我国纠倾技术的应用与发展是从20世纪80年代开始的, 经过多年的建筑物纠倾工程实践及专家学者的研究总结与创新, 纠倾技术水平有了很大的提升, 纠倾设计的理论水平也得到了长足发展。早在1989年, 刘祖德教授就提出了应用地基应力解除法进行建筑物纠倾, 并且经工程实践证明此法是一种有效、快速和经济的软土地基上建筑纠偏处理方法。1990年, 刘祖德教授重新阐明了地基应力解除法的原理、功用及其与限沉的关系^[1]。在此后的一段时间里, 建筑物纠倾工程出现一个高潮, 各种纠倾加固方法, 如浸水纠倾法、斜孔取土纠倾法、顶升纠倾法、沉井冲孔排水法、地基应力解除法、基底水平掏土法与锚杆静压桩加固法、高压旋喷注浆加固法等方法^{[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18]}被广泛应用于建筑物纠倾加固中, 并且达到了纠倾的目的, 从而证明了各种纠倾方案选择的科学合理性。

综上对纠倾加固工程的叙述, 易见对带有裙楼建筑物的纠倾加固工程的实践及相关研究较少, 为了更好地指导主、裙楼一体倾斜建筑物的纠倾加固, 本文结合具体工程实践, 通过对多种纠倾加固方案的对比分析及筛选, 提出了一种组合纠倾加固方案, 最终安全平稳地完成了纠倾加固工作, 从而验证了此组合纠倾加固方案的可行性。

某高层建筑位于甘肃省定西市, 为地下1层、地上17层的商住楼。其地下室层高4.20m, 地上1层为商铺, 层高3.30m;2层塔楼区域为住宅, 其余为商铺, 层高3.30m;3层塔楼区域为住宅, 其余为商铺, 层高3.60m;4~17层均为住宅, 层高均为2.80m。该建筑总高度为49.70m, 建筑面积9 110.54m²。2014年9月, 该楼主体结构封顶, 在进行装修和电梯安装施工过程中发现外墙及电梯井道存在倾斜现象。

该楼主体结构均为剪力墙结构, 裙楼均为框架剪力墙结构;基础形式均为平板式筏形基础, 且主楼与裙楼筏板相连。基础埋深5.20m, 筏板板厚1m, 筏板外伸1.2m, 筏板下为厚0.15m的C20素混凝土垫层, 垫层与筏板之间为建筑防水层, 防水层上为50mm厚C20混凝土保护层, 垫层下为0.5m厚3∶7灰土垫层。地基处理采用孔内深层强夯法 (DDC法) 整片处理, 经沉管成孔、孔内填料夯实, 挤密后成桩直径≥0.55m, 有效桩长为19.5m (即地基处理深度为19.5m) 。其中孔内填料顶部3m为3∶7灰土, 其余为净素土。挤密桩桩位按正三角形布置, 桩间距为0.8m, 挤密桩处理范围为筏板边界外扩10m。经检测认为, 在地基处理深度范围内, 土体的湿陷性已消除, 且复合地基承载力特征值达到了280k Pa, 满足地基承载力的要求。

按照2014年10月—2015年3月间对该楼进行持续倾斜监测的资料, 将各观测点的倾斜方向、倾斜率等数据整理记录如表1所示, 并依据各倾斜观测点在建筑平面简图中的相应位置, 将各点的倾斜方向及倾斜率直观地标示于图中, 如图1所示。

从图表中可见该建筑物为双向倾斜, 分别为向南、向东倾斜, 其中向东的最大倾斜率为1.40‰, 向南最大倾斜率为3.26‰。由于建筑物向南的倾斜率超过了GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》规定的3.0‰允许值, 因此必须对该楼进行纠倾加固, 以期使楼体满足相关规范及正常使用要求。

建筑场地所在区域的气候类型属黄土高原温带半干旱气候区, 年平均气温6.3℃。根据定西市气象局资料:年平均降雨量425mm, 多集中在秋季, 年平均蒸发量1 526mm;1月平均最低气温-8.1℃, 7月平均最高气温24.9℃;地表有季节性冻土, 冻结最大深度0.98m;全年多偏北风。

建筑场地所在区域属陇中黄土高原丘陵沟壑区, 区内沟壑纵横、梁峁起伏, 地势由西南向东北倾斜, 南高北低, 其中西南为山地, 北部为丘陵。建筑场地在地貌单元划分上属关川河西岸二级阶地后缘。建筑场地周围未发现水洞、黄土碟形洼地、坍塌滑落痕迹, 无已有建筑, 植被稀疏。

建设场地地层主要由黄土、角砾及泥岩组成, 共分为3层, 分别描述如下。

1) 黄土状粉土该层厚45.8~64.5m, 自上而下分为: (1) 湿陷性黄土状粉土 (Q₄^eol) 呈浅黄色, 多虫孔及植物根孔, 稍湿至湿, 稍密至中密状态, 中至高压缩性, 埋深为21.75~35.25m。摇震反应迅速, 无光泽反应, 干强度低, 韧性低。 (2) 非湿陷性黄土状粉土 (Q₄^al+pl) 呈暗黄色, 湿至饱和, 中密状态, 中等压缩性。摇震反应迅速, 无光泽反应, 干强度中等, 韧性中等。在场地内由东向西33.0~50.0m深度以下有6.0~7.0m厚的饱和层, 探井开挖中有缩孔现象, 静置24h井底有少量渗水积存。

2) 角砾 (Q₄^al+pl) 呈杂色, 次棱角状, 级配良好, 饱和, 中密状态。骨架颗粒间交错排列, 连续接触, 母岩成分为花岗岩、砂岩、碎屑等, 孔隙由粗、中、细砂充填。一般粒径2~20mm, 局部最大粒径100mm。

3) 泥岩 (N) 呈褐红色, 致密状, 主要成分为黏土矿物, 泥质结构。1.5m以上为强风化, 矿物成分已显著变化, 岩芯呈破碎状。1.5m以下为中等风化, 矿物成分部分发生变化, 岩芯呈短柱状。

各层地基承载力特征值、变形模量如表2所示。

根据该建筑物的结构安全性鉴定报告及现场勘察分析, 认为导致倾斜的原因主要为基础荷载偏心、主裙楼间后浇带浇筑过早。其次, 基础下深层软弱层分布不均及侧向偏心受压均对不均匀沉降产生不利影响, 进一步诱导倾斜的发生。总之, 该楼的倾斜是由多种不利因素共同作用的结果, 对其原因分析如下。

1) 地基基础检测鉴定结果认为, 经过处理的复合地基的桩间土呈中、低压缩性, 压缩系数、挤密系数均满足设计要求, 湿陷性已消除。故由地基黄土湿陷性引起的地基不均匀沉降导致楼体倾斜, 可以排除。

2) 探井土工试验结果表明, 复合地基桩体土 (桩体主要由净素土经夯实挤密而成) 及桩间部分土样含水量, 均高于有关单位2012年11月编制的地基施工质量检测报告中的桩体及桩间土的最大含水量, 主楼南侧复合地基局部范围含水量偏高, 导致复合地基局部区域承载力下降、变形增大, 导致基础产生不均匀沉降。

3) 地基变形计算结果表明, 地基变形主要发生在复合地基以下的软弱下卧层 (饱和土体) 中, 且该软弱层厚度不均, 亦造成基础的不均匀沉降。而工程施工前的地质勘查因探井深度不足, 未能探明软弱下卧层的存在。

4) 通过对现场实际状况的调查, 该楼主楼一侧基础顶面以上填土高度高出裙楼一侧填土高度3.60m, 主楼筏板边缘上填土荷载作用较大, 而裙楼筏板边缘上填土荷载作用较小, 基础两侧填土荷载作用的差异加剧了地基基础沉降变形的差异。因此, 筏板边缘覆土不均匀是导致楼体倾斜的原因之一。

5) 对基础进行验算, 筏板偏心验算e/ (0.1w/A) =6.37, 远大于《建筑地基基础设计规范》规定的1.0限值, 筏板偏心距过大, 在上部荷载作用下, 筏板重心明显偏离裙楼, 而且偏向主楼一侧。由于主楼与裙楼基础为同一筏板基础, 设计时考虑到可能引起的偏心受压作用, 故在主裙楼间设有后浇带, 待主楼沉降稳定后, 再进行后浇带浇筑。但施工时未待主楼沉降稳定就已完成了后浇带的浇筑, 背离了设计者的初衷, 从而加剧了基础的偏心受荷, 使地基基础产生不均匀沉降, 导致楼体倾斜。

通过对沉降和倾斜观测数据进行分析, 并结合该建筑物的倾斜原因, 可知其不均匀沉降仍有不断加剧的可能, 为了确保建筑物绝对安全及纠倾工作的顺利进行, 本工程秉承“先加固, 后纠倾”的理念进行方案选择。

首先对建筑物地基进行加固, 总的加固方案为:在沉降较大的一侧 (即南侧) 布设加固井, 通过在加固井中设置钢管桩及石灰桩增强地基承载力, 从而有效地预防和控制不均匀沉降的进一步发展。

对建筑物的纠倾, 一般较常用的方法有顶升法和迫降法。顶升法一般指在建筑物沉降大的一侧顶升上部结构或基础并稳定基础沉降^[17], 从而使建筑物回倾至规范允许范围内, 且保证建筑物的正常使用。而迫降法就是人为地采取一定的工程措施, 增大沉降较小一侧的沉降量, 从而使建筑物的整体沉降量趋于一致, 进而达到回正调平建筑物的目的。由于顶升法的施工工期较长、费用高, 所需施工面大且风险性高, 故不予考虑^[19], 因此选择迫降法作为该楼纠倾归正的主导方法。迫降法主要包括堆载法、降水法、斜竖孔应力解除法、水平掏土法等。在此具体结合该工程实际, 采取与工况相适宜的迫降方法, 确定安全、经济的纠倾方案。

1) 堆载法对于该楼体, 由于主楼与裙楼对基底的压力相差巨大, 若用堆载法, 加载于裙楼上的力无法达到要求的压力值, 无法达到纠倾目的。

2) 降水法主要是抽排以渗流形式储存于岩土体中的自由水。此法的原理是通过降低地基中的地下水位, 土中有效自重应力因浮力消失而增大, 使地基产生固结沉降^[7]。由于该工程场地地下水属于空隙潜水, 且水位埋深大, 无法通过抽取地下水的方式加速迫降侧的沉降, 故降水法不适用于该纠倾工程。

3) 斜竖孔应力解除法主要适用于基础下存在具有一定流塑性质软质土体的工程, 而该建筑场地土主要为层厚较大的黄土状粉土层, 且此类土体具有垂直节理发育的特点, 基础下土体向孔内的侧向变形非常有限, 也就无法达到解除应力的目的, 无法有效增大迫降侧的沉降量, 故此法亦不适用。

4) 水平掏土法在建筑物沉降较小的一侧开挖基槽或深井, 在灰土垫层下的黄土状粉土层中成水平孔, 利用水平孔在建筑物荷载作用下发生塑性变形产生闭合, 从而增大此侧的沉降, 达到纠倾的目的。由于该方法具有简单易行、受力明确、可控性较强且纠倾周期短等优点^[19], 广泛应用于黄土地区建筑物的纠倾工程中。鉴于该工程并未交付使用, 建筑场地较为开阔, 地下水埋深较大, 自筏板底至地表均处于黄土状粉土地层内, 进行竖井的开挖和解除侧向约束具有足够的工作面, 且开挖竖井及利用钻机打水平孔的可实施性和可控性较强, 可以随时根据楼体的沉降量和回倾量调整打孔速率, 进而保证楼体安全平稳的纠倾归正, 故本工程的主导纠倾方案确定为水平掏土法。

由于单一的纠倾方法具有一定的局限性, 为了经济高效地完成纠倾工作, 综合两种或多种纠倾方法用于纠倾工程, 已成为当前及今后纠倾工程的主体思路。据王桢研究, 在纠倾过程中, 预应力锚索可为加压系统提供反力装置, 起到加压调控的作用, 而且在纠倾完成以后, 还可锁定建筑物基础, 作为防复倾加固的一部分^[20]。基于预应力锚索技术在建筑物纠倾控制及防复倾加固中的重要作用, 本纠倾工程确定了以基底水平掏土和预应力锚索加压相结合的综合纠倾方案。

为了纠倾加固工作的顺利开展, 首先沿建筑物四周共布设10个竖井, 其中北侧的1~5号井、西侧的10号井为取土竖井, 东侧和南侧的6~9号井为加固井。竖井截面尺寸平均为2.5m×3.5m, 深度自地表下约7.5m, 其中竖井底部距筏板下三七灰土层约1.5m。在竖井开挖过程中, 应适时做钢筋混凝土护壁进行支护, 防止井壁破坏。

在加固竖井内, 每间隔0.6m设置1根150mm钢管桩, 共3排, 桩长自竖井底部向下深入15m, 并在靠楼体一侧井壁上设置第1排石灰桩, 桩间距0.6m, 桩径0.15m, 桩长15m, 与水平面夹角呈45°;在竖井底部靠楼体一侧设置第2排石灰桩, 桩间距0.6m, 桩径0.15m, 桩长15m, 与水平面夹角呈60°。竖井的具体位置及沉降观测点的布设如图2所示。

在每个竖井所对应的筏板边缘布置1排锚索, 每排2束, 间距为1.50m。由7根1860级高强度低松弛钢绞线组成 (型号为^s15.24) , 锚索孔径为0.13m, 锚索长17m, 其中锚固段长12m, 设计最大拉力为910k N (7束) 。锚索端部设置C25钢筋混凝土连梁, 截面尺寸为0.5m×0.8m, 以分散锚索加压的集中力。锚索加压分3个阶段进行。

1) 纠倾前准备阶段锚索加压至450k N锁定 (随着预应力的损失应及时补张拉) , 防止大楼突沉。

2) 加压调控阶段锚索最大加载值为910k N (7束) , 对纠倾速率和回倾量进行微调, 做到人为可控, 从而提高纠倾精度和回倾过程中的安全度。

3) 纠倾完成后, 锚索加力锁定根据剩余的倾覆力矩大小决定锁定荷载的大小, 也即锚索加压所产生的回倾力矩应与剩余倾覆力矩相当。

由于该建筑物由裙楼和主楼构成, 而周边裙楼是主楼回倾的障碍, 形成很大的回倾阻力, 也威胁到裙楼本身结构的安全。因此, 查明原因、解除各项阻力对该类高层建筑物的回倾至关重要^[6]。一方面, 由于裙楼总长33.4m, 而紧邻裙楼侧的主楼仅长20m, 当在裙楼侧的竖井内钻水平孔取土迫降时, 因裙楼的侧向限制而抑制了该侧的沉降, 在取土量一定的前提下, 其沉降量必然小于无侧限工况下的沉降, 因此解除裙楼的侧限, 特别是消除竖井护壁与裙楼地下室外壁间的连接甚至挤压, 对于迫降回倾显得尤为重要。此外, 也应考虑到裙楼宽度方向对回倾的阻碍作用以及裙楼平面的角点对迫降回倾的“支顶”效应, 可在竖井内沿筏板外围开挖巷道, 将相邻两竖井沿筏板外围连通, 从而降低甚至消除影响回倾的阻力。另一方面, 注意到主楼北侧的集水井对楼体具有较大的支撑作用, 对北侧 (即迫降侧) 的沉降影响较大, 就此采取在5号井内开挖巷道至集水井所在位置, 并在集水井下打水平孔的措施, 从而消除集水井的支撑作用, 使该楼整体安全稳定地沉降并回倾。

在取土竖井内采用孔径为130mm的钻机于三七灰土层下170mm处钻水平孔取土, 孔中心距为200mm, 并且水平孔以竖井为“聚焦点”, 沿裙楼向主楼方向呈放射状延伸。待第1次掏土完成后, 用洛阳铲掏除孔间“土梁”一定深度, 使用钻机于孔间“土梁”上钻进掏土, 即进行第2次掏土工作。掏土期间加强各沉降观测点的沉降监测, 通过及时调整掏土速率及方向, 使各观测点的沉降趋于同步。

注意到建筑物南北方向倾斜率较大, 故以南北方向的纠倾工作为重。为了使建筑物整体稳定向北回倾, 不仅在5号井巷道内向主楼及裙楼方向打水平孔掏土, 而且在2号井内沿主楼的西边界开挖巷道, 进而也向主楼及裙楼方向打水平孔进行掏土迫降, 巷道位置如图2所示。结合倾斜沉降数据, 适时调整打水平孔的具体方位、深度及速度, 保证建筑物安全平稳地归正。

1) 石灰桩和钢管桩的加固

在6~9号井内用石灰桩和钢管桩对地基进行加固, 有效增强了地基土体的强度, 从而在一定程度上抑制了复倾的发生。

2) 筏板外扩

待纠倾完成后, 沿6~9号井的筏板外边缘植入3排呈梅花状分布的钢筋。随后进行混凝土浇筑, 从而增大筏板的外伸长度, 有效防止复倾发生。

3) 锚索加压及锁定

待纠倾完成后, 依据锚索加压所产生的回倾力矩应与剩余倾覆力矩相当的理论, 通过计算, 对锚索进行加压和锁定, 进一步防止复倾发生。

在纠倾工程中, 变形监测贯穿纠倾工作的始终是倾斜建筑物纠倾加固工程得以顺利实施的关键。其监测成果可为决策者适时调整施工计划提供指导, 从而达到控制纠倾工程中建筑物变形沉降的目的, 在一定程度上降低了纠倾工作的风险, 增强了建筑物沉降的人为可控性。

本纠倾加固工程采用了多重监测手段, 包括水准监测、倾斜监测、电梯井内吊线锤监测和电子倾斜计监测等多种手段。通过各种监测手段的优势互补及对监测成果的综合分析, 增强了监测数据的可信度, 从而更好地指导纠倾工程的顺利进行。

该建筑物的纠倾加固于2015年5月10日正式开始, 严格按照既定的纠倾加固方案分阶段逐步进行, 并通过实时监测信息的及时反馈来调整工程施工的具体区域及进度, 历经110d的紧张施工, 于8月底圆满完成了该建筑物的纠倾加固。具体表现在以下几点。

1) 纠倾工作完成后, 该楼南北向最大倾斜率由纠倾前的3.26‰回倾到1.73‰, 东西向最大倾斜率由纠倾前的1.40‰回倾到0.10‰, 均满足国家规范规定的小于3.0‰的要求, 大楼南北方向的倾斜率-时间变化曲线如图3所示。

2) 沉降方面, 在纠倾加固前建筑物的平均沉降速率为0.38mm/d, 待纠倾加固完成后, 平均沉降速率降为0.21mm/d, 而纠倾加固工程竣工后1个月, 平均沉降速率<0.05mm/d, 由此可预见该建筑物将逐渐趋于稳定。

3) 由于严格控制了迫降侧的沉降速率, 使该建筑物安全平稳地回倾归正, 保证了其上部结构的完好, 避免了次生灾害的发生。

通过对沉降曲线和倾斜数据的分析, 易见巷道内向主裙楼方向钻孔取土是促使楼体北侧 (即迫降侧) 较快沉降的主导因素, 也即楼体归正的主要工程措施。根据施工进程, 2, 5号井巷道的开挖于7月9日开始, 并于7月16日开始钻孔取土, 8月3日完成两巷道内的打钻取土工作。以下将分别列出巷道内钻孔取土前后楼体倾斜率变化表 (见表3) 及楼体北侧各沉降观测点沉降曲线 (见图4) 。

从倾斜率变化表可以看出巷道取土完成后楼体倾斜率较巷道取土前有较大程度减小, 忽略楼体回倾滞后性的影响, 截止巷道取土工作完成, 经计算各测点南北方向倾斜率平均降低了1.18‰。虽然巷道开挖前后楼体倾斜率变化不大, 但巷道开挖对于减小主楼回倾的侧限及后续工作的顺利进行具有重要意义。从沉降曲线图可见巷道内的钻孔取土措施有效提高了迫降侧的沉降速率, 进而加快楼体的回倾归正。

该纠倾加固工程的成功实施, 对相似工况下倾斜建筑物纠倾加固的方案设计及工程施工具有一定的参考价值, 特别对主、裙楼一体结构的倾斜建筑物有借鉴作用。通过本工程得出以下几点结论及建议。

1) “桩基加固, 基底掏土和锚索加压”的组合纠倾加固方法对黄土地区倾斜建筑物的纠倾加固是切实可行的, 是一种可控性强、安全性高的纠倾加固方法。

2) 实时变形监测是纠倾加固工程中的一项关键性工作, 贯穿于工程的始终, 是检验纠倾成效的重要措施, 并为后期的纠倾工作指明了方向。通过采用多种监测手段对倾斜建筑物的沉降变形进行监测, 增强了监测信息的可靠性, 进而更好地指导工程实施。

3) 对主、裙楼一体结构的倾斜建筑物, 采取在主楼迫降侧开挖巷道, 并在巷道内部向主裙楼方向钻孔取土的工程措施可有效增大沉降速率, 从而缩短工期;另一方面, 由于巷道施工具有所需地表工作面小、环境影响微弱、隐蔽性好等特点, 故可广泛用于施工条件受限或施工对环境影响要求较高的建筑物纠倾加固中。

4) 对于主楼迫降侧巷道数量的确定, 一般建议根据裙楼占地面积和主楼长度开挖两条及以上数量的巷道, 相邻巷道间通过钻孔取土相互贯通, 不仅保证了楼体沉降的均匀性, 而且提高了后期注浆回填的充实率。