黃土地基剛度軟化法迫降糾傾技術應用研究

周 軍

1 工程概況

1.1 建筑物平面

某新建教學綜合樓，位于蘭州市龔家灣，總用地面積19 098m2，建筑面積 18 615m2。框架結構，加氣混凝土砌塊填充墻，1層建筑面積為3 920m2，建筑物高度25.8m。地上6層，局部 7層，平面布置復雜，大體呈“L”形(見圖1)。

建筑物按功能分五個獨立區，A區為辦公樓，B區為小教室區，平面呈34m×22m的矩形，C區為主樓綜合區，平面呈異形，長42m，柱距開間5m～6m，D區為大教室區，E區為大型階梯教室，平面為半徑33m的1/4圓。五個區之間均設置寬度為 150mm的變形縫。工程抗震設防烈度為 8度，框架抗震等級為二級，建筑抗震設防類別為丙類。設計基本地震加速度 0.2g。結構的設計基準期為 50年，使用年限 50年。

1.2 場地土及基礎

工程的地基土質結構復雜，地基土主要由雜填土、黃土、粉細砂及卵石四層組成，其中雜填土厚12.4m～28.7m，以建筑垃圾、生活垃圾為主，黃土厚3.1m～17.6m，粉細砂厚0.2m～0.5m，卵石層埋深16.1m～32.4m，卵石層的承載力fak=800 kPa。

A區基礎為人工成孔灌注樁，部分為機械成孔灌注樁;B區，C區，D區為筏板基礎;E區為機械成孔灌注樁。樁混凝土強度等級為C30，筏板基礎混凝土強度等級為C30P6。

1.3 建筑物結構變形

主體工程施工至 5層時，筏板基礎已經發生不正常變形，B，C兩個單元的變形縫縮小，在第 6層施工時，由于變形縫處無法正常支撐模板，有意將B單元的定位軸線向南側偏移，直至主體結構封頂，B，C兩個單元在第 5層變形縫處緊挨在一起，變形縫徹底喪失應有的功能。

A，E單元沒有發生不均勻沉降，D單元的東南角的下沉量為16mm。C，D單元筏板變形的坡度一致，B，C單元筏板變形的坡度反向，在變形縫對應的位置東端基礎沉降最嚴重，與A單元相比沉降量達149mm。B，C，D三個單元筏板的最大沉降率依次為3.7‰，0.5‰和0.4‰。C單元筏板西側在樓梯(小圓弧)處上翹3mm。

2 原因分析

1)水的作用是結構產生病害的誘發因素。2007年 8月中旬，建筑場地南側離建筑物 100m開外處現場臨時用房的墻體開裂，地基下陷，成為危房，以至于拆了重建。后重建的臨時房屋又出現墻體開裂，地基下陷，成為危房。同時，附近的場地顯著下陷。直到 10月下旬開挖后發現，該處的地下排水管道斷裂，大量的水浸入垃圾土層。2)降低工程成本的思想使結構方案偏重于節約。甲方在結構基礎選型的技術上參與導向性意見。為了節約建設投資，在垃圾土層的地基上建議采用工程造價相對較低的筏板基礎。當然，在防水措施到位的前提下，垃圾土層的筏板基礎是可行的。3)意識先入為主。由于建筑物和臨時房屋建造在垃圾土層上，故對現場臨時用房的墻體開裂、地基下陷等現象認為是正常的，沒有引起足夠的重視。4)不利的地理位置。地下排水管道斷裂的位置處于渾溝地勢較高的地方，而擬建建筑物位置處于渾溝地勢較低的地方，即地勢特點容易使浸入水在土層中流動。5)結構荷載不均勻。在B區的主體為 5層，靠C區的位置為局部 6層，B區，C區的變形縫兩側是兩道圍護墻。二者均造成結構的荷載不均，致使地基應力分布不均，有助于不均勻變形的產生。

綜合上述因素的共同作用，建筑物B區，C區之間的變形縫從下到上由大變小，在 5層頂部的結構相接觸，互相間的擠壓作用導致個別構件和墻體產生裂縫。設計的變形縫已經完全失去作用。

3 方案選擇

3.1 糾傾途徑

建筑物B區，C區，D區的基礎是一個整體筏板，在B區，C區筏板的變形呈V形，要讓B區，C區建筑物的變形縫恢復正常，技術途徑只有兩條:1)頂升，使V形的中部抬高;2)迫降，使V形左部的地基降低。如何使整體筏板中部已經下沉的量通過頂升進行恢復是一個難度不小的課題。若用膨脹材料進行頂升，在不破壞筏板的前提下材料無法抵達;若采用設備頂升，又沒有合適的反力點支撐設備。經過課題組充分討論，綜合各種因素，決定采用迫降法。

3.2 迫降技術

迫降技術有三種，即解除應力方法、附加應力方法和軟化地基土體剛度法。試驗結果表明，在黃土地區，解除應力法的糾傾效果最差，附加應力法次之，軟化地基土體剛度法最佳，且前兩者對糾傾的反應不敏感，即對糾傾過程不易控制，后者對糾傾的反應很敏感，即通過檢測結果依靠地基土體剛度的變化容易對糾傾過程進行控制。由于解除應力法和附加應力法是軟化地基土體剛度法的前提，故決定以解除應力法和附加應力法為輔，以軟化地基土體剛度法為主。

3.3 糾傾目標

原設計變形縫的寬度為150mm，目前在頂層實際為零，當使得變形縫的寬度達到150mm時，即B，C豎向平行，但需要使建筑物在B區出現反坡，當B區垂直時，變形縫的寬度只能達到130mm，使建筑物在B區出現反坡非建筑物所需。故確定僅僅對建筑物B區采取迫降糾傾措施，糾傾目標為使B區，C區變形縫接近130mm為宜。

3.4 施工工藝

第一步，布置觀測點。第二步，在B區建筑物較高側用挖掘機開挖深度為5.5m的直角梯形槽(保守0.5m);觀察至少2 d后，確定保守量的處理。第三步，在槽內的-4.5m以下開挖直徑為120mm，中心距為500mm，深度為15 000mm的水平孔，觀察至少 2 d后，確定水平孔是否加密加深。第四步，在水平孔內進行注水—修孔—注水等技術過程的循環，直至完成糾傾任務。第五步，回填水平孔，夯填豎向槽。

4 實施與效果

4.1 應力解除法

將建筑物 B區的南側沿著東西方向挖開一道長略大于B區縱向墻體長度、上口寬 6 000 mm、下口寬 3 000 mm、深度為4 500mm的直角梯形截面的槽，連同準備耗時 5 d。

連續觀測3 d(累計8 d)，B區，C區沒有反應，糾傾效果為零。究其原因有:1)應力解除的深度不夠，即直角梯形截面的槽淺，應力解除不徹底。鑒于該建筑物特殊的地基層，應力解除的深度只能設在換填土層的底部;2)建筑物基礎的剛度大，足以抵抗由于應力解除引起的地基變形;3)換填土層的承載能力高，應力解除對現有地基土體影響不顯著。

4.2 應力附加法

不計應力集中的影響，采用圓形水平孔均勻減少原有地基有效面積的方法進行地基應力的附加。水平孔高度位置在灰土層底層以下300mm處。

單獨附加應力的工作進行了4次，耗時43 d(累計51 d)。附加1的孔徑為110mm，間距600mm，附加2只是延長了孔身，附加 3采用隔一加一的方法，使面積減少的相對量達到 27%，附加 4采用加倍的方法，使面積減少的相對量達到 36%。

附加應力法使結構的地基下沉5 mm，由于B，C單元的變形縫處發生等量的下沉，故B單元的回傾效果為零。

附加應力法迫降糾傾效果與地基土體應力飽和度有關，飽和度越高，迫降糾傾效果越顯著。反之，則不顯著。

4.3 地基土體剛度軟化法

在應力附加技術的基礎上給水平孔內按照一定的方式注入一定量的水，使地基土體剛度軟化，引起地基變形，迫使傾斜結構物回傾。這種迫降糾傾技術叫做地基土體剛度軟化法[5]，簡稱剛度軟化法(以下同)。

在面積減少的相對量達到 36%的基礎上，應用地基土體剛度軟化法，即給水平孔內注水，使建筑物較高側繼續沉降。首次注水6m3，連續觀察3 d(累計54 d)，最大沉降量累計為12mm。在理想狀態下，B單元結構物整體應該以 B，C單元變形縫為轉動軸產生轉動，即 B單元結構物整體開始回傾。實際上，B單元結構物整體沒有以B，C單元變形縫為轉動軸產生轉動，而是B單元較高側與較低側產生著相同的沉降量，故B單元的回傾效果繼續為零。水平孔里面塌陷，無法繼續注水。

4.4 “附加—軟化”重復交替

重新成孔，第二次注水6m3，B單元較高側下沉8mm(累計下沉20mm)，建筑物回傾2mm(累計2mm)，耗時12 d(累計66 d)。

又經過 6次成孔、注水的重復交替，累計耗時共計 152 d，B單元較高側下沉累計最大量170mm，建筑物回傾累計137mm，B單元地面橫向出現了微小反坡，連續觀察 7 d后，建筑物地基穩定，不再產生下沉。接著用了 5 d時間夯填了水平孔和應力解除的槽。至此，歷時167 d，B，C單元變形縫的功能恢復正常。

5 結語

1)應力飽和度對應力附加法糾傾有直接影響，應力飽和度越大，越有利于糾傾。2)迫降糾傾的三種技術中，對于黃土地基，應力解除法和應力附加法的糾傾效果都小，剛度軟化法的糾傾效果顯著，與室內試驗研究結果相似。3)監測工作在糾傾中的作用非常重要。測量手段是糾傾工程技術人員的眼睛，通過它可以“看到”建筑物整體的回傾狀態;結構應變檢測是糾傾工程技術人員的神經，通過它能夠“感到”建筑結構局部的受力狀態。

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