（岩土工程专业论文）掏土纠倾法作用机理的分析研究.pdf

中文摘要 随着基础设施建设事业的不断发展，建( 构) 筑物倾斜事故时有发生，纠倾 工程成为一门越来越重要的学科，深入研究纠倾工程的机理显得尤为重要。 本文分析了各类建筑物倾斜现象发生的原因、机理以及各种纠倾方法的适用 特点、局限性等，重点探讨了掏土法纠倾技术的设计方法、作用机理等，对掏土 纠倾工程中各个设计要点和相关设计值进行了系统分析，并运用土力学、弹塑性 力学等力学原理对掏土孔的塑性区和掏土所引起的地面沉降进行了研究，获得了 一些有益的计算结论。 同时应用f l a c 3 d 程序，结合某工程的实际情况，在确定了单元类型、材料 属性、载荷情况、边界条件、收敛准则等与建模有关的内容的基础上，建立了纠 倾地基土的三维m o r h c o u l o m b 模型，从数值分析的角度对掏土纠倾法的作用机理 进行了探讨。该计算实例对五种不同的纠倾方案进行了定量比较，探讨了掏土孔 深度对纠倾效果的影响，确定了本工程中合理的掏土深度是l o 米；为加深工程师 对掏土法纠倾技术力学原理的理解，对三轮掏土的纠倾过程作了数值模拟，分析 了掏土过程中地基应力、位移的变化规律，数值分析表明，在实际掏土纠倾工程 施工前，应对掏土法纠倾先作几次数值分析，包括掏土孔的位置、数量、掏土深 度等设计参数对纠倾效果的影响，为改善设计方案提供技术资料，指导工程实践。 最后总结全文研究成果，综述论文对纠倾工程设计和施工的指导意义。 关键词：掏土；纠倾；数值分析；f l a c 3 d ；沉降；扰动 分类号：t u 4 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n s t r u c t i o ni n d u s t r y , t h et i l to fb u i l d i n g s ( s t r u c t u r e s ) o c c u r sf r o mt i m et ot i m e c o r r e c t i n gb u i l d i n g sh a sb e c o m ea ni m p o r t a n td i s c i p l i n e , i n - d e p t ha n a l y s i so ft h em e c h a n i s mo fc o r r e c t i n gb u i l d i n g si se s p e c i a l l yi m p o r t a n t 1 nm i sd i s s e r t a t i o n , t h ew r i t e rr e v i e w so nt h er e a s o n sa n dm e c h a n i s m sf o rt h e l e a n i n gp h e n o m e n ao fa l lt y p e so fb u i l d i n g sa n dc o n s t r u c t i o n s ，t h e ne v a l u a t so nt h e a p p l i c a t i o nc h a r a c t e r sa n dl i m i t a t i o no fv a r i o u sm e t h o d so fc o r r e c t i n gb u i l d i n g , l a s t l y i n t r o d u c e st h ed e s i g nm e t h o d ，w o r k i n gp r i n c i p l e so fc o r r e c t i gb u i l d i g nw i t ht h em e t h o d o fd r a w i n go u ts o i l 研le m p h a s i s ，t h ew r i t e ra n a l y s e se v e r yd e s i g np o i n ta n dr e l a t e d d e s i g nv a l u e so ft h em e t h o do fd r a w i n go u ts o i l ，a n dt h es o i lm e c h a n i c s ，e l a s t i c - p l a s t i c m e c h a n i c sa r eu s e df o ra n a l y s i n gt h ep l a s t i cz o n ea n dg r o u n ds u b s i d e n c ec a u s e db y d r a w i n g o u ts o i l a tl a s ts o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa r eo b “n d a tt h es a m et i m e ，f l a c 一3 dp r o g r a mw a sa p p l i e d g i v e nt oo n ec a s ew h i c hh a st h e a c t u a ls i t u a t i o no fe n g i n e e r i n ga n db u i l d i n g , a f t e rt h en u m e r i c a lm o d e la n a l y s i s - 一 i n c l u d i n gt h ec h o o s eo fu n i tt y p e ，t h ed e f i n i n go fm a t e r i a lp r o p e r t i e s ，t h el o a dc a s e s , b o u n d r a yc o n d i t i o na n dt h ec o n s i d e r a t i o no fc o n v e r g e n c ec r i t e r i o n ，t r h e e - d i e m n s i n o a l m o r h - c o u l o m ba n a ly s i sm o d e lo ff o u n d a t i o ns o i lw a se s t a b l i s h e d t h e n ，t h e m e c h a n i s mo fc o r e r c t i n g b u i l d i n g w i t ht h em e t h o do fd r a w i n go u ts o i li s i n v e s t i g a t e d b s a e do nt h ec o m p a r i s i o nt h ef i v ed i f e r e n td e p t ho fd r a w i n go u ts o i lh o l e s ， t h eq u a l i t i t i v ec o n c e p ta n dq u a n t i t i v ec o m p a r i s o na r ep r o v e db yn u m e r i c a la n a l y s i s ， a n dt h er e a s o n a b l ed e p t ho f d r a w i n g o u ts o i lh o l ei s10m e t e ri nt h i sp r o j e c t i no r d e r t oi m p r o v et h ea c k n o w l e d g eo fc i v i le n d n e e r 8t ot h em e t h o do fd r a w i n go u ts o i li n c o r r e c t i n gb u i l d i n g , t h eg l o b a lp r o c e s so f d r a w i n g - o u t ”s o i li nt h ec o r e r c t i n gb u i l d i n g a r em o d e l i n gb yn u m e r i c a la n a l y s i s ，a n dt h er u l e so ft h es t r e s s - s t r a i nb e h a v i o u ra r e s t u d i e di n t h ep r o c e s s t h e ns u g g e s tt h a ts e v e r a lt i m e so fa n a l y s i sb yn u m e r i c a l a n a l y s i ss h o u l db ec a r r i e do u tt oa n a l y s eh o wd r a w i n go u ts o i lh o l e sl o c a t i o n ，n u m b e r a n dd e p t ha f f e c tc o r r e c t i n ge f f e c t ，s oa st op r o v i d et e c h n i c a li n f o r m a t i o nf o ri m p r o v i n g d e s i g na n dg u i d et h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e f i n a l l y t h er e s e a r c hr e s u l t sa r es u m m a r i z e d ，a n dt h eg u i d a n c ew o r t ho ft r e a t i s et o d e s i g na n dc o n s t r u c t i o ni sg e n c 埴 a l i z e d k e y w o r d s ：d r a w i n go u ts o i l ；c o r r e c t i n g ；n u m e r i c a la n a l y s i s ；f l a c 一3 d ；s e t t l e m e n t ； d i s t u r b a n c e c l a s s n o ：t i1 4 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王连极 导师签 签字日期：z _ 辟月彦日 签字日期 致谢 本论文的工作是在我的导师崔江余老师的悉心指导下完成的，崔老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来崔老 师在学习上和生活上给予我的关心和帮助，崔老师对我的科研工作和论文提出的 宝贵意见，为论文的顺利进行提供了重要指导，谨向崔老师表达深深的敬意和感 激。 在撰写论文期间，胡晓勇、阙坤生、李尽旺、汪磊、王建等同学对我论文中 模型的建立和计算工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情；同时感 谢刘洋、蒋英礼等同窗好友在数据分析时给与我的帮助。 另外也感谢父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 引言 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 选题的背景 1 引言 随着国民经济的快速发展和基础设施建设工程增加，各种各样的建筑物形式 不断涌现，建筑规模也越来越大，一些建筑物不得不座落在地质条件差的场地上， 这对建筑物的设计和施工要求越来越高。由于上部结构的多样性以及地基基础的 复杂性，近年来建筑物倾斜事故时有发生。根据调查，当建筑物的倾斜率达至u 4 o ， 房屋内的居民就会有居住不适，使用不便的感觉；如果倾斜率达n 7 o ，房屋就会 有严重损坏的危险。 在世界范围内建筑物的倾斜是一个比较普遍的问题，倾斜原因多种多样，勘 察、设计、施工、使用过程中的失误、自然灾害以及人为的干扰( 比如城市建设 中对地下空间的开发、深基坑开挖) 等都能使建筑物地基产生不均匀下沉，结构 发生倾斜睇1 。 对倾斜而不能正常使用的建筑物，从节约资源、保护文物和环境的观点出发， 并不一定都得拆除。倾斜后整体性能满足正常使用的建筑物或具有一定加固价值 的建筑物，不应提倡拆除，像比萨斜塔、虎丘塔等古建筑更不能随意拆除。对这 类建筑物需要进行纠倾、加固，恢复其应有的功能。 针对倾斜的建筑物，需要采取合理方案来进行纠正或控制倾斜。更多情况下， 我们着眼于选择合适的纠倾方案、高效的施工方法和适时的变形监测。但是现在 没有一套完善而准确的理论来指导现场的纠倾工程，因此对建筑物纠倾技术的研 究就显得非常迫切而重要。 近些年来，我国工程技术人员引进吸收了世界各国许多先进的纠倾扶正措施 和技术，并因地制宜地提出不少适合我国具体国情的纠倾方法，不断提高纠倾工 程的效果。然而，每一种纠倾技术都不是万能的，都有其适用范围和局限性，盲 目套用不仅难以取得理想的纠倾效果，造成大量浪费，甚至可能导致纠倾工程失 败。良好的纠倾处理方案不仅要求技术上可行，更要求经济上合理。因此纠倾时， 应根据不同的水文地质状况，在多种纠倾方案中选择一种合理的纠倾加固手段对 倾斜建筑物进行纠倾加固。 在各种纠倾方法中，掏土纠倾法是应用较多的一种方法。深入研究掏土纠倾 北京交通大学硕士学位论文 法的作用机理，对指导掏土纠倾工程具有重要的意义。 1 1 2 选题的意义 我国快速发展的国民经济需要不断地兴建各种工业企业、宾馆酒店、商贸大 厦、住宅和办公大楼、体育场馆以及立交桥等，但是良好的地质条件越来越少， 一些建( 构) 筑物不得不座落在地质状况差的场地上，其中也包括承载力低的饱和 软粘土地基，这就造成了很多工程隐患。 同时人们在兴建各种建筑物时，对陌生地区土的微观机理、宏观特性了解不 够全面，对地质勘察、设计、施工、监测等环节又缺乏应有的重视，从而酿成建 筑物倾斜事故。 建筑物倾斜是软弱地基上一种比较常见的工程问题，它是由地基不均匀沉降 产生的基础倾斜引起，从而在上部结构中反映出来，包括墙或柱的倾斜、结构裂 缝的开展、建筑物功能的丧失等，因此引起人们的关注。倾斜可以在单向( 横向或 纵向) 或者双向( 纵横两个方向) 发生，当建筑物各部位的倾斜不等量时常使建筑物 产生挠曲或扭转。所谓既有建筑物纠倾，即利用合适的纠倾技术( 或同时辅以地基 加固技术) 将已倾斜的建筑物扶正到要求的范围内，以保证建筑物的安全和建筑物 各种功能的正常发挥瞄。建筑物纠倾是一项技术难度较大的工作，它需要对已有建 筑物结构、基础和地基，以及相邻建筑物作详细了解，需要岩土工程、结构工程 以及施工工程知识，需要岩土工程和结构工程技术人员的合作。纠倾技术人员应 具有较强的综合分析能力。 对纠倾进行深入研究的客观需求主要来自以下几方面1 ： ( 1 ) 我国在2 0 世纪五、六十年代建造的大量建筑物已接近或超过设计基准期， 需要根据建筑现状逐步进行加固改造，以延长它们的使用年限。 ( 2 ) 与世界上其它国家相比，我国人均占地很少，农业用地与建筑用地矛盾 日益突出，尤其是城市建设用地越来越紧张，地价越来越贵，新建房屋投资越来 越高，而对既有建筑进行加固改造，就成为节约建设用地、节省投资的有效途径。 ( 3 ) 为了增加房屋的使用面积和提高房屋的使用效率，而进行增层或功能改 造，如增加卫生设施，改善房屋的保温、隔热效果等。 ( 4 ) 古建筑，包括古塔楼、名人故居、历史遗址等拯救与保护日益受到人们 和政府的重视。 ( 5 ) 在大规模的旧城改造中，各种施工活动往往会危及邻近既有建筑物的稳 定与安全。 ( 6 ) 纠倾等处理技术不但有重大的历史文化意义，也有较高的现实经济价值， 2 引言 尤其是解决基础工程问题所必须的，而它的技术内涵往往不仅涉及土力学、弹塑 性力学和地基基础，而且涉及建筑学，结构力学，工程结构，工程地质等多个学 科。目前，纠倾技术主要是以土力学理论做一些初步分析，以工程经验为依托来 指导实际施工，至今尚未形成自身系统的理论和施工方法。 在纠倾工程中比较常用的掏土纠倾就是通过在建筑物沉降少的一侧的基底取 土，人为地使该侧地基土支撑面积减少， 并利用土体自重应力和附加应力的作用， 在上部结构荷载作用下，基底应力增加， 使地基土产生塑性变形，强迫该侧基础 下沉。同时使原建筑物沉降大的一侧不再沉降，以达到调整两侧基础的沉降差， 恢复建筑物的垂直度到规范允许值。掏土纠倾法适用于软土地基上的建( 构) 筑物 纠倾，深入研究掏土纠倾法的意义在于： ( 1 ) 结合“信息法施工”，更为精确地进行工程量的事先定量计算； ( 2 ) 在实际工程中可帮助人们提高有效掏土量的比重； ( 3 ) 进一步研究完善掏土纠倾法的机理； ( 4 ) 如果地基土太硬，掏土纠倾法将难易奏效，深入的分析有助于研究和总 结这种方法的适用范围； ( 5 ) 纠倾结束时，按计划留有一定的“自然纠倾量 ，深入的研究能指导人 们估算出更正确的“自然纠倾量 嗡。 1 2 研究动态 1 2 1 国外研究动态 据有关文献记载，对倾斜建筑物纠倾的最早设想是在墨西哥城天主教堂进行 的，即采用内径为1 5 0 m m 的套管，以与水平夹角为3 0 。方向钻入基础下进行掏土， 孔口距塔轴线为2 0 m ，该塔基础是圆形轮廓，这种方案对施工场地的要求很高，套 管细长，不易操作，掏土部位和掏土量也不易掌握，据记载这种方法并未实施。 举世闻名的比萨斜塔历经8 0 0 多年风雨，最大沉降量3 m ，沉降差达1 8 m ，塔 顶中心偏移己达5 5 m 以上，刚体倾角为5 。3 0 ，( 1 9 9 1 ) ，刚体倾斜速率4 6 年。 从已经发表的比萨斜塔地基土的土性参数来看，塔基坐落在淤泥质粘土上，这是 造成塔身倾斜的主要原因晦1 。斜塔是举世闻名的文化遗产，意大利政府不惜一切代 价保存该塔，对塔的任何工程措施都是十分谨慎的。最早对斜塔进行纠倾的设想 是在1 9 6 2 年由意大利工程师2 乏t e r r a c i n a 提出的，该方法是针对比萨斜塔的倾斜恶 化问题提出的一种地下抽土法，提出运用应力释放原理进行纠倾，即从斜塔沉降 较小的北侧挖设一系列斜孔，从塔基下地基土层中抽出部分砂土，使斜塔的倾斜 3 北京交通大学硕士学位论文 自然北移。据意大利比萨斜塔拯救委员会中的一名英国专家p r o f b u d a n d 介绍该法 是借鉴墨西哥城主教堂的未实施的纠倾方案。1 9 9 0 年，为了保证比萨斜塔的安全， 意大利政府专门成立了拯救比萨斜塔国际委员会，由世界级知名的岩土工程师、 结构工程师、地质师、建筑师及建筑历史、考古与历史等专业的专家学者组成。 1 9 9 0 年决定比萨斜塔停止向游人开放，之后采取了包括理论认证，数值模拟、物 理模型实验等一系列措施，进行纠倾施工。除加固塔身外，用压重法和取土法进 行地基处理，通过各种技术手段，在科学家把这座斜塔的倾斜率减少了半度之后， 这座塔从2 0 0 3 年9 月基本上已经停止了倾斜，目前己向游人开放哺1 。 建于1 9 4 1 年的加拿大特朗斯康谷仓( t r a n s e o n ag r a i ne l e v a t o r ) 地基由6 5 个圆柱 形筒仓组成，高3 1 m ，宽2 3 m ，其下为片筏基础，由于事前不了解基础下有厚达1 6 m 的软粘土层，建成后初次贮存谷物，使基底平均压力( 3 2 0 k n m 2 ) 超过了地基的极 限承载能力。结果谷仓西侧突然陷入土中8 8 m ，东侧则抬高1 5 m ，仓身倾斜2 7 。 该谷仓的整体性很强，筒仓完好无损。事后在下面做了7 0 多个支承于基岩上的混 凝土墩，使用3 8 8 个5 0 0 k n 千斤项以及支撑体系，才把仓体逐渐纠正过来瞄1 。 1 2 2 国内研究动态 历史上，我国民间有能工巧匠“扶正房屋之术，但都是所谓的“祖传秘技”， 且其活动仅限于一些村镇，这可能与只熟悉当地房屋的构造和地基情况有关，切 只是扶正一层或二层的简易房屋。我国古代民房大多是木结构立帖式坡项，扶正 也只是从结构上进行调整，而增层、地基处理等方法则很难实施。 我国的建筑物纠倾扶正与加固技术起步较晚，对既有建筑物加固纠倾改造技 术的全面研究虽然还处于方兴未艾的阶段，但已取得了一些成果，且发展异常迅 速，涌现出许多纠倾加固的新工艺、新技术和新方法。近年来全国各地需要进行 加固纠倾的既有建筑迅速增加，而且已经完成了大量的风险高、难度大的建筑物 纠倾加固工程项目，其中包括一些国家重点工程改造项目，以较小的工程费用支 出挽救倾斜建筑物，为国家避免了一定的经济损失，也为解决住房紧张问题助一 臂之力，是利国利民的好事，取得了可观的经济效益和社会效益。建筑物纠倾加固 技术己成为当前颇受欢迎与重视的新颖技术领域。建筑物纠倾技术是在实践中产 生，在实践中不断发展、完善，其理论研究也在不断地深入。在标准规范编制方 面，国家行业标准危险房屋鉴定标准( j g j l 2 5 - 9 9 ) l l o j ，既有建筑地基基础加 固技术规范( j g j l 2 3 - 2 0 0 0 ) 1 等经建设部审查，批准为强制性行业标准，分别自 2 0 0 0 年3 月1 日和6 月1 日起施行。各种专业学会多次举办学术活动，进行技术交流 和研讨。所有这些都有力地推动了既有建筑物加固纠倾领域挂术进步和发展，同 4 引言 时，科学技术的发展也为建筑物的纠倾扶正提供了一些新的技术手段。 目前，我国成功纠倾加固最高的构筑物为山西化肥厂水泥分长1 0 0 m 高的烟囱 ( 钢筋混凝土结构，钢筋混凝土独立基础，二级自重湿陷性黄土地基，倾斜量达 1 5 5 m ) ，成功纠倾加固的最高的建筑物是哈尔滨齐鲁大厦( 框架剪力墙结构，钢筋 混凝土箱形基础，粉质粘土地基，建筑高度9 6 6 m ，倾斜量6 4 0 m m ) 。苏州虎丘塔 是新中国首例重大千年古建筑纠倾托底工程。 掏土纠倾法作为比较常用的纠倾方法应运而生，它适用于软土地基、片筏基 础上的倾斜建筑物。通过大量的工程实践，获得了许多关于掏土纠倾法的有价值 的结论： ( 1 ) 掏土纠倾法可使基底的应力分布不产生陡峻的变化，始终使基底面基本 保持在一个平面上，从而减小了基础和上部结构遭受损害的可能性； ( 2 ) 掏土孔的布置可尽量适应于地质条件和纠倾任务要求； ( 3 ) 掏土的次序可依施工成果随时灵活地安排，这样可保证控制的灵敏程度。 1 3 主要研究内容 ( 1 ) 从几个方面详细论述建筑物倾斜产生的原因，给出所产生的后果； ( 2 ) 综述治理建筑物倾斜的各种主要方法，指出各个方法的特点和使用情况； ( 3 ) 对倾斜建筑物下的软土地基的力学特性与工程性质进行分析； ( 4 ) 对掏土纠倾设计方法进行分析研究； ( 5 ) 运用土力学和弹塑性力学的方法，对掏土纠倾的力学机理进行分析； ( 6 ) 纠倾数值模拟分析：确定有限元单元类别、材料属性、载荷、边界条件 和分析类别等与有限元建模有关的内容的基础上，建立纠倾地基土m o h r - c o u l o m b 模型，确定掏土孔深度与纠倾效果之间的关系，主要从以下几个方面进行分析与 讨论： 掏土纠倾法的掏孔深度对建筑物沉降影响； 掏土纠倾法的掏孔深度对地基应力分布影响； 纠倾过程的模拟分析。 5 北京交通大学硕士学位论文 2 纠倾技术的现状及发展 2 1 建( 构) 筑物发生倾斜的原因分析 建筑物发生倾斜的原因是很复杂的，既有内在的因素，也有外部的诱发条件， 可能是一种原因，也可能是由多种因素共同造成的。大体说来，建筑物倾斜的原 因主要可归纳为以下几个方面： ( 1 ) 勘察不准、设计有误。对于由软土、高压缩性淤泥质土等形成的地基， 建筑物荷载对地基沉降的影响较大。在勘察时如果过高地估计地基承载力或设计 时少算荷载，或设计的基础面积过小，都会导致地基承载力的不足，引起过大的 地基变形，使建筑物倾斜甚至倒塌。青岛某烟囱，设计时基础方案选择不合适， 桩基数量过少，并有断桩的存在，导致5 0 m 高烟囱倾斜达1 1 2 m 。 ( 2 ) 地基土层的压缩性、厚度分布在空间上有较大差异，或存在暗沟等软硬 异常区。我国南方及沿海各地在软土地基上建造了一些混合结构的住宅、办公楼 等，由于地基土层空间的差异，建筑物抵抗不均匀沉降的能力比较弱，在其附近 开挖坑道或堆载时，较易产生倾斜事故。墨西哥城的国家剧院，建在厚度较大的 火山灰地基上，建成后沉降达3 m ，门厅几乎变成了半地下室u “。 ( 3 ) 建筑物地基土层厚薄不等，软硬不均。在山坡、回填土等地基上建成的 建筑物，其地基土一般有厚薄、软硬不均的现象。若所选用的基础形式不妥或对 地基处理不当，很容易造成建筑物的倾斜。如苏州虎丘塔塔基下有五个土层，每 层厚度不同，因而导致塔身向东北方向倾斜。1 9 5 7 年塔顶位移1 7 m ，1 9 7 8 年倾斜 达到2 3 m ，塔的重心偏离基础轴线0 9 2 4 m 。后采用4 4 个人工挖孔桩加固基础， 桩深入基岩0 5 m ，直径为1 4 m ，桩顶部浇筑钢筋混凝土圈梁，使其连成整体后， 塔的倾斜趋势才得到控制。 ( 4 ) 地基稳定性差，受环境影响大。以膨胀土、湿陷性黄土地基为典型。膨 胀土吸水后膨胀，失水后收缩；湿陷性黄土浸水后会产生大量的附加沉降，且超 过正常压缩变形的几倍甚至十几倍。黄土地基的土层较厚时，湿陷面积较大，同 时建筑物的刚度较大且重心与基础形心不重合时，会引起建筑物的倾斜。山西长 治某工厂的l o o m 高烟囱，因黄土地基浸水湿陷，烟囱倾斜达1 5 3 c m u “。 ( 5 ) 建筑物体型复杂，受荷载分布不合理的影响，建筑物重心与基底形心的 位置很难一致，建筑物重心与基底形心经常会出现很大偏离的情况。从设计上， 一般住宅的厨房、楼梯问、卫生间多布置在北侧，造成北侧隔墙多、设备多、恒 6 纠倾技术的现状及发展 载的比例大；在使用上，大风引起的弯矩、大面积堆载及荷载差异等都会引起建 筑物的倾斜u 。 ( 6 ) 在深基坑开挖中，支护结构的破坏使相邻建筑物倾斜或倒塌。如广州东 风路一建筑的深基坑，因支护结构破损，引起相邻三幢楼房倾斜和倒塌u 。 ( 7 ) 由山体滑坡、地震液化、泥石流等自然灾害引起建筑物的倾斜。在日本 神户大地震中，位于山坡上的大批建筑物滑塌并遭受严重破坏。 ( 8 ) 除上述原因外，引起建筑物倾斜还有其他的原因：沉降缝处两相邻单 元或邻近的两座建筑物，由于地基应力的重叠作用，会导致相邻单元( 建筑物) 的倾 斜；施工质量差，造成局部基础被损而使建筑物倾斜；水平外力引起建筑物 的倾斜；地基冻胀引起建筑物的倾斜；基础下有古墓穴、土洞、人防工程等 引起地面塌陷，从而引起建筑物倾斜。 2 2 建( 构) 筑物倾斜的危害及控制标准 对己倾斜的建、构筑物危险程度的鉴定或确认是否应作纠倾处理，应充分考 虑其结构特征和倾斜引起的后果。通常建、构筑物倾斜会带来以下问题： ( 1 ) 结构功能的障碍。由于荷载作用线偏离承载构件( 墙、柱) 的轴线，这些构 件将承受附加弯矩，严重的结构功能损害可导致裂缝的发生甚至倒塌破坏，造成 重大经济损失和人员伤亡。 ( 2 ) 使用功能的障碍。住宅过度倾斜可给住户造成种种不便，如门窗变形， 启闭不灵，装修破损，排水不畅等。生产厂房的倾斜则可能导致设备运转的故障， 管线联接的困难等。 ( 3 ) 给人们造成心理上的压力。当倾斜达到人的感官能明显察觉的程度时， 人们将产生不安全感，严重影响工作和生活的情绪。 对待倾斜的建、构筑物，首先应该按照国家或地方政府颁布的有关规范、标 准进行危险程度的鉴定，或者由结构工程师对各倾斜构件进行计算检验，决定是 否进行纠倾以及纠倾到何种程度。我国建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 第5 3 4 节对建筑物的地基变形允许值规定如表2 1u 引。对超出规范规定变形值的 建筑物必须进行处理，并满足规范要求后才能投入使用。对于那些已经发生倾斜 的建筑物，其结构有些并未被破坏，如果废弃不用或拆除，将会给国家和人民带 来极大的损失，但若能使用安全可靠、经济合理、技术上可行的纠倾方法，对其 地基进行加固处理，将己经倾斜的建筑物扶正过来，使其恢复正常的使用功能将 是一件很有益的事情。 7 北京交通大学硕士学位论文 表2 - 1 建筑物倾斜的控制标准 结构分类结构特征及变形控制项目允许倾斜值 中、低压缩性土 0 0 0 2 砌体承重结构基础的局部倾斜 高压缩性土 0 0 0 3 轨面倾斜( 不调整 纵向 0 0 0 4 桥式吊车 轨道) 横向0 0 0 3 h g 2 4 0 0 0 4 2 4 h g 6 0 0 0 0 3 多层和高层建筑整体倾斜 6 0 1 0 0 0 0 0 2 h g 2 0 0 0 0 8 2 0 h g 5 0 0 0 0 6 5 0 h g 1 0 0 0 0 0 5 高耸结构基础的倾斜 1 0 0 h g 1 5 0 0 0 0 4 1 5 0 f ( 2 2 ) 说明：厂一地基承载力的设计值； p 一基础面积减少以后的基地附加压力。 掏土区应控制在建筑物重心线需要促沉的一边内。 3 ) 基础外深层掏土 a 适用范围 基础外深层掏土主要有钻孔取土和沉井掏土两类，适用于淤泥、淤泥质土等 软土地基，在经粉喷、注浆等方法处理的软土中也可以使用。对较硬的地基土， 由于土体难以侧向挤出，不宜采用这种方法。 采用钻孔取土法纠倾时，钻孔可依据建筑物不均匀沉降的具体情况和土层性 质布置，同时应确定钻孔取土的先后顺序。再根据建筑物底面尺寸和附加应力的 影响范围选择钻孔的直径与深度，取土深度大于3 m ，钻孔直径不应小于3 0 0 m m 。 钻孔项部3 m 深度范围内应设置套管或套筒，以保护浅层土体不受扰动，防止出现 局部变形过大而影响建筑物的安全。 b 纠倾机理 钻孔取土的机理与沉井深层掏土比较类似：当孔或井中的土被取出后，孔壁 应力被解除，基础以下的深层土向孔内挤出，从而引起基础下沉。由于取土是在 1 4 纠倾技术的现状及发展 沉降较小的一侧进行，地基内的附加应力在纠倾过程中不断调整，基础中心部位 应力增大，更有利于软土的侧向挤出。且随着纠倾的进行和荷载偏心的减少，地 基土的变形模量趋于均化，附加应力与中心荷载下的值更接近。 基于基础外深层掏土纠倾的原理，1 9 8 3 年我国著名的岩土工程专家、武汉大 学博士生导师刘祖德教授首创了“地基应力解除法嵋副 的纠倾方法，这实际上是 一种钻孔取土的方法，它主要用于软土地区的建筑物纠倾中，取得了良好的效果， 我们把这种方法单独拿出来具体介绍，以加深对这种掏土方法的理解。 这种方法是针对国内许多兴建在软土地基上的住宅楼发生倾斜的情况，提出 的一种垂直深部掏土纠倾处理方法( 图2 - 2 ) 。该法就是在倾斜建筑物沉降少的一 侧设置密集的垂直钻孔排，有计划、按次序地在钻孔的适当深度处掏出适量的软 弱地基土，解除局部范围内的地基应力，促使软土向该侧移动，增大该侧的沉降 量。与此同时，对另一侧的地基土却不予扰动，达到纠倾目的。 图2 2 地基应力解除法纠倾不慈图 此法的主要工作原理，概括起来就是：“五解除，二均化 。 所谓“五解除的涵义就是： a 解除孔周土的径向应力，孔易被压扁成小规则椭圆形或蛋形，直到挤瘪； b 解除沿孔身总的竖向抗剪阻力，有利于沿孔排外土中应力的解除： c 有软泥夹层时，重点解除深部软弱土层中靠沉降较小一侧的侧向应力，便 于挤淤和运土； d 局部解除原沉降较大一侧的基底压力，使该处地基土处于卸载回弹状态； e 软弱层中两侧的土都有应力解除现象，随之出现的“翘翘板效应 使中心 部位软土竖向应力短暂提高，沿水平方向土中心向四周的竖向应力梯度也增高， 促使软土的变形和位移都能较缓慢地产生，有利于在纠倾过程中基础和建筑物结 构的安全。 1 5 北京交通大学硕士学位论文 “二均化 的主要意思是： a 地基土变形模量的均化，使原沉降较小一侧的土体产生剪切变形，而切线 变形模量有所降低，使它与另一侧未受扰动软土的初始变形模量更接近，从而建 筑物两侧地基土的变形模量都趋于均匀化； b 纠倾过程使基底压力均匀化，软侧卸载，而硬侧加载。 若使用地基应力解除法来纠倾建( 构) 筑物，其“五解除”、“二均化”的工作 原理不仅使建( 构) 筑物易于扶正，而且还能起到纠倾限沉的双重效果旧1 。 关于地基应力解除法的特点可以概括为如下几点： a 地基应力解除法强调，在掏土过程中应遵循掏下不掏上，掏外不掏里、掏 软不掏硬的三项原则，它能够保护基底下持力层不受掏土的扰动使它们构成调 整底面压力的保护层，结合“信息施工法”，可以使纠倾工作“平稳 、“有效 、 “准确”的进行。 b 应力解除法认为，对沉降大的一侧地基土应尽可能保护，不要予以加固， 因为任何一种加固手段，在施工时都不可避免地要扰动地基土的力学状态，从而 引起附加沉降。在应力解除法实施过程中不加固沉降大的一侧，但是通过应力调 整和地基土受力状况的改善，这些办法实际上也起到了加固的作用。从而使纠倾 后的总沉降量大为减小，起到了限沉效果。 用应力解除法进行纠倾符合基础工程自然沉降与变形的规律。它可以使建筑 物按预定的规律沉降，地基土也会被加固。实践证明，不适当的“加固”方法会 导致软侧地基土产生大幅度的附加沉降，并且该侧的沉降速率也会衰减得很慢， 另一方面，加固施工的过程也会引起较大的不均匀沉降，这两个附加沉降往往超 出“加固方法本身在以后所能起到的限沉作用。所以对用应力解除法纠倾后的 建筑物是否要进行“加固 要进行全面科学的分析，一定要最大限度的防止软侧 产生过量的施工附加沉降，只有经过论证，认为非“加固 不可的情况下实施“加 固”工序才是正确的选择。 c 这种方法可使基底的应力分布避免过于陡峻的变化，始终使基底面基本保 持在一个平面上。从而减少基础和上部结构遭受损伤的可能。 d 钻土孔上部的套管，确保了挤出的土体主要是来自软土，防止上部地基土 过速变形而危及建筑物基础的整体性和上部结构的安全。这说明掏土孔中的套管 能明显改善地基的应力分布情况，使地基土变形能较温和、平稳的产生。 e 应力解除孔在平面的密集布置应尽量适应地质条件和纠倾任务的要求，掏 土施工的顺序可根据纠倾任务和施工监测成果随时灵活地安排。这样就可以保证 纠倾工程的合理进度，防止发生突然意外的工程事故，使纠倾工程按照原计划逐 步完成。 1 6 纠倾技术的现状及发展 这种方法的整个纠倾过程温和、平稳，且基底下持力层部受到保护。钻孔和 掏土等工序都不在基底范围内进行，不会留下建筑结构和地基的过大变形的隐患。 g 应力解除法纠倾工期短、效率高、费用低，具有无振动、无噪声、无污染， 劳动强度低的特点，可做到文明施工。 h 与其它纠倾方法相比较，应力解除法具有“高效性和“可控性”的优点1 。 i 应力解除法纠倾能有效减小对临近建筑物影响。应力解除孔有效地消除了沉 降侧在沉降时对掏土孑l # i - 地基土的牵带作用，使纠倾沉降不会过多的引起孔外地 基土向下移动，从而有效的保护临近建筑物。 j 应力解除法纠倾能最大限度的保护基础下的设施，对施工场地要求不高，若 使用人工方法，即使在宽3 m 的狭窄胡同内也可以正常施工。 各种纠倾方法都有其应用的条件，在实际纠倾工程中要根据具体情况进行选 择，合理使用。 2 4 小结 本章对建( 构) 筑物倾斜的各种原因进行了分析，并明确阐述了倾斜的危害和控 制标准，将建( 构) 筑物的纠倾方法的研究做为重点，分析了各种纠倾方法尤其 是掏土纠倾法( 包括地基应力解除法) 的特点和适用条件。应当指出的是，纠倾 工程是一个复杂的系统工程，技术难度高，应该在认真调查研究的基础上制定设 计方案，特别是对于重要的建筑物的纠倾方案，要组织专家进行会审和详细的论 证，查清建筑物倾斜的原因，采取正确的纠倾方法，确保技术方案的正确性。 1 7 北京交通大学硕士学位论文 3 掏土纠倾设计方法的分析研究 掏土纠倾法因其操作简单、安全可靠、适用性强、费用低廉、工期短等优点 得到广泛应用，但具体的掏土纠倾过程中需要根据建筑物特点、地层特点以及环 境特点等因素选择合适的掏土设计参数。这里对掏土纠倾设计方法进行分析研究。 3 1 纠倾设计的要点 纠倾工程是一项风险高、技术复杂的特种工程。为了取得纠倾扶正工程的成 功，必需选定好纠倾技术方案，并结合具体施工情况不断加以完善补充，做好信 息化施工管理。具体说来，纠倾设计的要点主要有以下几方面内容： ( 1 ) 在制定纠倾方案前，应对倾斜建筑物的上部结构、地基基础状况以及倾斜 和裂缝产生的原因进行调查分析。对整体结构刚度差的建筑物，纠倾前要有针对 性的加固原结构，防止纠倾施工中建筑物发生破损甚至倒塌。 ( 2 ) 在制定方案时，要选择既安全可靠，施工简便，又经济合理的纠倾方法， 以降低工程造价、缩短工期。应制定现场监测内容、方式、手段和布置好监测点， 以便通过监测控制回倾速率并掌握纠倾结束的时机，预留好滞后回倾量。注意监 测建筑物裂缝变化的情况，根据裂缝变化规律，调整纠倾速率或采取相应的辅助 措施。同时应有安全防护及报警措施1 ，以配合旋工的顺利进行。 ( 3 ) 在制定方案时，应考虑纠倾施工中地基产生的附加沉降，预估纠倾后建筑 物地基可能产生的持续变形，并采取妥善处理措施。在纠倾施工及施工后要加强 现场观测。要考虑采用有效的加固手段，做好防复倾的地基处理，以防建筑物纠 倾后再复倾。 ( 4 ) 纠倾方案应明确规定纠倾后空心土的回填方法及墙体裂缝的处理手段等， 这将有利于保证建筑物的整体刚度，增加抗倾覆的能力，为降低原基础底面的压 力，可采用分流基底应力的措施。 3 2 掏土纠倾法的非线性纠倾设计 3 2 1 非线性纠倾设计的必要性 在倾斜建( 构) 筑物的纠倾过程中，地基土体一般都已进入塑性大变形阶段， 1 8 掏土纠倾设计方法的分析研究 部分建筑结构也可能会出现塑性变形。掏土纠倾时，在地基土比较均匀、荷载很 小的情况下，地基土的应力与应变是线性关系。但是，大部分纠倾工程针对的都 是分层地基或荷载较大的建筑物地基，应力与应变不是线性关系，并且回倾速度 过快、或回倾过程中遇到较大荷载的情况下，建( 构) 筑物一些构件也进入弹塑 性状态，应力与应变也不是线性关系，梁、板、柱、墙体开裂或产生较大变形等。 纠倾工程的实践表明，建( g g ) 筑物在整个纠倾过程中，其力学计算结果不 再遵循力学的叠加原理，力学平衡关系与加载过程、各种荷载( 包括纠倾过程中 所施加的荷载，以及原有的可变荷载和永久荷载) 等关系密切。纠倾工程中施加 作用力的顺序对纠倾结果有较大的影响，随着力的施加顺序的变化，纠倾结果也 会有较大的差别，另一方面，纠倾效果对纠倾的初始条件和边界条件也很敏感。 这些都说明，在纠倾工程中建( 构) 筑物表现出非线性的力学规律。所以，建( 构) 筑物的纠倾设计应当以非线性的力学理论为基础，使用非线性力学的方法和理论 来进行设计，而不能采用一般的参数设计来代替u 叫。 3 2 2 非线性纠倾设计的主要步骤 建( 构) 筑物的纠倾设计不能按照小变形力学或刚体力学理论进行，只考虑 参数设计是不行的；应按照非线性理论，充分考虑各种因素的影响，对工程设计 对象进行分析，提出对力学问题的解决办法，优化纠倾施工方案，再对最佳的纠 倾过程进行参数设计，经过这些过程可以完成对纠倾工程的理想设计。 分析工程的实际情况。对建( 构) 筑物倾斜的原因进行全面、深刻的剖析， 找到问题所在，抓住主要矛盾。 解决设计中的力学问题。对作用在建筑物上各种荷载的特征进行分析，综合 考虑建筑物的结构类型、整体刚度、基础形式、荷载特性等因素，进行力学设计。 对纠倾过程进行优化。研究各种纠倾方法中荷载的施加过程和方式，重点是 分析单种纠倾法和综合纠倾法的力学效果，同时分析各种纠倾方法中荷载施加的 顺序及方式。 对确定的纠倾方案进行最优处理。同一种纠倾方法，在不同工程地质条件和 外部环境的影响下，最优处理的方案可能有所不同。 3 2 3 非线性纠倾设计的计算 ( 1 ) 设计最终倾斜量( 包括水平倾角与变位值) 、倾斜方向和沉降量。 ( 2 ) 对倾斜建筑物基础的形心位置和偏心距进行计算，偏心距使用下式计算： 1 9 北京交通大学硕士学位论文 l p = ( g k + 以弦+ m 臁 ( 3 - 1 ) 说明三。一建筑物倾斜后基础底面的偏心距； 。一按照荷载效应进行标准组合时，由建筑物上部结构传递到基础项 面的竖向力； e 一建筑物倾斜后的偏心距； m 册一按照荷载效应进行标准组合时，由水平荷载作用产生的对于基 础底面的力矩值； ( 3 ) 基础底面压应力的计算乜町 p 。：继 ( 3 2 ) 么 p ：业生( 3 - 3 ) p ：警2 彳谚 ， 说明p 。一按照荷载效应进行标准组合时，基础底面的平均压应力； p 七一一按照荷载效应进行标准组合时，基础底面边缘处的最大压应力； a 。面一按照荷载效应进行标准组合时，基础底面边缘处的最小压应力； 么一建筑物基础底面的面积： 形一建筑物基础底面的截面抵抗矩； g 。基础上部土体的重量与基础自身的重量。 ( 4 ) 确定回倾方向。回倾方向与住宅水平变位合成矢量的方向相反。 ( 5 ) 确定建筑物在纠倾时基础的转动轴。 ( 6 ) 参考基底所受压力的情况，设计掏土孔的数量和沉降位置。 3 3 掏