人们为了生存和生活的需要建设了大量的建筑物,但由于种种原因,某些建筑物在建设或者使用 过程中发生不均匀沉降造成建筑物的倾斜,如著名的意大利比萨斜塔,中国的苏州虎丘塔等。建筑物倾斜轻者影响建筑物的正常使用,严重时使其丧失使用功能,其 至倒塌破坏,纠倾往往花费巨大,如为了控制比萨斜塔的倾斜花费了2500万美元,加拿大特郎斯康谷仓则花费很大代价纠倾,但纠倾后其位置比原来降低了 4m。因此,建筑物纠倾技术的研究具有重要的工程意义。

1. 国内外纠倾技术现状

自20世纪后半叶以来,随着人类改造世界活动的加快,倾斜建筑物大量出现,纠倾技术的发展和研究逐渐受到人们的重视。如1991年成立的拯救比萨塔国际委 员会经过8年之久的反复论证后,采用掏土法使斜塔的倾斜自然北移,塔顶中心点偏离垂直中心线的距离比拯救前减少438mm。我国的纠倾扶正技术虽起步较 晚,但经过近20年的应用和发展,涌现出许多新工艺、新方法和新技术。如刘祖德教授首创了“地基应力解除法”的纠倾方法,唐业清教授发明了辐射井射水取土 纠倾法,阮慰文等开发了建筑物顶升纠倾技术等。我国既有建筑的纠倾技术发展速度较快,并制定了相应的规范,这些规范的实施使得建筑物纠倾工程的设计和施工 走向规范化。

2. 建筑物倾斜原因分析

在上部结构、基础、地基的共同作用体系中,地基在基础传递的上部荷载作用下发生沉降,而这些沉降的不均匀引起建筑物倾斜,按照公式(1)和公式(2),影响地基沉降的因素包括上部荷载(F+G)和地基土层（Esi）,这些因素同样是影响建筑物倾斜的因素。

式中:PO为基底附加压力,kPa;F为上部结构荷载,kN;G为基础自重,kN;A为基础底面积,m2;γd为基底以上土层重度加权平均值,kN/m3;d为基础埋深,m;s为基础沉降,mm;Ψs为基础沉降经验系数;αi,αi-1为平均附加应力系数;zi,zi-1自基底至计算位置的深度,m。

①上部荷载的原因

上部荷载分布不均匀造成地基沉降不均匀,主要表现在:

(1)建筑结构的不规则,建筑物体型复杂

(2)建造过程中施工荷载引起加载不均匀

(3)建筑物使用期间使用荷载不均匀

②地基土层原因

根据公式(2),造成地基沉降不均匀的主要土层原因是地基土层厚薄不均,即Esi不均匀,如在山坡、河漫滩、回填土等天然不均匀地基,由于地基处理不当造成建筑物发生倾斜等。

③周边环境因素

当建筑物周围环境使其现有的应力场发生不均匀的变化超过其承受限值时也会造成其发生倾斜,如邻近建筑物或堆载、邻近基坑开挖、邻近降水、邻近桩基的施工振 动和挤压等。当然引起建筑物倾斜的原因很多,有些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,而周边环境因素则可以通过对环境 影响者合理的设计和施工来避免。

3. 纠倾工程设计

纠倾工程设计前,应充分掌握相关资料和信息,包括倾斜建筑物现状、工程地质条件,然后对其倾斜原因进行分析,通过多种纠倾方案比选,制定全面的详细的设计文件。

①纠倾方法选择

纠倾方法选择应根据建筑物的倾斜原因、倾斜量、整体刚度、基础形式、基础质量、工程地质、环境条件以及各种纠倾方法的适用范围、工作原理、施工程序等综合确定。

②纠倾合格标准

《规范》表6.1.3明确规定了纠倾合格标准,据此计算建筑物设计沉降量或者抬升量ΔS(图3,图4):

式中:SH为建筑物水平变位设计控制值,mm;a为预留沉降值,mm;b′为纠倾方向建筑物宽度在水平方向上的投影,m;Hg为自室外地面算起建筑物高度,m。

图3　迫降法纠倾示意图

图4　顶升法纠倾计算示意图

③纠倾方案比选和设计优化

纠倾方案从安全可靠、经济合理、施工方便等方面进行认真比选,挑选出最佳方案。纠倾设计应对所选用的纠倾方案进行纠倾程序优化和纠倾参数优化,其主要参数为沉降速率、回倾速率、回倾时间等。

纠倾设计可以按照下述步骤进行:

(1)首先确定设计沉降量(或抬升量)ΔS,倾斜率和倾斜方向等

(2)计算倾斜建筑物基础形心位置和偏心矩,进而确定基础底面压应力,根据基底压应力图验算地基承载力

(3)根据确定的回倾方向,布置纠倾部位,如迫降孔的位置和数量,顶升位置和机具数量等

(4)在纠倾前后根据建筑物倾斜情况,进行防复倾加固设计,确保建筑物的纠倾前后和纠倾过程中的安全

4　常用纠倾方法及其技术特点

目前,常见的纠倾方法整体来分主要有两类：迫降法和抬升法,迫降法是从土力学原理来加大沉降较小一侧的地基变形来纠倾(图3),常见的迫降纠倾法包括掏土 法、水处理法、加压法、振捣液化法、淤泥触变法、桩基卸载法等;抬升纠倾法是通过直接改变上部结构的受力或位移、位移趋势来达到纠倾目的(图4),常见的 抬升纠倾法包括顶升法、地基注入膨胀剂法等。在实际工程中,往往多种纠倾方法联合使用。至于具体的纠倾方法,则根据建筑物特点、场地地层特点、周围环境特 点的不同而不同。

下面就详细介绍常见的纠倾方法及其特点。

①掏土纠倾法

掏土纠倾方法属于迫降法的一种,是指从建筑物沉降较小一侧的基础内侧或基础外侧向基底以下的土体掏出适量的土,以达到纠倾的目的。

根据掏土孔的方向,掏土纠倾法可以分为以下三种：

(1)水平掏土纠倾法

根据建筑物不均匀沉降的状况,在建筑物基础下浅部硬土层内,水平钻孔掏土(图5),当钻孔后,钻孔产生压扁变形,孔壁土体局部将发生破坏,建筑物产生相应的沉降,达到纠倾的目的。

图5　水平钻孔掏土纠倾法示意图

针对不同土层不同场地条件情况下,唐业清教授提出了辐射井射水取土纠倾法(图6),利用高压水枪伸入基础下进行深层冲水,冲水区附近的土体在上部结构压力作用下挤入流出土体剩下的空间,引起冲水一侧的建筑物沉降,达到纠倾的目的。

图6　辐射井射水取土纠倾示意图

 (2)倾斜掏土纠倾法

倾斜钻孔掏土是在建筑物沉降较小的一侧,按一定的角度打斜孔,深入到建筑物宽度的1/3~1/2处,将基础底下的土掏出(图7),将孔中的土掏出,掏空后进行排水,然后土体在上部建筑物和土体的自重荷载作用下下沉达到纠倾目的。

图7　倾斜钻孔掏土纠倾法示意图

(3)垂直掏土纠倾法

垂直掏土纠倾法不同于“浅层掏土法”,是一种软纠倾方法,即在倾斜建筑物原沉降较小的一侧设置密集的地基应力解除孔,各孔上部设有护壁套管(长度视土质情 况而定),依靠大型螺旋钻旋入一定深度,分期分批的在钻孔适当深度掏出软弱地基土(图8),并依靠螺旋钻上拔荷载来造成孔底真空环境,使地基应力在局部范 围内得到解除或转移,促使软土向该侧移动,增大其沉降量,最终达到纠倾的目的。

图8　应力解除法纠倾示意图

②降水和浸水纠倾法概述

(1)降水纠倾法

降水纠倾法就是通过降低建筑物沉降较小一侧的地下水位,增加土中的有效应力,使该侧的地基土产生固结沉降(图9),从而达到纠倾的目的,降水纠倾法较适用 于片筏基础、箱形基础等浅基础的建筑物纠倾,且当土层的渗透系数必须达到某一程度时才有效果。另外,应注意降水引起周围建筑物的不均匀沉降影响,当距离周 围建筑物比较近时应慎用。降水纠倾法较为简单易行,成本低,不影响建筑物正常使用。

(2)浸水纠倾法

浸水纠倾法就是在沉降小的一侧基础边缘开槽、坑或钻孔(图10),有控制地将水注入地基内,使土产生湿陷变形,从而达到纠倾的目的。该纠倾方法适用于湿陷 性黄土地区多层砖混结构、框架结构、高耸构筑物及其刚度较大的建筑物的纠倾。当黄土含水量小于10%、湿陷系数大于0.05时可以采用浸水纠倾法；当黄土 含水量在17%~23%之间、湿陷系数在0.03~0.05时,可以采用浸水和加压相结合的方法。对于含水量大、湿陷系数较小的黄土,单靠浸水效果有限, 则辅以加压,同时要求注水一侧土中的压力超过湿陷土层的湿陷起始压力。

图9　降水纠倾法示意图　　图10　浸水纠倾法示意图

③加压纠倾法

(1)堆载加压纠倾法

堆载加压纠倾法就是通过在沉降较小侧堆载,对于浅基础就是使其产生附加沉降(图11a),对于桩基础则是使桩产生桩身负摩阻力(图11b)。由于该方法产 生附加沉降或桩身负摩阻力需要堆载较大,而且纠倾时间较长,所以在具体的纠倾过程中往往作为一种辅助方法与其他纠倾方法联合使用,如比萨斜塔和某软土地基 上的建筑物纠倾中与掏土纠倾法联合使用。

图11　堆载加压纠倾法示意图

(2)卸荷加压和增层加压纠倾法

卸荷加压纠倾往往是通过对沉降较大一侧基础卸荷和在沉降较小一侧堆载的联合方式进行纠倾(图12a),而增层加压法则是通过改变上部荷载分布的方式(即增加沉降较小一侧荷载)来进行纠倾(图12b)。

图12　卸荷加压和增层加压纠倾法示意图

④桩基卸载纠倾法

桩基卸载法就是通过人为方法使沉降较小一侧的桩或承台产生沉降,从而达到纠倾的目的,包括桩顶卸载、桩身卸载、桩尖卸载和承台卸载等纠倾法。

(1)桩顶卸载纠倾法

对端承桩、摩擦端承桩宜采用桩顶卸载法,即说的截桩法,将所需砍去的桩头与底板的联结处断,或者将桩周底板四周凿穿约200mm宽的缝,断缝中钢筋,使桩 与承台完全脱离,待纠倾完成后重新做桩头与底板的连接。断桩施工前应在桩颈下部加约束钢箍,以防桩体破坏过量造成难以控制的情况。同时在各桩边准备足够的 钢垫板,从沉降量小的一侧开始顺次凿去桩颈周围混凝土,并随凿随垫钢板,以防变形过大,如此不断重复,直至达到所需沉降量。纠倾完毕后,在桩头破坏处设加 强钢箍与承台一起浇捣混凝土,形成扩大桩头(图13)。

图13　桩顶卸载纠倾法示意图

(2)桩身卸载纠倾法

对于摩擦桩宜采用桩身卸载,即通过对沉降较小一侧的土方开挖暴露该部位桩体上部(图14),增加桩体下部和桩端的荷载,从而引起沉降达到纠倾的目的。由于采用该方法纠倾需要时间比较长,且工作量比较大,往往需要与其他方法联合使用。

图14　桩身卸载纠倾法示意图

(3)桩尖卸载纠倾法

对于桩长比较短的桩基础,可以采用桩尖卸载纠倾法,通过在沉降较小一侧桩基础周围打斜孔(图15),掏出桩尖下部土体,促使桩基沉降进行纠倾。

图15　桩尖卸载纠倾法示意图

(4)承台卸载纠倾法

对计入承台效应的桩基础,可采用承台卸载,通过对承台底取土(图16),也可以将底板凿穿约20cm宽的缝,截断缝中钢筋,从而使这部分承台以及承台下的桩失去承载作用,这部分承台以下的桩承受的荷载转移到周围其他桩上,使桩体下沉达到纠倾的目的。

图16　承台卸载纠倾法示意图

⑤顶升纠倾法概述

顶升纠倾法将千斤顶设置在基础梁的顶部或圈梁底下,再用千斤顶将整个建筑物顶升而达到纠倾的目的。常见的顶升法有托梁顶升纠倾法(图17)、静压桩顶升纠倾法(图18)。顶升纠倾设计时中关键在于托换体系的设计、顶升荷载和顶升点的确定,保证在顶升过程中整体结构的安全。

图17　托换梁顶升纠倾法　图18　静压桩顶升纠倾法

由于顶升纠倾法需要克服上部荷载作用,实施时往往困难比较大,所以《规范》明确规定顶升纠倾适用于上部结构荷载较小、不均匀沉降较大、以及殊工程地质条件的建筑物纠倾,砖混结构建筑物顶不宜超过7层,框架结构建筑物顶升不宜超过8层。

⑥压密注浆与膨胀纠倾法

(1)压密注浆顶升纠倾法

顶升效应是随着注浆过程中浆液对土体作用方式的改变表现出来的,一般认为压密注浆一般都会经历两个过程:

Ⅰ在注浆的初期,出浆口周围土体的压缩空间较大,浆液将在出浆口附近土体中形成圆柱状浆泡,浆液对土体以水平挤压为主

Ⅱ随着浆液体的增大、浆液对土体的挤压力的上升,浆液在土体中发生水平劈裂,形成浆脉之后,浆液对土体的作用方式以浆脉对土体的竖向挤压为主

后者是产生顶升力出现顶升效果的主要阶段,该阶段土体中的竖向压力超过水平压力成为最大主应力,宏观的表现就是浆液对土体产生了较大的向上顶升力,达到抬升基础的效果。

(2)膨胀纠倾法

膨胀纠倾法就是用机械或人工的方法成孔,然后将不同比例的生石灰(块或粉)、掺合料(粉煤灰、炉渣、矿渣、钢渣等)及少量附加剂(石膏、水泥等)灌入,并进行振密或夯实形成石灰桩桩体,然后利用石灰桩遇水膨胀机理进行纠倾。

石灰桩法具有施工简单、工期短和造价低等优点,混合膨胀材料的方法对于湿陷性黄土地区偏移建筑物的纠倾和地基加固,具有明显的技术效果和经济效益,目前已在多个纠倾工程中应用。

5　特殊建筑物的纠倾

①烟囱纠倾

烟囱的特点在于其高度高、平面面积小、整体刚度大,由于偏心导致烟囱重心比较高,纠倾施工时可能使得回倾速度较快,这一点在施工时应特别注意,否则可能导致纠倾量大。根据场地条件和烟囱基础情况,烟囱的纠倾常采用多种方法综合施工,如堆载法、降水法、掏土法等。

②高层建筑物纠倾

高层建筑物荷载大,基础形式一般采用片筏基础、箱型基础或者桩基础。对于高层建筑物纠倾,应首先对建筑物的现状进行检查和鉴定,考虑该建筑物是否有纠倾的技术条件和经济价值,切勿盲目施工。高层建筑物常见的纠倾方法有掏土、截桩、断柱等。

③古建筑物纠倾

古代建筑物最常见的就是古塔、庙宇、楼阁、民居、古堡等,由于其建造年代久远,由于先天性不足或者人为破坏和自然破坏导致地基不均匀沉降,从而导致塔体倾 斜。由于古建筑物整体刚度和基础刚度比较差,所以在纠倾之前往往需要对其进行结构和基础加固,如意大利比萨斜塔、都江堰奎光塔、眉县净光寺、兰州白塔等古 建筑物的纠倾。古建筑物最常见纠倾方法为掏土(砖)纠倾,当然大分情况下都需要与其他纠倾方法联合,与堆载预法、局部顶升法等。无论采用何种方法对古建筑 物纠倾,都必须遵循以下原则:

(1)应保证在纠倾过程中古建筑物变协调,不产生附加应力,避免古建筑物的进一步坏

(2)在纠倾过程中回倾速度、方向可控,不应产生突然下沉,影响建筑物的安全

(3)应满足古建筑物的纠倾精度要求,并保持其长期稳定

6　建(构)筑物纠倾监测和信息化施

建筑物纠倾过程中的信息化施工除了作好跟纠倾建筑物及相邻建筑物的倾斜、沉降和裂缝外,还要密切观测周围地面沉降、隆起和裂缝以及场地地下水位变化。对建 筑物实施纠倾措施后宜每天监测一次。对重要工程或危险性较大的纠倾工程,宜采用计算机智能控制系统,跟踪监测。现场监测系统应设置预警装置。纠倾工程的设 计和施工人员通过反馈的观测数据信息,及时调整纠倾方案,保证纠倾的成功。

7　本人感想

建筑物纠倾工程是一个复杂的系统工程,技术难度高,同时还是一个风险比较大的工作,一旦纠倾失败将造成严重的影响,造成较大的经济损失。如果纠倾的措施控制不当,建筑物受力不均匀,可能引起上部结构开裂甚至破坏。

因此,在进行纠倾工程时需要进行详细的论证,查清建筑物倾斜的原因,采取正确的纠倾方法。正因为如上原因，我们才有必要去认真研究纠倾技术，加强监测力度，确保纠倾工程的成功。