锚索加压调控辅助纠倾技术研究

赵文强,张小兵，汪生斌，寇丽娜

(1. 青海省环境地质勘查局 青海省环境地质重点实验室 青海九O六工程勘察设计院，青海 西宁　810007； 2. 中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州　730000)

0　前　言

预应力锚索技术源于国外，它是锚杆技术发展的产物[1]。锚索主要是由锚头、锚固段、自由段、锚杆配件组成的，两端其中一段可通过外端固定于坡面，另一端则固定于坚固的岩石层中，其可以对不稳定的岩体进行固定。预应力锚索具有高边坡坡面防护、病害防治，预防边坡深层破坏的优点，同时预应力锚索外部形态美观，施工难度较低，不容易出现技术事故。现目前，预应力锚索技术广泛的应用于国内的诸多工程，如高坝工程、深基坑工程、边坡工程、地下隧道工程、水利工程、水电工程等[2]。

预应力锚索其初衷是对锚索施以一定的拉力，从而使得岩土体得到固定的一种技术，其可以通过张拉力将岩土体内部结构进行改善，达到稳定的效果。是一种采用了钻孔、浆注技术固定钢绞线于深层的稳定地层中的技术，从而使得需要进行加固的物体表面和钢绞线之间产生预应力，其不仅可以起到稳固作用，对于防止其发生形变也有重要意义[3]。本研究主要旨在研究锚索加压调控辅助纠倾的技术，需要注意的是现目前锚索应用于纠倾工程的先例极少，但在一些先例中表明其应用效果较好，本研究就此展开相关的探讨，希望为纠倾工程的锚索应用提供一点先导和借鉴作用。

1　工程概况

青海某师大3号住宅楼，地上30层，地下1层，框架剪力墙结构，建筑高度97 m，总重约300 000 kN，建筑面积15 896 m2。采用梁板式筏形基础，基础埋深-8.2 m。场地自上而下地层依次为：杂填土、黄土状土、粉土、卵石层、强风化泥岩、中风化泥岩、微风化泥岩。基础位于强风化泥岩层中，地下水主要赋存于卵石层内，水量丰富。

2007年7月，青海某师大3号楼主体结构封顶，后不久，地基便发生不均匀沉降，大楼整体朝北东方向倾斜，且差异沉降与日递增，倾斜变形不断加剧，截止2008年10月15日，大楼向北的倾斜率达2.66‰，向东倾斜率达1.82‰，大楼顶端的最大偏移量达到254.0 mm，远远大于国家相关规范的允许标准，不但电梯无法安装，而且可能引起更为严重的后果。因此，纠倾加固工作已是迫在眉睫。

2　纠倾加固方案

2.1　纠倾加固方案比选

我国的纠倾加固技术始于上世纪80年代，以苏州虎丘塔的纠倾加固为标志。但发展较快，经过短短约40年的历程，纠倾技术如雨后春笋般不断涌现，林林总总已有30余种，纠倾成功的工程已有上千例。纠倾方法从大的方面主要分为5种，分别为迫降法、抬升法、横向加载法、预留法及综合纠倾法，其中迫降法与抬升法是两种最基本、最常用的方法[4-5]。鉴于3号楼的实际情况，可以考虑迫降法或抬升法对大楼实施纠倾。

师大3号楼主体高度97 m，设计荷载约300 000 kN，基础埋深-8.2 m，如若采用抬升法纠倾，必须处理好以下几个方面的问题：①大楼较重，千斤顶支撑点数量与大楼基础刚度协调的问题，若采用500 T规格(需要订做)的千斤顶，在安全系数取1.5的情况下，则需要90台千斤顶；②千斤顶抬升时的受力不均与位移同步控制问题，若采用同步顶升系统，仅建立一个供给90台千斤顶的大型液压泵站及同步位移控制系统，在当时的条件下，初步估计费超过500万；③安装千斤顶，势必将大楼基础开挖临空，如何解决大楼的横向稳定问题？一旦失稳，将造成极为不良的社会影响；④过程控制问题，该方法实施过程中，环环相扣、息息相关，如千斤顶的质量、泵站的质量、同步控制系统的可靠性以及操作人员的技术水平等构成一个相互影响、相互制衡的系统，一旦某个环节出现问题，将导致整个系统崩盘。鉴于以上几个方面的考虑，相比而言，采用迫降法纠倾更为可行、可靠、经济、安全。

2.2　预应力锚索的引入

迫降法纠倾在多层建筑纠倾加固工程中已得到广泛应用，技术相对较成熟，但理论研究滞后，存在可控性差、纠倾精度不高的问题，这在高层建筑纠倾加固工程中是不允许的，因为高层建筑对垂直度的要求更为严格。根据预应力锚索“占用空间小、加载吨位大，加载压力人为可调”等特点，项目组经过反复探讨，决定引入预应力锚索技术，以弥补常规迫降法的不足[6]。

经过技术经济对比与专家认证，最终确定了“放射状水平掏土为主，锚索加压调控为辅”的综合纠倾方案。具体纠倾措施分以下两点。

1)在大楼迫降区设置5个竖井，竖井沿大楼外墙向下开挖，平面上部分与大楼基础筏板外挑部分重合，深度低于筏板底面2 m。竖井作为水平掏土的作业面，在基础下强风化泥岩层进行水平掏土，以削减基底受力面积，增大基底应力，促进该侧地基下沉(见图1)。

图1　竖井及锚索位置平面图

2)在每个竖井中外挑的筏板上，设置2孔预应力锚索，由5ΦS15.2高强度低松弛钢绞线制作，最大加载能力为500 kN/孔。锚索与千斤顶组成反力系统，以锚索的抗拔力作为反力，利用千斤顶对筏板加压，根据水平掏土量调整加载压力的大小，既可控制迫降速率，又可调整不同位置的压力大小以控制回倾方向，最终实现纠倾目标。

2.3　预应力锚索的作用机理

预应力锚索用于纠倾工程中主要存在3个显著作用，其分别是加载、安全防护与防复倾，现我将这3个作用简要介绍如下。

1)加载，加载即是以锚索的锚固定段对以锚索锚固段提供的抗拔力作为反力，之后再应用千斤顶实现对锚索的张拉及锁定，这一过程完成后即表示完成了第1次的基础加载。随后地基会逐渐发生压缩形变，产生沉降，这时锚索就会逐渐释放预应力，直到其达到了原设计的负载后便可进行第2次的加载工作，如此反复则可以完成纠倾。

2)安全防护，锚索通过加力把建筑物基础与深部稳定地层连为一个整体，增加了建筑物的稳定性，降低了纠倾过程中大楼倾斜恶化甚至倾倒的风险，起到安全防护的作用。

3)防复倾，对于在迫降区的锚索，在纠倾结束后，可以通过锚索张拉锁定对基础施加一定的竖向约束力，相当于对建筑物施加了一个回倾力矩，起到平衡倾斜建筑物残留偏心力矩的作用，从而达到防覆倾加固的目的(见图2)。

除以上3个主要作用外，在倾斜建筑物的纠倾工程中还需要应用预应力对掏土进行控制，还可以通过预应力锚索来控制建筑物的回倾方向、回倾速率、线性变位等，同时还具有安全防护的作用，即通过调整锚索加载的大小达到建筑物逐渐纠倾的目的，其与控制锚索加载的大小来使建筑物稳步回倾，这种方法同千斤顶的纠倾方法有一定的相似之处，但其实际的作用机理却不尽相同。锚索是以其锚固段的抗拔力作为反力，之后再通过对其锚头部位加以预应力的方法将倾斜建筑物进行纠倾，在纠倾的过程中通过在锚头部位施加预应力，迫使建筑物回倾，同时在纠倾过程中需要实时根据纠倾速率调整其预应力施加的大小，最终达到建筑物平稳安全回倾的目的。同时不同锚索的承载力也并不完全相同，可以根据建筑物基础的刚度和强度灵活选择[7-9]。

图2　锚索防复倾加固示意图

自身的承载能力是预应力锚索控制技术中最大的特点，其可以充分利用锚索中锚头部的装置进行预应力大小的灵活调节，值得一提的是其除了被动的调节功能外还具有自我的调节功能，一旦其受到预应力的作用，就会随着倾斜建筑物的纠倾进展而自动收缩回弹。

总的来说，锚索控制技术具有效率高、应用灵活、安全性高、占用空间小、成本较低等诸多优点。

3　纠倾方案的实施

为保证在整个纠倾过程中建筑物能够“安全、平稳、线性”的回归，按照“分区、分井、分批间隔掏土”的原则进行掏土，并且第1批次的掏土量控制为最大掏土量的一半，第2批次的掏土量为第1批次掏土量的一半，第3批次的掏土量为第2批次掏量的一半，依次类推。直到跟踪监测的数据显示大楼已开始回倾，即停止掏土，此时说明掏土区的土体受掏土的影响已经开始发生压缩变形；根据回倾速度的大小，考虑对不同位置的锚索分级加压，直至设计最大加载值，如果纠倾效果仍不理想，应继续进行掏土，此次掏土量应是由掏土面积来决定，即掏除土体分担的上部荷载应稍大于锚索加载的最大压力，然后再次对锚索进行分级加压，如此反复，直至达到理想纠倾目标。

师大3号楼纠倾加固工程中共设置有8根锚索，每束锚索的设计最大加载压力为500 kN(根据筏板基础的强度以及地基岩土体的力学性质确定)，并且每束锚索都安装有压力传感器，可以随时测量锚索的应力大小，同时还可以校核千斤顶加载压力(见图3)。其工作机理是：“掏土缓慢启动，锚索加压调控”，也即由掏土引起的地基应力能够使掏土孔间的土条接近或达到极限状态，并开始发生弹塑性压缩变形；然后停止掏土，通过锚索加压，使掏土孔洞四周的塑性区向深部扩展，实现弹性变形——塑性破坏——压密重塑的转变过程。同时根据监测数据反映出的大楼变形特征，可以通过锚索加压对大楼的回倾方向、回倾速率以及筏板基础的线性变位等进行矫正和调节，保证大楼按照人为意愿朝着即定目标回倾。

图3　锚索加压纠倾示意图

锚索加压，每10 t为一级，分级施加，每级荷载应稳定24 h后方可施加下一级荷载。由锚索的受力特点可知，钢胶线受拉产生弹性变形，一旦筏板压缩土体下沉，钢胶线收缩，锚索施加的荷载也随之释放。锚索循环加荷载的应力变化特征如图4所示。

锚索加压期间沉降量最大的E5点25天下沉了16 mm，最大日下沉量为1 mm，日平均沉降速率为0.64 mm/d，大楼在整个加压纠倾过程中处于安全可控状态。E5点沉降量随锚索加力变化曲线图如图5所示。

图4　3号井东侧锚索的受力变形图

图5　E5(西南角)观测点沉降量随锚索加力变化曲线

4　方案实施效果

通过2批次掏土和4批次锚索循环加压，师大3号楼于2009年1月5日顺利达到了预期纠倾目标，大楼的最大偏移量由纠倾前的245 mm回倾到了125 mm，南北向的倾斜率由2.66‰降低到0.87‰，东西向的倾斜率由1.82‰降低到1.28‰，并且整个纠倾过程中大楼基础及上部结构构件没有产生任何裂缝、损伤现象。并于2009年6月6日，该楼顺利通过了竣工验收，验收前一百天的平均沉降速率为0.018 mm/d，根据《建筑变形测量规程》JGJ 8-2007的5.5.5条文规定：“当最后100天的沉降速度小于0.01～0.04 mm/d时可认为已进入稳定阶段”， 大楼的基础沉降已经进入稳定阶段[10]。至此，作为建筑物纠倾工程中层数(30层)最多、高度(97 m)最大的师大3号楼宣告纠倾成功。而且根据后续5年的跟踪监测成果显示，师大3号楼一直处于良好的使用状态。

图6　青海某范大3号楼纠倾工后5年沉降观测曲线图

5　结　语

对于高层倾斜建筑物，多采用迫降法进行纠倾，在迫降法中最常用到的又是加载法，这种纠倾方法同其他的方法对比具有更为显著的优势。而预应力锚索则更为简单灵活，其在实际的应用中基本不受过多的场地限制，且其单锚承载能力可高达近百吨，在应用中可以根据实际情况灵活调整，自由度、可控度极高。但其也具有一些硬性的要求，一般情况下来讲，刚度、硬度不达标的倾斜建筑物是无法使用这种方法进行纠倾的。因此，可以把预应力锚索与其它纠倾方法结合使用，取其所长，避其所短，以求达到更好的纠倾效果。预应力锚索在纠倾工程中的应用还处于萌芽阶段，但已有成功的先例，效果十分显著，而且易于人为控制，加(卸)载灵活自如。期待在今后的纠倾工程能够进行更多的尝试，以使预应力锚索技术得到更为广泛的应用，为纠倾工艺增添新的动力，推动高层建筑纠倾技术的发展。