上海某柔性框架结构房屋的纠偏加固技术应用研究

余 楠

（同济大学，上海 200082）

0 引言

建筑物纠偏技术是建立在土力学基础上的一项工程技术。建筑物倾斜的主要原因是基础下地基土质松软，或土层承载力不一，再加之建筑物本身荷重分部不均，导致基础不均匀沉降，使建筑物发生倾斜。因发生倾斜的建筑物或构筑物所处环境以及所有权人的经济状况多有不同，因而采取的纠偏技术不可能千篇一律，要因地制宜，具体问题具体分析，采取合理可行的施工方案。本文基于整体刚度偏弱的某柔性框架结构纠偏实际案例，为保证纠偏过程中的房屋结构稳定及避免相邻柱间的过大沉降差。设计了完备的纠偏工艺：采取增设支撑的方式提高房屋刚度加强房屋整体性，通过掏土纠偏与基础托换法相结合的方式，在掏土过程中加强信息化施工，控制整体的矢高差及相邻柱间的矢高差，降低不均匀沉降对上部结构件产生附加作用，最终保证了纠偏过程中的结构安全并使得房屋回正。

1 工程概况

上海桂林路某房屋是 20 世纪 80 年代建成的四层厂房，房屋平面呈矩形，东西向长度约 54.0 m，南北向宽度约 37.5 m，总建筑面积约为 8 100 m2，建筑高度为22.5 m。其一层平面图如图 1 所示。

图1 房屋底层平面图（单位：mm）

该厂房为钢筋混凝土框架结构（预制装配式），楼面板与屋面板均为预制槽形板。预制框架梁柱节点连接方式有：横向框架柱设钢筋混凝土牛腿，框架梁梁端顶部设钢板与柱侧预埋件焊接，底部设角钢与牛腿顶部预埋件焊接，形成半刚性连接节点；纵向连系梁通过柱侧钢牛腿搁置在柱上，梁端顶部设钢板与柱侧预埋件焊接，底部设角钢与牛腿焊接。具体节点示意图如图 2、图 3 所示。

图2 横向框架梁柱节点

图3 纵向框架梁柱节点

房屋基础为钢筋混凝土双向条形基础，柱下设杯口，东西向基底宽度 1.6 m 和 4.0 m，南北向基底宽度为 2.0 m。基础采用 200 号（C 18）混凝土。

根据房屋质量检测报告，房屋现状主要表现为房屋呈现西北侧低、东南侧高的规律，按相对高差推算，房屋整体向西倾斜 12.44 ‰，向北倾斜 3.40 ‰，倾斜率超出了危房鉴定标准［1］的限值 10 ‰ 的要求，所以应当对该建筑物基础采取有效的纠偏措施。

2 场地地质条件

按照本工程勘测资料可得，该建筑物持力层为第 2 层褐黄色黏土，第 3 层土缺失，下卧层（15 m 深度范围内）为灰色淤泥质黏性土，对沉降控制较为不利；本工程地质条件如表 1 所示。

表1 各层土物理力学指标表

3 纠偏方案及计算分析

3.1 纠偏方案

根据本工程特点与以往经验，本次采取掏土纠偏法与基础托换法相结合的方式进行纠偏加固。

掏土纠偏法［2］是利用基底软土强度低且变形大，在上部荷载加荷速率过大的情况下，造成基地软土侧向挤出，用以调整建筑倾斜和变形的原理。

基础托换法［3］是对既有建筑物的地基土因不满足地基承载力和变形要求，而进行地基处理和基础加固的方式，该方法施工方便，作业面小，施工时不停产，适用于密集建筑群中。上海地区普遍使用的加固方式是桩式托换。

本次采用的纠偏方式有钻孔掏土及静压锚杆桩两种，在掏土过程中为了掌握基础下沉和倾斜情况，需使用精密仪器在基础四周设观测点进行观测，做到信息化施工［4］。

同时，由于房屋为横向半刚接、纵向铰接的柔性框架体系，整体性差，相邻柱基的联动性较差，纠偏过程中可能会出现房屋整体回正，产生房屋内部局部柱倾斜过大的情况，额外引起柱身P～Δ 效应，对结构产生不利影响。因此，本次采用的方式为增设柱间支撑以提高房屋整体性。柱间支撑布置图如图 4、图 5 所示。

图4 房屋支撑布置平面图（单位：mm）

图5 典型柱间支撑立面图（单位：mm）

3.2 基础加固方案

本案例中，在掏土纠偏过程中，对原有地基土进行了较大扰动。为避免后期产生过大沉降和加大原地基的承载力，本工程采用增设锚杆静压桩，使该建筑上部荷载由锚杆静压桩与天然地基共同承担，但锚杆静压桩的主要作用是控制建筑物后期沉降及差异沉降。

本工程中，设计桩桩型为直径 250 mm×250 mm，桩长 30 m 的锚杆静压预制方桩。桩基持力层为 ⑤1层黏土；每节桩长 2.5 m；桩数为 216 根，单桩承载力设计值为 340 kN，以桩长或以压桩力作为压桩控制标准。

3.3 纠偏目标

1）采用掏土方法进行纠偏，控制房屋纠偏加固后平均倾斜率满足规范要求。

2）通过采用锚杆静压桩对原基础进行拖换，使建筑物上部荷载经由锚杆静压桩传至深层较坚硬土层，以避免建筑物后期沉降过大或差异沉降，避免房屋复倾。

3.4 计算复核

3.4.1 纠偏前后房屋重心校核

为保证纠偏方案的科学性和可靠性，本次采用中国建科院 PKPM 软件的基础模块 JCCAD 进行了结构基础纠偏前后的计算分析，地基土反力保守取 80 kPa。并以此计算房屋纠偏前，上部结构形心和地基土反力中心位置。经验算可知上部结构形心与地基土反力重心基本重合，符合规范要求。

根据纠偏方案，采取掏土迫降与静压锚杆桩相结合的方式进行纠偏加固，并以此验算纠偏完成后房屋后桩中心和上部形心也基本重合，符合规范要求。上部荷载约 61 % 由桩承担。考虑到该房屋的后期沉降不易控制，大部分荷载由桩承担是很合理的。

纠偏前后房屋重心校核计算如图 6、图 7 所示。

图6 纠偏前北楼计算结果

图7 纠偏后北楼计算结果

3.4.2 迫降量计算

本建筑整体呈向西北倾斜的趋势，拟将建筑物纠偏至整体倾斜率控制在 3 ‰ 左右，最终迫降量可由式（1）、式（2）计算，纠偏迫降示意图如图 8 所示。

图8 纠偏迫降示意图

式中：Sv为建筑物纠偏迫降量，mm；Sh1为建筑物顶部水平位移偏移值，mm；b为建筑物纠偏方向宽度，mm；Hg为建筑物高度，mm；Sv′建筑物纠偏最终调整的迫降量，mm；Sh为建筑物顶部水平位移设计控制值，mm；a为预留沉降值，mm。

根据建筑物倾斜资料，由上式可计算得出房屋东西向和南北向的最终迫降量约 487 mm 和 76 mm。

3.4.3 掏土量计算

钻孔掏土量可由式（3）计算：

式中：Q为表示钻孔掏土量，m2；k为经验系数，软土地区一般为 0.2～0.3；a、b为表示建筑物基础地面的长度和宽度，m；sv为表示建筑物纠偏最终调整的迫降量，m。

由此可估算北侧主楼掏土量约为 342 m3，南侧附楼掏土量约为 82 m3，由于软土自身的蠕变特性，最终的掏土量需根据实际情况和现场监测情况调整，不同位置掏土量应根据倾斜情况灵活调整，使每天的纠偏迫降量不超过 5.0 mm。具体掏土布置图如图 9、图 10 所示。

图9 房屋掏土布置图（单位：mm）

图10 掏土做法示意图（单位：mm）

4 施工总控制计划及项目实施难点与重点

4.1 施工总控制计划

本工程纠偏加固后控制总的倾斜率＜3‰，并使得房屋回正后，在后续使用过程中，房屋沉降总体趋于稳定。

4.2 纠偏难点与对策

1）主楼房屋体量大，整体面积约 9 700 m2，单层面积约 2 400 m2，各点纠偏沉降要相对统一，最高点及最低点高差大。

2）主楼为装配式框架结构，整体性很差，纠偏时很难做到整体下沉，需要对每个柱下进行掏土。

3）掏土量太大破坏房屋整体性，因此需 6 套纠偏设备同时施工，也可根据掏土的效果适当增减掏土设备。

由于该房屋整体性差，故在房屋框架柱间增加人字形柱间支撑提高整体性以带动相邻柱基迫降。考虑纠偏过程中结构的整体稳定性及后续加固要求增设柱间支撑，因房屋为既有结构，新增柱间支撑与既有混凝土梁采用化学螺栓连接。连接节点示意图如图 11、图 12 所示。

图11 新增支撑底部与既有混凝土梁连接节点

图12 新增支撑顶部与既有混凝土梁连接节点

4.3 纠偏重点与注意事项

在纠偏过程中，严密监测各柱沉降量，做到信息化施工，避免上部结构因各机台施工不同步，而造成局部开裂及产生裂缝；日沉降量控制 2～5 mm/d，每柱设沉降观测点，计算每柱的沉降量，并在纠偏过程中，实际测量值与理论值比较，做到及时调整纠偏顺序及节奏。

纠偏过程中由于产生较大沉降，不可避免出现上部结构裂缝［6，7］，对于缝宽达到 1 mm 的裂缝，这时必须采用化学注浆法对出现裂缝的构件进行修补，使其恢复刚度，达到正常的承载力。

5 房屋纠偏施工流程

根据前述纠偏方案，本次房屋纠偏施工将分为如下工况进行施工。

5.1 工况一：沉降观测

首先对沉降观测点（每根柱上距地 50 cm 设置一个观测点）进行核实、补设，做初始观测，其次复核初始倾斜率，并将沉降倾斜观测位置绘制成平面图，将沉降观测点以编号标出，做初始化沉降倾斜观测记录表，并依据纠偏程度，确认每个点的最终沉降量作为控制值。

5.2 工况二：锚杆桩施工

先对 H 轴/15 轴、G 轴/15 轴、H 轴/16 轴进行压锚杆桩施工，其中先对 H 轴/15 轴锚杆桩进行封桩；其他两个桩位依据沉降情况，在过程中封桩。

5.3 工况三：钻孔掏土

先在 24 轴东侧进行掏土；待锚杆桩封桩一周后，再在 1/B 轴布置一套设备掏土。在北楼房屋内安排 3 台设备纠偏。掏土孔直径、深度由东向西逐渐减少，严密监测，使各点沉降量前期控制在 4～5 mm/d，后期控制在 2～3 mm/d，并逐渐减少至符合纠偏要求。

5.4 工况四：过程调整

中间过程观测每个点的沉降值，按原计划的最终沉降值的线性变化确认现沉降合理性，如实际值与理论线性插值得出的沉降值偏差超过 2 cm，要作掏土位置及掏土量调整的方案。

5.5 工况五：精细计算

中间过程定时观测每个点的沉降值，按原计划的最终沉降值的线性变化确认现沉降合理性，并且由于房屋为柔性框架，相邻柱基之间沉降差相差较大，基础下沉总体呈中间高，两端低的情况，具体变形情况如图 13、图 14 所示。施工过程中需要实时监测基底矢高Δ，当Δ 未达到 7 cm 时，对房屋基础最东点进行掏土，当Δ达到 7 cm 时，发现房屋内部预制板现浇层出现裂缝，故立即对基底曲线矢高最大点进行掏土，后续均以 7 cm 作为房屋矢高最大值进行控制，如此来回往复调整，直至达到预期纠偏目标。纠偏时以整体曲线矢高来控制纠偏对上部结构的整体性能影响，局部影响以相邻柱间的沉降差进行控制。

图13 掏土变形控制图

图14 基底变形示意图

5.6 工况六：后期封锚

待纠偏达到 4 ‰ 左右，施工锚杆静压桩，待纠偏到达 3 ‰ 左右，由西向东逐渐封桩。

5.7 工况七：孔口灌浆

在掏土孔中填中粗砂，并注浆回填掏土孔，注浆量约为 30 kg/m P.O32.5 水泥。

图15 施工过程中实测变形图

现房屋已纠偏完成，完成后房屋各项数据均满足前述控制目标，且在对房屋的后续沉降监测中未发生明显不均匀沉降，纠偏前后房屋倾斜量如表 2、图 16、图 17 所示。

图16 纠偏前后倾斜量折线图（东西向）

图17 纠偏前后倾斜量折线图（南北向）

表2 纠偏前后房屋倾斜量对比表

6 结语

对于柔性框架结构，为保证纠偏过程中的房屋结构稳定及避免相邻柱间的过大沉降差，可采取增设支撑的方式提高房屋刚度加强房屋整体性，通过掏土纠偏与基础托换法相结合的方式，在掏土过程中加强信息化施工，控制整体的矢高差及相邻柱间的矢高差，降低不均匀沉降对上部结构件产生附加作用，保证纠偏过程中的结构安全并使得房屋回正。目前该房屋使用情况较好，后续无复倾情况发生，达到预期效果。Q