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建筑物糾傾技術概述

作者:海偉小編 來源:原創 日期:2017-10-26 14:01:11 人氣:1328

 人們為了生存和生活的需要建設了大量的建筑物,但由于種種原因,某些建筑物在建設或者使用 過程中發生不均勻沉降造成建筑物的傾斜,如著名的意大利比薩斜塔,中國的蘇州虎丘塔等。建筑物傾斜輕者影響建筑物的正常使用,嚴重時使其喪失使用功能,其 至倒塌破壞,糾傾往往花費巨大,如為了控制比薩斜塔的傾斜花費了2500萬美元,加拿大特郎斯康谷倉則花費很大代價糾傾,但糾傾后其位置比原來降低了 4m。因此,建筑物糾傾技術的研究具有重要的工程意義。

  1. 國內外糾傾技術現狀

  自20世紀后半葉以來,隨著人類改造世界活動的加快,傾斜建筑物大量出現,糾傾技術的發展和研究逐漸受到人們的重視。如1991年成立的拯救比薩塔國際委 員會經過8年之久的反復論證后,采用掏土法使斜塔的傾斜自然北移,塔頂中心點偏離垂直中心線的距離比拯救前減少438mm。我國的糾傾扶正技術雖起步較 晚,但經過近20年的應用和發展,涌現出許多新工藝、新方法和新技術。如劉祖德教授首創了“地基應力解除法”的糾傾方法,唐業清教授發明了輻射井射水取土 糾傾法,阮慰文等開發了建筑物頂升糾傾技術等。我國既有建筑的糾傾技術發展速度較快,并制定了相應的規范,這些規范的實施使得建筑物糾傾工程的設計和施工 走向規范化。

  2. 建筑物傾斜原因分析

  在上部結構、基礎、地基的共同作用體系中,地基在基礎傳遞的上部荷載作用下發生沉降,而這些沉降的不均勻引起建筑物傾斜,按照公式(1)和公式(2),影響地基沉降的因素包括上部荷載(F+G)和地基土層(Esi),這些因素同樣是影響建筑物傾斜的因素。

式中:PO為基底附加壓力,kPa;F為上部結構荷載,kN;G為基礎自重,kN;A為基礎底面積,m2;γd為基底以上土層重度加權平均值,kN/m3;d為基礎埋深,m;s為基礎沉降,mm;Ψs為基礎沉降經驗系數;αii-1為平均附加應力系數;zi,zi-1自基底至計算位置的深度,m。

 

  ①上部荷載的原因

  上部荷載分布不均勻造成地基沉降不均勻,主要表現在:

  (1)建筑結構的不規則,建筑物體型復雜

  (2)建造過程中施工荷載引起加載不均勻

  (3)建筑物使用期間使用荷載不均勻

  ②地基土層原因

  根據公式(2),造成地基沉降不均勻的主要土層原因是地基土層厚薄不均,即Esi不均勻,如在山坡、河漫灘、回填土等天然不均勻地基,由于地基處理不當造成建筑物發生傾斜等。

  ③周邊環境因素

  當建筑物周圍環境使其現有的應力場發生不均勻的變化超過其承受限值時也會造成其發生傾斜,如鄰近建筑物或堆載、鄰近基坑開挖、鄰近降水、鄰近樁基的施工振 動和擠壓等。當然引起建筑物傾斜的原因很多,有些可以通過詳細勘察和合理設計(包括上部結構和地基基礎的設計)來避免的,而周邊環境因素則可以通過對環境 影響者合理的設計和施工來避免。

  3. 糾傾工程設計

  糾傾工程設計前,應充分掌握相關資料和信息,包括傾斜建筑物現狀、工程地質條件,然后對其傾斜原因進行分析,通過多種糾傾方案比選,制定全面的詳細的設計文件。

  ①糾傾方法選擇

  糾傾方法選擇應根據建筑物的傾斜原因、傾斜量、整體剛度、基礎形式、基礎質量、工程地質、環境條件以及各種糾傾方法的適用范圍、工作原理、施工程序等綜合確定。

  ②糾傾合格標準

  《規范》表6.1.3明確規定了糾傾合格標準,據此計算建筑物設計沉降量或者抬升量ΔS(圖3,圖4):

式中:SH為建筑物水平變位設計控制值,mm;a為預留沉降值,mm;b′為糾傾方向建筑物寬度在水平方向上的投影,m;Hg為自室外地面算起建筑物高度,m。

圖3 迫降法糾傾示意圖
圖4 頂升法糾傾計算示意圖

 

 

  ③糾傾方案比選和設計優化

  糾傾方案從安全可靠、經濟合理、施工方便等方面進行認真比選,挑選出最佳方案。糾傾設計應對所選用的糾傾方案進行糾傾程序優化和糾傾參數優化,其主要參數為沉降速率、回傾速率、回傾時間等。

  糾傾設計可以按照下述步驟進行:

  (1)首先確定設計沉降量(或抬升量)ΔS,傾斜率和傾斜方向等

  (2)計算傾斜建筑物基礎形心位置和偏心矩,進而確定基礎底面壓應力,根據基底壓應力圖驗算地基承載力

  (3)根據確定的回傾方向,布置糾傾部位,如迫降孔的位置和數量,頂升位置和機具數量等

  (4)在糾傾前后根據建筑物傾斜情況,進行防復傾加固設計,確保建筑物的糾傾前后和糾傾過程中的安全

  4 常用糾傾方法及其技術特點

  目前,常見的糾傾方法整體來分主要有兩類:迫降法和抬升法,迫降法是從土力學原理來加大沉降較小一側的地基變形來糾傾(圖3),常見的迫降糾傾法包括掏土 法、水處理法、加壓法、振搗液化法、淤泥觸變法、樁基卸載法等;抬升糾傾法是通過直接改變上部結構的受力或位移、位移趨勢來達到糾傾目的(圖4),常見的 抬升糾傾法包括頂升法、地基注入膨脹劑法等。在實際工程中,往往多種糾傾方法聯合使用。至于具體的糾傾方法,則根據建筑物特點、場地地層特點、周圍環境特 點的不同而不同。

  下面就詳細介紹常見的糾傾方法及其特點。

  ①掏土糾傾法

  掏土糾傾方法屬于迫降法的一種,是指從建筑物沉降較小一側的基礎內側或基礎外側向基底以下的土體掏出適量的土,以達到糾傾的目的。

  根據掏土孔的方向,掏土糾傾法可以分為以下三種:

  (1)水平掏土糾傾法

  根據建筑物不均勻沉降的狀況,在建筑物基礎下淺部硬土層內,水平鉆孔掏土(圖5),當鉆孔后,鉆孔產生壓扁變形,孔壁土體局部將發生破壞,建筑物產生相應的沉降,達到糾傾的目的。

  

 

  圖5 水平鉆孔掏土糾傾法示意圖

 

 

  針對不同土層不同場地條件情況下,唐業清教授提出了輻射井射水取土糾傾法(圖6),利用高壓水槍伸入基礎下進行深層沖水,沖水區附近的土體在上部結構壓力作用下擠入流出土體剩下的空間,引起沖水一側的建筑物沉降,達到糾傾的目的。

圖6 輻射井射水取土糾傾示意圖

 (2)傾斜掏土糾傾法

 

  傾斜鉆孔掏土是在建筑物沉降較小的一側,按一定的角度打斜孔,深入到建筑物寬度的1/3~1/2處,將基礎底下的土掏出(圖7),將孔中的土掏出,掏空后進行排水,然后土體在上部建筑物和土體的自重荷載作用下下沉達到糾傾目的。

圖7 傾斜鉆孔掏土糾傾法示意圖

(3)垂直掏土糾傾法

 

  垂直掏土糾傾法不同于“淺層掏土法”,是一種軟糾傾方法,即在傾斜建筑物原沉降較小的一側設置密集的地基應力解除孔,各孔上部設有護壁套管(長度視土質情 況而定),依靠大型螺旋鉆旋入一定深度,分期分批的在鉆孔適當深度掏出軟弱地基土(圖8),并依靠螺旋鉆上拔荷載來造成孔底真空環境,使地基應力在局部范 圍內得到解除或轉移,促使軟土向該側移動,增大其沉降量,最終達到糾傾的目的。

圖8 應力解除法糾傾示意圖

②降水和浸水糾傾法概述

 

  (1)降水糾傾法

  降水糾傾法就是通過降低建筑物沉降較小一側的地下水位,增加土中的有效應力,使該側的地基土產生固結沉降(圖9),從而達到糾傾的目的,降水糾傾法較適用 于片筏基礎、箱形基礎等淺基礎的建筑物糾傾,且當土層的滲透系數必須達到某一程度時才有效果。另外,應注意降水引起周圍建筑物的不均勻沉降影響,當距離周 圍建筑物比較近時應慎用。降水糾傾法較為簡單易行,成本低,不影響建筑物正常使用。

  (2)浸水糾傾法

  浸水糾傾法就是在沉降小的一側基礎邊緣開槽、坑或鉆孔(圖10),有控制地將水注入地基內,使土產生濕陷變形,從而達到糾傾的目的。該糾傾方法適用于濕陷 性黃土地區多層磚混結構、框架結構、高聳構筑物及其剛度較大的建筑物的糾傾。當黃土含水量小于10%、濕陷系數大于0.05時可以采用浸水糾傾法;當黃土 含水量在17%~23%之間、濕陷系數在0.03~0.05時,可以采用浸水和加壓相結合的方法。對于含水量大、濕陷系數較小的黃土,單靠浸水效果有限, 則輔以加壓,同時要求注水一側土中的壓力超過濕陷土層的濕陷起始壓力。

圖9 降水糾傾法示意圖  圖10 浸水糾傾法示意圖

③加壓糾傾法

 

  (1)堆載加壓糾傾法

  堆載加壓糾傾法就是通過在沉降較小側堆載,對于淺基礎就是使其產生附加沉降(圖11a),對于樁基礎則是使樁產生樁身負摩阻力(圖11b)。由于該方法產 生附加沉降或樁身負摩阻力需要堆載較大,而且糾傾時間較長,所以在具體的糾傾過程中往往作為一種輔助方法與其他糾傾方法聯合使用,如比薩斜塔和某軟土地基 上的建筑物糾傾中與掏土糾傾法聯合使用。

圖11 堆載加壓糾傾法示意圖

(2)卸荷加壓和增層加壓糾傾法

 

  卸荷加壓糾傾往往是通過對沉降較大一側基礎卸荷和在沉降較小一側堆載的聯合方式進行糾傾(圖12a),而增層加壓法則是通過改變上部荷載分布的方式(即增加沉降較小一側荷載)來進行糾傾(圖12b)。

圖12 卸荷加壓和增層加壓糾傾法示意圖

 

 

  ④樁基卸載糾傾法

  樁基卸載法就是通過人為方法使沉降較小一側的樁或承臺產生沉降,從而達到糾傾的目的,包括樁頂卸載、樁身卸載、樁尖卸載和承臺卸載等糾傾法。

  (1)樁頂卸載糾傾法

  對端承樁、摩擦端承樁宜采用樁頂卸載法,即說的截樁法,將所需砍去的樁頭與底板的聯結處斷,或者將樁周底板四周鑿穿約200mm寬的縫,斷縫中鋼筋,使樁 與承臺完全脫離,待糾傾完成后重新做樁頭與底板的連接。斷樁施工前應在樁頸下部加約束鋼箍,以防樁體破壞過量造成難以控制的情況。同時在各樁邊準備足夠的 鋼墊板,從沉降量小的一側開始順次鑿去樁頸周圍混凝土,并隨鑿隨墊鋼板,以防變形過大,如此不斷重復,直至達到所需沉降量。糾傾完畢后,在樁頭破壞處設加 強鋼箍與承臺一起澆搗混凝土,形成擴大樁頭(圖13)。

圖13 樁頂卸載糾傾法示意圖

(2)樁身卸載糾傾法

 

  對于摩擦樁宜采用樁身卸載,即通過對沉降較小一側的土方開挖暴露該部位樁體上部(圖14),增加樁體下部和樁端的荷載,從而引起沉降達到糾傾的目的。由于采用該方法糾傾需要時間比較長,且工作量比較大,往往需要與其他方法聯合使用。

圖14 樁身卸載糾傾法示意圖

 

 

  (3)樁尖卸載糾傾法

  對于樁長比較短的樁基礎,可以采用樁尖卸載糾傾法,通過在沉降較小一側樁基礎周圍打斜孔(圖15),掏出樁尖下部土體,促使樁基沉降進行糾傾。

圖15 樁尖卸載糾傾法示意圖

(4)承臺卸載糾傾法

 

  對計入承臺效應的樁基礎,可采用承臺卸載,通過對承臺底取土(圖16),也可以將底板鑿穿約20cm寬的縫,截斷縫中鋼筋,從而使這部分承臺以及承臺下的樁失去承載作用,這部分承臺以下的樁承受的荷載轉移到周圍其他樁上,使樁體下沉達到糾傾的目的。

圖16 承臺卸載糾傾法示意圖

⑤頂升糾傾法概述

 

  頂升糾傾法將千斤頂設置在基礎梁的頂部或圈梁底下,再用千斤頂將整個建筑物頂升而達到糾傾的目的。常見的頂升法有托梁頂升糾傾法(圖17)、靜壓樁頂升糾傾法(圖18)。頂升糾傾設計時中關鍵在于托換體系的設計、頂升荷載和頂升點的確定,保證在頂升過程中整體結構的安全。

圖17 托換梁頂升糾傾法 圖18 靜壓樁頂升糾傾法

由于頂升糾傾法需要克服上部荷載作用,實施時往往困難比較大,所以《規范》明確規定頂升糾傾適用于上部結構荷載較小、不均勻沉降較大、以及殊工程地質條件的建筑物糾傾,磚混結構建筑物頂不宜超過7層,框架結構建筑物頂升不宜超過8層。

 

  ⑥壓密注漿與膨脹糾傾法

  (1)壓密注漿頂升糾傾法

  頂升效應是隨著注漿過程中漿液對土體作用方式的改變表現出來的,一般認為壓密注漿一般都會經歷兩個過程:

  Ⅰ在注漿的初期,出漿口周圍土體的壓縮空間較大,漿液將在出漿口附近土體中形成圓柱狀漿泡,漿液對土體以水平擠壓為主

  Ⅱ隨著漿液體的增大、漿液對土體的擠壓力的上升,漿液在土體中發生水平劈裂,形成漿脈之后,漿液對土體的作用方式以漿脈對土體的豎向擠壓為主

  后者是產生頂升力出現頂升效果的主要階段,該階段土體中的豎向壓力超過水平壓力成為最大主應力,宏觀的表現就是漿液對土體產生了較大的向上頂升力,達到抬升基礎的效果。

  (2)膨脹糾傾法

  膨脹糾傾法就是用機械或人工的方法成孔,然后將不同比例的生石灰(塊或粉)、摻合料(粉煤灰、爐渣、礦渣、鋼渣等)及少量附加劑(石膏、水泥等)灌入,并進行振密或夯實形成石灰樁樁體,然后利用石灰樁遇水膨脹機理進行糾傾。

  石灰樁法具有施工簡單、工期短和造價低等優點,混合膨脹材料的方法對于濕陷性黃土地區偏移建筑物的糾傾和地基加固,具有明顯的技術效果和經濟效益,目前已在多個糾傾工程中應用。

  5 特殊建筑物的糾傾

  ①煙囪糾傾

  煙囪的特點在于其高度高、平面面積小、整體剛度大,由于偏心導致煙囪重心比較高,糾傾施工時可能使得回傾速度較快,這一點在施工時應特別注意,否則可能導致糾傾量大。根據場地條件和煙囪基礎情況,煙囪的糾傾常采用多種方法綜合施工,如堆載法、降水法、掏土法等。

  ②高層建筑物糾傾

  高層建筑物荷載大,基礎形式一般采用片筏基礎、箱型基礎或者樁基礎。對于高層建筑物糾傾,應首先對建筑物的現狀進行檢查和鑒定,考慮該建筑物是否有糾傾的技術條件和經濟價值,切勿盲目施工。高層建筑物常見的糾傾方法有掏土、截樁、斷柱等。

  ③古建筑物糾傾

  古代建筑物最常見的就是古塔、廟宇、樓閣、民居、古堡等,由于其建造年代久遠,由于先天性不足或者人為破壞和自然破壞導致地基不均勻沉降,從而導致塔體傾 斜。由于古建筑物整體剛度和基礎剛度比較差,所以在糾傾之前往往需要對其進行結構和基礎加固,如意大利比薩斜塔、都江堰奎光塔、眉縣凈光寺、蘭州白塔等古 建筑物的糾傾。古建筑物最常見糾傾方法為掏土(磚)糾傾,當然大分情況下都需要與其他糾傾方法聯合,與堆載預法、局部頂升法等。無論采用何種方法對古建筑 物糾傾,都必須遵循以下原則:

  (1)應保證在糾傾過程中古建筑物變協調,不產生附加應力,避免古建筑物的進一步壞

  (2)在糾傾過程中回傾速度、方向可控,不應產生突然下沉,影響建筑物的安全

  (3)應滿足古建筑物的糾傾精度要求,并保持其長期穩定

  6 建(構)筑物糾傾監測和信息化施

  建筑物糾傾過程中的信息化施工除了作好跟糾傾建筑物及相鄰建筑物的傾斜、沉降和裂縫外,還要密切觀測周圍地面沉降、隆起和裂縫以及場地地下水位變化。對建 筑物實施糾傾措施后宜每天監測一次。對重要工程或危險性較大的糾傾工程,宜采用計算機智能控制系統,跟蹤監測。現場監測系統應設置預警裝置。糾傾工程的設 計和施工人員通過反饋的觀測數據信息,及時調整糾傾方案,保證糾傾的成功。

  7 本人感想

  建筑物糾傾工程是一個復雜的系統工程,技術難度高,同時還是一個風險比較大的工作,一旦糾傾失敗將造成嚴重的影響,造成較大的經濟損失。如果糾傾的措施控制不當,建筑物受力不均勻,可能引起上部結構開裂甚至破壞。

  因此,在進行糾傾工程時需要進行詳細的論證,查清建筑物傾斜的原因,采取正確的糾傾方法。正因為如上原因,我們才有必要去認真研究糾傾技術,加強監測力度,確保糾傾工程的成功。

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