（环境工程专业论文）湿陷性黄土地区建筑物浸水纠偏的技术方法研究.pdf

摘要 在湿陷性黄土地区，由于黄土地基的湿陷而导致上部建筑物倾斜的事故层出 不穷，当其倾斜率超出规范规定的范围时，就易成为危房，不能正常投入使用， 需要进行纠偏处理。 本文详细分析了浸水纠偏过程中可能会出现的不倾、突倾、反倾及对周围环 境的影响等问题的原因，通过室内压缩试验，分析了黄土的压缩变形量与含水量 的关系，根据该曲线的趋势，将湿陷变形分为不敏感区、敏感区和消减区三个阶 段，并将其与纠偏工程中出现的不倾、突倾和反倾现象相对应。并分析了黄土浸 水入渗规律，建立了含水量及水平、垂直浸润峰函数，并首次将其应用于浸水纠 偏时浸水管、坑或槽与建筑物距离的设计，为浸水纠偏提供理论依据。 本文通过对黄土浸水入渗特性的研究，将浸水纠偏地基的沉降过程分为平缓 i 段、陡升段、平缓i i 段及新的结构形成的固结阶段四个阶段，并提出陡升段是 纠偏主要阶段，也是容易出现危险的阶段，同时文章还建立了浸水纠偏的初始条 件和计算模型，并对浸水方案及实施过程进行了详细的设计。 通过研究表明：利用黄土入渗特性确定浸水管、坑或槽的间距，具有理论依 据，并使浸水纠偏设计具有可控性。本文所做的研究工作具有很强的现实意义和 推广价值，为湿陷性黄土地区建筑物浸水纠偏提供了理论和技术指导。 关键词：浸水纠偏、湿陷性黄土、不均匀沉降、含水量、浸水入渗 a b s t r a c t i nc o l l a p s i b l el o e s sd i s t r i c t ，t h e r ea r em a n yb u i l d i n g s s l o p i n gd i s a s t e r sb e c a u s e o fl o e s sf o u n d a t i o n sw a t e r - c o l l a p s e w h e nt h eg r a d i e n to fs l o p ee x c e e d st h es p e c i f i e d s t a n d a r d ，t h eb u i l d i n g sc a l l tp u ti n t os e r v i c en o r m a l l ya n dn e e dc o r r e c t t h ea u t h o ra n a l y s e st h er e a s o no ft h ep r o b a b l ep r o b l e m ss u c ha sn o ti n c l i n a t i o n ， r a p i di n c l i n a t i o na n dr e v e r s e di n c l i n a t i o ni nt i l tc o r r e c t i o nb yi n j e c t i n gw a t e lt h r o u g h c o m p r e s s i o nt e s ti nl a b ，t h ea u t h o ra n a l y s e st h er e l a t i o no fc o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o n a n dm o i s t u r ec o n t e n ti nl o e s s ，a n dd i v i d e sw a t e r - c o l l a p s ed e f o r m a t i o ni n t ot h r e e s t a g e s t h a ta r e i n s e n s i t i v i t y , s e n s i t i z a t i o na n dc o n s u m e r i n gs e c t o r w h i c h a r e c o r f e s p o n d e n c et on o ti n c l i n a t i o n ，r a p i di n c l i n a t i o na n dr e v e r s e di n c l i n a t i o ni nt i l t c o r r e c t i o ne n g i n e e r i n g t h ea u t h o ra n a l y s e st h er u l eo fi n f i l t r a t i o nb yi n j e c t i n gw a t e r i nl o e s s ，e s t a b l i s h e sm o i s t u r ec o n t e n ta n di n f i l t r a t i o np e a kf u n c t i o no fl e v e la n d v e r t i c a l ，a n df i r s t l ya p p l i e st h e mt ot h ed i s t a n c ed e s i g nb e t w e e nb u i l d i n g sw i t hw a t e r i n j e c t i o np i p e ，p i to rs l o t ，w h i c hs u p p l yt h e o r yb a s i sf o rt i l t c o r r e c t i o nb yi n j e c t i n g w a t e r t h ea u t h o ra n a l y s e sc h a r a c t e ro fi n f i l t r a t i o nb yi n j e c t i n gw a t e r , a n ds t u d i e st h e m e c h a n i c so ft i l tc o r r e c t i o nb yi n j e c t i n gw a t e r u n d e rt h ec o n d i t i o no ft i l tc o r r e c t i o n b yi n j e c t i n gw a t e r , t h ef o u n d a t i o ns e t t l e m e n tc a nd i v i d et of o u rs t a g e st h a ta r ef l a t i ，r a p i dr i s i n g ，f i a t i ia n dc o n s o l i d a t i o ns t a g e t h ea u t h o rp u t sf o r w a r dt h er i s i n g s t a g e i st h ek e ys t a g ea n dh a sd a n g e re a s i l y t h ea u t h o re s t a b l i s h e st h ei n i t i a l c o n d i t i o na n dc a l c u l a t i o nm o d e la n dd e s i g n st h ew a t e ri n i e c t i n gm e t h o da n d o p e r a t i o np r o c e s s t h ec o n e l u s i o n ss h o wt h a tt h el o e s sj n f i l t r a t i o nc h a r a c t e rc a r ld e t e r m i n a t et h e d i s t a n c ei nw a t e ri n j e c t i o np i p e ，p i to rs l o t ，a n dt i l tc o r r e c t i o nb yi n j e c t i o nw a t e r d e s i g nh a sc o n t r o l l a b i l i t y t h ep a p e rh a sa c t u a lm e a n i n ga n dp r o m o t i o nv a l u e ，w h i c h s u p p l yt h e o r ya n dt e c h n o l o g yg u i d ef o rb u i l d i n gt i l tc o r r e c t i o nb yi n j e c t i n gw a t e ri n c o l l a p s i b l el o e s s k e yw o r d s ：t i l tc o r r e c t i o nb yi n j e c t i n gw a t e r , c o l l a p s i b l e ，n o n - u n i f o r ms e t t l e m e n t ， m o i s t u r ec o n t e n t ，i n f i l t r a t i o nb yi n j e c t i n gw a t e r 1 1 问题的提出o 习嘲 第一章绪论 在世界建筑史上，由于勘察、设计、施工、使用、维护管理以及自然灾害等 诸多方面的原因，使既有建筑物或在建工程的地基不均匀下沉，导致上部建筑产 生倾斜灾害的事故层出不穷，人们把这种由于自然和人为因素引起的建筑物的倾 斜或损坏统称为建筑物的病害。分析这种病害产生的原因，发现其绝大部分都是 由于建筑物地基或基础设计处理或后期的管理不当所造成的。这种由于地基失稳 而引起建筑物倾斜的病害实际上也可以归结为地质灾害之列，因为这种建筑物往 往都是建筑在软士、砂土、膨胀土或湿陷性黄土等特殊性土地基上的，对建筑在 该地基上的建筑物纠偏的最好方法就是对其地基进行有效的处理，使已经倾斜的 建筑物恢复到原来的正常状态。 国外著名的意大利比萨斜塔、加拿大特郎斯康谷仓等就是建筑物倾斜的例 证。在我国，白改革开放以来，随着城市建设的加快，工业与民用建筑的数量与 日俱增，工程建设难度也日益加大，地基失稳而导致的建筑物倾斜的事故也数见 不鲜。如哈尔滨某住宅楼，8 层砖混结构，钢筋混泥土条形基础，坐落在i i 级湿 陷性黄土地基上，1 9 8 7 年建成后，由于给水管道漏水，引起地基不均匀沉降， 建筑物出现严重倾斜；武汉某1 8 层住宅楼，剪力墙结构，夯扩桩基础，该高层 住宅楼于1 9 9 5 年1 月开工，9 月封顶，1 2 月3 日发现向东北方向倾斜，纠偏挽 救无济于事，其最大水平位移达2 8 8 4 m ，于1 9 9 5 年1 2 月2 6 日将其6 1 8 层控 爆拆除；深圳某宾馆，1 1 层框架结构，桩基础，该宾馆于1 9 9 5 年主体封顶后， 基础发生不均匀沉降，使得上部建筑物发生倾斜，最后，该宾馆采用人工逐层拆 除；青岛某染织公司烟囱，高5 0 m ，钢筋混泥土结构，振动沉管灌注桩基础，软 塑饱和粉土地基，该烟囱于1 9 8 9 年1 1 月竣工一个月后，产生不均匀沉降导致整 体倾斜等。 由于当代建筑物越建越多，体量越来越大，基础越埋越深，使得上部建筑对 地基的要求越来越高，而相应的场地条件如果得不到加强和改善，建筑物倾斜事 故的发生也就在所难免，且一旦发生，轻者影响建筑物的正常使用，严重时使其 丧失使用功能，甚至倒塌破坏，造成重大经济损失和人员伤亡。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1 1 。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、技术上可行的纠偏方法，对其地基进行加固处理，将已经倾斜的建筑物扶 正过来，使其恢复正常的使用功能将是一件很有益的事情。 建筑物的地基变形允许值一览表表1 1 地基土类别 变形特征 中、低压缩性土高压缩性土 砌体承重结构基础的局部倾斜o 0 0 20 0 0 3 多层和高层建筑的整体倾斜h g 2 4 0 0 0 4 2 4 h g 6 0 0 0 0 3 6 0 1 0 0 0 0 0 2 高耸结构基础的倾斜h g 2 0 o 0 0 8 2 0 h g 5 00 0 0 6 5 0 h g 1 0 0 0 0 0 5 1 0 0 i - i g 1 5 0 0 0 0 4 1 5 0 h g 2 0 0 o 0 0 3 2 0 0 f i g 2 5 0 0 0 0 2 注：1 、本表数值为建筑物地基实际最终变形允许值： 2 、h g 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6 1 0 m 内基础两点的沉降差与其距离的比值。 ( 本裹引自建筑地基基础设计规范g b 5 0 0 0 7 - 2 0 0 2 ) 在我国西北地区，广泛分布着黄土状土和黄土，这种土在天然含水量时，往 往具有较高的强度和较小的压缩性，常被认为是良好的天然地基，但是当这种土 被水浸湿后，土的抗剪强度迅速降低，在土的自重压力或附加压力的作用下，结 构迅速破坏，发生湿陷现象。这种在土的自重压力或外部荷载与土的自重压力共 同作用下产生湿陷现象的黄土称为湿陷性黄土，其最大特点就是在受水浸湿后产 生显著的附加下沉，若下沉不均匀，就会使建于其上的建筑物产生开裂，影响使 用，产生不安全感，如不及时处理任其发展，可能造成严重的裂缝、倾斜甚至倒 塌，造成严重的经济损失或人员伤亡。 因此，在湿陷性黄土地区，深入研究黄土湿陷机理，合理利用黄土的湿陷性 质对已倾斜的建筑物进行纠偏，并应用于工程实践将具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 目前，许多建筑物在建成初期或投入使用若干年后，由于种种原因导致建筑 物整体出现了倾斜，当倾斜超过了国家规范规定的允许限度时，就不能正常使用， 甚至有倒塌的危险，给人民带来损失。因此，探询建筑物倾斜原因，寻找切实可 行的纠偏方法，成了国内外专家学者争相解决的课题。 1 2 1 国外研究现状”旧啪州8 1 嘲 据文献记载，国外对建筑物的纠偏方案设计最早始于对墨西哥城天主教堂的 纠偏，当时一位意大利人于1 9 6 1 提出掏土纠偏方案，但由于这种方案对施工场 地的要求很高，在当时的技术条件下不易操作，掏土部位及掏土量也不易掌握， 而且该方案原理过于浅显，一直没有引起专家们的重视，因此并未付诸实施。 举世闻名的意大利比萨斜塔的纠偏则是一个典型的纠偏范例。比萨斜塔的建 造经历了3 个时期，前后约1 9 7 年：1 ) 自1 1 7 3 年9 月动工至1 1 7 8 年，建至4 层，高2 9 米时，因塔身倾斜而停工；2 ) 自1 2 7 2 年复工至1 2 7 8 年，建至第7 层，高4 8 米时再次停工；3 ) 自1 3 6 0 年再次复工至1 3 7 0 年建成，建至第8 层， 总高5 6 3 米。该塔从建造初期就出现了倾斜情况，且倾斜量逐年增加，至1 9 9 1 年，其最大沉降量3 米，沉降差达1 8 米，塔顶中心偏移己达5 5 米以上，刚体 倾角为5 5 度，高于我国国家标准建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 ) 中规定允许值的1 8 倍。分析斜塔基础发现，斜塔南北两侧砌石厚薄不均，从工 程纠偏角度看，其在旌工过程中就进行了纠偏：1 8 3 8 。1 8 3 9 年，意大利政府曾在 该塔底周围挖了一条宽3 5 米，深0 9 2 7 米的环形坑，以减轻地基负荷，减缓 塔的倾斜速度；1 9 3 3 1 9 3 5 年又对该坑作了防水处理，并对基础下的地基环用水 泥灌浆加固。但这些却未从根本上解决斜塔倾斜问题。为了保证比萨斜塔的安全， 意大利政府于1 9 9 0 年成立了比萨斜塔委员会，全权负责拯救比萨斜塔事务，并 开始了扶正比萨斜塔这一耗资巨大的纠偏工程。其采取的第一措施就是决定停止 3 向游人开放，随后除采取了包括理论论证、数值模拟、物理模型试验外，还实施 了一系列的工程措施：1 9 9 2 年初，在沉降较小的一侧采用堆载法纠偏，使斜塔 8 0 0 年来第一次回倾了3 2 m m ；1 9 9 5 年，在斜塔沉降较小的一侧探挖取土，结果 使斜塔突倾3m m ；2 0 0 0 年初，采用英国帝国理工学院的约翰比兰教授提出的“抽 土纠偏”方案，通过在北侧地基下逐渐抽土的方法使斜塔向北侧回移。据报道， 至1 0 月中旬，塔顶已向北移动了o 2 3 m ，计划到2 0 0 1 年，可回移0 4 5m 。 加拿大的特朗斯康谷仓曾倾斜2 7 。，由于谷仓整体性强，设计采用顶升法纠 偏，最后在谷仓下沉大的一侧下面做了7 0 多个支承于基岩上的混凝土墩，使用 3 0 8 个5 0 0 k n 的千斤顶以及支承系统，把仓体逐渐扶正了过来。 1 2 2 国内研究现状“ 我国的建筑物纠倾扶正技术起步较晚，但在最近十多年来发展较快，涌现出 许多纠偏的新工艺、新方法和新技术，同时，在全国各地进行了大量的建筑物纠 倾工程实践，挽救了一大批危险的古建筑和工业与民用建筑，为国家避免了严重 的经济损失。如在拯救具有悠久历史的古建筑方面，我国曾对公元5 5 0 年前修建 的兰州白塔、9 6 1 年修建于苏州的虎丘塔、公元1 1 3 1 1 1 6 2 年建于江苏省常熟市 的聚沙塔和公元1 8 3 1 年修建于都江堰的奎光塔等均进行了纠偏扶正，并取得了 满意的效果。近年来，对许多工业与民用建筑物也成功的进行了类似的纠偏。如： 黑龙江冰上基地某锅炉房烟囱，高4 5 m ，曾倾斜2 8 1 m m ；哈尔滨齐鲁大厦，为2 6 层高9 6 6 m 的写字楼，其最大倾斜量达5 2 4 7 岫；深圳某宾馆，有1 1 层，高3 7 6 5 m ， 由于基础发生不均匀沉降，导致最大倾斜量达4 2 0 r a m 。这些建筑物在经过纠倾扶 正后，都恢复了正常运营。 目前，我国成功纠倾的最高的倾斜构筑物为1 9 9 3 年完成的山西化肥厂水泥 分厂1 0 0 m 高烟囱( 钢筋混凝土结构，钢筋混凝土独立基础，i i 级自重湿陷性黄土 地基，倾斜量达1 5 5 m ) 的纠偏；成功纠倾加固的最高的倾斜建筑物为1 9 9 7 年 完成的哈尔滨齐鲁大厦( 框剪结构，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 ) 的纠偏。另外还有一些深长桩基础倾斜建筑物和一 些高难度倾斜建( 构) 筑物也得以纠倾扶正。 在湿陷性黄土地区，也成功地进行了许多工程实践： 4 兰州西固某厂实验楼，位于自重湿陷性黄土场地上，房屋整体性好，刚度大， 建成后由于地基局部浸水，于1 9 6 7 年开始下沉，并向东北方向倾斜。1 9 6 9 年1 0 月最大下沉量已达5 5 厘米，1 9 7 2 年1 0 月开始采用浸水纠偏，除已湿陷的东北 角未再浸水外，其余部位都通过条形基础两侧的浸水槽( 宽5 0 厘米) 先后浸水， 共浸水9 9 天，注水4 0 0 吨，至1 9 7 3 年1 月，实验楼得到了纠正，并恢复了正常 使用。 西安机瓦厂砖烟囱高5 5 米，混凝土基础，厚4 5 厘米，直径9 2 米，建筑场 地在高阶地的坡脚下，烟囱基底以下6 米深度内为洪积一坡积的新近堆积黄土， 比较松软，为地基的主要受力层，以下为马兰黄土，比较致密。烟囱使用两年后， 雨水从地表浸入烟囱西南地基，基础产生大幅度下沉，向西南倾斜达9 0 厘米以 上，地基浸水后在基底下6 米深度内土的含水量为2 3 0 2 6 7 之间，针对土的 含水量高、压缩性大、湿陷性小的特性，采用了加压纠偏的方法。在烟囱倾斜方 向的背面半圆范围内用铁块加荷，加压前同时在3 8 - 3 9 米高度处向东、北和东北 三个方向拉钢丝索以策安全。全部加压纠偏工程历时达四个月，加压沉降稳定很 快，卸荷后地基沉降很少，且是均匀的，其纠偏效果显著。 人们在对既有倾斜建筑物纠倾扶正的过程中，积累了大量的纠偏经验，如湿 陷性黄土地区建筑规范( g b 5 0 0 2 5 2 0 0 2 ) 曾对在湿陷性黄土地区进行建筑物浸 水纠偏做了一些限制性规定。到目前为止，人们通过实践总结归纳出的建筑物纠 偏方法共有三十多种，根据其处理方式的不同，可归纳为迫降法、顶升法和综合 法三种，浸水法属迫降法之一。 纵观我国建筑物纠倾扶正实例，大部分都出现在东南沿海城市，这些地区软 土分布广泛，软土地基具有压缩性高、强度低、渗透性差等特点，若地基处理不 当，在建筑物修建中或建成后极易产生不均匀沉降，而导致建筑物倾斜。人们在 对其建筑物纠偏过程中，逐渐完善了许多纠偏方法。如：掏土法、堆载加压法、 淤泥软土触变法、桩基卸载法、地基应力解除法等等。地基应力解除法是刘祖德 教授于1 9 8 3 年提出来的，它曾被应用于大量的房屋纠偏中，其工程实践证明这 - - g q 偏方法的实用性，该法第一次将建筑物纠偏技术提升到了理论的高度。在我 国西北地区，大部分土质为湿陷性黄土，黄土的湿陷性特征也易导致建筑物的倾 斜，人们在研究黄土湿陷性、对湿陷性黄土进行地基处理及建筑物纠偏的过程中， 也积累了不少实践经验，但由于纠倾扶正是一项综合性技术，与许多学科相关， 并且十分依赖于实践，目前该技术的发展水平还不尽如人意，一些技术在理论和 实践上都还不十分成熟，导致一些建筑物的纠倾工程相继出现事故，造成较大的 经济损失和人员伤亡，所以，湿陷性黄土地区建筑物的纠倾技术需要进一步的研 究与工程实践。 1 3 本文研究内容及技术路线 本文以成功的工程实践为模型，利用黄土湿陷理论、水分入渗理论及土压力 理论等，实现对湿陷性黄土地区建筑物倾斜灾害治理的机理进行分析与探讨。 研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 根据工程事例出现的问题，分析纠偏过程中最可能出现的问题，并寻 找解决的办法，为今后的纠偏工作提供指导。 ( 2 ) 根据黄土的原状压缩试验，绘制黄土湿陷变形量与含水量之间的关系 曲线，将曲线的发展规律与纠偏过程中出现的问题相结合进行分析研究。 ( 3 ) 利用土壤学中的入渗理论，结合水在黄土中的入渗特点，建立水在黄 土中入渗时其含水量、垂直浸润峰和水平浸润峰的函数模型。 ( 4 ) 在研究黄土浸水入渗变形特征的基础上，对湿陷性黄土地区建筑物浸 水纠偏法进行理论分析，并确定了浸水法纠偏的初始条件和计算模型，对纠偏工 艺和方案进行设计。 本文研究的具体技术路线如图1 - 1 所示。 6 分析拟纠偏建筑物的勘 察资料并进行补充勘察 一 卜 一一一 | 浸水纠偏方案设计与施工 浸水纠偏效果分析 分析浸水纠偏过程 中可能出现的问题 原状土样浸水入渗试验 分析研究湿陷变形 与含水量之间的关系 分析研究黄土浸水入渗过程中 含水量分布及垂直浸润锋函数 浸水纠偏机理分析研究 湿陷性黄土地区建筑物 浸水法纠偏方案设计 浸水纠偏的 可行性分析 注水管分布 间距的确定 注水量的估算变形监测 图i - i本文研究的技术路线框图 7 第二章建筑物纠偏技术概述m n - ， 建筑物纠偏技术是指既有的建筑物偏离垂直位置，发生倾斜而影响正常使用 时，人为地调整地基或基础的差异沉降，使其倾斜恢复到正常或达到国家规定的 倾斜标准内的纠正措施。建筑物纠偏是一项难度高、责任强和风险大的工程。 2 1 建筑物倾斜原因分析 造成建筑物倾斜的因素很多，既有外部的诱发条件，也有其内在的因素，可 能是种原因，也可能是由许多原因共同促成的。调查分析建筑物发生倾斜的原 因，并给出正确的结论，是进行建筑物纠倾扶正设计的首要条件。通过对我国近 年来倾斜建筑物的分析调查，可以将导致建筑物倾斜的原因归纳为工程勘察、结 构设计与地基处理、建筑施工以及自然灾害等几个方面。 2 1 1 工程勘察 工程勘察是引起建筑物倾斜的基本因素之一，其主要表现在以下两个方面： ( 一) 勘测点布置过少，或只借鉴相邻建筑物的地区资料，对建筑场地没有进 行认真勘察评价，没有查明地基主要受力层范围有厚薄不均的软土夹层、厚薄不 均的填土层或淤泥透镜体，使得上部结构建成后，地基下沉量大小不等，引起建 筑物倾斜。勘察中甚至连岩溶土洞、墓穴、旧的人防地下道也被忽视，使新建的 建筑物发生严重开裂、下陷或倾斜。 ( 二) 勘察数据处理失误，提出的地质勘察报告不能真实反映场地条件。 ( 三) 后期设计条件改变，如0 0 高程提高，后期填方过大，上覆土压力增大， 导致场地由原来的非自重湿陷性场地变为自重湿陷性场地等。 2 1 2 结构设计 结构设计工作失误是建筑物发生倾斜的一个主要原因，特别是许多设计人员 对地基或基础问题的重要性认识不足，常把复杂的地基或基础问题简单化处理， 导致建筑物地基或基础产生不均匀沉降，上部结构发生倾斜。这主要表现在以下 几个方面： ( 一) 建筑物基础设计时，采用的基础形式不当而发生倾斜事故。如在填土、 软土或湿陷性黄土等厚薄不匀的地基上，采用条形或筏板等基础形式，由于这些 地基土的工程性质较差，受力后附加沉降大，加之厚薄不匀，易导致建筑物不均 匀沉降，发生倾斜。 ( 二) 在采用桩基方案设计计算时，忽视了负摩擦力的作用与计算，桩的数 量不足，导致使用过程中桩基过量沉降、断桩等严重事故；或考虑桩土共同作用 时，桩间土分担的荷载比例过大，布桩数量较少，使建筑物开裂或倾斜。 ( 三) 同一栋建筑物上选用两种以上基础形式或将基础置于刚度不同的地 基土层上，在建造或使用过程中，建筑物产生不均匀沉降，发生倾斜事故。 ( 四) 对于软土地基且建筑物形体复杂、高度变化较大时，仅按地基承载力 计算进行设计，却忽略了地基变形计算，使建筑物发生不均匀或过量沉降。 ( 五) 建筑物的总荷载严重偏离基础形心，荷载偏心矩过大，使地基应力分 布不均，易使建筑物发生严重倾斜。 ( 六) 建筑物较密集，各建筑物之间相邻太近，基底压力重叠，使得地基受 力不均，建筑物发生倾斜。 2 1 3 建筑施工 施工质量低劣，偷工减料，弄虚作假以及施工方法不当等是造成建筑物倾斜 的又一个重要原因。如随便减少配筋，降低混凝土强度等级，采用劣质钢材乃至 缩小基础尺寸，减少基础埋深等；桩基础施工过程中，桩长没有达到设计要求， 挖孔桩的孔底虚土、残油没有清理干净，使桩端承载力严重不足，建筑物产生不 均匀沉降而倾斜；在深厚淤泥地基上，预制桩布置过密，桩打不下去，大量截桩， 部分桩尖未达到持力层，也会使桩基发生不均匀沉降，建筑物开裂或倾斜。 2 1 4 自然灾害 自然灾害也可能导致建筑物发生倾斜：如山体滑坡会导致附近建筑物突然倾 斜，甚至破坏；强烈的地震使地基土液化、喷砂，引起建筑物倾斜，甚至倒塌； 水灾、泥石流等造成地基土被掏空、基础滑移，最终引起建筑物倾斜。 9 2 1 5 其它原因 ( 一) 地下开挖：例如城市修建地铁、地下街道等地下设施，或者矿区开挖 等引发地面沉降，造成地面建筑物的倾斜。 ( 二) 地下水位的升降引起地基土性改变。由于有些地区大量超限开采、抽 吸地下水，使得地下水位下降，引起地基下沉；由于修建水库或其他原因，使地 下水位上升，也会改变或降低地基承载力，引起建筑物倾斜病害。 ( 三) 在湿陷性黄土地区，由于管道漏水，黄土地基发生不均匀湿陷下沉， 使建筑物发生倾斜。 2 2 建筑物纠偏方法概述 由于种种原因，相当一部分建筑物出现较大不均匀沉降而倾斜，使房产商及 购房者的利益蒙受损失，为减少房产商的损失并保护购房者的合法权益，多层楼 房的地基纠偏作为一种地基处理技术迅速发展起来。目前建筑物纠偏方法可概括 为三种：顶升纠偏法、促沉纠偏法和综合纠偏法( 如图2 - 1 ) 。 顶升纠偏法 2 2 1 顶升纠偏法 图2 1 促沉纠偏法综合纠偏法 建筑物纠偏方法示意图 顶升纠偏是在建筑物沉降大的一侧，采用千斤顶顶升或石灰桩顶升的办法， 通过调整建筑物各部位的沉降量来达到纠偏的目的。千斤顶顶升有两种情况：一 是在基础梁底部设置千斤顶，由原地基提供反力，顶升后的空隙用灌注混凝土或 楔形铁块妥善连接；另一种是在基础两侧对称打入基础桩或复合地基刚性桩，在 基础下做钢筋混凝土托梁，在桩与托梁之间用千斤顶施压使建筑物顶升回倾，达 到纠偏目的。 1 0 顶升法纠偏在理论上是合理的，在实践中也是可行的，其优点是一般不降低 原建筑物的标高，对地基扰动少，但因其实际设计和操作比较复杂，费用偏高， 工程上应用较少。 2 2 2 促沉纠偏法 促沉纠偏又称迫降纠偏，是指在建筑物沉降小的一侧地基上施加强制性促 沉措施，使其在较短的时间内产生局部下沉，以扶正建筑物。其方法有掏土纠偏、 地基应力解除法纠偏、降水纠偏、浸水纠偏、加压纠偏等。 浸水纠偏属促沉纠偏，是本论文的研究课题。其方法是设法使沉降小一侧的 地基浸水，迫使其下沉，达到调整不均匀沉降并纠偏扶正的目的。该法适用于处 理含水量较低( w p ，+ p 。的层位作为地基处理的厚度，符合上述条件的黄土层厚度，单独基础一 般不小于2 ，条形基础不小于1 5 m 时，地基不必进行湿陷性设防措施。( 2 ) 调 3 1 整基底压力，地基础处理时，用增加基底面积的方法，调整基底压力小于湿陷起 始压力。( 3 ) 确定地基承载力基本值，经常被水浸泡的地基或地下水位可能上升 的地基，可取湿陷起始压力( p 。) 值作为地基承载力基本值。 3 ) 湿陷起始含水量可以用来判断黄土发生湿陷时的最小含水量，它对处理 黄土地基时有一定的作用。 4 1 2 湿陷性黄土的固有属性 湿陷性黄土的固有属性是指由黄土自身性质所决定的湿陷特性，它不依赖于 任何人为因素的约定，主要表现在以下几个方面： 一是湿陷性黄土浸水前的起始含水量，它是湿陷性黄土的固有属性之一，只 依赖于黄土的本身性质，对黄土的湿陷性有着重要的影响。在其他条件都相同的 条件下，黄土起始含水量的不同，将会使p s 一6s 曲线产生相应的变化。 二是浸水增湿时黄土的湿陷性，即不同含水量下黄土的湿陷变形关系曲线 ( 6 2 6 曲线) 。该曲线能反映出湿陷性黄土的湿陷变形随含水量变化的规律，可 为黄土地基处理和黄土地区建筑物的纠偏提供指导。 三是黄土浸水入渗规律，即水分在黄土中入渗时，其水平浸润峰、垂直浸润 峰以及含水量等随时间变化的关系函数。 4 1 3 湿陷性黄土的工程属性与固有属性对建筑物的影响“7 将湿陷性划分为工程属性与固有属性并加以研究，是消除黄土湿陷性危害的 有效方法，在工程建设过程中，如果对其工程属性与固有属性认识不够，就会给 建筑在该地区的建筑物带来安全隐患，甚至是不可估量的危害。如：西宁南川锻 件厂的1 号楼在施工中受水浸湿，一夜之间建筑物两端相对沉降差达1 6 e m 之多， 由于大量不均匀湿陷使这幢房屋地下室尚未砌成，便被迫停建报废；汽车库建成 后尚未使用便下沉开裂，只好拆除；成品库下沉，屋面呈波浪起伏状；宿舍楼裂 缝密布：福利区所有楼房几乎均成了危楼。兰州西固某厂实验楼，位于自重湿陷 性黄土场地上，房屋整体性好，刚度大，建成后由于地基局部浸水，于1 9 6 7 年 开始下沉，并向东北方向倾斜，1 9 6 9 年1 0 月最大下沉量已达5 5 厘米，成了危 楼，需要进行纠偏处理。西安机瓦厂一高5 5 米砖烟囱，建筑在高阶地的坡脚下， 使用两年后，雨水从地表浸入烟囱西南地基，基础产生大幅度下沉，向西南倾斜 达9 0 厘米以上，影响其正常使用。 人们曾对陕西、甘肃、青海、山西、河南及宁夏等省、自治区内的湿陷性黄 土地区做了大规模的建筑物现状调查，得出“湿陷性黄土对建筑物的危害是比较 严重”的结论。现将陕西境内有关建筑物湿陷事故的调查数据统计如表4 - 1 。 陕西各类建筑物湿陷事故统计表表4 - 1 、事故程度 轻微一般 严重 总数 建筑物类型、 单层r 鸸 5 44 061 0 0 空旷砖房 4 6 3 12 31 0 0 多层砖房 6 23 171 0 0 小型砖房 6 4 3 3 3l o o 注：本表依据陕西省湿陷性黄土地区建筑调查总结。 事故程度按裂缝宽度b ( n u n ) ；局部倾斜i ( ) ；相对沉降h ( c m ) 划分的。 其中：轻微b 2 ，i 8 ，h 1 2 。 湿陷性黄土地基浸水后，容易发生湿陷事故，造成地基的不均匀沉降，如果 沉降差异超出建筑物的限制要求，就会使建筑物产生裂缝、倾斜等危害，其危害 程度与建筑物的结构类型、地基土湿陷性质和级别有着密切关系。对于湿陷性黄 土地基，如果事先未消除黄土的湿陷性，则在地基浸水后，就可能发生湿陷事故， 影响建筑物的安全使用。 因此湿陷性在湿陷性黄土地区是最普遍和最严重的不良工程地质问题，对各 种黄土地基上的建筑物的影响和危害很大，为了消除黄土湿陷性的危害，我们就 需要分析研究湿陷性黄土的工程属性与固有属性，弄清楚黄土湿陷的机理，揭示 出黄土湿陷的影响因素，并对黄土的湿陷性进行正确的评价，这样才能够因地制 宜，制定出相应的工程措施，最大限度地防治和避免黄土湿陷性给建筑物造成的 危害。否则如果我们对黄土的工程属性与固有属性了解的不够透彻，那么就不能 对黄土地基进行正确的处理，给工程的安全运营带来隐患。 基于本文在建筑物纠偏过程中的研究内容，本章节主要研究湿陷性黄土固有 属性中的后两个方面的问题，即黄土浸水增湿变形随含水量变化的关系以及黄土 浸水入渗时，其水平浸润峰、垂直浸润峰以及含水量函数，为建筑物浸水纠偏设 计提供指导。 4 2 湿陷性黄土的浸水变形特性试验研究“州州 根据工程实践经验，我们发现在湿陷性黄土地区，有的场地在少量浸水的条 件下就能产生湿陷，有的场地需要在大量浸水的条件下才能湿陷；有的场地浸水 后迅速湿陷，而有的场地需要浸水很长时间后才能产生湿陷。这一系列问题的出 现都跟湿陷性黄土的固有属性有关。 4 2 1 试验目的与方案 在湿陷性黄土地区，由于地下管道渗漏、地面建筑物密度增大等原因而改变 原有地面的排水、蒸发条件，从而导致地基土含水量增大湿陷而引发的建筑物倾 斜事故不断出现。前人对黄土湿陷性的研究主要侧重于充分浸水饱和的湿陷变 形，而对浸水增湿到某一含水量下的变形研究的很少，充分浸水饱和的湿陷变形 只是浸水增湿变形的一种特殊情况，单一饱和状态下的黄土变形研究已不能满足 实际需要。由于旌工和使用期间地基土含水量常常发生变化，变含水量在黄土研 究中更具有实际意义。 机械部勘察设计研究院的张苏民、郑建国等人就较为系统地研究了湿陷性黄 土在增湿时的力学特性，提出了增湿变形的概念，用增湿软化模型分析了湿陷性 黄土的增湿软化特性；太原工业大学的曾国红通过湿陷性黄土变含水量情况下的 室内试验，研究了增湿时黄土的变形规律，结合试验曲线提出了变形分界压力、 变形分界含水量的概念。基于此，本次试验的目的是通过对湿陷性黄土变含水量 条件下的变形性状进行研究，分析黄土湿陷变形与含水量和压力之间的关系，为 建筑物纠偏设计时含水量的控制提供依据。 本次试验采用2 组试样进行变含水量压缩试验，实验采用预湿的方法按照不 同的含水量对土样进行预湿，然后在高压固结仪中进行压缩试验，以研究不同含 水量时黄土湿陷变形随含水量的变化规律。 4 2 2 土样的制备及基本性质 在原始含水量下，试样的制备基本上按土工试验规范的要求去做。增湿时根 据预定想要达到的含水量值，按公式计算需要加的水量，用滴管均匀地将水滴在 原始含水量下基本削好，但两端余土没有削平的环刀试样的上下两面，将士样埋 置于天然土体中，放在密闭容器中静置2 4 小时以上，之后再将试样的两端削平， 并用削下的余土测量该组试样的含水量。预湿所需添加的水量的计算公式为： m 。丽m 。1 ( w l w o ) ( 4 - - 1 ) 式中： m 。预湿时需加水的质量； m 天然土的质量； m 要求达到的含水量； 天然含水量。 为了验证增湿的准确性，本次试验共测试了三个试样的含水量，其结果如表 4 - 2 所示，根据对比试验结果，其预湿误差在一8 1 9 2 7 6 之间。 试验用土含水量增湿效果检验实测表表4 - 2 士样号l23 实测值 l o 9 01 5 2 02 8 9 5 预计值 1 0 0 l1 4 92 9 0 3 试验用土样取自西安市东郊，取土深度3 0 米，黄褐色，大孔及针状孔隙发 育，土质均匀。根据室内试验测得该土的基本物理性质指标如表4 3 。 试验土样的基本物理指标表表4 _ 3 l 天然含水量 1 5 2 天然重度 1 3 5 k n m 3 孔隙比 1 2 7 5 液限 3 1 5 塑限 1 8 4 饱和度 3 2 4 2 3 浸水湿陷变形与含水量关系分析 基于本文所要研究的湿陷变形与含水量的关系，对室内不同条件下土样的单 轴压缩试验数据进行了整理，本次试验仅绘制了黄土湿陷变形与含水量的关系益 线，并对试验曲线的变化规律进行了分析。 湿陷变形量( 唧) 也叫湿陷量，是由于浸水湿陷作用而产生的湿陷变形大小 的量值。根据本次黄土在增湿条件下的压缩试验结果，绘制了黄土的湿陷变形与 含水量的关系曲线如图4 - 1 所示： 3 q 2 碘 制 塑葺 鼎一1 含水量( ) 图4 - 1湿陷变形与含水量的关系曲线图 通过对不同含水量下的湿陷变形与含水量的关系曲线图的分析，可以看出， 在同一含水量下，随着压力的增大，湿陷变形逐渐增大，这表明黄土的湿陷随着 压力的增大而增大；同时随着含水量的增加，湿陷变形也在不断增加。并且各曲 线都存在以下规律：各曲线组均存在平缓、陡升、再平缓三个阶段。因此根据该 曲线可以将黄土湿陷变形划分为三个区段：第一区段为变形不敏感区：该区内随 着非饱和黄土含水量的增大，变形均匀平缓地增大，变形一含水量关系曲线相对 平缓上升，在该阶段变形对含水量的变化不敏感：第二区段为变形敏感区：该区 内含水量增大到某一值后，随着含水量的继续增大，变形陡然增加，其变形一含 水量关系曲线也陡增，在该阶段变形对含水量的变化十分敏感：第三区段为变形 消减区：该区内随着含水量的进一步增加，非饱和黄土逐渐达到饱和，变形重新 进入平缓消减阶段，至变形消失，在该阶段变形对含水量的变化不敏感。分析试 验曲线，还可以看出，随压力的增大，湿陷变形峰值并不一定增大，但其变形消 减曲线较小压力下的陡。 4 3 湿陷性黄土的浸水入渗模型研究。”。”。2 “”1 浸水变形是湿陷性黄土的基本属性之一，它是具有一定厚度的黄土层，在 浸水和压力共同作用下的结果。黄土在浸水的作用下，从某一深度处开始发生塑 性变形，产生湿陷。根据4 2 节实验结果，发现黄土湿陷变形随含水量的变化出 现如下几种变化趋势： ( 1 ) 变形不敏感区：变形一含水量关系曲线相对平缓上升，在该阶段变形 对含水量的变化不敏感，在建筑物纠偏过程中，含水量在这一范围内变化时，不 会出现突倾现象： ( 2 ) 变形敏感区：变形一含水量关系曲线也陡增，在该阶段变形对含水量 的变化敏感，在建筑物纠偏过程中，含水量在这一范围内变化时，会出现突倾现 象，应引起足够的重视： ( 3 ) 变形消减区：变形一含水量关系曲线重新进入平缓消减阶段，直至变 形消失，在该阶段变形对含水量的变化不敏感； 由于黄土的浸水变形与含水量有着极密切的关系，而且在建筑物纠偏中， 地基的附加压力为一定值( 有时为了加快纠偏速率，我们会增加其附加压力) ， 因此，在进行黄土浸水变形计算与建筑物纠偏设计中，我们最关心的是含水量的 增加问题，即首先要解决的是在黄土浸水入渗过程中其含水量的变化规律问题。 当了解了黄土湿陷变形随含水量的变化的阶段和浸水过程中含水量的分布规律 后，我们就可以知道黄土变形将要达到陡升段的时间，因而可以提前做好预防准 备，防患于未然。 4 3 1 概述 水分在土体中的运移是一个十分复杂的过程，它与土体的孔隙结构密切相 关。根据前人对非饱和土渗透系数的测量结果知道：同一土样在不同的初始含水 量时，其渗透系数也差别很大。由于非饱和土渗透系数对饱和度的依赖性很大， 造成测量的困难，特别是在低饱和度时，非饱和土渗透系数的测量费时费力，一 般情况下，用实验方法测量渗透系数不太现实，且渗透系数不能反映水分在土体 内运移时土体含水量随时间和深度的变化关系。 入渗是指水分进入土壤的过程，是自然界中水分循环的重要环节，它可以 是因为降雨或灌溉，水分从地表垂直向下进入土体中：亦可通过沟渠，坑塘或用 于灌溉的地下渗水管渗入土体中。其累积入渗量、入渗率、含水量随时间的变化 和地表水的施加方式与状况，即入渗边界条件有关，应根据其入渗边界条件，求 解相应的渗流基本方程，一般来说，入渗边界条件可简化为下列三种模型： ( 1 ) 灌溉入渗模型：通过灌溉使地表湿润，但不形成积水，地表保持某一 接近饱和的含水量： ( 2 ) 降水入渗模型：降雨或喷洒时，供水强度已知且不超过土的入渗能力， 地表不形成积水或同时产生径流： ( 3 ) 积水入渗模型：供水强度大于土的入渗能力，地表形成积水或同时产 生径流，积水入渗条件下，在地表形成不断向下扩大的饱和区，土中水分运动为 饱和一非饱和渗流。 纠偏工程上的浸水入渗是由降水入渗向积水入渗过渡，最终转化为积水入渗 的过程。入渗计算的目的就是要定量地得出入渗后土体剖面中含水量分布规律函 数。这样，在浸水变形计算和纠偏设计过程中，首先根据建筑物的倾斜值，确定 纠偏需要的变形量，然后根据含水量计算相应的变形量。当确定纠偏需要达到的 变形量和在某一深度处浸水需要达到的含水量后，就可以根据水分入渗过程中含 水量及湿润锋的变化规律来确定注水孔、坑或槽离建筑物的距离与其分布的间 距。 4 3 2 入渗模型的建立 1 9 1 1 年w h g r e e n 和g a a m p t 根据毛管理论提出了近似的积水入渗模型 ( g r e e n a m p t 入渗模型) 。该模型计算简单，且有一定的物理基础，长期以来一 直广泛应用于入渗问题的研究。非饱和土含水量分布的计算，目前主要依据对 r i c h a x d s 方程的数值求解，计算精度首先取决于水分运动参数的准确程度。另一 方面水分运动参数的确定需要建立在一定的理论分析基础上，目前大都是通过对 达西定律和r i c h a r d s 方程的差分计算来反求参数，缺乏理论基础，张思聪等在 不