上海某柔性框架結構房屋的糾偏加固技術應用研究

余 楠

（同濟大學，上海 200082）

0 引言

建筑物糾偏技術是建立在土力學基礎上的一項工程技術。建筑物傾斜的主要原因是基礎下地基土質松軟，或土層承載力不一，再加之建筑物本身荷重分部不均，導致基礎不均勻沉降，使建筑物發生傾斜。因發生傾斜的建筑物或構筑物所處環境以及所有權人的經濟狀況多有不同，因而采取的糾偏技術不可能千篇一律，要因地制宜，具體問題具體分析，采取合理可行的施工方案。本文基于整體剛度偏弱的某柔性框架結構糾偏實際案例，為保證糾偏過程中的房屋結構穩定及避免相鄰柱間的過大沉降差。設計了完備的糾偏工藝：采取增設支撐的方式提高房屋剛度加強房屋整體性，通過掏土糾偏與基礎托換法相結合的方式，在掏土過程中加強信息化施工，控制整體的矢高差及相鄰柱間的矢高差，降低不均勻沉降對上部結構件產生附加作用，最終保證了糾偏過程中的結構安全并使得房屋回正。

1 工程概況

上海桂林路某房屋是 20 世紀 80 年代建成的四層廠房，房屋平面呈矩形，東西向長度約 54.0 m，南北向寬度約 37.5 m，總建筑面積約為 8 100 m2，建筑高度為22.5 m。其一層平面圖如圖 1 所示。

圖1 房屋底層平面圖（單位：mm）

該廠房為鋼筋混凝土框架結構（預制裝配式），樓面板與屋面板均為預制槽形板。預制框架梁柱節點連接方式有：橫向框架柱設鋼筋混凝土牛腿，框架梁梁端頂部設鋼板與柱側預埋件焊接，底部設角鋼與牛腿頂部預埋件焊接，形成半剛性連接節點；縱向連系梁通過柱側鋼牛腿擱置在柱上，梁端頂部設鋼板與柱側預埋件焊接，底部設角鋼與牛腿焊接。具體節點示意圖如圖 2、圖 3 所示。

圖2 橫向框架梁柱節點

圖3 縱向框架梁柱節點

房屋基礎為鋼筋混凝土雙向條形基礎，柱下設杯口，東西向基底寬度 1.6 m 和 4.0 m，南北向基底寬度為 2.0 m。基礎采用 200 號（C 18）混凝土。

根據房屋質量檢測報告，房屋現狀主要表現為房屋呈現西北側低、東南側高的規律，按相對高差推算，房屋整體向西傾斜 12.44 ‰，向北傾斜 3.40 ‰，傾斜率超出了危房鑒定標準［1］的限值 10 ‰ 的要求，所以應當對該建筑物基礎采取有效的糾偏措施。

2 場地地質條件

按照本工程勘測資料可得，該建筑物持力層為第 2 層褐黃色黏土，第 3 層土缺失，下臥層（15 m 深度范圍內）為灰色淤泥質黏性土，對沉降控制較為不利；本工程地質條件如表 1 所示。

表1 各層土物理力學指標表

3 糾偏方案及計算分析

3.1 糾偏方案

根據本工程特點與以往經驗，本次采取掏土糾偏法與基礎托換法相結合的方式進行糾偏加固。

掏土糾偏法［2］是利用基底軟土強度低且變形大，在上部荷載加荷速率過大的情況下，造成基地軟土側向擠出，用以調整建筑傾斜和變形的原理。

基礎托換法［3］是對既有建筑物的地基土因不滿足地基承載力和變形要求，而進行地基處理和基礎加固的方式，該方法施工方便，作業面小，施工時不停產，適用于密集建筑群中。上海地區普遍使用的加固方式是樁式托換。

本次采用的糾偏方式有鉆孔掏土及靜壓錨桿樁兩種，在掏土過程中為了掌握基礎下沉和傾斜情況，需使用精密儀器在基礎四周設觀測點進行觀測，做到信息化施工［4］。

同時，由于房屋為橫向半剛接、縱向鉸接的柔性框架體系，整體性差，相鄰柱基的聯動性較差，糾偏過程中可能會出現房屋整體回正，產生房屋內部局部柱傾斜過大的情況，額外引起柱身P～Δ 效應，對結構產生不利影響。因此，本次采用的方式為增設柱間支撐以提高房屋整體性。柱間支撐布置圖如圖 4、圖 5 所示。

圖4 房屋支撐布置平面圖（單位：mm）

圖5 典型柱間支撐立面圖（單位：mm）

3.2 基礎加固方案

本案例中，在掏土糾偏過程中，對原有地基土進行了較大擾動。為避免后期產生過大沉降和加大原地基的承載力，本工程采用增設錨桿靜壓樁，使該建筑上部荷載由錨桿靜壓樁與天然地基共同承擔，但錨桿靜壓樁的主要作用是控制建筑物后期沉降及差異沉降。

本工程中，設計樁樁型為直徑 250 mm×250 mm，樁長 30 m 的錨桿靜壓預制方樁。樁基持力層為 ⑤1層黏土；每節樁長 2.5 m；樁數為 216 根，單樁承載力設計值為 340 kN，以樁長或以壓樁力作為壓樁控制標準。

3.3 糾偏目標

1）采用掏土方法進行糾偏，控制房屋糾偏加固后平均傾斜率滿足規范要求。

2）通過采用錨桿靜壓樁對原基礎進行拖換，使建筑物上部荷載經由錨桿靜壓樁傳至深層較堅硬土層，以避免建筑物后期沉降過大或差異沉降，避免房屋復傾。

3.4 計算復核

3.4.1 糾偏前后房屋重心校核

為保證糾偏方案的科學性和可靠性，本次采用中國建科院 PKPM 軟件的基礎模塊 JCCAD 進行了結構基礎糾偏前后的計算分析，地基土反力保守取 80 kPa。并以此計算房屋糾偏前，上部結構形心和地基土反力中心位置。經驗算可知上部結構形心與地基土反力重心基本重合，符合規范要求。

根據糾偏方案，采取掏土迫降與靜壓錨桿樁相結合的方式進行糾偏加固，并以此驗算糾偏完成后房屋后樁中心和上部形心也基本重合，符合規范要求。上部荷載約 61 % 由樁承擔。考慮到該房屋的后期沉降不易控制，大部分荷載由樁承擔是很合理的。

糾偏前后房屋重心校核計算如圖 6、圖 7 所示。

圖6 糾偏前北樓計算結果

圖7 糾偏后北樓計算結果

3.4.2 迫降量計算

本建筑整體呈向西北傾斜的趨勢，擬將建筑物糾偏至整體傾斜率控制在 3 ‰ 左右，最終迫降量可由式（1）、式（2）計算，糾偏迫降示意圖如圖 8 所示。

圖8 糾偏迫降示意圖

式中：Sv為建筑物糾偏迫降量，mm；Sh1為建筑物頂部水平位移偏移值，mm；b為建筑物糾偏方向寬度，mm；Hg為建筑物高度，mm；Sv′建筑物糾偏最終調整的迫降量，mm；Sh為建筑物頂部水平位移設計控制值，mm；a為預留沉降值，mm。

根據建筑物傾斜資料，由上式可計算得出房屋東西向和南北向的最終迫降量約 487 mm 和 76 mm。

3.4.3 掏土量計算

鉆孔掏土量可由式（3）計算：

式中：Q為表示鉆孔掏土量，m2；k為經驗系數，軟土地區一般為 0.2～0.3；a、b為表示建筑物基礎地面的長度和寬度，m；sv為表示建筑物糾偏最終調整的迫降量，m。

由此可估算北側主樓掏土量約為 342 m3，南側附樓掏土量約為 82 m3，由于軟土自身的蠕變特性，最終的掏土量需根據實際情況和現場監測情況調整，不同位置掏土量應根據傾斜情況靈活調整，使每天的糾偏迫降量不超過 5.0 mm。具體掏土布置圖如圖 9、圖 10 所示。

圖9 房屋掏土布置圖（單位：mm）

圖10 掏土做法示意圖（單位：mm）

4 施工總控制計劃及項目實施難點與重點

4.1 施工總控制計劃

本工程糾偏加固后控制總的傾斜率＜3‰，并使得房屋回正后，在后續使用過程中，房屋沉降總體趨于穩定。

4.2 糾偏難點與對策

1）主樓房屋體量大，整體面積約 9 700 m2，單層面積約 2 400 m2，各點糾偏沉降要相對統一，最高點及最低點高差大。

2）主樓為裝配式框架結構，整體性很差，糾偏時很難做到整體下沉，需要對每個柱下進行掏土。

3）掏土量太大破壞房屋整體性，因此需 6 套糾偏設備同時施工，也可根據掏土的效果適當增減掏土設備。

由于該房屋整體性差，故在房屋框架柱間增加人字形柱間支撐提高整體性以帶動相鄰柱基迫降。考慮糾偏過程中結構的整體穩定性及后續加固要求增設柱間支撐，因房屋為既有結構，新增柱間支撐與既有混凝土梁采用化學螺栓連接。連接節點示意圖如圖 11、圖 12 所示。

圖11 新增支撐底部與既有混凝土梁連接節點

圖12 新增支撐頂部與既有混凝土梁連接節點

4.3 糾偏重點與注意事項

在糾偏過程中，嚴密監測各柱沉降量，做到信息化施工，避免上部結構因各機臺施工不同步，而造成局部開裂及產生裂縫；日沉降量控制 2～5 mm/d，每柱設沉降觀測點，計算每柱的沉降量，并在糾偏過程中，實際測量值與理論值比較，做到及時調整糾偏順序及節奏。

糾偏過程中由于產生較大沉降，不可避免出現上部結構裂縫［6，7］，對于縫寬達到 1 mm 的裂縫，這時必須采用化學注漿法對出現裂縫的構件進行修補，使其恢復剛度，達到正常的承載力。

5 房屋糾偏施工流程

根據前述糾偏方案，本次房屋糾偏施工將分為如下工況進行施工。

5.1 工況一：沉降觀測

首先對沉降觀測點（每根柱上距地 50 cm 設置一個觀測點）進行核實、補設，做初始觀測，其次復核初始傾斜率，并將沉降傾斜觀測位置繪制成平面圖，將沉降觀測點以編號標出，做初始化沉降傾斜觀測記錄表，并依據糾偏程度，確認每個點的最終沉降量作為控制值。

5.2 工況二：錨桿樁施工

先對 H 軸/15 軸、G 軸/15 軸、H 軸/16 軸進行壓錨桿樁施工，其中先對 H 軸/15 軸錨桿樁進行封樁；其他兩個樁位依據沉降情況，在過程中封樁。

5.3 工況三：鉆孔掏土

先在 24 軸東側進行掏土；待錨桿樁封樁一周后，再在 1/B 軸布置一套設備掏土。在北樓房屋內安排 3 臺設備糾偏。掏土孔直徑、深度由東向西逐漸減少，嚴密監測，使各點沉降量前期控制在 4～5 mm/d，后期控制在 2～3 mm/d，并逐漸減少至符合糾偏要求。

5.4 工況四：過程調整

中間過程觀測每個點的沉降值，按原計劃的最終沉降值的線性變化確認現沉降合理性，如實際值與理論線性插值得出的沉降值偏差超過 2 cm，要作掏土位置及掏土量調整的方案。

5.5 工況五：精細計算

中間過程定時觀測每個點的沉降值，按原計劃的最終沉降值的線性變化確認現沉降合理性，并且由于房屋為柔性框架，相鄰柱基之間沉降差相差較大，基礎下沉總體呈中間高，兩端低的情況，具體變形情況如圖 13、圖 14 所示。施工過程中需要實時監測基底矢高Δ，當Δ 未達到 7 cm 時，對房屋基礎最東點進行掏土，當Δ達到 7 cm 時，發現房屋內部預制板現澆層出現裂縫，故立即對基底曲線矢高最大點進行掏土，后續均以 7 cm 作為房屋矢高最大值進行控制，如此來回往復調整，直至達到預期糾偏目標。糾偏時以整體曲線矢高來控制糾偏對上部結構的整體性能影響，局部影響以相鄰柱間的沉降差進行控制。

圖13 掏土變形控制圖

圖14 基底變形示意圖

5.6 工況六：后期封錨

待糾偏達到 4 ‰ 左右，施工錨桿靜壓樁，待糾偏到達 3 ‰ 左右，由西向東逐漸封樁。

5.7 工況七：孔口灌漿

在掏土孔中填中粗砂，并注漿回填掏土孔，注漿量約為 30 kg/m P.O32.5 水泥。

圖15 施工過程中實測變形圖

現房屋已糾偏完成，完成后房屋各項數據均滿足前述控制目標，且在對房屋的后續沉降監測中未發生明顯不均勻沉降，糾偏前后房屋傾斜量如表 2、圖 16、圖 17 所示。

圖16 糾偏前后傾斜量折線圖（東西向）

圖17 糾偏前后傾斜量折線圖（南北向）

表2 糾偏前后房屋傾斜量對比表

6 結語

對于柔性框架結構，為保證糾偏過程中的房屋結構穩定及避免相鄰柱間的過大沉降差，可采取增設支撐的方式提高房屋剛度加強房屋整體性，通過掏土糾偏與基礎托換法相結合的方式，在掏土過程中加強信息化施工，控制整體的矢高差及相鄰柱間的矢高差，降低不均勻沉降對上部結構件產生附加作用，保證糾偏過程中的結構安全并使得房屋回正。目前該房屋使用情況較好，后續無復傾情況發生，達到預期效果。Q