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岩土研究院

【加固纠偏工程案例】建筑物纠倾技术

220 2023-08-29 10:27:16

近年来由于多种原因,一些建筑物发生倾斜,严重影响正常使用,甚至危害用户安全;也有一些古老的建筑物发生了倾斜。正确分析建筑物发生倾斜的原因,提出合理可行的纠倾方案,采用简便、易行的施工方法,尽快将建筑物纠倾扶正,再通过加固修缮,以较小的工程费用支出(相当于原造价的20%~30%)挽救倾斜的建筑物,是利国利民的好事。


1、导致建筑物倾斜的原因‍


(1) 地基软弱,如持力层为饱和软粘土、淤泥或淤泥质土等欠固结土层,在建筑荷载(特别是偏心荷载)作用下,极易发生过大的沉降或倾斜。

(2) 两建筑物相距过近,使地基中附加应力叠加,地基沉降量加大而导致建筑物的相互倾斜。

(3) 由于管道漏水、地面积水、室外污水井倒灌等,使房屋地基浸水湿陷,建筑物倾斜。这种情况在填土或湿陷性黄土地基发生的颇多。山西长治某工厂的100m高烟囱,因一侧的黄土地基浸水湿陷,烟囱倾斜达153cm。

(4) 在已有建筑物附近施工并降低地下水时,引起相邻房屋地基失水固结,建筑物发生倾斜。在地下水位较高的各类土中(除砂卵石地基外)均易发生,如兰州某住宅楼因相邻建筑物施工降水而发生39cm的倾斜。

(5) 地下洞穴如石灰岩溶洞、土洞、墓穴、地下巷道以及地下铁道工程等,其地面可能发生沉降,使建筑物发生倾斜甚至开裂。山西某车站水塔由于基础附近有基穴且长期积水,使水塔倾斜64cm。

(6) 地基勘察工作失误,地基主要受力层范围内有厚薄不均的软弱土夹层,使建筑物下沉量大小不均,发生倾斜。

(7) 基础设计方面的错误,如选型不当以及施工质量低劣而使建筑物倾斜。青岛某烟囱,设计时选择错误基础方案,桩数过少,并有许多断桩,导致50m高烟囱倾斜112cm。

(8) 山区或丘陵地区,有大面积回填土时,由于地基土层软硬不均,引起建筑物倾斜,甚至开裂。

(9) 在建筑物内外大量堆载,使地基承受较大的附加压力,引起基础沉降,建筑物发生倾斜。

(10) 由于山体滑坡、地震液化等自然灾害引起建筑物的倾斜。如日本神户大地震使位于山坡上的大批建筑物滑胡破坏。

(11) 在深基坑开挖中,由于支护结构破坏,使相邻建筑物倾斜或倒塌。如广州市东风路一建筑的深基坑(17.5m),因支护结构破损,引起相邻三幢两层楼房相继倾斜和倒塌。

(12) 由于建筑施工放线错误,使相邻建筑物的基础重叠相压,引起建筑物倾斜。图9-24-l为三河市一居民楼基础和相邻水塔基础重叠相压,使水塔倾斜40cm。

(13) 在淤泥或饱和软粘土地区,由于拆除建筑群中某一栋旧建筑物,使得已经平衡稳定的地基因局部卸载,在周围建筑物地基的侧向挤压下发生隆起,从而引起相邻建筑物的倾斜。图9-24-2是汕头市某广场上原有一座古建筑拆除后,使周围建筑发生严重倾斜的情形。

(14) 修建在河流、湖泊、水塘岸边的建筑物,如在地基土层中含有淤泥、软土夹层,受压后发生侧向流动挤出,造成地基下陷,建筑物倾斜、破损。

(15) 此外,如在软土地基上施工时,加荷速率过快,导致地基挤出破坏而引起房屋的倾斜;采用桩基础的建筑物,桩尖持力层软硬不均时,造成桩基础的差异沉降而引起建筑物的倾斜;或者由于上述多种原因综合作用,均可导致建筑物倾斜或破坏。


2、建筑物纠倾方法的合理选择‍


根据倾斜原因,选择合理的纠倾方法,是制定好纠倾技术方案、确保纠倾工程成功的重要前题,选择纠倾方法时,应注意以下各点:

(1) 为避免采用迫降法造成的室内净空减少、室内外管线标高改变所带来的一系列问题,并降低工程造价,应尽可能选用抬升法。

(2) 对因管道漏水或其他原因地基渗水而引起建筑物的倾斜,可采用浸水法或掏土法。浸水时要控制浸水量,掏土时要避免突然下沉现象。

(3) 对饱和软粘土或含水量较高的砂性土地基上由基坑开挖、降水引起的倾斜,可在建筑物的另一侧降水(井点管、滤水管、沉井、大口径井),使建筑物回倾。

(4) 在软土地基上倾斜的建筑物,可用软掏土法纠倾(如应力解除法),但应控制回倾速率。

(5) 对于粉土、粉质粘土、粘土等地基上的倾斜建筑物,用其他方法难于奏效时,可采取辐射井纠倾法。

(6) 位于砂土或砂性填土地基上的建筑物发生倾斜时,可采用局部振捣液化法使地基发生瞬时液化,造成基础下沉而达到纠倾的目的。

(7) 由于建筑物自重偏心引起倾斜时,可采用增层(或加载)反压纠倾法。

(8) 当采用桩基础的建筑物倾斜时,可用桩体卸载法或桩顶卸荷法纠倾。

(9) 如地基下沉量过大,软土层较厚,建筑物又具有较好的整体刚度时,要采用顶升法或横向加载纠倾法。

(10) 对于倾斜量较小的建筑物,可采用水平双灰桩法纠倾。

(11) 对在煤矿开采区或土层易发生斜向滑塌变形地区修建房屋时,施工时应预留纠倾条件,如预留砂垫层、顶升孔或锚杆静压桩孔等。

(12) 建筑物纠倾时,并不只是采用一种方法,根据其倾斜和地基土层特征,可采用两种或多种并用的纠倾方法,如锚杆静压桩及压重法,注水法和掏土法,辐射井法和应力解除法或双灰桩法等。

(13) 建筑物防止复倾加固,应选择有效的方法与纠倾同时进行。防复倾可采用双灰桩、灌浆、扩大基础底面积以及地坪缆板法等。


3、建筑物的允许倾斜值‍


当建筑的倾斜量已达到甚至超过允许倾斜值,且该建筑物尚具有纠倾扶正的经济价值和使用条件时,应进行建筑物的纠倾扶正。建筑物的允许倾斜值是重要的界限值,根据经验并参考有关规范的规定。


4、纠倾工程的技术方案制定‍


为取得纠倾工程的成功,制定纠倾方案时应注意以下几点:

(1) 在制定纠倾方案前,应对倾斜建筑物的上部结构、地基基础状况以及倾斜、裂缝产生的原因进行调查分析。2.对整体结构刚度差的建筑物,纠倾前要对原结构进行加固,以防止纠倾施工时破损甚至倒塌。

(2) 在制定方案时,要考虑建筑物地基在纠倾施工时可能产生的附加沉降,在纠倾施工时要加强现场观测。

(3) 在制定方案时,要考虑纠倾后再复倾的可能性,应采用有效加固手段做好防复倾的地基处理。

(4) 在制定方案时,选择的纠倾方法既要安全可靠、施工简便,又要经济合理,尽可能降低工程造价和缩短工期。

(5) 纠倾扶正施工前要进行现场试验性施工。以便选定施工参数,验证纠倾方案的可行性,进行必要的调整与补充,使其更加完善。

(6) 纠倾方案中应规定现场监测方式,监测点的设置,监测内容和手段,以便通过监测控制回倾速率和掌握纠倾复位结束的时机,预留出滞后回倾量。

(7) 纠倾方案中应有安全防护和报警措施,以确保纠倾施工的正常进行。

(8) 纠倾方案应对建筑物复位后房心土的回填、奔实、地坪做法以及墙体裂缝的修补等做出规定,这些都有利于建筑物整体刚度和抗倾复的能力,要通过分流措施降低原基础底面压力。.

(9) 房屋回倾后,应有3个月的稳定观察期,确认建筑物稳定后,再进行加固与修缮工程。.

(10) 纠倾方案中应明确竣工文件所包括的内容,如原纠倾设计方案、施工日记、试验性施工小结、现场监测及裂缝变化记录、鉴定和验收结论等,作为纠倾建筑物的技术档案予以保存。


5、建筑物纠倾方法介绍‍


近年纠倾技术有较大发展,常用的建筑物纠倾新技术有:浸水法、辐射井法、锚杆静压桩法、顶升法、应力解除法飞触变法、桩身卸荷法、降水法、静力压桩法等。


5.1、浸水纠倾法

这是在建筑物倾斜的一侧地基中注水,引起地基湿陷的纠倾方法。浸水纠倾法适用于含水量低于20%,湿陷系数(coefficientofco11apsibility)δs大于0.05的湿陷性黄土或填土地基上建筑物的纠倾工程,可选用注水坑、孔或槽等不同方式注水;注水纠倾前,应进行现场注水试验。注水试验坑(槽)与倾斜建筑物间距不小于5m,试验坑(槽)底部低于基础底面以下0.5m,通过试验确定渗透半径、注水量与渗透速度的关系。一栋建筑物的试验注水坑、槽不宜少于2处。


5.2、辐射井法

这是通过在倾斜相反一侧的室内外设置辐射井进行人工射水、排土纠倾的方法。该法适用于粘性土、粉土、砂性土或填土等地基上的独立、条形基础的建筑物的纠倾工程。此法是经过工程实践证明有广泛适用性的有效纠倾方法。

辐射井一般可采用圆形混凝土或砖砌沉井,井的内径不小于0.8~1.0m,井身的混凝土立方体抗压强度标准值不低于15MPa,砖的抗压强度不应低于7.5MPa,水泥砂浆标准立方体抗压强度不应低于5MPa。

辐射井应设置在建筑物沉降较小一侧的室内外,其数量、下沉深度和中心距应根据建筑物的倾斜情况、基础类型、埋深、场地环境以及基底下土层性质等因素确定。通过试验性施工取得本法所需的施工参数,是取得纠倾成功必不可少的条件。

辐射井应在井壁上设置射水孔与回水孔,射水孔为12cm×12cm,回水孔为6cm×6cm,射水孔位置应设在距基础底面下50~80cm左右,回水孔宜在射水孔下交错布置,沉井应封底,井底标高宜低于射水孔标高1.0~1.2m。

通过高压射水枪的射水排土,在基础下地基中,形成若平水平孔洞,使部分地基应力被解除,可引起地基土不断塌落变形,迫使建筑物沉降小的一侧地基不断沉降。由于成孔大小、深度、间距的可调性,该法能有效控制建筑物的回倾速率和变形量。该法的排土范围广,施工安全,不受天气变化影响?纠倾方法可靠。

高压射水泵工作压力及流量,一般应根据需要冲孔的土层软硬,在现场进行试验确定,每栋建筑物应不少于两组射水施工设备及人员同时施工,冲孔排土范围应贯通基础底下全宽度。在射水、排土过程中,应根据建筑物的整体刚度、基础类型、工程地质和水文地质等因素,确定建筑物的最大沉降速率,一般回倾速率应控制在5~15mm/d;完工后应继续对建筑物进行沉降观测,其时间一般不应少于l~2个月。射水井尚应回填337灰土分层夯实。在室内地坪标高1m以下范围内的射水井井壁应拆除。


5.3、锚杆静压桩纠倾法

这是在倾斜一侧建筑物基础上设置压桩架,凿桩孔,将桩压入地基中的纠倾方法。锚杆静压桩法适用于地基地层较软弱,没有孤石、树根以及持力层埋藏较浅的地基;设计铺杆静压桩前应对纠倾建筑物地基进行静力触探,Ps值应小于8MPa,查明地层分布情况,确定桩端持力层的位置。

锚杆静压桩的设计应包括锚杆直径、锚固长度的设计,桩尺寸选定,压桩孔,桩数及其排列,压桩力的确定,以及反力架、千斤顶等。

锚杆静压桩法还可分别与掏土、降水以及压重等辅助措施相配合进行纠倾。


5.4、顶升纠倾法

这是在倾斜相反一侧的墙或柱体上,设置若干千斤顶,以其顶升力进行纠倾的方法,它适用于建造在深厚的软土地基上建筑物的纠倾工程。顶升纠倾法是在建筑物的首层的柱或墙上设置顶升点,根据建筑物的总荷重与顶升力(千斤顶)的大小来确定顶升点的数目;顶升力是按墙体或柱承载能力来设计,对于多层砖混结构,一般顶升力控制在200kN左右;


5.5、应力解除法(钻孔排泥纠倾法)

这是在倾斜相反一侧,用钻机均匀钻孔,造成地基侧向应力解除,使基底下淤泥向外挤出,引起地基下沉的纠倾方法,它适用于建造在厚度较大的淤泥地基上建筑物的纠倾。

钻孔的布置和直径的选择,应根据建筑物场地的工程地质条件、掏十的次序、纠倾量的要求以及施工机具条件确定,孔径一般可选0.4~0.6m。钻孔内由基底向下3~5m深度范围内设置钻孔的套管,保护基底下的土体不直接向侧向流动,套管长度应根据掏土深度确定。施工时要根据建筑物回倾速率,有控制地钻取出套管下挤入钻孔的淤泥,促使地基沉降,建筑物回倾。


5.6、淤泥触变纠倾法

这是在倾斜相反一侧地基中,采用旋喷、定喷或摆喷等高压射水或振捣棒振动等引起淤泥触变(thixotropy),使其瞬时丧失强度,造成建筑物回倾的纠倾法,它适用于淤泥或淤泥质粘土地基上钢筋混凝土基础的建筑物纠倾。触变喷射孔位应选择在建筑物沉降小的一侧或直接设置在基底下。触变喷射孔位的数量和距离选择,应视建筑物纠倾量和地质情况确定,纠倾量小时可采用封闭式喷射孔;纠倾量大时选用连通式喷射孔。纠倾量可通过调整喷射孔距、触变深度、控制喷射压力和调整喷射时间等参数确定。


5.7、桩身卸荷法

桩身卸荷纠倾法是采用压力为20MPa高压水,喷射建筑物沉降较小一侧桩身的全部或部分,或冲松柱底土层,暂时破坏部分桩的承载力,促使桩基础产生下沉。达到纠倾要求时,还可根据土质条件,采用合适的加固方法,恢复桩基承载能力。采用桩身卸荷法纠倾时,应验算卸荷一侧桩承台的支承能力,防止建筑物产生不可控制的下沉。卸荷的桩数,可通过试算,结合现场施工和观测资料调整。纠倾量较大时应采取分阶段卸荷、分阶段沉降法,防止次应力对上部结构产生较大的影响。


5.8、降水法

适用于饱和土地基上的浅基础,且上部结构刚度较好的建筑物纠倾,其方法是在室外倾斜相反一侧地面上,通过设置沉井斗井点管、滤水管以及大口径降水井等,用泵排水,强制降低地下水位进行纠倾。

沉井一般采用圆形砖砌沉井或预制混凝土井筒,内径不于小1.0m,砖强度等级不应低于7.5MPa,水泥砂浆强度等级不低于5MPa;沉井下沉施工时,为减少井内积水,便于施工,可边抽水边挖土,水量较大时,可暂时用石灰砂浆封住浅水孔,达到设计标高后再启封使用。


5.9、静力压入桩纠倾法

静力压入桩纠倾法,适用于建在局部土坑、暗沟和古井等松软填土、淤泥土、含有透晶体地质条件地基上的条形与单独基础建筑物的纠倾工程,该法是以基础底面为反力支托,在基础下地基中压桩的办法进行建筑物纠倾。压人桩可选用15cm×15cm钢筋混凝土方柱或圆桩,桩长可根据开挖坑底标高的净空确定,采用分段接长的办法用硫磺胶泥接桩。

压入桩设计应包括桩径、桩长、桩尖持力层选择、桩的布置、单桩承载力确定、压桩力大小等,一般压桩力为单桩承载力的1.5倍。

建筑物纠倾是诊治病害建筑物的风险工程。通过现场调查提出有效、可靠的纠倾方案;根据开工前的试验性施工提取施工参数和在施工过程中的现场监测,调整施工进程和回倾速率;开裂严重的建筑物,纠倾前应做好建筑物的加固,防止纠倾过程建筑物严重破损或倒塌;纠倾后应做好防复倾的加固处理,恢复地坪工程也是防复倾、分流基底压力的重要措施;纠倾扶正后要有不少于3个月的静止观察期,完全稳定后再进行裂缝加固和修缮装饰工程。上述问题都是纠倾工程获得成功的重要环节。