高层建筑的纠偏加固是一项极其复杂的针对既有建筑的改造工程。随着城市化的进一步推进, 高楼如雨后春笋般林立, 但建筑物由于地基不均匀或者荷载偏心而产生了倾斜。当倾斜不断加剧, 高层建筑物则不能正常使用, 甚至有可能威胁居民的生命财产安全。因此, 对既有倾斜高层建筑的纠偏加固势在必行。

本文以成功实施的某筏式基础高层建筑纠偏加固为例, 简要介绍其工程概况, 分析建筑物倾斜原因, 由“病因”入手, 研究筏式基础高层建筑纠偏加固方法和高层建筑纠偏的可控性, 旨在为类似纠偏加固工程提供良好的参考价值。

西宁某高层住宅楼采用剪力墙结构, 地上26层, 地下1层, 建筑高度为77.0m, 建筑总面积为22 095.05m², 基础形式为平板式筏形基础, 埋深-5.3m, 基础东西向长73.3m, 南北向最大宽度为20.0m, 最小宽度为12.1m。

住宅楼所在场地地貌单元属湟水河北岸Ⅰ级阶地, 经过前期的详细勘察和后期的地质复查, 表明该场地地层岩性自上而下依次为第四系杂填土、黄土状土、卵石及新近系全风化-中风化泥岩。该住宅楼坐落于卵石层之上, 杂填土和黄土状土已被人工挖除, 地层岩性自上而下为: (1) 杂填土 (Q₄^ml) 灰黑色, 稍湿, 松散。层厚为0.8~5.0m, 平均3.23m。 (2) 黄土状土 (Q₄^al+pl) 灰黑色, 稍湿, 稍密。成分以粉土为主, 具大孔隙, 层厚1.2~2.3m, 平均1.67m。 (3) 卵石 (Q₄^al+pl) 青灰色, 粒径大于20mm的含量占56.9%~75.6%, 2~20mm的占13.6%~24.9%, 中粗砂、细砂的含量占10.5%~16.7%, 多具次圆状、次棱角状, 层厚为3.6~4.7m, 平均4.25m。 (4) 全风化~强风化泥岩 (N) 褐灰色、青灰色。上部为全风化泥岩, 结构被破坏, 呈黏土状;下部为强风化泥岩, 具泥质结构, 层状构造, 水平层理和节理裂隙发育, 沿节理裂隙面风化较严重, 层厚4.6~7.7m。 (5) 中风化泥岩 (N) 褐红色、青灰色。具泥质结构, 层状构造, 节理裂隙较发育, 遇水极易软化崩解, 局部夹有石膏盐薄层或透镜体, 岩体较完整, 该层层顶埋深12.8~16.0m。

住宅楼于2014年8月开始施工建设, 2014年12月地上26层浇筑完成。施工过程中建筑物就开始发生差异沉降 (见图1, 图2) , 差异沉降值在施工开始阶段变化不大, 随着上部荷载不断施加, 建筑物差异沉降值明显增大, 特别是在2014年10—12月期间, 差异沉降值陡增, 该阶段属于建筑物15~26层浇筑时间段。当建筑物完成浇筑后, 差异沉降值变化相对平缓, 但不均匀沉降仍然在不断加剧, 截至2015年6月26日该住宅楼最大差异沉降值达26mm, 向北最大倾斜率为2.66‰, 已超过规范规定的2.5‰的允许值。

进一步分析发现, 以建筑物沉降缝为界, 该楼东侧不均匀沉降大于西侧, 东侧变化范围较西侧略大, 西侧差异沉降趋于稳定, 而东侧不均匀沉降还有进一步发展的趋势。

经过现场调查及查阅相关技术资料, 对住宅楼的地基地层情况、建筑物结构形式、周围建筑的影响、施工的合理性等进行系统分析, 发现引起建筑物倾斜的原因包括建筑物结构、地质条件、施工过程以及邻近建筑物的影响, 详见如下。

住宅楼北侧设有楼梯、电梯、厨房等结构, 因此北侧的荷载略大于南侧, 致使建筑物重心在基础反力中心的北侧, 荷载偏心。

地基压缩变形主要发生在卵石层, 该层物理力学性质对地基起着举足轻重的作用。卵石土重型圆锥动力触探试验表明, N_63.5平均锤击数为13.2次, 卵石呈稍密~中密状态。对卵石取样, 试样进行室内筛分试验, 根据筛分结果绘制粒径级配曲线, 求得不均匀系数C_u=28.26, 曲率系数C_c=7.26, 表明粒组分布较广, 但级配不连续, 细颗粒含量较少, 综合判断其级配不良。

此外, 建筑物基础下北侧卵石层厚度比南侧大约0.87m, 但是全风化~强风化泥岩层厚度北侧比南侧小约2m, 南北地层分布不均。卵石层下部全风化~强风化泥岩层, 标准贯入试验 (见表1) 表明, 其最大锤击数21.1击, 最小锤击数8.1击, 平均锤击数14.6击, 呈松散~中密状态。对采取的全风化~强风化泥岩岩样进行饱和单轴抗压试验, 试验表明该岩样的平均饱和单轴抗压强度为0.26MPa, 为极软岩。

该场地赋存第四系松散岩类孔隙潜水及碎屑岩类裂隙、孔隙水, 第四系松散岩类孔隙潜水地下水位埋深2.8~4.5m。由于场地地下水极为丰富, 因此当初基础施工过程中, 为便于施工, 在北侧进行抽水, 加剧了建筑物不均匀沉降的趋势。

根据上述倾斜变形分析, 发现建筑物东侧不均匀沉降明显大于西侧。据资料显示, 距住宅楼东侧约9m处另有一高为97m高层住宅楼, 而建筑物西侧则没有。这就有可能导致了建筑物东西向差异沉降不一致, 但也不排除建筑物不对称性等其他原因。

结合大楼倾斜变形状况, 分析其倾斜变形的原因, 发现该建筑物倾斜变形有进一步发展的趋势, 如任其发展, 将会导致后续电梯的安装工作无法开展, 楼板倾斜度及楼体整体倾斜加剧, 建筑物将无法投入使用, 因此纠偏加固势在必行。鉴于该楼主体结构刚封顶不久, 还未进行建筑物屋面与装饰工程, 为按期交付使用, 要求纠偏加固工程务必又快又好地完成。

国内外常用的纠偏方法有顶升法、阻沉法、迫降法、调整上部结构法和综合纠偏法等。考虑本次纠偏加固工程任务重、工期紧, 本着“地基加固一步到位, 不留后患, 力争减少对地基的扰动, 不加剧上层结构变形”的原则, 选取了“筏板外扩+地下室南侧堆载+锚索加压+钻孔取土+地基注浆加固”的综合纠偏加固方案 (见图3) 。根据纠偏加固方案, 制定施工完成步骤 (见图4) , 以指导现场施工。

经过倾斜变形原因分析, 建筑物北侧荷载略大于南侧, 导致建筑物重心向北移, 而基础形心不变, 因此导致建筑物重心偏离基础形心, 产生了所谓的“偏心”。而筏板外扩即加大北侧筏板基础的外挑尺寸, 通过增大北侧筏板基础面积的方法, 使基础形心向北移, 减少偏心距离, 减缓北侧沉降趋势。而鉴于建筑物中间沉降量较两侧大, 因此本工程在建筑物南侧的中间部位也相应采取筏板外扩的措施, 减缓沉降趋势, 使建筑物整体均匀下沉。

根据底层墙柱最大内力简图和筏板基础平面尺寸, 计算得到基于D+L组合 (永久荷载作用+可变荷载作用的组合) 、M_xmax组合 (x向弯矩最大值的组合) 、M_ymax组合 (y向弯矩最大值的组合) 、N_max组合 (轴向压力最大或轴向拉力最小的组合) 下的建筑物重心距离?轴的距离, 再根据各类组合下的建筑物重心距离?轴 (见图1) 的距离分别计算得到偏心距 (见表2) 。

当偏心距为e时, 需向重心偏心一侧增加2e的筏板基础宽度, 才能使筏板基础形心与重心重合, 根据这个原理, 由荷载偏心引起的底板外扩尺寸最大需要0.383 8×2=0.767 6m, 又考虑到卵石层扰动, 换填土、卵石层南北厚度不一致等多种因素, 结合相关工程经验, 该楼基础筏板外扩0.9m。

通过大楼倾斜变形状况分析, 发现该楼整体已向北倾斜。为改变这一现状, 必须在沉降较小一侧即建筑物南侧施加反力, 使南侧基础土层得到进一步压缩, 促使其沉降量加大, 南北差异沉降值得以缩小, 从而完成纠偏目标。

锚索加压, 即在建筑物南侧筏板边缘布置1排锚索, 由东至西依次布置锚索, 2束锚索间隔距离为1.5m, 共54根锚索。每束锚索由7根1 860MPa级高强度低松弛钢绞线组成 (型号为ф^s15.24) , 锚索孔径130mm, 锚索长18m, 其中锚固段进入中风化泥岩层11m, 设计最大拉力分别为800k N (7根) 。下放锚索后进行压力注浆, 注浆材料水灰比0.4~0.45, 砂浆体强度≥30MPa。压力注浆不仅能够提供锚索抗拉力, 还能局部改善地基土层的物理力学性质和地基承载力。锚索端部设置钢筋混凝土连续梁, 截面尺寸为0.5m×0.8m, 以分散锚索加压过程中产生的集中力, 通过给锚索施加压力, 增大少沉一侧基础压力, 促使南侧基础下沉量增大, 减少南北沉降差。

地下室南侧堆载, 考虑到工作效率, 易于施工, 操作简便, 本工程采取在地下室南侧水堆载 (见图3) 。堆载的物质即自来水, 其成本低廉, 便于操作, 堆载水面高度为1.5m, 每m²堆载15k N, 堆载面积约为400m², 形心位于A轴 (见图1) 向北约5.525m, 与基础形心相距约3.438m。水堆载增大了向南的力矩值, 辅助纠偏工作的完成。

锚索加压与地下室南侧堆载提供了向南的力矩, 但是地下土层的可压缩性是有限的, 只是单纯依靠锚索加压与地下室堆载的纠偏方案不能满足大楼又快又好纠正的工程需求, 因此仍需采取钻孔取土的工程措施。

本工程采取倾斜钻孔取土, 孔径110mm, 以建筑物中心线为取土分界线。钻孔取土时, 外排土量不是钻孔的土量, 因为钻孔时部分粉碎的土会向孔壁周边挤压, 因此取土量与成孔量之间存在一定的比例关系, 根据以往工程经验, 成孔量约为取土量的1.3倍。由于建筑物的东西向差异沉降值和建筑物的形态不一致, 因此钻孔取土需因地制宜, 对该楼进行划分区块 (见图5) , 再按基础底板尺寸分区计算取土量。

大楼纠偏目标完成后, 由于南侧采取钻孔取土, 导致南侧地基土空隙增大, 虽然采取了锚索加压, 但是这并不能保证锚索加压后的孔洞能够完全恢复到天然密实状态。为保证建筑物的稳定和以后的正常使用, 在大楼纠正后需进行注浆, 以加固因钻孔取土而空隙增大的南侧地基。为避免注浆后南侧地基土强度增强的不良影响, 因此采用C20素混凝土进行回填, 以充填空隙为主。

纠偏加固过程中, 会进行坑道开挖以及放坡等一系列工程活动, 这些工程活动必然会影响到建筑物自身的稳定性, 改变大楼原始的平衡状态, 使基础上及周围的土压力产生变化, 这可能会促使北侧沉降加剧。为防止以上情况出现, 采取北侧筏板外扩的形式以控制建筑物的沉降。其作用机理是增大北侧基础底面面积, 分散基础应力, 降低底面压应力, 以此减缓沉降趋势, 达到控制沉降的目的。进行筏板外扩之前, 需进行基础压应力计算, 计算公式如下 (式 (1) 为正常状态下基础压应力计算式, 式 (2) 为偏心状态下基础压应力计算式) :

式中:P_k为荷载效应标准组合时, 基础底面平均压应力 (k Pa) ;F_k为相应于荷载效应标准组合时, 建筑物上部结构传至基础顶面的竖向力 (k N) ;G_k为基础自重及基础上的土重 (k N) ;A为基础底面面积 (m²) ;F_T为纠偏中的施工竖向荷载 (k N) ;P^max_kmin为荷载效应标准组合时, 基础底面边缘最大/最小压应力 (k Pa) ;M_p为倾斜建筑物作用在基础底面的力矩值 (k N·m) ;W为基础底面抵抗矩 (m³) 。

通过计算 (见表3) 后对比分析, 建筑物倾斜前基础边缘应力一致, 倾斜后北侧基础压应力增大, 南侧压应力减小;通过在北侧扩建筏板基础, 北侧和南侧的基础压应力明显减小, 但南北的基础压应力之差并没有因此而缩小。通过对筏板扩建前后沉降速率 (见图6) 对比发现, 北侧基坑开挖后南侧沉降速率大于北侧沉降速率, 北侧筏板扩建后两侧沉降速率并没有立即减小, 而是呈现先增大后减小的趋势, 产生了滞后效应。由此可知, 筏板外扩可以对沉降的控制起到一定的效果。

筏板外扩虽能减缓沉降趋势, 但并不能改变南北的沉降差异, 即建筑物的倾斜率并没有因筏板外扩而减小。所以纠倾工程的重点应在建筑物南侧, 在大楼南侧施加荷载, 迫使其向南侧回倾, 以达到纠偏目标。施加的荷载要在可控范围之内, 否则会出现纠倾过头或纠倾缓慢等现象, 这与纠倾目标背道而驰。预应力锚索则能用于建筑物的可控精确纠偏, 根据施加荷载调节建筑物的受力状态, 使纠偏工程定量化。但预应力锚索技术也有其不足, 对地基压缩变形有限, 短期内无法达到纠偏目标。因此要有必要的辅助措施, 本工程采取掏土法与预应力锚索并用, 相辅相成, 共同作用完成纠偏。

本次纠偏中, 以预应力锚索为主, 钻孔取土为辅, 掏土以欠掏或者是少掏, 以此控制纠偏应力。每束锚索设计荷载为800k N, 加压采取逐级加压。在建筑物的关键部位安装压力传感器, 配备钢弦频率仪, 用以测定锚索的频率, 再根据相关参数把频率换算成应力, 以此来反映锚索的受力状态, 综合锚索的受力变化与大楼的监测数据, 相互辅助该楼的纠偏工程。锚索的受力状态随时间而变化 (见图7) , 为保证锚索在张拉过程中受力均匀, 开始阶段需要进行预张拉。预张拉结束后, 锚索逐级加载, 向筏板传递反力, 压缩地基岩层, 当地层产生形变沉降, 锚索预应力损失, 锚索处于卸荷状态。为保证锚索对地层的压缩能力, 需要及时对锚索进行再次加载, 该次张拉力应大于上次张拉力。从图7可以看出经过反复加载与卸荷, 最终锚索的张拉力趋于稳定, 即锚索张拉力与地层的抗拉力保持平衡, 地基沉降也不再发生变化, 这就说明锚索的迫降能力是有限的。

纠偏工程最终目标是使建筑物回倾至目标值, 满足国家相关规范要求, 但同时还要保证建筑物在回倾过程中安全及平稳, 因此必须控制建筑物的回倾速率。参照相关规范和以往成功案例, 根据建筑物的结构类型、建筑高度、整体刚度、工程地质条件和水文地质条件等, 本工程确定回倾速率为5~10mm/d, 使整个纠偏过程必须做到:缓慢启动, 均匀回倾, 平稳锁定。

为满足回倾速率及纠偏要求, 纠偏工程采取倾斜可调式钻孔取土, 根据纠倾工作不同阶段来调节钻孔的倾斜角度, 以此控制回倾速率。通过结合现场施工情况以及设备条件等因素, 选取钻孔倾斜角度为30°~90°。纠偏开始阶段, 为达到缓慢启动的目的, 钻孔倾斜角度为60°~90°, 钻至全风化~强风化泥岩层, 使其软弱泥岩塑性挤出。纠偏中期, 需要使建筑物均匀回倾, 开始缓慢增大回倾速率, 钻孔倾斜角度宜为30°~60°。纠偏后期, 为保证达到回倾目标值, 防止建筑物出现“突倾”现象, 纠偏应适当地降低回倾速率, 钻孔倾斜角度为60°~90°。

另外, 为了辅助纠偏, 控制回倾速率以及沉降速率, 做好监测工作是关键。纠偏过程中采取多方位全天候监测, 包括沉降监测、倾斜监测、水平管监测以及电梯井吊线锤监测等多种监测手段。多种手段之间相互验证, 相互促进, 共同服务于纠偏工程。纠偏工程因其多变性、突发性、灵活性等特点, 需要力争做到“动态化设计, 信息化施工”。

当建筑物“改斜归正”之后, 房屋能够正常使用, 但是为防止房屋再次倾斜, 需要进行房屋复倾可能性分析, 一般为了杜绝在房屋使用过程中再次出现复倾而导致房屋无法正常使用等情况, 需要对房屋进行防复倾加固设计。防复倾加固设计应根据工程地质与水文地质、上部结构刚度和基础形式, 选择合理的抗复倾加固体系。

筏板外扩既能在纠偏过程中起到延缓北侧沉降趋势的作用, 也能在建筑后期使用过程中起到加固北侧基础的作用, 减小建筑物产生的向北倾覆力矩的功能。预应力锚索锁定, 在纠偏结束后, 预应力锚索还可发挥巨大的作用, 即结束时再次进行张拉, 最后锁定, 其可以平衡大楼残余向北的力矩, 防止复倾, 保证大楼的正常使用。地基加固, 纠倾工作完成后, 在南侧注浆加固, 以恢复地基土物理力学性质。

纠偏加固工程从2015年7月10日开始, 至2015年9月5日结束, 历时57d。大楼各方向倾斜率均不同程度地回归, 东北向倾斜率由2.66‰回归到0.49‰, 东南向倾斜率由2.36‰回归到0.25‰;西北向倾斜率由2.06‰回归到-0.07‰, 西南向倾斜率由1.7‰回归到-0.11‰, 均满足国家规范规定的2.5‰的要求 (见图8) 。纠偏末期东南向与东北向倾斜率突然加剧, 这是由于基础加固后需回填土料, 加之筏板外扩增加了基础面积, 必然会导致作用在筏板之上的土压力增大, 北侧沉降也相应增大。为了缩小东西向的差异沉降, 后期经过锚索加压调控与钻孔取土协同作用, 使东南向与东北向倾斜率有所降低, 倾斜率达到了纠倾工作的目标值, 最后纠偏加固工程取得圆满成功。

1) 该筏式基础高层建筑通过纠偏加固后倾斜率满足国家规范的要求, 纠偏加固工程圆满完成。实践证明, 以“筏板外扩+地下室南侧堆载+锚索加压+钻孔取土+地基注浆加固”为主的综合纠偏加固方案是可行的。

2) 筏板外扩既能在纠偏过程中减缓沉降趋势, 也能在建筑物使用过程起到防止复倾的作用;地下室水堆载成本低廉, 易于实现, 操作简便。

3) 锚索加压可控性好, 但迫降能力有限;钻孔取土迫降能力强, 但可控性较差, 因此在纠倾过程中需要做到两者结合, 优势互补。

4) 纠偏工程是一项极其复杂而难度大的工作, 其控制性措施是至关重要的, 在施工之前必须进行贯穿于整个工程的控制性分析, 应用控制性措施, 包括变形监测、施工工艺等, 以此保证纠偏工程的顺利进行。

通过对该楼倾斜变形量的分析发现, 东西向差异沉降不一致, 因此需注意建筑物的对称性以及邻近建筑物的影响。其次, 虽然卵石层是良好的持力层, 但也需注意其分布的厚度差异和卵石层下部岩层的物理力学性质。另外, 在筏板外扩施工完成后, 对所开挖的基坑回填土料时, 注意尽量不要一次性填筑完成, 这会使土压力陡然增大, 加大纠偏难度, 建议分层填筑, 一边填筑土料一边锚索加压调控, 使倾斜率保持在正常范围内。