建筑物基底掏土灌水法纠倾

建筑物基底掏土灌水法纠倾提要：通过确定塑性区最小半径，引入了掏土灌水法工程纠倾设计方法。八层砖混住宅楼纠倾工程实践证明，在粘土类地区采用基础迫降---基底掏土平孔灌水纠倾，具有技术合理，施工简单、可控性强，回倾速度容易控制的特点.关键词：纠倾粘土微型桩掏土灌水概述在新建和已有工程中，由于各种复杂的原因，地基不均匀下沉，造成建筑物倾斜，给国家财产和人民生活带来严重损失和困难。因此，需要采取一定的纠倾措施将倾斜建筑物纠正过来，现有的纠倾技术可分为迫降法和抬升法两种［1］。掏土灌水法是纠倾方法中迫降方法的一种，所谓迫降法是指在沉降较小一侧采用掏土、浸水或堆载加压等，或将此几种方法综合起来迫使基础下沉使建筑物回倾。采用在房屋沉降小的一侧掏土灌水，在成孔的某一半径范围内因掏孔和灌水而加大地基应力，使地基应力重分布并形成塑性区，使基础产生沉降。同时，采取有效的措施控制沉降大的一侧的沉降，达到纠倾目的，见图1示意图。此方法是迫降纠倾中的一种新方法,适用于砂土、粉土、粉质粘土及粘土等地基上的倾斜建筑物。所以，称之为“掏土灌水纠倾法”（简称“掏灌法”）。掏土灌水最大塑性区半径Rp及掏孔间距D2.1假定从图2取出典型单元，距基底h处掏直径为d的孔，掏孔深度s。假设土体是理想弹塑性体，材料服从Tresca屈服准则： （1）2.2圆筒形孔周最大塑性区半径的确定Rp，掏孔间距D的初步确定对Tresca材料，如果已知成孔半径Ri和成孔处地基应力p（包括自重和建筑物引起的附加应力）则可计算出成孔周围的最大塑性区半径。假设成孔灌水后收缩闭合，可利用圆筒形孔体积变化等于弹性区体积变化推出［2］：（2）E橐取地基土的压缩模量n橐为消耗泊松比K橐地基抗剪强度（所能承受剪应力）Ri橐成孔半径一般工程中，对饱和粘性土及粉土，取Rp^3Ri，则掏孔间距D=6Ri。工程设计方法根据房屋的上部结构、基础及地基共同工作原理，假定上部及基础是属于刚性的，当地基出现轻微的不均匀下沉以后，基础及上部结构不挠曲，基础底面在地基沉降以后仍为平面。这样，建筑物为一刚体绕沉降大的一侧建筑物底端转动---沉降小的一侧建筑物下沉，沉降大的一侧只是转动点而不得产生新的沉降。3.1回倾量值及设计沉降差出于以上假定，地基所受的应力与变形成直线变化，基础随同地基一起下沉，沿建筑物倾斜方向取出各个倾斜断面，计算简图见图3（图中虚线为建筑物纠倾前位置，点划线为纠倾后位置）。按如下计算公式分别计算各倾斜断面：=（3）其中：——建筑物实际水平变位值 建筑物自然地面算起的高度a——考虑施工因素的变位滞留量（回倾滞留量），规范［3］取为*0.4%——建筑物纠倾时水平变位设计控制值，（=-a）B 建筑物宽度——纠倾需调整的设计沉降差.此处，计算沉降差的工程意义为等效掏土土层厚度，即建筑物基础沉降最大高度值。3.2回倾速度D计算沉降差在施工时不可能一次完成，需要分阶段实现。一般情况下，按照建筑物的倾斜量大小、建筑物自身结构的完整性状况设定回倾速度。定义每天掏孔灌水的沉降量D为回倾速度（单位：mm/每天）。设计上D值一般取为10-25mm/每天。实践中每次成孔后需多次灌水，才能使大部分掏孔孔壁塌落闭合，但仍有部分孔不能完全闭合。即，实际回倾速度小于设计回倾速度。3.3掏孔直径d掏孔直径d的确定应当考虑施工的可行性，即采用已有的施工方法、机具，以及施工成本。现有的水平成孔方法有人工（d=50-200mm）及机械（70-200）两种。掏小直径孔，较之较大直径孔，成孔间距缩短，成孔工作量（成孔次数）必然增多，从而使施工成本上升。一般工程实践中，平衡掏孔效果与成本的关系，采用d=100-150mm较为理想。事实上建筑物沿回倾方向是逐渐增大的，因而沿掏孔方向采用变截面最为合理（图1）。由于变截面施工难以控制，并且基础的刚度远大于地基的刚度，掏土灌水后地基的应力进行调整，地基竖向变形和侧向移动变形常常相继发生。因而，设计中可采用等截面的掏孔值。3.4掏孔间距D对于一般粘性土，按照前述塑性方法确定的塑性影响范围，取Rp=3RI。当掏孔直径d=100时，其最大塑性区半径约为RP=150mm，最小孔间距D约为300mm。为保证建筑物均匀沉降，使建筑物保持相对稳定，从而需要保持一定的孔距，以确保灌水后掏孔周边土体浸水逐渐形成塑性区，设计D值较塑性方法取值要大。工程设计时，假定土体不可压缩，每天掏孔灌水产生沉降。的折算体积等于掏孔体积V，从而确定两孔间间距，即：V=pd2/4（4）掏孔间距D：D=V/D（5）3.5掏孔深度S假定建筑物为一刚体绕沉降大的一侧建筑物底端转动---沉降小的一侧建筑物下沉，沉降大的一侧只是转动点而不得产生新的沉降。这样，掏土量从（沉降小的一侧）递减为零（沉降大的一侧），为三角形分布。工程实践中，沉降大的的一侧已然是敏感位置了，除非采取切实可行的加固措施（如微型桩托换基础），若要掏土至该部位势必造成新的沉降，其结果是加重了建筑物的倾斜。为了保证倾斜房屋纠倾不致加大倾斜一侧的下沉量，掏挖区应控制在倾斜反侧的房屋重心线以外的范围；重心线以内的地基土不掏挖，通过建筑物上部结构与基础的下沉予以调整。3.6掏孔位置距基底高度h掏孔位置距基底的距离应控制在一定范围内，一般300-600mm。距离过远，势必造成开挖深度增大；另外，基底下土体在上部荷重作用下可能向外坍塌，尤其在遭水浸泡后基底下土体向外塌落，可能引起不可控制的沉降。距离过近，基底下地基土变薄，基底反力变化过大，基础受力不均匀，导致基础对地基土的沉降调整能力下降。3.7灌水量控制基础的沉降主要是在灌水后发生的，孔内灌水以灌满为止。由于土质情况不同，孔壁在灌水后的塌陷闭合可能是多次灌水的结果。一般开始灌水时，注入水量远大于掏孔体积（水渗入周围土体所至），后期注入水量愈来愈小，待孔壁完全塌陷闭合后无法灌水。工程中当多数孔（2/3以上）灌水量接近零时，停止灌水，清孔或重新成孔。工程实例4.1工程概况济南钢铁集团总公司8#住宅楼，8层，室外高为24.2m，长57.86m，宽12.62m，砖混结构，钢筋混凝土条形基础，基础埋深为-2.25m,设伸缩缝一道（5,6轴处），平面如图4所示。1994年12月该楼伸缩缝以东主体完成施工，1995年5月伸缩缝西侧主体封顶.1996年6月发现外纵墙窗台下多处出现斜向裂缝，该楼19轴处8层窗台向北倾斜145mm,并有继续发展的趋势。1996年7,8月两次进行工程地质补充勘察，发现在该建筑物北部及东侧地下有一废弃防空洞，洞顶距地面约8虬洞高1.5-1.8m,洞宽1.5m。防空洞顶部塌落,且建筑物外已有两处塌陷至地面。因此，建筑物发生倾斜是由于房屋下防空洞塌陷所至。观测该建筑物（1#点）主体结构最大倾斜值=298mm（指建筑物的最高标高处柱子或墙体的水平倾斜值，见表1）,折合倾斜量/=1.231%（为建筑物室外总高度），已大大超过规范[3],以及标准[4]测点12345612纠倾前倾斜量（mm）上偏北298.0上偏北151.0上偏北297.0上偏北197.0上偏北258.0上偏北273.0.上偏北101.0纠倾后倾斜量（mm）上偏北105.5上偏南30.0上偏北95.0上偏北15.5上偏北66.0上偏北89.5上偏南53.0纠倾量(mm)192.5181.0202.0181.5192.0189.5154.04.2纠倾设计方法4.2.1制止建筑物下沉一压力灌浆及微型桩托换首先在建筑物两端防空洞处压力灌浆将防空洞两端堵死。其间沿防空洞钻孔至防空洞底，压力注浆将防空洞空隙部分充实，并使部分水泥浆渗入周围松动土体，阻止防空洞进一步塌陷。沉降发生较大的部分(楼体的北侧防空洞位置)使用微型桩［5］对原基础进行托换。4.2.2地质条件建筑场地地质资料和新补充的地质资料表明,建筑场地原为耕植区，经人工改造，地形平坦，场区处于山前洪积平原中部。揭露深度内岩土可分为五层.素填土：灰黄色，可塑，湿--饱和，层厚0.50--2.30米;黄土状粉质粘土：褐黄色，可塑，层厚在2.20--3.60米，承载力标准值231Kpa;黄土状粉质粘土:浅黄色,可塑一硬，湿一饱和，层厚2.10--2.60米，层底埋深6.60米；承载力标准值276Kpa;粉质粘土：褐红色，可塑--硬塑;碎石土:灰黄色，湿，中密一密实。建筑物基础坐落的第二层黄土状粉质粘土含水量大，呈饱和状，渗水性很低，地质条件适于采用掏土灌水法纠倾。4.2.3纠倾计算该住宅楼承重横墙与纵墙连接处均设有构造柱，层层设有圈梁，横墙布置间距较小(3.6m)。由在全部内外墙交叉处的构造柱与在每层设置的圈梁组成弱框架,由弱框架与粘土砖组成一种约束砌体剪力墙结构体系，加强了房屋的整体性，提高了房屋的整体抗倒塌能力［6］.现场检测表明上部结构完好，主要承重构件状态完好，在房屋发生较大倾斜的情况下，未出现较大的变形及损坏，具有一定的强度储备。按照简图3,采用公式(3)(4)(5)计算各参数，以2#观测点为例：V=pd2/4=3.14*1002/4=7850mm3，则掏孔轴间距D：D=V/D=7850/25=314mm计算结果见表2、3。轴线点号a(mm)(mm)(mm)B(m)(mm)观测沉降值D19296.8151.054.2104.9*113.52518396.8297.0200.213.19109.1113.52515496.8197.079.416.22118.1*106.02013596.8258.0161.213.1984.094.515111096.8无法观测13.1971.591196.8无法观测13.1971.571296.8170.0（含抹灰）73.213.1940.949.51019196.8298.0201.212.62要求无变化测点破坏15696.8273.0176.212.62要求无变化-3.5本项工程建筑物平面有较大的凸凹变化，楼层高,体量大，且沿建筑物长度方向上倾斜量分布极不均匀（伸缩缝西侧主体虽发生倾斜，但量值小于规范要求,设计上只加固基础不采取纠倾措施）。由表1和表2分析,各主要观测点的倾斜值及回倾沉降计算值（沿建筑物纵向）极不均匀，且建筑物平面有较大突变，这都给纠倾设计造成困难。表2中计算沉降差的工程意义为掏土土层厚度，如4号点处只需掏去基底土110.8mm，而毗邻5号点则需掏掉87.8mm。为克服大量连续非均匀成孔形成建筑物突倾，产生集中变形现象（可能引发建筑主体结构的开裂），决定分成四个区成孔（分区见图4）。设计掏孔灌水施工方向由倾斜较小的西侧向较大的东侧间隔进行。掏孔分区（轴线）直径（d）间距（D）300距基底高度（h）孔深（s）一区（19-15）10030050040011000二区（15-10）1004004009000三区（10-5）1005004006500四区（5-1）不纠倾，在伸缩缝（5,6轴处）成扇形孔为防止三区下沉过程中拉裂不纠倾的四区墙体，设计上在三四区界线处由三区向四区打孔（呈扇形分布），允许四区随三区有较小的下降。纠倾观察表明四区墙体未发现裂缝，仅在三区6至7轴间墙体与地圈梁处有水平细裂缝。结语图5为纠倾前后各主要观测点倾斜及沉降对比曲线。图5（a）中，点化线为规范允许倾斜值，实线表示纠倾前各测点的倾斜观测值，虚线表示纠倾后观测值，实线与虚线保持平行，反映了建筑物的各点回倾量均匀。图5（b）中为各测点计算（实线）和观测（虚线）沉降值，二者符合较好。北侧沉降观测点基本无变化，表明微型桩托换效果良好。采用掏