandreinforcementofathirty-storeyresidentialbuilding,therelevantinclination-rectifyingmeasuresandcontroltechnologyareintroducedafteranalyzingthecausesofitsinclination.Inordertoensurethesafety,stabilityandlinearstructureofinclinedbuilding,thisprojectfirstadoptsthecombinedinclination-rectifyingreinforcementmeansof“majorsoil-diggingandminoranchor-pressuring”,andbringsforwardmanycontroltechnologiessuchasstresscontrol,fine-tuningbyanchor-pressuringanddeformationcontrolandsoon,andthusscientificandreasonableconstructionproceduresarepreparedsoastoguaranteesuccessfulimplementationofinclination-rectifyingandreinforcementofthehigh-risebuilding.Theinclinationrateofthebuildingreturnsto0.89‰from2.61‰,meetingthenationalrelatedstandardsandpracticalrequirements.Thisprojecthascreatedanewnationalrecordofinclination-rectifyingbuildingsinthebuildingheight(97m)andthenumberofbuildingfloor(30floors),andfillsinthegapfortheimplementationofinclination-rectifyingofhigh-risebuildingslocatedontheweatheredmudstone,complexfoundationanddeepfoundation.Itwillbeusefulforrectifyinginclinedhigh-risebuildings.Keywords:high-risebuilding;inclination-rectifyingandreinforcement;controltechnology0引言建筑物纠倾加固是一项起步晚、难度大、综合性强的工程技术。目前，此类技术主要以土力学理论和工程经验为指导，借鉴某些成熟的设计施工技术为来指导工程实践，至今尚未形成系统的理论和设计施工技术体系，因此一直以来该项工程技术的施工风险很高，特别是在高层建筑物的纠倾加固中。本文以成功实施的青海师范大学3号住宅楼纠倾加固工程为实例，在高层建筑物纠倾加固方法、纠倾控制技术及防复倾加固方面进行了针对性的研究，以指导实践，对类似工程具有很好的借鉴价值。1工程概况青海师范大学3号住宅楼为框架剪力墙结构，地上30层，地下1层，建筑高度97m，建筑面积15896m2，采用梁板式筏形基础，埋深-8.2m，筏板东西向长41.0m，南北向最大宽度19.8m。该楼所在场地位于西宁市湟水河南岸二级阶地，───────基金项目：中铁西北科学研究院有限公司自选课题项目收稿日期：2011–03–16第4期程晓伟，等.某高层住宅楼倾斜原因及纠倾加固技术研究757场地平坦，地貌单一，在其北侧30m远处为一东西向陡坎，落差6m，其下为湟水河一级阶地，明都大厦位于该阶地上。场地位置见图1。图13号楼地理位置图Fig.1GeographicpositionofBiuldingNo.3根据详勘报告和后期补勘资料，该场地所揭示地层由第四系松散层和第三系泥岩组成，自上而下分别为黄土层、粉土、砂砾石层、强风化泥岩和中风化泥岩，师大3号楼基础坐落在强风化泥岩层上，各土层相关指标见表1。表1各土层参数统计表Table1Statisticalparametersofsoils层序材料名称厚度/mγ/(kN·m3)c/kPaϕ/(°)E0/Pa①黄土层2.311715166.00×107②粉土0.91③砂砾层2.77205381.04×108④强风化泥岩3.2818.827266.94×107⑤中风化泥岩1919.535281.08×1082大楼倾斜变形状况及原因分析青海师范大学3号住宅楼于2006年10月开工建设，2007年9月，主体结构封顶后不久，地基便发生不均匀沉降，大楼整体朝北东方向倾斜，此后，差异沉降与日俱增，倾斜变形不断发展。截止2008年10月15日，大楼朝北方向的倾斜率达2.66‰，朝东方向的倾斜率达1.82‰，根据《建筑地基基础设计规范》，3号楼整体倾斜已超过规范规定的2.5‰允许值[1]（见图2）。通过对3号楼结构形式、地基均匀性、周边环境等与大楼倾斜的相关性分析，发现大楼的不均匀沉降非单一因素所致，而是由多种不利因素组合共同作用的结果，其中：（1）地基强风化泥岩层本身空间分布复杂多变、风化不均性、顺倾的岩层产状、发育的裂隙和地下水文条件构成了地基土的先天不利因素。（2）3号楼在基坑开挖到持力层后，人为无意间在西南侧（沉降少侧）持力泥岩层内换填了4个大小不等混凝土墩（截面3.3m×4.0m，深2m），加剧了地基不均匀性，构成了3号楼不均匀沉降的内因。（3）在距3号楼北侧约30m远处，新建工程基坑开挖过程中造成边坡2次坍塌失稳，继而牵引到3号楼北侧侧向应力松驰；加之该基坑施工过程中长达数月的持续抽水，加速了地下水位的变化和物质运移，进而影响到3号楼地基的正常固结，以上构成了地基产生不均匀沉降的外部诱发因素。图2青海师范大学3号楼全景Fig.2FullviewofBuildingNo.3ofQinghaiNormalUniversity3纠倾加固方案考虑到3号楼在尚未投入使用的情况下发生倾斜，致使电梯无法安装，且倾斜量不断加剧恶化，纠倾加固工作势在必行。由于3号楼具有质量大（3.2×104t）、重心高（约39m），埋置深（8.2m）等特点，采用顶升纠倾法要求的顶升吨位极大，难度很高，故在纠倾方案制定上首选迫降纠倾或组合迫降纠倾法。在经过对各种纠倾措施的综合对比后，确定了竖井内放射状水平掏土+锚索施力调控+斜孔钢管桩止倾+地基注浆加固”的综合纠倾加固方案，具体为（1）室外竖井内放射状水平掏土。在3号楼室外沉降少侧（西南侧）开挖4个竖井，井深10.5m，至筏板以下2～3m，竖井在平面布置上与筏板搭接0.7m宽度，以备筏板上施工加压用的锚索。在竖井内基础标高以下强风化泥岩里水平向放射状掏土，削减基底的受力面积，从而增大地基土应力，促进该侧基础下沉。（2）锚索加压调控辅助纠倾措施。分别在少沉侧竖井内露出的筏板上，垂直打入两根锚索，锚固段深758岩土工程学报2012年入中风化泥岩，利用锚索与筏板组成加力系统，通过千斤顶向筏板加压，以增加西南侧地基沉降量，达到纠倾的目的。（3）钢管桩止倾。在3号楼室外原沉降多侧打入一排斜孔钢管桩，斜插入筏板下中风化层内。钢管桩端部用钢筋混凝土梁连成一个整体，起到加固北侧地基和侧向约束的作用。（4）地基注浆加固。纠倾目标完成后，掏土孔内高压注入水泥砂浆，起到加固地基的作用（见图3，4）。图33号楼纠倾加固措施布置平面图Fig.3Locationofinclination-rectifyingandreinforcement.measuresforBuildingNo.3图4纠倾示意图Fig.4Schematicdiagramofinclination-rectifying4纠倾加固中的控制技术4.1应力控制纠倾前首先要确定该地基的承载力临界值及目前状态下的地基应力值，确保掏土后的地基应力值不超过地基承载力临界值，即纠倾中的应力控制。众所周知，地基的应力–应变曲线如图5所示，地基应力σ在承载力基本值aσ的附近[2]。当掏土后，掏土孔间的土条的应力值（这里不妨称之为掏土造就地基应力值）随掏土面积的增大而增大，pσ朝kσ向增加，随着pσ的增大，土条处于塑性变形状态，地基沉降量不断增加。由于3号楼坐落在强风化泥岩层上，且其质量大，一旦掏土量过大，造就地基应力超过地基承载力临界值时，就有可能产生“突沉”现象。因此pσ的确定尤为重要，应满足pkσσ的条件。图5地基应力–变形曲线Fig.5Curveofgroundstress-deformation通过计算，3号楼纠倾前的基底最大应力值为409kPa，静荷载试验确定的地基承载力修正值为504kPa，计算的1/3塑性开展深度地基承载力临界值为550kPa。为做到安全可控，本工程将掏土造就的最大应力值控制为550kPa，通过分三阶段掏土从小到大逐渐逼近该应力值，本工程三阶段掏土造就应力值设计为：465，504，550kPa（见图6）。在确定掏土造就的地基土应力值后，3号楼掏土面积通过三阶段掏土造就应力值计算。为更精确、线性的布置不同位置处的掏土面积，计算每阶段掏土面积时，将迫降区基底应力等值线每5kPa分成一区，然后分别计算每个区域上不同应力值阶段的掏土面积，掏土面积的计算公式为pAAAσβσΔΔ==。(1)式中AΔ为掏土面积；A为原地基承载面积；β为地基应力增长率。图6纠倾前地基应力等值线分区图Fig.6Zoningofstresscontoursbeforediggingsoil在计算出每一应力阶段不同应力区内的掏土面积后，布置掏土孔位置并对其编号，布置掏土孔时还