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 張曉楠，  史三元，  路  漫，  劉立波

（1河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，邯鄲056038；2河北正綱律師事務(wù)所，邯鄲056038）

[摘要]  在深入分析云南省某磚混住宅建筑傾斜原因的基礎(chǔ)上，結(jié)合加固糾傾實(shí)例，提出采用截樁與開挖應(yīng)力釋放溝聯(lián)合應(yīng)用的綜合糾傾法。采用ABAQUS軟件對分批截樁進(jìn)行了模擬，分析了截樁過程中的地基應(yīng)力、土體沉降、基礎(chǔ)梁的應(yīng)力、樁體豎向位移以及上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力，為后續(xù)糾傾設(shè)計與施工方案提供了依據(jù)。在實(shí)際施工中采用三種監(jiān)測方法來進(jìn)行信息化的施工。實(shí)際監(jiān)測結(jié)果表明，隨著各批次截樁的進(jìn)行，建筑物傾斜率回歸到允許值以內(nèi)，保證了建筑物在糾傾過程中的安全。

[關(guān)鍵詞]軟土地區(qū)；磚混結(jié)構(gòu)；截樁迫降法；糾傾加固；ABAQUS軟件；現(xiàn)場監(jiān)測

1  工程概況

云南省某普通磚混結(jié)構(gòu)住宅樓（圖1）地下一層，地上五層，東西長106m、南北寬12m，建筑總高度為22. 7m。該住宅樓的地基為軟土，基礎(chǔ)采用墻下單排水泥土加芯攪拌樁基礎(chǔ)。

 本住宅樓從2013年9月完成樁基的施工，2013年10月至2014年3月進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工，而2014年8月主體結(jié)構(gòu)竣工時出現(xiàn)不均勻沉降。沉降觀測結(jié)果顯示：在南側(cè)的外縱墻處2個沉降觀測點(diǎn)的沉降量為21~26mm，而北側(cè)外縱墻相應(yīng)的2個沉降觀測點(diǎn)的沉降量為134~261mm，可見，本住宅樓明顯向北側(cè)傾斜。

此外，經(jīng)過后續(xù)持續(xù)沉降觀測發(fā)現(xiàn)，該樓沉降并未達(dá)到穩(wěn)定，其沉降量和沉降差還在持續(xù)增大且沉降速率有增大的趨勢，室內(nèi)墻體還出現(xiàn)了裂縫（圖2）。綜合該樓的傾斜現(xiàn)狀，亟需對該樓進(jìn)行糾傾加固處理。

2  場區(qū)地址條件

經(jīng)工程地質(zhì)勘察，該工程地基土層從上往下依次為：①層雜填土，厚4.0~5．0m，由建筑垃圾組成，含粉質(zhì)黏土；②層淤泥土，厚2.0~4. 0m，高壓縮性；③層有機(jī)質(zhì)黏土，厚2.0~4. 0m，飽和狀，含腐殖質(zhì)；④層粉質(zhì)黏土，厚2.0~3. 0m，可塑狀，部分可見；⑤層圓礫，厚16. 0m。穩(wěn)定地下水位于地面以下1.0~2. 5m。該土層主要物理力學(xué)參數(shù)與地基承載力如表1所示。

3  房屋傾斜原因分析

 通過對現(xiàn)場的實(shí)際調(diào)研，并結(jié)合地質(zhì)勘查情況，可知建筑發(fā)生不均勻沉降原因主要來自：上部結(jié)構(gòu)荷載的差異、地基和基礎(chǔ)方案以及周邊環(huán)境這三個方面。另外，該小區(qū)場地上部均分布有近期堆填的素填土，包含磚塊、碎石等，其厚度在1.0~8. 0m。經(jīng)調(diào)查了解，該場地原為農(nóng)田及淺塘，地勢低洼，為提高場地整平標(biāo)高，進(jìn)行了大面積的填土施工。

3.1結(jié)構(gòu)荷載差異

 北側(cè)局部七層，結(jié)構(gòu)局部高差明顯；北側(cè)主要為書房與廚房，而南側(cè)主要為客廳、臥房，結(jié)構(gòu)重心與形心不重合，結(jié)構(gòu)對房屋的抗傾覆不利。

3.2地基和基礎(chǔ)方案

 建筑地基土體欠固結(jié)。該住宅樓采用加芯攪拌樁來作為上部磚混結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其中芯樁長9m，屬短芯攪拌樁A(S)型，不滿足云南省《加芯攪拌樁技術(shù)規(guī)程》( DBJ/T 543-19-2007)對加芯攪拌樁用作樁基時預(yù)制混凝土芯樁與攪拌樁的樁長比不宜小于0. 87的規(guī)定。

為了驗(yàn)證本住宅樓加芯攪拌樁的實(shí)際承載力，在該住宅樓基礎(chǔ)梁下選取6根樁進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示�？梢姡�除3#樁單樁極限承載力大于設(shè)計預(yù)估極限承載力(900kN)外，5#，6#樁的單樁極限承載力僅為540kN，遠(yuǎn)小于設(shè)計預(yù)估極限承載力。單樁承載力不滿足設(shè)計要求，也是導(dǎo)致建筑發(fā)生不均勻沉降的主要原因之一。

3.3周圍環(huán)境

本項(xiàng)目北側(cè)有一新的基坑開挖工程（圖3），基坑深度為2.1~4. 0m，場地地下水位較淺（水位埋深在1~2. 5m），開挖過程中進(jìn)行了基坑降水。由于基坑開挖邊緣距建筑北側(cè)較近，最近距離僅為7. 5m，抽水造成本項(xiàng)目建筑下部土層中地下水位急劇下降，因此本項(xiàng)目建筑地基發(fā)生較大的固結(jié)沉降。并且北側(cè)基坑開挖后擱置時間較長，而基坑周邊又未采取任何支護(hù)措施，這相當(dāng)于本項(xiàng)目建筑地基北側(cè)發(fā)生了應(yīng)力解除作用，故土體產(chǎn)生向北側(cè)的側(cè)向變形，從而導(dǎo)致本項(xiàng)目建筑向北側(cè)傾斜。

4  對糾偏過程的數(shù)值模擬分析

 截樁迫降法為對于支承在巖層或砂卵石層上的端承樁、樁長很大的摩擦樁或端承摩擦樁，采取將承臺下的基樁樁頂進(jìn)行切斷處理，從而使承臺順利下沉，直至達(dá)到該建筑物糾傾的目的。為了驗(yàn)證截樁迫降法的可行性，采用ABAQUS軟件對傾斜后建筑物進(jìn)行了截樁的數(shù)值模擬。

由于本住宅樓外縱墻南側(cè)比北側(cè)沉降小，通過分批次的截樁，使住宅樓南側(cè)在結(jié)構(gòu)自重作用下逐步下沉，直至建筑物傾斜率滿足規(guī)范要求，本次模擬共分三批次進(jìn)行截樁分析，各批次截樁位置如圖4所示，其中0、△、口分別表示第一、二、三批截樁。

4.1分析模型

鑒于該結(jié)構(gòu)平面尺寸為106m x12m（長×寬），若按照實(shí)際建筑尺寸進(jìn)行建模分析時，由于樁土接觸非線性會因計算溢出無法收斂而得不到計算結(jié)果，同時整體建模計算的意義也不大。為保證計算精度和節(jié)約計算時間，建模時選取五個單元中的一個單元按1:1的比例進(jìn)行建模分析。本模型土體在長度方向上延伸5倍結(jié)構(gòu)單元寬度，在深度方向上延伸2.5倍結(jié)構(gòu)單元的寬度，有限元整體數(shù)值模型見圖5。樁基則依據(jù)面積等效原理，將原設(shè)計的攪拌樁簡化為矩形樁，以便于模擬。

為了對結(jié)構(gòu)與地基土體的共同作用進(jìn)行更為詳細(xì)的分析，分別選擇了北側(cè)樁體Nl，N2，N3，南側(cè)樁體樁體N7，N8，N9，以及中部樁體N4，N5，N6來一起進(jìn)行綜合性的分析，所選樁的位置如圖6所示。

 上部結(jié)構(gòu)以及樁基礎(chǔ)采用C3D8R單元模擬，土體和基礎(chǔ)梁采用C3D8P單元模擬。

4.2 ABAQUS中土性參數(shù)的確定

 本文在ABAQUS中采用修正的劍橋模型來模擬土體本構(gòu)，相關(guān)的參數(shù)主要有對數(shù)塑性體積模量A、臨界狀態(tài)線應(yīng)力比M、反映初始屈服面大小的參數(shù)a。、屈服面形狀控制參數(shù)B、對數(shù)體積模量k以及單位壓力(p =lkPa)作用下對應(yīng)的孔隙率e．。在本次模型參數(shù)輸入時，ao由e，自動計算，無需輸入；而a和后默認(rèn)取1.0。

 假定上部結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)均為均質(zhì)的線彈性體，故圈梁、構(gòu)造柱和樓板的彈性模量統(tǒng)一取為2. 73×104MPa，基礎(chǔ)梁和芯樁彈性模量則取為3.18×104MPa。水泥土攪拌樁的壓縮模量取100~120kPa，其彈性模量為壓縮模量的3—5倍，泊松比取為0.2。

4.3有限元的計算步驟

 通過設(shè)置多個計算階段，模擬初始地應(yīng)力、住宅樓結(jié)構(gòu)施工、樁復(fù)合地基等結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)，然后進(jìn)行基坑開挖支護(hù)、截樁法迫降的施工等工況模擬。在計算階段定義中，添加基礎(chǔ)梁和樁基礎(chǔ)，利用生死單元?dú)⑺郎喜拷Y(jié)構(gòu)，激活或凍結(jié)土體、結(jié)構(gòu)、荷載、邊界條件，更改材料參數(shù)、孔壓計算類型、荷載大小等。

 計算過程共分8個分析階段：1）初始分析，對模型的邊界條件進(jìn)行了確定，限制整體模型底部向上的自由度和四個側(cè)面水平向自由度；為提高計算效率，假定在土體歷史應(yīng)力形成時基礎(chǔ)梁與樁基礎(chǔ)已經(jīng)施工完成。2）施加地應(yīng)力，根據(jù)初始分析步中形成的應(yīng)力場，設(shè)置好基礎(chǔ)梁、樁基礎(chǔ)與地基土體的接觸單元。3）添加荷載，地基土體施加8kN/m3的體積力，對樁基礎(chǔ)與基礎(chǔ)梁施加大小為9.8 m/s2的重力荷載。4）加載上部結(jié)構(gòu)1—3層，在此分析步中，利用生死單元激活這三層上部結(jié)構(gòu)，并對該結(jié)構(gòu)施加大小為9.8 m/s2的重力荷載。5）繼續(xù)加載上部結(jié)構(gòu)4—5層。6）對于局部6層結(jié)構(gòu)，采用等效均布荷載施加到6層相應(yīng)墻體上。7）將基坑土體移除掉，并將基坑側(cè)面設(shè)置為排水面來模擬基坑開挖應(yīng)力釋放。8）改變土體滲透系數(shù)，重置基坑側(cè)面，通過采用殺死單元來模擬截樁。

4.4數(shù)值模擬的結(jié)果分析

4.4.1截樁后地基應(yīng)力分析

圖7為各批次截樁后地基土體的豎向應(yīng)力圖（正值為壓應(yīng)力，負(fù)值為拉應(yīng)力），圖8為各批次截樁后樁基對應(yīng)不同深度Z處(Z =O，4，9m)地基土體沉降與時間的關(guān)系曲線。

 從各批次截樁后地基土體的豎向應(yīng)力圖（圖7）可以看出，在第一批截樁處理后，土體的豎向應(yīng)力就發(fā)生了變化，由北側(cè)向南側(cè)轉(zhuǎn)移；第二批截樁處理后，土體豎向應(yīng)力場發(fā)生了較明顯的變化，但在上部結(jié)構(gòu)與樁基礎(chǔ)的整體協(xié)調(diào)下，豎向應(yīng)力場變得較為均勻；第三批截樁處理后，土體應(yīng)力場進(jìn)一步發(fā)生變化，豎向應(yīng)力的分布更加均勻、對稱。

同時從截樁后不同深度地基土體沉降隨時間變化的關(guān)系（圖8）可知，第一批截樁后土體沉降在較長時間內(nèi)基本保持不變，第二批截樁后土體快速產(chǎn)生變形。說明在土體被擾動以后其變形才開始顯現(xiàn)，故隨著截樁批次的進(jìn)行，在上部結(jié)構(gòu)一樁基礎(chǔ)一地基土體的共同作用下，地基土體的應(yīng)力狀態(tài)在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整，使得南側(cè)剩余樁體分擔(dān)的荷載持續(xù)增大，引起建筑物重心向南回移，有利于建筑物的回傾。

 在每一批截樁處理后，地基土體所產(chǎn)生的總沉降量都是在持續(xù)增加的，但隨著各批次截樁的進(jìn)行，對建筑物糾傾的效果也越來越明顯。

4.4.2考慮截樁后基礎(chǔ)梁受力與樁變形分析

圖9為各批次截樁后基礎(chǔ)梁的應(yīng)力圖（負(fù)值為拉應(yīng)力，正值為壓應(yīng)力）。圖10為所選樁體在各批次截樁后豎向位移隨時間變化曲線圖。

 從各批次截樁后基礎(chǔ)梁的應(yīng)力圖（圖9）可以看出，在第一批截樁后，基礎(chǔ)梁的中間位置的壓應(yīng)力較大，相反南側(cè)基礎(chǔ)梁的最大應(yīng)力則相對較小。第二、三批截樁后，基礎(chǔ)梁的最大應(yīng)力均發(fā)生在基礎(chǔ)梁的中間位置，北側(cè)基礎(chǔ)梁的最大應(yīng)力稍有增大，而南側(cè)基礎(chǔ)梁的最大應(yīng)力則普遍較小，基礎(chǔ)梁局部位置出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，已達(dá)到混凝土極限抗拉強(qiáng)度。這說明中間基礎(chǔ)梁所在位置處于較危險的不利狀態(tài)，故在本項(xiàng)目糾傾施工過程中，應(yīng)首先對建筑物的南側(cè)進(jìn)行止傾處理，而且對中間基礎(chǔ)梁部分應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。

同時從所選樁體在各批次截樁后其豎向位移隨時間變化曲線圖（圖10）可以看出，在第一批截樁后，南側(cè)樁體（即N7，N8，N9）豎向位移在初期變化很小，在后期增大較多，而北側(cè)樁體（即Nl，N2，N3）在初期雖有小幅豎向位移產(chǎn)生，但隨著截樁后時間的增長，樁體豎向位移幾乎無變化；中間樁體(即N4，N5，N6)豎向位移變化則與南側(cè)樁體豎向位移變化相同。第二、三批截樁后，南側(cè)樁體豎向位移曲線較第一批截樁后樁體豎向位移曲線明顯變陡，樁體豎向位移的變化速率明顯加快，第二、三批截樁后最大豎向位移均發(fā)生在N8樁體，豎向位移值分別為205，297mm；第三批截樁后樁體豎向位移較第二批截樁后樁體豎向位移明顯要大。對于中間樁體，在第二、三批截樁后也有較明顯的豎向位移產(chǎn)生，但對比同一軸線上的N4，N5，N6樁體，豎向位移較大處也同樣出現(xiàn)在了中間樁體N5的位置。

 在第三批截樁后，截樁糾傾效果明顯，當(dāng)住宅樓回傾至沉降設(shè)計值時，應(yīng)立即進(jìn)行截樁并達(dá)到沉降在短期內(nèi)能夠穩(wěn)定的要求，否則將會出現(xiàn)過度糾偏的現(xiàn)象。

4.4.3考慮截樁后上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

圖11為各批截樁后上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖（正值為壓應(yīng)力，負(fù)值為拉應(yīng)力）。從圖11可知，墻體最大豎向應(yīng)力發(fā)生在底部的邊緣部位，而墻體所受應(yīng)力均尚未達(dá)到其強(qiáng)度限值，其中，隨著各批次截樁的進(jìn)行，南側(cè)墻體所受應(yīng)力有所下降，而北側(cè)墻體的應(yīng)力稍有增加，中間墻體應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢。同時從結(jié)構(gòu)von Mises應(yīng)力圖可以看出，底層橫向墻體在中間位置也出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力方向自中間橫墻墻體底部向北側(cè)延伸，隨著截樁的進(jìn)行，在該方向上的最大拉應(yīng)力與von Mises應(yīng)力均有所增加。

5  糾傾方法的選取

根據(jù)第4節(jié)數(shù)值模擬分析，綜合考慮該建筑物的實(shí)際狀況，采用應(yīng)力釋放法和截樁迫降法相結(jié)合的綜合糾傾方法作為該建筑物的最終糾傾方案。應(yīng)力釋放法具體為在該建筑南側(cè)開挖一條寬1. 0m、深3. 0m的應(yīng)力釋放溝，同時在沉降量較小的南側(cè)地基上開槽或挖豎向井，解除這一側(cè)地基土體的水平應(yīng)力，使地基土產(chǎn)生豎向變形。截樁現(xiàn)場照片如圖12所示。

 根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載情況以及既有樁基靜載試驗(yàn)結(jié)果，初步確定截樁位置及數(shù)量。截樁順序由沉降大的東側(cè)向西側(cè)逐步推進(jìn)。通過分批次的截樁，使建筑物南側(cè)在結(jié)構(gòu)自重作用下逐步下沉，直至建筑物傾斜率滿足規(guī)范要求。

 當(dāng)建筑物回傾至規(guī)范允許范圍內(nèi)時，再進(jìn)行封樁處理，以便及時止傾。同時，將截斷的樁重新與基礎(chǔ)梁連接，完成綜合糾傾工作。

6  糾傾過程沉降監(jiān)測系統(tǒng)

 在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上和鄰近建筑物上布置測量控制點(diǎn)，隨時注意觀測圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，做到信息化施工。為了對建筑物在糾傾過程中的回傾程度進(jìn)行必要的掌控，在糾偏施工過程中設(shè)置了現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)住宅樓的規(guī)模以及結(jié)構(gòu)特征，并結(jié)合施工場地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等條件。在能反映建筑物傾斜特征的位置，布設(shè)24個沉降及傾斜觀測點(diǎn)，其中在建筑物四周布設(shè)15個水準(zhǔn)儀沉降觀測點(diǎn)，待建筑物北側(cè)截樁施工完畢后，在限位樁上設(shè)置6個百分表來監(jiān)測樁的豎向位移。

6.1沉降監(jiān)測

采用水準(zhǔn)測量法和百分表觀測法這兩種觀測方法進(jìn)行沉降監(jiān)測，整個糾傾過程中，選擇結(jié)構(gòu)相對剛度較大的區(qū)域設(shè)置百分表，并對該監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行高頻觀測，百分表現(xiàn)場布置如圖13所示。

6.2傾斜監(jiān)測

采用全站儀貼反射片的方法進(jìn)行傾斜監(jiān)測，以確保觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性。反射片粘貼方式如圖14所示。

 在整個糾傾過程都要保持對垂直度觀測點(diǎn)的監(jiān)測，掌握建筑物的沉降情況，以便指導(dǎo)糾傾施工。糾傾施工結(jié)束后，繼續(xù)沉降觀測，直至建筑物沉降穩(wěn)定。

 在截樁階段完成以后，建筑物的沉降逐漸地趨于穩(wěn)定。而且封樁完成后一周建筑物沉降監(jiān)測結(jié)果基本沒有變化，表明沉降停止。

7  土體沉降結(jié)果分析

地基土的沉降理論計算如下式：

式中：S為土體的沉降；S。為由土中水的滲透產(chǎn)生的土體沉降；Js。為由氣體壓縮產(chǎn)生的土體沉降；Si為土顆粒彈性變形產(chǎn)生的土體沉降。

由式(1)計算的沉降值和有限元模擬的沉降值以及實(shí)測的局部沉降觀測點(diǎn)處沉降值對比如圖15所示。測點(diǎn)C2布置在住宅樓南側(cè)外縱墻中部位置處，C7布置在住宅樓南側(cè)東角點(diǎn)處，而測點(diǎn)Cl0，C14分別布置在住宅樓北側(cè)外縱墻中部和東角點(diǎn)處。

 從圖15中可以看出，理論計算的沉降與有限元模擬和實(shí)測的沉降的總體變化趨勢基本是一致的，建筑物北側(cè)的沉降較大，南側(cè)的沉降較小。

 本工程實(shí)際糾傾時間共計44d，截樁305根（房屋共計471根樁），約占總樁數(shù)的65%，，在糾傾結(jié)束時建筑物最大傾斜率已降低至允許值以內(nèi)，建筑物變形亦趨于穩(wěn)定。

8  結(jié)論

 (1)在各批次截樁后，在上部結(jié)構(gòu)一樁基礎(chǔ)一地基土體的共同作用下，建筑物的沉降差值明顯縮小，建筑物傾斜回歸到允許值以內(nèi)。

 (2)當(dāng)建筑物回傾至規(guī)定的設(shè)計值以后，應(yīng)立即進(jìn)行封樁處理，并使其達(dá)到沉降在短期內(nèi)能夠穩(wěn)定的要求，以防止糾傾過度。

 (4)建筑糾傾效果的影響因素眾多，目前無法實(shí)現(xiàn)精確控制，應(yīng)當(dāng)通過數(shù)值分析和信息化施工方法才可以及時采取措施對沉降量進(jìn)行準(zhǔn)確和有效的控制。

 (5)本文通過對多層磚混結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜的原因進(jìn)行分析，提醒在建筑施工過程中應(yīng)注意基坑開挖對周邊環(huán)境造成的影響，同時工程糾傾實(shí)例的具體實(shí)施技術(shù)又為相似工程提供參考。