建筑物的微型桩加固和顶升纠偏设计方案

陈逸飞，魏焕卫*，陈朝伟，刘建民

（1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101；2.山东建和土木工程咨询有限公司，山东济南250101；3.青建集团股份公司，山东青岛266011）

建筑物的微型桩加固和顶升纠偏设计方案

陈逸飞1，魏焕卫1*，陈朝伟2，刘建民3

（1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101；2.山东建和土木工程咨询有限公司，山东济南250101；3.青建集团股份公司，山东青岛266011）

基础的不均匀沉降将会影响建筑物结构的安全性，对基础进行加固纠偏是保证上部建筑结构安全使用的重要途径。文章针对某建筑物独立基础和墙下条形基础发生不均匀沉降，导致建筑物发生倾斜的现象，通过对场地地层和建筑物结构进行分析，阐述了基础四周深厚填土堆载导致基底压力增大是引起建筑物沉降的主要原因，基于变形控制的原则和场地条件的限制，提出利用顶升纠偏及微型桩托换加固的方法对该建筑物结构进行加固纠偏，纠偏后该工程的倾斜率达到了规范要求。

基础沉降；顶升纠偏；加固设计；微型桩托换

0　引言

既有建筑物在建设或使用过程中由于原来的地基承载力设计不足或后期基底压力的增加，导致地基不均匀沉降［1］。当建筑物由于地基不均匀沉降引起建筑物倾斜，影响建筑物正常使用时，必须对该建筑物进行纠偏。如果全部拆除重建，经济损失和社会影响都是难以估量的，如山东某电厂120 m高的烟囱发生倾斜，全部拆除重建，经济损失和社会影响都是难以估量的［2］。纠倾往往花费巨大，如为了控制比萨斜塔的倾斜花费了2500万美元［3］。因此，建（构）筑物纠倾技术的研究具有重要的工程意义。常用的纠偏方法有迫降法和顶升法。迫降法会造成整体建筑物整体标高下沉，从而有可能会对建筑物的使用，或一些管线的正常使用造成影响，在这种情况下往往会采用顶升法。顶升法是在建筑物基础沉降较大部位设置若干千斤顶，将倾斜一侧整体顶升，用调整建筑物各部分的顶升量，使建筑物沿某一点或某一直线做整体平面转动使恢复原位［4］。

目前国内外许多学者对顶升纠偏法的设计和施工进行了试验研究。刘丽萍等对预压托换桩加固在升纠倾中的应用进行了研究［5］；魏焕卫等通过对实际工程的设计施工，得出顶升纠偏设计的关键在于对托换体系刚度的控制［6］；朱石苇等通过对相邻框架柱荷载相差悬殊的结构分析，提出了异步顶升法如何在柱间差异敏感或刚性建筑中的应用［7］。GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》、JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》、JGJ 123—2012《既有建筑地基基础加固技术规范》为建筑物的基础的加固和纠偏提供了技术标准和原则［8-10］。文章将结合实际工程，来介绍顶升纠偏的设计和施工方法。

1　工程概况

纠偏建筑物位于中海国际社区，该建筑物地下一层，地上三层，建筑高度为9.700 m。主体结构采用现浇钢筋混凝土异性柱框架—剪力墙结构，基础采用柱下独立基础和墙下条形基础。56#前后有效位置一致。56#别墅建成后出现较大沉降，其沉降相对标高示意图，如图1所示。

对建筑物4个角柱进行沉降观测及分析，相关数据见表1。根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》中低于24 m的民用建筑物整体倾斜率不得超过0.4%的规定［8］。该建筑物整体倾斜超出规范安全要求，故需要对该建筑物进行纠偏。

表1　建筑物高差及整体倾斜率

图1　相对标高示意图/mm

据场地的岩土工程勘察报告，该场地范围内的土层自上而下依次是：（1）层杂填土 杂色、松散、稍湿，主要以建筑垃圾、碎石为主，多量粘性土，局部混少量生活垃圾层厚。（2）层素填土 浅棕黄、松散、稍湿，主要以粘性土为主，含少量石灰质碎石及砖块层厚。（3）层粉质粘土 浅棕黄、硬塑、韧性及干强度中等层厚。（4）层含碎石粉质粘土 棕黄色、硬塑、韧性及干强度中等含多量石灰岩碎石，碎石呈次棱角状层厚。地质剖面图如图2所示，其中，N为标准贯入试验锤击数。

2　沉降原因分析

建筑物地基在外在荷载或特殊荷载作用下会发生沉降，当在不同位置发生的沉降不同，将会引起建筑物的倾斜［11］。导致建筑物不均匀沉降的原因有很多，主要可以分为荷载原因、施工原因和土层原因。根据该地区的地质分析报告可知，该地区的湿陷性黄土和回填土对该建筑物的不均匀沉降有一定影响。

图2　场地工程地质剖面图/m

2.1土层原因

场区黄土分布较连续。场地黄土自重湿陷系数δzs=0.002～0.014，湿陷系数δs=0.013～0.068（δs＜0.015不参与统计），湿陷起始压力Psh=63～123 kPa，根据GB 50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》［12］相关规定，初步判定场地黄土为非自重湿陷性黄土，湿陷程度为中等。

根据GB 50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》中附录C.0.2条公式［12］，由式（1）表示为

式中：R为新近堆积黄土；R0为晚更新世黄土；e为土的孔隙比；α为压缩系数，MPa-1；ω为土的含水量；γ为土的重度，kN/m3。

根据式（1），计算得R=-153.54＞R0，该场区黄土属新近堆积黄土。

利用式（2）计算黄土总湿陷量为

式中：δsi为第i层土的湿陷系数；hi为第i层土的厚度；β为修正系数，按基底下5 m深度内取值1.5。

根据探井揭露，各探井黄土湿陷量计算见表2。

表2　黄土湿陷量计算一览表

场区黄土为非自重湿陷性黄土，湿陷程度为湿陷性中等，黄土地基的湿陷等级为级（轻微）。

2.2填土原因

建筑物附近的大面积堆载将会对桩基的受力情况产生很大的影响。该建筑物柱下独立基础和墙下连续基础四周回填土过厚，相当于基础四周存在大面积堆载，会对该部位的基础产生不利影响。当基础四周堆载时，柱基会产生沉降。其值由式（3）［13］计算为

式中：S为因填土作用于基础产生的沉降，mm；δz为填土底部自重应力，kPa；γ为回填土重度，这里取18 kN/m3；h为回填土厚度，m；hi为基底下第i层土厚度，m。

由于填土的作用导致基础产生的沉降，其沉降量计算见表3。

表3　基础沉降一览表/m

通过表2和3数据分析，回填土过厚是导致该建筑物沉降的主要原因。虽然现在该建筑物的最大沉降差为144 mm，但根据数据分析该建筑物有继续沉降的可能性，故需对该建筑物进行加固纠偏处理。

3　微型桩托换加固及顶升纠偏设计方案

3.1微型桩托换加固方案的选择

基于安全经济合理可行的原则，对沉降较大的部位进行纠偏。由于该建筑物导致沉降的主要原因是回填土太厚，所以纠偏前需要对基础进行加固处理。

3.1.1注浆加固

注浆加固法是通过在基础四周布置注浆管，向土体中强行注入水泥浆液，充填土体中的空隙或挤密土体，从而达到提高土体强度减小基础沉降的目的。顶升纠偏施工前应首先采用分层注浆法对基础下的填土进行加固处理，并适当注意注浆加固施工过程中可能产生的附加沉降或者顶升量。注浆施工完成后方可进行顶升的施工。该工程在前期施工时采用了注浆加固的方法，注浆完成后，水泥浆没有注入到建筑物的底部，而是注入到建筑物四周的管道，导致管道堵塞，达不到预期加固成果，故采用微型托换桩加固。

3.1.2微型托换桩加固

微型桩托换加固法是通过新增微型桩与原基础将上部结构荷载传递到下部较硬土层，并且通过微型桩提供的端阻力与侧摩擦阻力提高基础的竖向承载力。原基础采用二次压浆微型桩进行对该建筑物地基基础加固，首先对建筑物基础进行托换加固处理，然后进行顶升纠偏施工。

原结构为条形基础和独立基础，其承台面积较小，混凝土强度很难达到设计要求，并且不宜于施工，所以需要增大原有承台面积。新增承台设置双层双向钢筋（如图3（a）所示），穿透原结构柱子或墙体的钢筋采用植筋方式，新旧基础之间采用植筋方式连接，孔径为18 mm，内灌喜利得胶。微型桩为竖直桩，其桩体结构及承台如图3（b）所示。

初步设计单桩竖向承载力特征值和桩数可按经验公式（4）（5）进行估算为［14］

式中：kp、ks为微型桩桩侧摩阻力及端阻力修正系数，这里取1.35；qs、qp按照GB 5007—2011《建筑桩基技术规范》［8］中灌注桩的参数取值，kPa；Gk为新增承台及以上土自重标准，kN。

图3　微型桩承台示意图及桩结构图/mm

新旧基础之间采用植筋方式连接，需要对该部位进行强度验算。此处钢筋承担竖向剪力，由式（6）进行强度计算为

式中：V1为上部结构荷载；βsh为受剪承载力截面高度影响系数；β为冲切系数，fth为新增混凝土抗拉强度设计值，b0为截面尺寸，m；h0为计算处有效高度，m。

3.2纠偏方案的确定与设计

建筑物的纠偏包括顶升和迫降两大类，其中迫降是通过掏土或降水的方法进行，使沉降较小一侧的基础下沉达到整个建筑物均匀沉降的目的，掏土纠偏之后需要对基础进行加固处理；顶升则是通过千斤顶沉降较大一侧基础底部、新设顶升构建使结构主体抬升一定高度，或者通过注浆顶升的方式使结构主体抬升一定高度，从而达到沉降均匀的目的。在根据周边环境条件和地层条件，前期掏土纠偏过程中发现基础下地基内存在大量的石块，影响了掏土纠偏的实施。故采用顶升的方法对该建筑物进行纠偏。

3.2.1顶升点的确定

由于该建筑物采用现浇钢筋混凝土异形柱框架—剪力墙结构，基础采用柱下独立基础和墙下条形基础，同时设置了厚度250 mm的钢筋混凝土底板，周边剪力墙位置千斤顶采用掏洞的方式，顶升点位于剪力墙内（如图4（a）所示）；柱子位置千斤顶采用架设牛腿柱的方式，顶升点位于柱子两侧（如图4（b）所示）。

图4　顶升点位置图/mm

3.2.2新增顶升梁

顶升纠偏的托换梁（柱）体系应是一套封闭式的钢筋混凝土结构体系。由于该结构基础采用柱下独立基础和墙下条形基础，基础的不连续性导致整体结构在顶升施工时不能够同步顶升。顶升梁能够约束框架柱间的变位及调整差异顶升量。在顶升之前，为了保证结构的整体稳定性以及顶升时结构的同步顶升和稳固，需对该结构基础增设顶升梁（如图5所示）。首先通过穿透原地下室剪力墙植筋的方式新设顶升梁，植筋孔采用喜利得胶粘结，顶升梁与原剪力墙接触部位，应剔除原钢筋保护层，并采用灌浆料浇注顶升梁。

顶升梁是关系到别墅顶升成功的关键，因此，必须保证其强度、刚度和整体性。新增顶升梁截面尺寸采用b×h=400 mm×400 mm。经荷载统计和配筋计算，新增顶升梁采用双筋布置。受拉筋为3Φ20，受压筋为3Φ20，根据构造要求并配置2Φ20腹筋。（如图6所示）

3.2.3千斤顶的布置

千斤顶设置的数量应通过基础顶面以上建筑物的荷载的计算确定。采用考虑恒载、屋面活荷载和水平风荷载的组合进行上部结构荷载计算，由式（7）。

图5　新增顶升梁平面布置图/mm

图6　新增顶升梁（ZCL）配筋图/mm

建筑物墙柱内力可分为3种：最大轴力组合内力（Nmax、M、V）、最大弯矩组合内力（N、Mmax、V）、最大剪力组合内力（N、M、Vmax）。该处采用最大轴力组合进行竖向荷载统计。

通过荷载统计的计算，在剪力墙和独立柱下设置千斤顶。根据JGJ 123—2012《既有建筑地基基础加固技术规范》［9］中单片墙或单柱下顶升点数量的计算，可按式（8）估算为

式中：n为顶升点数；Q为相应于作用的标准组合时，单片墙总荷载或单柱集中荷载，kN；Na为顶升支承点千斤顶的工作荷载设计值，kN；可取千斤顶额定工作荷载的0.8；K为安全系数，可取2.0。

按本建筑结构形式（框架—剪力墙），通过对基础顶面以上建筑物的荷载统计，基于安全考虑，采用75 t的千斤顶进行布设。千斤顶的顶升量根据倾斜方向呈线性关系来计算确定，已实现建筑物的刚性转体。通过公式（6）的计算，见表4。

表4　Z1、Z2处千斤顶布置数量

该建筑物千斤顶的布置，如图7所示。

图7　千斤顶平面布置图/mm

对于位于原异形柱下的顶升千斤顶，应把该位置顶升梁下至原基础顶面直接的钢筋混凝土剔除，剔除部位尺寸应以保证顶升千斤顶的安放和顶升纠偏操作为准。顶升的千斤顶上、下应设置应力扩散的钢垫块，顶升过程应均匀分布，且应有不少于30%的千斤顶保持与顶升梁、垫块、基础梁两成一体［9］。

3.2.4剪力墙内千斤顶位置局部承载力验算

由GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》［15］对剪力墙进行局部受压承载力验算。配置间接钢筋的混凝土构件，其局部受压区的截面尺寸应符合式（9）要求为

式中：Fl为局部受压面上作用的局部荷载或局部压力设计值；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；βc为混凝土强度影响系数，取1.0；βl为混凝土局部受压时的强度提高系数；Al为混凝土局部受压面积mm2；Aln为混凝土局部受压净面积为mm2；Ab为局部受压的计算底面积mm2。

经验算局部受压截面尺寸为

局部受压区的截面尺寸符合规范。

3.2.5独立柱牛腿承载力验算

牛腿可按后置牛腿进行计算设计，经计算配筋如图8所示。由GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》［15］对牛腿进行承载力验算。当柱牛腿仅有竖向力Fvk作用时，柱牛腿的裂缝控制要求由式（10）计算为

式中：Fvk为作用于牛腿顶部按荷载效应标准组合计算的竖向值；β为裂缝控制系数，取0.80；a为竖向的作用点至下柱边缘的水平距离；b为柱牛腿宽度，一般与柱宽相同；h0为牛腿与下柱交接处的垂直截面有效度；as=35 mm。

顶升前，应对顶升点进行承载力试验，试验荷载应为设计荷载的1.5倍。

图8　独立柱位置牛腿结构图/mm

则Fvk取值为Fvk，max=1.5Nmax=610.7 kN

将Fvk带入式（10）为

h0=580 mm；h=615 mm；取h=650 mm

牛腿局部受压承载力计算由式（11）为

式中：A为局部受压面积，A=a×b，此处a、b分别为垫板的长和宽。

带入式（11）

故局部受压承载力满足设计要求。

3.2.6墙柱的连接

顶升达到设计高度后，应立即在墙体交叉点和主要受力部位增设垫块支承，并迅速对顶升后的缝隙采用灌浆料填筑密实，然后通过增加截面的方式进行结构连接。千斤顶应待结构连接达到设计强度后，方可分批分期拆除。

新增结构构件采用灌浆料浇筑，穿透原结构柱子或墙体的钢筋采用植筋方式，新旧基础之间采用植筋方式连接，内灌喜利得胶（如图9所示）。新旧混凝土连接部位应将墙柱表面疏松混凝土剔除，新旧混凝土结合面凿毛，浇注灌浆料前，旧混凝土结合面冲洗干净，刷界面剂一道。

图9　柱连接图/mm

4　结语

文章通过分析建筑物沉降的原因，对建筑物进行纠偏设计施工。建议对小尺寸建筑物地基进行注浆加固时，由于无法准确控制浆液的流向，注浆将很难达到效果。这时可采用二次压浆微型桩，通过微型桩把上部荷载传递至深部土层，从而达到减沉的目的。当基础下地基内为建筑垃圾或有大块碎石时，掏土纠偏很难达到纠偏效果。此时，采用顶升纠偏较为合适。该工程前期采用掏土纠偏，施工近一个月未能达到纠偏效果。而后改为顶升纠偏，结构加固完成后，2 d即达到纠偏目的。顶升纠偏前必须对结构进行整体加固，保证结构的整体性，减少顶升过程中产生的次应力，或其他安全隐患。

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［15］GB 50010—2010，混凝凝土结构设计规范［S］.北京：中国建筑出版社，2012.

A building by micro pile reinforcement and jack lifting rectification design

Chen Yifei1，Wei Huanwei1*，Chen Chaowei2，et al.

（1.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Ji’nan 250101，China；2.Shandong Jianhe Civil Engineering Consulting Ltd.，Jinan 250101，China）

Foundation uneven settlement will affect the safety of the building structure，and reinforcement and rectification of foundation is an important way to ensure the safe use of the upper part of the building structure.Considering the phenomenon of building tilt by strip foundation under the wall of a building independent basis and differential settlement，through the analysis of the formation of the site and the building structure，the paper elaborates the main cause of building settlement is that the base pressure is increased due to the thick soil around the foundation.Based on the principles and limits deformation control site conditions，it puts forward the method of the building structure reinforcement correction by making use of jacking correction and micropiling underpinning. Tilt rate correction after the project was significantly reduced，in line with regulatory requirements，indicating that the design is safe and feasible.

foundation settlement；learning rectification by jack lifting；reinforcement design；micro pile underpinning

TU 443

A

1673-7644（2016）04-0390-07

2016-06-05

国家自然科学基金项目（41272281）；山东省自然科学基金项目（ZR2012EEM016）

陈逸飞（1991-），男，在读硕士，主要从事地基基础与基坑支护新技术方面的研究.E-mail：chenyifeicc@163.com

*：魏焕卫（1974-），男，副教授，博士，主要从事岩土工程共同作用和变形控制等方面的研究.E-mail：13181718169@163.com