建筑工程基础加固与纠偏处理应用探讨

 

　　关键词：基础加固；顶升纠编；沉降观测；验算

　　邵阳市某工程是一座六层的框架结构建筑，基础采用340mm锺击沉管灌注桩，设计单桩承载力250kN，工程施工到封顶后突然发生较大沉降及倾斜，3d时间西北角向西倾斜达41.60cm，停工后制定了处理措施并完成后续工程。

　　2.1楼房下沉倾斜的原因分析

　　2.1.1工程桩成桩质量差，承载力不能满足结构荷载要求。场区土层地质资料不准确也是桩承载力低的原因。

　　2.1.2工程桩上的第一级承台混凝土离析严重，承台断裂破坏，甚至已反转破坏。

　　2.2基础加固的静力压桩方法

　　基础加固采用静力压预制桩方法，预制桩是由反力架和油压千斤顶所组成的压桩机压入的，千斤顶所需反力是通过反力架由楼房自重提供的。预制桩采用30×30cm的方桩，制桩压入的终止条件为压入荷载大于或等于600kN。

　　为避免施工引起新的附加沉降，静力压桩施工前先对所有已破坏的承台采用工字钢进行支撑。

　　2.3静力压桩的质量检查

　　根据现场预制桩时取样的试件试验，预制桩的混凝土抗压强度达到设计要求；预制桩施工完成后对3根桩作静力载荷试验，预制桩的极限荷载均大于600kN。

　　2.4条形基础承台的设计及施工

　　基础承台的设计是由现场实际情况而定的。受首层的净空不能减小的限制，采用薄承台结构。同时为增加整体作用能力，将西面1#～8#及东面9#～16#柱分别做成条形基础承台。承台的设计荷载主要考虑以下几个方面：

　　2.4.1柱的设计荷载，东面9#～16#柱荷载1500kN；西面1#～8#柱荷载1900kN。

　　2.4.2原有承台、柱的现在荷载按800 kN考虑，但由于在现有荷载800 kN作用下，沉降并未完全稳定，当基础加固后原有承台的荷载将转移给新加固的桩。从安全考虑，将原有承台承担的800 kN荷载的30%转移给新加固的桩平均分配。

　　2.4.3根据上面1、2两个条件则可计算出承台设计计算时新加固桩的荷载为西面1#～8#承台的桩设计荷载P＝335 kN，东面9#～16#承台的桩设计荷载P＝313 kN。

　　新设计的条形基础承台是在原有承台的上面，破环反转的承台必须将其凿平至新加固的承台底标高，由于原有承台还承担着楼房的现有荷载，为减小施工对楼房沉降的影响，采取了有效的加强支撑的措施，施工中尽量减少震动，并密切监测大楼沉降的动态。根据施工期间的沉降观测结果，在静大压桩及承台的施工期间，各柱的沉降速率与施工前增加很小，说明采用的施工方法是切实可行的，对大楼的沉降影响较小。在承台浇注混凝土3～5d后承台已停止下沉,说明新的承台已发挥作用。

　　3.1顶升纠偏的设备及施工安装

　　顶升纠偏的设备主要有，钢支承梁和混凝土支承墩及顶升用的油压千斤顶等。施工安装时每根柱要装两条钢支承梁，支承梁与柱接触面用水泥砂浆充填，保证紧密接触，用穿过柱子的高强螺栓的拉力使柱与支承梁紧密连接在一起，钢支承梁的两端支承于两边的混凝土墩上。然后等待水泥砂浆有足够的强度后，将柱子凿断安装千斤顶。顶升纠偏前割断柱的钢筋，则整个顶升纠偏的设备安装完成。

　　3.2顶升纠偏方法

　　顶升时分级同步进行，在柱的支承梁未离开支承点时，顶升加载采用压力控制，共分4级进行，每个千斤顶都基本上以同步压力上升，每级加20t施加。在柱的支承梁离开支承点后即按上升高度控制。每根柱的上升在同一级基本上同步进行，每一级顶升完毕后均作详细的观测。为了保证楼房顶升纠偏后东、西方向的倾斜值不超过40mm这一标准，西边各柱的顶升量的大小是采用实测的二、四、六层楼面相对于同一基点柱（16#柱）沉降差的平均值作为顶升的依据，同时也考虑西边桩顶升时相邻柱不应有超过结构容许沉降差这一条件。　3.3现场观测及观测结果分析

　　3.3.1 1#～8#柱顶升出力和顶升量的测定

　　1#～8#柱在顶升纠偏时各柱的上升高度与千斤顶顶出力的关系曲线如图1所示，千斤顶出力随上升高度变化无一定规律，主要是受相邻千斤顶在不是完全同步上升情况下，上升得快的千斤顶的出力将增大，反之则出力小，因此出现千斤顶出力变化比较大的情况。为了有利于原有裂缝的闭合，适当调整了个别柱的顶升量。

　　3.3.29#～16#柱承台的转动量观测

　　在9#～16#柱每柱靠近承台面（离承台面约20cm）柱的内、外侧各装一个百分表观测承台在西边柱顶升时每级的变形值，根据两个表的差值除以两个表的距离即可求出承台的转角。9#～16#柱的承台的转角θ0与相对应的1#～8#柱的顶升高度W关系曲线如图2所示。从图2可看出θ0～W基本成线性关系，9、10柱的承台的转角θ0要比其它柱的基础承台基础刚度大。

　　3.3.3梁的裂度观测及观察

　　梁的裂度观测选择了2～10、7～15柱的一楼连接大梁。在靠近10#、15#柱的大梁梁底分别安装千分表，测量顶升过程中的应变变化情况。测量结果如图3（为拉应变），从图中可看出，梁底应变 与顶升高度的关系，2～10梁应变与顶升高度和变化比较有规律。而7～17梁的梁底的～W变化规律性差。主要原因是由于7#柱顶升时支承梁底打入铁垫块时敲击震动影响。而2～10梁以上的所有隔墙未拆除，可削弱由于2#柱顶升时支承梁底打入铁垫块时敲击震动影响，其观测结果比较可靠。根据现场观察7～15梁，并未产生裂纹，所以7～15梁的应变观测结果受震动影响大，未能真实反映梁底的应变变化情况。同时在顶升过程中派专人观测梁的动态，观察结果是所有东西方向的大梁在顶升过程中均未产生裂纹，而且西边横梁的原有裂缝在顶升纠偏后都有闭合的迹象。只是在西边顶升高度达到10～11cm后9#、10#、11#柱的内侧开始产生裂纹。顶升纠偏终止后，最大的裂缝宽度发展至约0.5mm。产生裂缝的主要原因是顶升产生的附加弯矩作用拉裂的，而9#、10#梯形的加固后的承台刚度大，因此其相应的附加弯矩也较大。由于裂缝较小并不影响其支承强度，而且在长期荷载作用下通过应力调整裂缝将逐渐闭合。

　　3.3.4顶升纠偏的回复量观测及9#～16#柱的沉降观测

　　在楼房的四个角观测顶升后的纠偏量，图4所示曲线是东北角楼顶在顶升过程中的水平移动量与1#柱的顶升高度的关系。W～u关系近似为线性关系。

　　从表可以看出已施工加固承台的9#、10#柱的沉降要比其它未施工加固承台的柱要小。

　3.3.5顶升纠偏的终止和柱的复原

　　按上述顶升纠偏方法进行顶升至第24级时，东北角用经纬仪观测基本达到垂直状态，从其它三个角的楼顶吊垂线至地面的目测结果也是大致垂直状态。终止顶升纠偏。

　　顶升纠偏结束后立即施工11#～16#柱加固的基础承台，对柱进行基础加固及纠偏工程已圆满结束。　

4顶升纠偏过程中的结构内力分析及楼房最终沉降计算

　　4.1顶升纠偏过程的结构的内力分析

　　一栋已完工的混凝土框架楼房，尽管采用截柱顶升纠偏方法纠正楼房的倾斜，但仍然对框架各节点产生一定的附加弯矩，这种附加弯矩之后会对框架结构造成损害，必须预先考虑，现对其作些分析计算。由于二楼至六楼所有楼板及梁组成了刚度较大的多层单跨梁体系。可以将楼房取图5的简图来分析计算。A点为用千斤顶支承，在垂直方向有水平方向可自由的支点，N为结构自重，△L为顶升纠偏时附加上千力。F点为固定端但在偏心荷载作用下仍能作相应转动（θ0）的。BCDE由梁、板组成刚度远大于EF的一楼柱的刚度，因此现假定BCDE为近似刚架。则当在A点顶起时产生一附加上升力△N，在EF段则受一弯矩M作用（图6为弯矩图）。则E点的转角可用悬臂梁受纯弯的公式求得：　θE＝ML/EI+θ0

　　A点顶起高度为Wcm时楼房所产生的转动θ＝W/970，现考虑θ＝θE则BCDE部分由于楼房转动将不受影响，因此可得出顶升高度W与弯矩M及F点承台的转动θ0关系：

　　W/970＝ML/EI+θ0

　　M＝EI/L（W/970-θ0）

　　在已知1#～8#柱每级的顶升W和实测的相应9#～16#柱的承台转角θ0的情况下，即可求出相应的9#～16#柱一楼部分柱段所受的弯矩M。考虑到弯矩M在大于钢筋混凝土柱的抗裂强度后，由于柱产生了裂纹，则EI将减小的影响，求出的弯矩M 与顶升高度W的关系曲线。根据柱的尺寸为40×60cm及配筋为8Φ22即可计算出抗弯能力为25.4Mpa；当顶升高度大于100mm后9#、10#柱开始发现有几条小的裂缝，随着顶升高度的增加，裂缝宽度也有所发展。这与计算分析是较一致的。梁的裂度观测及观察也表明，在西边术顶升开始至顶升结束，所有大梁及楼板均未产生新的裂缝。这也说明整个楼房的偏转完全靠西边各柱顶升后在东边的柱受弯矩产生了转动和承台转动提供偏转的，所以对梁及楼板无甚影响。

　　4.2楼房最终沉降计算

　　基础加固后，从建筑物的观测结果，在目前现有荷载80～1200kn作用下沉降已趋于零。以后楼修复后每个承台将受设计荷载作用。现取东面9#～16#柱的承台的设计荷载为1500kn，西面1#～8#柱的承台的设计荷载为1900kn，现有荷载按800kn计算，并假定承台新增加的荷载△P全部由新的加固桩承担，则承台的沉降S为：

　　S＝△P/nk

西边1#～8#柱承台加桩为每个承台4根桩△P＝190－80＝110吨，桩的刚度系数K由静力压桩时的桩的静载试验的P～S曲线可计算出：K＝3636/m。则可计算出西边3#～8#承台可能产生的沉降约7.6mm。1#、2#承台以后增加的荷载很小则沉降将较小约5mm。东边9#～16#柱的承台每个按加3根桩考虑。△P＝150－80＝70吨，由上述公式可计算出11#～16#承台可能产生的沉降约6.4mm。同样9#、10#承台以后增加荷载很小其沉降将较小。

　　考虑到桩在长期荷载作用下，其沉降将略有增加，本楼房在基础加固后至楼房修复竣工后的最终沉降将在10～15mm左右。

　　5.1本工程基础加固采用静力压桩方法，共压入30×30cm预制桩61根，由于静力压桩方法最终的压入荷载大于等于60t，其承载力是很清楚的。同时根据抽查的7根静载试验结果，7根试验桩的容许承载力均可达到40t。因此在基础加固后完全可以满足设计荷载要求。

　　5.2采用了条形基础承台增加了整体作用能力，承台施工质量均满足设计要求。

　　5.3在西边1#～8#柱安装千斤顶进行顶升纠偏，使大楼东西方向纠偏后达到垂直状态，顶升纠偏过程中，大楼原有结构完好，只是在9#、10#、11#柱在一楼的柱的内侧产生裂缝，裂缝宽度小，已作修补处理。楼房的纠偏达到了预期的目的。

　　5.4根据沉降分析结果，大楼在加固后至修复竣工后在新的荷载作用下将产生10～15mm左右的沉降。

　　5.5建议以后大楼的修复采用轻型材料或减小内部隔墙的厚度，减轻大楼的自重，可以增加大楼的安全度。