双梁顶升法纠偏设计研究与应用

　　　

(上海泓源建筑工程科技股份有限公司，上海　201707)

建筑物常用的纠偏方法有沉降法、顶升法、综合法，其中，沉降法又分为主动迫沉法和被动限沉法。采取适当的方法使建筑物的倾斜得到纠正，既保障了建筑物的安全正常使用，也是关系民生的一项重要建筑技术措施。

多年来，由于地基土性质、建筑物荷载分布及其他外因，导致建筑物倾斜的事例屡见不鲜，国内很多学者及工程技术人员对建筑物的纠偏都进行了较为深入的研究，建筑纠偏技术也取得了较快的发展和应用。

本文拟以上海崇明岛1号水闸工程为背景，对双梁顶升法进行设计研究与应用，为类似工程建筑物的纠偏提供一种可靠的全新的方法。

1　工程概况及地质条件

1.1　工程概况

位于上海崇明岛的1号水闸工程，长9.8m，宽7.2m，框架结构，梁板基础，底梁高60cm，宽50cm，筏板厚40cm。该水闸发生由东向西倾斜，东西两侧高差达1.3m的情况。发生倾斜后，整体结构良好，未发生结构破坏现象。

1.2　地质条件

经查看原勘察资料，水闸下的主要土层物理力学性质指标见表1及表2。

表1　土层物理力学性质参数

表2　土层物理力学性质参数

2　倾斜原因分析

调查原设计资料，水闸为天然地基，水闸外围无隔水措施。此时，水闸上下游两侧的渗流路径长度为水闸宽度7.2m，根据渗流理论公式(1)和(2)：

(1)

(2)

式中i——水力梯度；

Δh——上下游水头差,m；

l——渗流路径长度,m；

icr——临界水力梯度；

γ′——地基土的有效重度,kN/m3；

γw——水的重度,kN/m3。

当实际水力梯度大于临界水力梯度，且地基土的组成符合流土的形成条件时，就会产生流沙、管涌等现象。该水闸底部为砂质粉土，勘察资料显示其颗粒组成具备产生流土的条件，在上下游形成的水力梯度大于临界水力梯度时，产生流沙、管涌，水闸底部地基土被不断带走，从而使水闸底部地基土被局部掏空，水闸在自重作用下产生倾斜。

3　纠偏方法选择

根据原设计资料，水闸翼墙顶标高为4.36m，最大防洪高程为3.86m，水闸底层顶面标高与翼墙标高相同，若采用沉降法进行水闸纠偏，则纠偏后水闸闸门处顶面标高不能满足防洪需求。因而，决定采用顶升法对水闸进行纠偏处理。

4　纠偏设计

4.1　顶升装置设计

水闸总重量为2800kN，由于顶升时水闸一侧位于地面，另一侧位于顶升用的底梁上，所以顶升装置所承受的重量按0.6倍考虑，则顶升重量按1680kN考虑。

顶升装置由4个千斤顶(每个顶升能力为200t，两两交替顶升)、上梁、下梁、连接梁帽、连接钢板及连接钢筋组成，钢筋采用Φ32螺纹钢筋，每根焊接后的极限抗拉力为50t，安全系数取2，则每根钢筋的抗拉力设计值为25t，钢梁每端焊接10根钢筋。具体装置设计如图1所示。

图1　顶升装置

4.2　顶升用地基基础设计

②3层灰色砂质粉土的地基土承载力特征值为105kPa，水闸总重量为2800kN，由于顶升时水闸的一侧位于地面、另一侧位于顶升用的底梁上，所以地基所承受的重量按0.6倍考虑，则顶升重量按1680kN考虑。由于梁两端受力，故每侧地基土所承担的反力为840kN，地基土所提供的反力按荷载的1.5倍考虑，则每侧地基土需确保能够提供1260kN的反力。

轴心受压时，确定基础面积的计算公式见式(3)：

(3)

式中A——基础面积,m2；

pk——相应于作用的标准组合时，基础底面处的平均压力,kN；

fa——经深度和宽度修正后的地基承载力特征值,kPa。

地基承载力特征值修正公式见式(4)：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)

(4)

式中fak——地基承载力特征值,kPa；

ηb——基础宽度的地基承载力修正系数；

ηd——基础埋置深度的地基承载力修正系数,m；

γ——基础底面以下土的重度,kN/m3；

b——基础底面宽度,m，当基础底面宽度小于3m时按3m取值，大于6m时按6m取值；

γm——基础底面以上土的加权平均重度,kN/m3，位于地下水位以下的土层取有效重度；

d——基础埋置深度，m。

以原有水闸基础底面为基准面，水闸沉降差为1.3m，千斤顶高度为0.5m，上下钢梁的净距为0.6cm，顶升用基础底板及其上的钢垫板总厚度为0.5m，由此计算顶升用基础底面埋深为1.7m。受场地范围的影响，设定顶升用基础宽度小于3.0m，由于顶升用基础上无覆土，所以地基土承载力不进行深度修正，因此，fa=fak=105kPa。

若对提供反力的地基不加固，则所需承担反力的基础面积：

A=1260/105=12m2

若采用高压旋喷桩对拟放置千斤顶位置一定范围内的地基土进行加固，根据上海地区经验，经旋喷桩加固后的②3层灰色砂质粉土复合地基承载力特征值可达210kPa，则需承担反力的基础面积：

A=1260/210=6.0m2

由于现场实际施工操作面较小，所以采用旋喷桩对拟提供反力的基础范围进行加固，加固范围以拟放置千斤顶的位置为中心四周各加固1.25m，即加固尺寸为2.5m×2.5m。在此加固地基上浇筑厚度30cm的钢筋混凝土基础。

4.3　顶升钢梁设计

该次顶升纠偏工作采用双梁顶升方法，首先将长度8.0m的梁从水闸基础下面横穿而过，后将长度为9.0m的上梁从基础底板上面横穿而过，梁的高度均为56cm，梁的宽度均为35cm，由工字钢及厚度为3cm的钢板加工而成，梁的腿宽166mm、腹宽14.5mm，下梁受均布荷载作用，上梁受集中荷载作用。

上下梁的强度等相关计算公式及计算结果如下所示。

①下梁抗弯强度：

验算公式：

(5)

弯矩公式：

(6)

My=0

(7)

惯性矩：

(8)

净截面模量：

(9)

式中Mx、My——同一截面处绕x轴和y轴的弯矩,kN·m；

γx、γy——截面塑性发展系数；

Wnx、Wny——对x轴和y轴的净截面模量,cm3；

f——钢材的抗弯强度设计值,N；

q——梁上均布荷载,N/m2；

l——梁的长度,m；

Ix——截面绕x轴的惯性矩,cm4；

B——梁的宽度,m；

H——梁的高度,m；

b——梁的腿宽,m；

h——梁腹板高度,m；

y——梁截面计算点至截面x轴的高度,m。

下梁相关计算结果见表3。

表3　下梁抗弯强度计算结果

下梁抗弯强度满足要求。

②上梁抗弯强度：

验算公式：

(10)

弯矩公式：

Mx=Fa

(11)

My=0

(12)

式中F——梁一端所受的集中荷载；

a——梁支点至集中荷载作用点的距离。

上梁相关计算结果见表4。

表4　上梁抗弯强度计算结果

上梁抗弯强度满足要求。

③梁抗剪强度：

验算公式：

(13)

剪力：

(14)

面积矩：

(15)

式中τ——梁所受到的抗剪强度,kPa；

V——计算截面沿腹板平面作用的剪力,kN；

S——计算剪力处以上毛截面对中和轴的面积矩,cm3；

I——毛截面惯性矩,cm4；

tw——腹板厚度,cm；

fv——钢材的抗剪强度设计值,N/mm2。

上下钢梁的抗剪强度计算结果见表5。

表5　抗剪强度计算结果

梁的抗剪强度满足要求。

5　加固及隔水设计

5.1　水闸地基基础加固设计

顶升后，水闸底部留下较大的空隙，另外原有地基土受到极大的扰动，为保证水闸今后使用的安全性，设计拟采用锚杆静压桩作为水闸的桩基础，并将水闸底部空隙采用C30混凝土予以灌注充填密实。锚杆静压桩的具体设计如下。

根据原有勘察报告的地层特性、物理力学性质指标、埋藏分布特征结合上海地区经验，该工程水闸基础下土层桩周土极限摩阻力标准值fs及桩端极限端阻力标准值fp的见取值表6。

拟采用预制方桩，边长为250mm，6节桩，每节2m(水闸内净高3.1m)，共6节，单桩长度12.0m。

表6　桩周土极限摩阻力标准值 fs及桩端土极限端阻力标准值 fp

单桩承载力计算公式见式(16)～式(19)。

桩端极限阻力标准值：

RPK=fpAp

(16)

桩侧总极限摩阻力标准值：

Rsk=Up∑fsili

(17)

端阻比：

(18)

单桩竖向承载力设计值：

(19)

用桩数量计算公式见式(20)。

(20)

式中RPK——桩端极限阻力标准值；

fp——桩端土极限端阻力标准值；

Ap——桩端全断面面积；

Rsk——桩侧总极限摩阻力标准值；

Up——桩全断面周长；

fsi——桩周第i层土的极限摩阻力标准值；

li——桩周第i层土的厚度；

ρp——端阻比，桩端极限阻力标准值与桩承载力标准值的比值；

Rd——单桩承载力设计值；

Ys——桩侧阻力分项系数；

Yp——桩端阻力分项系数；

n——桩数；

N——相应于作用的标准组合作用于基础底面总荷载。

单桩承载力及桩数计算结果见表7。

表7　单桩承载力计算结果

锚杆静压桩沿着基础底板均匀对称布置。

5.2　隔水设计

为防止由于水力梯度过大而导致水闸基础底部及周围地基土流失，在水闸基础外围距离水闸基础边缘1.5m的位置设置封闭止水帷幕，止水帷幕采用高压旋喷桩，桩径600mm，间距400mm，搭接200mm。在泵闸东西两侧现状地坪上施工的止水帷幕，桩长约12.5m，桩底进入第③层相对隔水层不少于0.5m；在泵闸南北两侧临河面施工的止水帷幕，桩长约10m，桩底需进入第③层相对隔水层不少于0.5m。高压旋喷桩采用三重管旋喷工艺，水泥掺入量不小于500kg/m3，水泥浆水灰比约1.0，喷射提升速度不大于10cm/min，桩位偏差小于50mm，成桩垂直度偏差小于1%。

在止水帷幕与水闸基础边缘的空隙内，采用压密注浆对基础标高下5.0m深度范围内的地基土进行加固处理，压密注浆采用纯水泥浆，水灰比为0.6。

6　纠偏加固施工

该工程纠偏加固施工总流程如图2所示。按照设计要求及施工流程图进行施工，圆满完成了水闸纠偏加固工程，并恢复了水闸原有使用功能，提高了水闸安全使用性能。

图2　施工总流程

7　结　语

a.双梁顶升法纠偏的设计研究从地质工程、基础设计、结构设计等多个角度出发，成功地使水闸工程恢复了其安全使用功能。

b.双梁顶升法纠偏的设计研究与应用为类似工程纠偏加固提供了新思路，具有一定的创新意义，为类似工程建筑物的纠偏找到了一种安全、经济、可靠的方法，具有一定的应用前景。

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