纠偏技术及常用纠偏方法介绍.doc

纠偏技术及常用纠偏方法的介绍一、 纠偏技术的进展建（构）筑物的纠偏（有的文献中也称作纠倾）技术、托底技术、平移技术及增层加载时的地基基础加固技术，被统称为基础工程的“后继技术”，这四项技术在20世纪前半叶仅在少数几个国家受到重视，在我国也是从20世纪后半叶才逐渐兴起的。建（构）筑物的纠偏技术、托底技术、平移技术及增层加载时的地基基础加固技术经常联合使用，以满足各种工程需要，它们与常规的地基及基础处理即有联系，又有区别。这四项技术的出现和兴起，一方面是由于土力学理论的发展、地基处理技术及相应施工机械与监测技术的进步而使这些技术的实现成为可能，另一方面是受与日俱增的客观需求分不开的。一些古建筑的倾斜和相继倒塌，迫使人们采取各种措施来保护现存的古迹和文物；新建建（构）筑物因地基处理不当或其它原因而发生倾斜，迫使人们开始重视建筑物的纠偏和基础托底加固技术，以减少大量经济损失。特别是在城市建筑群密集的地方，新建建（构）筑物常常会促使既有建筑物发生不均匀沉降；城市功能的改变，干道的重新规划，常要求将一些重要建筑物及文化遗址完整地平移。世界上许多著名的大型建（构）筑物都是由于地基基础的问题而发生倾斜，因当时挽救乏术，不得不任其倒塌和倾斜，典型的例子如建于中世纪著名的英国Ely大教堂和法国的Bauyais大教堂的倒塌。举世闻名的意大利比萨斜塔，始建于1173年，竣工于1372年，施工历时整整200年，主要就是因为施工中塔身曾两次出现倾斜，虽然从结构上采取了一些措施，仍无法纠正，而一再被迫停工，最终不得不带着倾斜而结顶。美国著名岩土工程学家C. Spencer曾于1953年预测，比萨斜塔如不进行纠偏，势必在50100年后倒塌。至1990年，塔顶中心点已向南偏离中心线4.5m，塔身倾角53317。在我国，苏州虎丘塔是继杭州雷锋塔倒坍后现存的唯一具有千年以上历史的古砖塔。虎丘塔呈七级八角形，塔底直径13.66m，高47.5m。塔顶位移1978年为2.3m，塔顶重心偏离基础轴线0.924m。经专家调查研究，虎丘塔倾斜和墩身开裂，主要原因是地基土中存在压缩性大且厚度不均匀的可塑状粘性填土，以及由于地基土的流失，而使砖砌体长期处于偏心受压状态。经过正确的纠偏加固措施以后，塔体的不均匀沉降和倾斜已得到了控制。其它类建筑物的倾斜事例就更不胜枚举。建（构）筑物因地基和基础处理不当而倾斜、倒塌或拆除的后果是严重的。1995年12月26日，汉口桥苑新村的一栋18层住宅楼因地基基础设计、施工等多种原因以致发生严重倾斜，最后被控爆拆除，给人们以极其深刻的印象。该住宅楼是采用336根锤击沉管扩底灌注桩基础，桩长17.5m，桩端进入中密粉细砂持力层14m，这一栋楼房失稳的事故也告诉我们采用桩基础并不是万无一失的。由于设计、施工的问题而引起建筑物倾斜的例子是非常多的，其造成的社会影响和经济损失也是很明显的。当建筑物发生倾斜，对其进行倾斜分析和纠偏处理时，必须要注意的一点就是上部结构和基础、地基处于一个彼此协调、相互影响的整体之中，上部结构、基础和地基的共同作用使房屋整体处于某一特定构形，这一构形在表观上表现为倾斜或沉降过大，或结构出现裂缝等，这不仅与基础及地基条件有关，还与上部结构的荷载、刚度及施工方式等有关。同时，任何纠偏措施必须在保证上部结构安全的前提下进行，但由于纠偏技术发展得相对较晚，使得纠偏技术本身还没有形成一个完整的理论体系，更不用说考虑上部结构的安全。以至于一些业主单位对纠偏本身带有一种恐惧感，纠偏措施中总是设法避免对基础和地基采取过大的工程措施，对截桩纠偏法、掏土法等带来的安全问题产生怀疑。所以，在对建筑物进行倾斜分析和纠偏处理时要考虑的因素比常规基础设计要复杂得多，除了技术因素外，还有大量的非技术因素干扰着纠偏方案的决策和认同。纠偏研究应该考虑两个方面：地基与基础的分析方法和纠偏技术处理措施。对于地基与基础分析方法方面，由于研究时间较长，在实践中积累了丰富的经验，发展较完善。但随着工程建设发展的需要，以前的一些方法和理论也显示了一些不足和缺陷，迫使工程人员开始寻找新的方法和理论。例如常规的地基基础设计方法就有以下不足：它是将上部结构和基础分开来考虑，由此而忽略了它们之间的刚度对相互之间的变形和承载力的影响。实践证明这是不符合实际的，地基的变形和基础的沉降不仅与基础的刚度和地基条件有关，还受上部结构刚度的影响。忽略某一项的存在，必然得出与实际有较大出入的结果，特别是随着目前的建筑物高度越来越高，建筑物荷载和刚度的变化幅度越来越大，这种分析方法所得出的结论与实际情况的差距可能会更大。在多数情况下，多层房屋惯用的基础形式、设计理论与施工方法不能简单地搬用于高层建筑，必须探索适合于高层建筑的理论和方法。目前，比较合理的分析方法是综合考虑上部结构、基础和地基的相互影响，即采用共同作用分析方法。随着计算机的发展和电算技术的进步，这一问题的实现已变为可能。特别是由于工程建设发展的需要，对共同作用分析方法的呼声也越来越大，如何能更加真实地反映工程实际，避免使建筑物倾斜或倒塌，是工程师们所面临的挑战。对于纠偏技术方面，虽然过去采用过许多纠偏方式，这些方式也曾成功地应用于多栋建（构）筑物的纠偏工程中，但系统的理论研究较少；此外，目前的一些纠偏方法主要应用于浅基础，对深基础（例如桩基础）的讨论较少。这些因素都迫使工程技术人员不断地寻找新的计算理论和方法。二、 建（构）筑物倾斜控制及常用纠偏方法概述2.1 建（构）筑物倾斜原因分析建（构）筑物倾斜是软弱地基上常见的工程现象，它主要是由地基不均匀变形而引起的基础倾斜在上部结构中的反应，包括墙或柱的倾斜、结构裂缝的开展、结构功能的变坏等，严重的将引起建筑物坍塌。造成建（构）筑物倾斜的原因是多方面的，包括上部结构的原因、地基基础的原因、环境和外部干扰的原因等。现分别叙述如下：1. 上部结构的原因，包括：(1) 建筑物的设计偏重于非对称的美学艺术,造成建筑结构的不匀称,上部结构对地基施加的荷载作用不均；(2) 建筑物体型复杂，布局不当造成不利的荷载分布影响；(3) 施工技术或施工程序不当引起加载不均；(4) 斗仓、池槽、储罐等可变荷载大的构筑物使用荷载施加不当。2. 地基基础原因，包括：(1) 地基土层的压缩性、厚度的分布有较大空间差异，或存在暗沟暗浜、墙基驳岸等软硬异常区；(2) 地基承载力不足，在基底压力下已产生范围较大的塑性区，或者发生长期的流变；(3) 膨胀土、湿陷性黄土、冻土等特殊土类在相应的不利条件下产生不均匀的沉降；(4) 岩溶、土洞、潜蚀、滑坡、坍陷、振动液化的影响；(5) 施工对地基土的扰动，地基处理不当，基础设计不当，基础设计有误或者施工质量差；(6) 地基土受污染侵蚀丧失强度和承载力。3. 环境和外部干扰的影响，包括：(1) 相邻建筑物荷载、大面积地面堆载或填土的影响；(2) 邻近施工的影响；基坑支护结构的破坏或变形过大；降水引起的附加沉降；桩基、沉井、某些地基处理方法的施工所造成的振动、挤压、松弛等的影响；(3) 风力和日照引起高耸结构的倾斜。所以，引起建筑物倾斜的原因是非常多的，但有些因素是可以通过详细勘察和合理设计（包括上部结构和地基基础的设计）来避免的。以上三类倾斜原因中，上部结构和地基基础方面的原因可以通过详细勘察和合理设计来避免；而环境和外部干扰的原因却是设计时无法全部预料的，也是引起建（构）筑物倾斜的主要原因。要使建筑物完全不倾斜是非常困难的，一般的建筑或多或少都有一定的倾斜度。2.2 建（构）筑物倾斜控制标准当倾斜值超过一定的限度后，结构中的次应力可能会超过材料的强度而产生裂缝甚至破坏，倾斜严重的会影响建筑物的功能，如门窗、电梯等启闭困难；当视觉可以明显察觉时，人们会恐慌；如果倾斜得不到有效控制而继续加剧时，可能会引起更大的事故。因此，为不影响建筑物的使用，其倾斜程度必须控制在一定的范围内。表1给出了现行国家标准建筑地基基础设计规范(GBJ7-89)地基变形允许值。表1 建筑物的地基变形允许值变形特征地基土类别中、低压缩性土高压缩性土砌体承重结构基础的局部倾斜0.0020.003工业与民用建筑相邻柱基的沉降差：框架结构砖石墙填充结构当基础不均匀沉降时不产生附加应力的结构0.002L0.0007L0.005L0.003L0.001L0.005L单层排架结构(柱距6m)柱基的沉降量(mm)(120)200桥式吊车轨面倾斜(按不调整轨道考虑)纵向横向0.0040.003多层和高层建筑物的倾斜Hg2424Hg6060Hg100Hg1000.0040.0030.0020.0015高耸结构基础的倾斜Hg2020Hg5050Hg100100Hg150150Hg200200Hg2500.0080.0060.0050.0040.0030.002高耸结构基础的沉降量(mm)Hg100100Hg200200Hg250(200)400300200注：1. 有括号者仅适用于中压缩性土；2. L为相邻柱基的中心距离；Hg为自室外地面起算的建筑物高度(m)；3. 倾斜指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值；4. 局部倾斜指砌体承重结构沿纵向610m内基础两点的沉降差与其距离的比值。当建（构）筑物的倾斜值或沉降量超过允许值时，为了保证建（构）筑物的功能，就必须采取一定的工程措施对建筑物进行扶正，即纠偏处理。目前已经采用的纠偏方法很多5，但主要是依靠技术人员的工程经验，理论研究则较少。2.3 常用纠偏方法概述前已述及，纠偏技术是与土力学理论与地基基础处理技术的发展、以及相应的施工机械与监测技术的发展分不开。它的技术内涵往往不仅涉及到土力学和地基基础的内容，还涉及建筑学、结构力学、工程结构等多个学科。目前，此类技术主要以土力学理论为导向，以工程经验为依托来指导实际施工，至今尚未形成自身的系统的理论和施工方法。表2列出了我国常用的一些纠偏方法。表2 常用纠偏方法主要方法技术说明技术特点顶升或抬升法顶升纠偏法顶推纠偏法张拉纠偏法注浆抬升法在沉降大的一侧顶升基础或上部墙体，或从侧面顶推(张拉)基础或构筑物使其复位在沉降大的一侧地基土中注入具有挤密加固作用或具有膨胀性的注浆液对建筑物基础起上抬作用顶推法和张拉法一般用于局部纠偏和构筑物纠偏；当整体纠偏时必须注意均匀递变顶升；保证反力系统的可靠性；当地基变形未稳定时需要考虑地基基础加固托底；注浆抬升法纠偏抬高量不大，其值难于控制，并存在扰动地基土的危险，应用实例很少。特别在淤泥质软土地区，宜慎用。阻沉法部分托底调整纠偏卸载纠偏法采取地基基础加固托底方法或卸除荷载，阻止或减少沉降较大一侧的沉降，而让沉降较小一侧继续沉降部分托底调整纠偏法用于建筑物倾斜量不大，且沉降尚未稳定的情况；卸载纠偏法属于消极被动的一种权宜之计，一般仅作为辅助措施。迫降法浸水纠偏法降水纠偏法堆载纠偏法掏土纠偏法扰动地基土法桩基水冲纠偏法截桩纠偏法地应力解除法采取措施迫使沉降较小的一侧下沉，以消除或减少与另一侧的沉降差迫降法应用最多，用于建筑物局部或整体纠偏，但纠偏后建筑物绝对标高有所降低；应根据土质情况选择迫降法；整体纠偏时，力求建筑物和部位均匀递变下沉，并使原沉降较小一侧产生最大的纠偏沉降量，并保证上部结构的完整性不受影响；当地基变形未稳定时，需要考虑地基基础的加固托换调整上部结构法改变结构形式或基底附加应力分布，使原来的沉降趋势反向发展连接构件应由足够的刚度去调整变形，外加结构与原有建筑物有可靠连接；应考虑外结构的可能性和利用；当地基变形未稳定时，需要考虑地基基础的加固综合纠偏法结合采用多种方法纠偏表2所列出的几类纠偏方法中，顶升或抬升纠偏法是通过直接改变上部结构的受力或位移、位移趋势来达到纠偏目的的；迫降法、阻沉法是从土力学原理来加大沉降较小一侧的地基变形和阻止沉降较大一侧的地基沉降来纠偏的，它们经常联合使用，是应用最多的纠偏方法；调整上部结构法是通过改变上部结构荷载分布来实现纠偏的。从另一种意义上讲，因为建筑物倾斜是由于地基不均匀沉降而引起的，任何工程措施，只要能改变地基的不均匀变形，则或多或少地对建筑物倾斜有所改善。但表中所列的各种纠偏方法，大多数只应用于筏板、条形基础等浅基础形式，应用于桩基础的实例很少，这一方面的探讨也很少见。三 多(高)层建筑物基础分析与设计方法发展概况建筑物上部结构、基础和地基同处于一个共同作用的完整系统之中，但是长期以来由于受计算手段的限制，在分析建筑物基础和地基时，总是对上部结构与基础以及基础与地基之间的联系作一些简化，这些简化模型在一定时期内解决了一些问题，但在情况稍微复杂一些的场合下就显得无能为力了，或者会得出与实际有较大出入的结果。多（高）层建筑物基础分析与设计方法大体上经历了三个发展阶段：（1）不考虑共同作用的阶段，（2）仅考虑基础与地基共同作用的阶段，（3）开始全面考虑上部结构与基础和地基三者共同作用的阶段。传统的设计方法（即不考虑共同作用的方法）是将上部结构隔离开来考虑，并用固定支座来代替基础，求得上部结构的变形和支座反力，但支座是假定为没有变形的；然后把支座反力反作用于基础上，假定地基反力是线性分布的，因此可以求得基础内力和变形；再把地基反力反作用于地基或桩上来校核地基的强度和变形。实践证明，上部结构的刚度对基础的内力和变形有着直接的影响，在理想情况下可以把上部结构视作绝对刚性或绝对柔性的。如图3（a），当把上部结构视作绝对刚性时，当地基变形时，各柱的下沉量是按线性分布的，如果不考虑柱端的抗转动能力，则可以把基础作为倒梁来处理，它不产生整体弯曲；如图3（b），当把上部结构视作绝对柔性时，其对基础的变形没有约束作用，于是基础在产生局部弯曲的同时，还经受很大的整体弯曲。 (a) (b)图3 上部结构刚度对地基变形的影响及地基弯矩图实际结构物处于上述两种情况之间，上部结构的刚度对基础的内力和变形的有着直接的影响。所以采用固定支座来处理上部结构与基础之间的连接是与实际不符的，它是在计算手段较落后时代所采用的方法。地基的内力和变形还与基础的刚度和地基条件有关，实践证明，当基础刚度不同时，地基的内力和变形会显现出不同的形态。在上述方法中，如果忽略上部结构刚度的影响，用结构力学方法求得作用在基础上的荷载后，将它作为外荷载，考虑基础和地基的相互作用，发展得到弹塑性地基上的梁和板的变形理论。这些理论后来用于求解箱形基础和筏板基础的内力和变形，以及桩与筏板、桩与箱的复合基础形式的内力和变形。但此时计算已经很复杂了，只能借助于计算机。Zeinkeiwicz和Cheung首次应用有限元法研究了地基基础的共同作用。而全面考虑上部结构与基础和地基共同作用的阶段是从上个世纪80年代开始的，它是随着有限元法的进展和计算机的发展而逐步被应用到工程中来的。广义地讲，共同作用分析是指任何结构物与地基土体的相互作用分析；在高层建筑基础分析中，它包含三种既有联系又有区别的概念：地基与基础的共同作用，基础与上部结构的共同作用，以及地基、基础与上部结构的共同作用。自上个世纪80年代以来，多（高）层建筑上部结构、基础和地基的共同作用分析已越来越多地应用到工程实践中去，对共同作用分析方法的探讨也成为学术界的一个热门课题。每年成百上千的高层、超高层建筑物的兴建对现有基础分析方法提出了挑战，同时也带来各种新经验。共同作用分析方法的发展是与生产的发展、技术的进步、特别是计算手段的突飞猛进密切相关的。考虑上部结构对基础内力和变形、地基变形的影响又是由于子结构分析技术的出现和发展而成熟起来的。Przmemieniecki提出了子结构法，Haddadin首次应用子结构法研究地基和基础与上部结构的共同作用。此后，地基、基础与上部结构的共同作用引起了人们的注意。按照子结构的思想，可以把上部结构的刚度和荷载凝聚到基础子结构的边界上，得到上部结构的等效边界刚度矩阵和等效边界荷载向量。假定基础的刚度矩阵为，对于地基的刚度矩阵，有两种处理方法：其一是把它和基础同时离散，此时基础和地基的总体刚度矩阵为，其二是按照子结构的思想，把它的刚度凝聚到与基础相连的边界节点上，此时它的刚度矩阵为，则共同作用分析的总控制方程可以表示为： (1)根据子结构法的思想，模型的某一部分对整体的影响，可以仅用它的等效边界刚度矩阵（有时还包括质量矩阵）和等效边界荷载向量来代替，这就提高了计算效率。此外，还可以构造多级子结构。子结构法对于求解刚度矩阵为高度稀疏的结构，例如板、梁、壳等，是非常有效地，它们能保证保留节点相对较少，这对于上部结构是很适合的，因此，子结构法经常用于共同作用分析中。除采用子结构法以外，对上部结构刚度的贡献还先后作过许多简化，提出许多简单可行的分析途径，与子结构有限元法相辅相成，如弹性杆法（叶于政、孙家乐，1980）、有效刚度法（孙家乐、张雷，1986）、加权残数法（刘开国，1987）等。共同作用分析方法首先是在浅基础上开展起来的，1981年在同济大学召开了“高层建筑与地基基础共同作用学术交流会”，代表这一课题在这一时期我国的研究水平。这一时期，对高层建筑与箱形（筏板