某小区住宅楼长37.80m, 宽15.80m, 架空层1层, 地上3层, 阁楼1层, 架空层楼面标高-3.200m, 阁楼层顶标高12.480m, 北侧室外地面标高-2.000m, 南侧室外地面标高-1.000m (见图1, 2) 。

该楼采用现浇框架结构, 桩筏基础, 其中桩为426mm沉管桩, 以强风化凝灰岩为桩端持力层, 设计有效桩长27m, 单桩竖向承载力特征值550kN, 筏板厚300mm, 双层双向配12@150的钢筋, 二桩承台高1 000mm, 其余承台高800mm。

该工程于2011年竣工并投入使用, 2016年发现建筑整体向南倾斜, 经现场勘测及查阅资料发现: (1) 该楼发生了倾斜, 斜率明显超过规范允许范围 (见图3, 表1) ; (2) 施工时, 426mm沉管桩达到设计要求长度后, 贯入度不满足要求, 采取全长复打措施后未进行进一步处理; (3) 基础施工完成后, 在住宅楼及周边场地进行回填, 南侧整体回填土厚度约2.56m, 北侧局部回填土厚度约1.56m, 南侧外墙散水处可见明显的下沉变形; (4) 楼北侧距 (19) F轴2.8m处有地下室基坑围护桩, 该围护桩为600mm钻孔桩, 桩长13m, 间距1 000mm, 围护桩北侧为大地下室, 上为小区道路, 北侧汽车坡道下的承台直接压在围护桩压顶梁上; (5) 建筑结构整体刚度较大, 未发现因不均匀沉降引起的裂缝, 2016年全年实测平均沉降速率最大值为0.02mm/d, 基础沉降已进入稳定状态^[1]。

地质勘探报告显示, 住宅楼下方各土层情况如表2所示。

通过对工程地质情况、现场勘测结果及相关资料进行全面分析, 确定造成住宅楼向南倾斜的主要原因: (1) 南侧较厚的回填土在地基土上产生较大附加应力, 引起下方高压缩性软土固结沉降, 在桩身上产生负摩阻力, 降低桩承载力;北侧回填土厚度较小且附近有1层地下室, 考虑地下室挖土卸荷影响后在地基土上产生的附加应力较小, 对桩承载力影响也小; (2) 设计未考虑桩侧负摩阻力对桩承载力的影响, 施工中发现贯入度不满足要求, 桩端未进入要求的持力层后, 简单采取了复打措施, 桩实际承载力小于预期; (3) 北侧直接顶在汽车坡道承台下面的地下室基坑围护桩阻碍了建筑沉降; (4) 计算桩顶荷载时, 假定基础自重由下方地基土承受, 只计算上部结构传来的荷载, 纠倾施工开挖工作坑时发现了部分基础下方土体与基础已脱开, 说明基础自重也由桩承受, 造成桩顶实际荷载大于设计计算荷载。

在综合分析住宅楼倾斜原因、基础与结构现状、地质状况及现场环境条件, 逐项研究了桩基础建筑物纠倾的常用方法后, 最终确定采取桩顶卸载法对住宅楼进行纠倾^[2], 具体步骤如下。

1) 测量与结构检测 由专业单位对住宅楼沉降及倾斜现状进行测量, 以此作为纠倾设计及实施效果评价的依据。详细测量室内楼板、墙、柱的倾斜值, 观测现有各种裂缝, 检测混凝土实际强度, 对基础及上部结构安全性进行鉴定, 为纠倾设计提供详细数据。

2) 解除围护桩对沉降的阻碍 在 (19) F轴北侧1m处截断汽车坡道基础梁板及侧墙, 解除地下室基坑围护桩对楼北侧沉降的阻挡。

3) 确定旋转轴及截桩数 本工程桩端持力层为强风化凝灰岩, 可刺入性较差, 通过切断部分桩头增大桩顶荷载使桩下沉的方法难以实现, 且在此过程中会在结构上产生较大内力, 易引起结构开裂。为克服上述困难, 采取以 (19) B轴为旋转轴, (19) B轴以北除截断的汽车坡道下面9根桩外, 全部采用截桩迫降的方法进行纠倾, 共截桩61根。

4) 确定纠倾目标, 计算迫降量 东西向的倾斜在规范允许范围内^[3], 不作处理, 仅对南北方向的倾斜进行纠倾, 鉴于沉降已稳定, 纠倾施工完成后基础沉降量很小, 纠倾设计时不预留倾斜量, 将纠倾后残留倾斜值控制在2‰以内。根据现场实测结果及预留倾斜量, 计算各千斤顶处的迫降量目标值^[4]。

5) 计算柱底内力及允许沉降差 利用SATWE软件对结构内力进行分析, 计算出每根柱底的竖向力, 作为计算迫降荷载, 并以此确定千斤顶数量。因迫降从桩顶开始, 为更好地模拟结构受力状态, 结构计算建模时, 将基础作为一个楼层共同参与计算。采用预设柱底沉降的方法, 计算C (19) 、 (19) D、 (19) E、 (19) F轴柱底产生不均匀沉降时结构的内力和裂缝, 根据计算结果, 在综合考虑结构与基础承载力及填充墙对不均匀沉降的适应能力后, 最终确定在每步迫降过程中, C (19) 、 (19) D、 (19) E、 (19) F轴上承台的沉降量偏离预期的数值不得大于跨度的1‰。

6) 设计托换结构 采用如图4所示结构对桩进行托换, 抱桩梁与桩之间通过抗剪键槽及剪销钢筋传递荷载。本工程使用的千斤顶全部带有自锁功能, 底径196mm, 高420mm, 工作压力70MPa, 额定工作推力100t, 工作行程130mm, 可偏载角度3°。计算时取千斤顶工作推力限值为额定工作推力的80%, 再除以2.0的安全系数^[5], 本工程共使用千斤顶122个。

7) 防复倾设计 纠倾达到预定目标后, 恢复北侧截断的汽车坡道, 让整个建筑回到纠倾前沉降稳定的状态。在南侧增加8根长28m 273mm×8mm的钢管桩, 单桩承载力特征值350kN, 桩端进入强风化凝灰岩, 采用锚杆静压法分段压入, 控制南侧沉降。

在作业坑东西两边打入48mm×3mm钢管并注浆, 对边坡土体进行加固, 防止塌方。凿断北侧汽车坡道处混凝土侧墙及底板, 在断口处从汽车坡道下开挖通往底板的作业坑, 作业坑到板底的净高为1.9m, 到承台底的净高为1.2～1.4m。作业坑内采用集水坑排水, 36V电压照明, 鼓风机送风。在作业坑底整浇1层混凝土硬化层, 将各桩连成整体, 防止桩基侧向失稳同时为后继施工提供操作面。作业坑完成后, 按设计要求沿桩身周边凿出抗剪键槽、植入剪销钢筋, 施工抱桩梁。在承台底安装钢垫板及钢牛腿, 用C60灌浆料将钢板与承台混凝土间的隙缝灌实。

对液压系统进行24h满压保压试验, 检查压力系统密闭性。安装千斤顶并接入PLC同步液压托换系统, 安装完成后以60%迫降压力保压测试5h, 再次测试压力系统的可靠性。安装位移传感器, 测试合格后接入控制系统, 用于时时监控各点的迫降量。

通过开关油路上的阀门, 逐台测试每台千斤顶闭环的稳定性, 当实际压力与系统设定的基准值误差大于5%时, 系统即自动调整到设定值范围。

测试位置闭环稳定性方法为当每测点的实际位移与系统设定位移之间的偏差超过限值后 (本工程设定限值为1mm) , 系统即自动调整到系统设定的位移。

系统测试完成后, 将所有千斤顶与上部结构顶紧并关闭油路阀门, 用静力切割设备截断桩头并在断口处用钢垫板垫实。依据计算迫降荷载, 采用逐级加载方式, 反复调整各组千斤顶的油压, 使承台向上产生0～3mm位移, 以此测量每个迫降点的实际荷载, 结合计算迫降荷载, 确定迫降时每个承台底各千斤顶的推力。

在正式迫降前截断建筑与室外相连的各种管线, 再进行最大点位移不超过5mm的试迫降, 通过试迫降, 全面复核建筑整体姿态与每个千斤顶的油压及位移是否与预期相符, 对偏差再次进行较准。

按预设总迫降量分10级进行正式迫降, 每级迫降完成30min后对沉降、倾斜、裂缝等进行观测。在每级迫降过程中, 每台千斤顶处的竖向实测位移与计算结果之间的偏差不得超过±1.0mm, 每台千斤顶的油压偏差不超过±5%。为防止出现意外突降, 迫降过程中, 随时调整桩断口之间垫钢板厚度和数量, 控制钢板与桩断口间的缝隙不超过5mm。

迫降完成且观测结果稳定后, 采用帮条焊将截断桩主筋连接起来, 按原设计要求补足箍筋, 用C60高强灌浆料将桩身重新连接成整体。灌浆料强度达到要求后撤除千斤顶。

为减小回填土在地基土上产生的附加应力, 同时为尽量消除回填土与基础底板间的空隙, 工作坑全部采用密度等级A08的现浇泡沫混凝土回填。修复汽车坡道处切断的底板钢筋, 并重浇底板混凝土, 将汽车坡道与建筑主体结构重新连成一体。在南面按设计要求分段压入钢管桩, 在保持压桩力的情况下封闭压桩孔。

由专业单位沿建筑四周布置6个沉降及倾斜监测点, 对建筑的整体变形及倾斜进行监测, 由施工单位在 (19) B、 (19) C、 (19) D、) E (19、 (19) F轴每个承台下布置监测点, 用千分表监测每个承台的沉降, 用裂缝观测仪对上部结构的裂缝进行观测, 用PLC同步液压托换系统对每台千斤顶的推力及位移进行时时监测。每完成一级迫降测1次建筑的整体变形、倾斜、承台的沉降及上部结构的裂缝, 迫降完成后一周内每天测1次, 以后逐渐减少, 直到沉降达到稳定状态。

由倾斜及沉降观测成果可知, 纠倾以后, 2018年5月5日到2018年11月7日6个月时间内, Z1～Z6各点的沉降量分别为2.006, 1.875, 1.935, 2.158, 2.149, 2.092mm, 日平均沉降速率分别为0.011, 0.010, 0.011, 0.012, 0.012, 0.012mm/d, 住宅楼倾斜由原来的约8‰变成现在的2‰以内, 纠倾后1～7个月实测沉降平均速率最大值为0.012mm/d, 沉降已达到稳定状态且沉降速率显著低于2016年, 上部结构及填充墙上未发现因纠倾产生的裂缝, 施工期间未影响建筑的正常使用, 达到预期效果。

对于穿越深厚高压缩性软土层或欠固结填土层进入硬土层或地面有大量堆载的桩基础, 应考虑负摩阻力对桩基承载力及沉降的影响, 短期的静载试验不能反映这类桩的真实承载力, 在计算桩顶荷载时, 应慎重考虑筏板自重对桩顶荷载的影响, 层数越少的建筑, 筏板自重对桩顶荷载的影响越大。同时应重视压在基础下方的围护桩、老基础等对建筑沉降的影响。