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第 34 卷 第 4 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 No.4 2012 年 .4 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Apr. 2012 某高层住宅楼倾斜原因及纠倾加固技术研究 程晓伟，王 桢，张小兵 （中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000） 摘 要在正确分析一 30 层高住宅楼倾斜原因的基础上，对该楼纠倾加固工程采取的纠倾加固措施以及控制技术进行 了针对性的研究。为确保该倾斜建筑物安全、平稳、线性的回归，本工程通过首次采用“基底掏土为主，锚索加压为 辅”的组合纠倾方法，对应力控制、锚索加压调控及变形控制等多重纠倾控制技术进行深入的研究，而后制定科学合 理的施工工序，最终保证了该高层建筑物纠倾加固工程的成功实施，大楼倾斜率由纠倾前的 2.66‰回归到 0.87‰，满 足了国家相关规范及正常实用要求，本工程在纠倾高度（97 m）及层数（30 层）方面，刷新了国内高层建筑物纠倾纪 录，填补了在强风化泥岩、复杂地基、深埋基础中实施双向纠倾的空白，对高层建筑物的纠倾具有很高的借鉴价值。 关键词高层建筑；纠倾加固；控制技术 中图分类号TU475 文献标识码A 文章编号1000–4548201204–0756–06 作者简介程晓伟1982– ，男，河南夏邑人，硕士，工程师，主要从事建（构）筑物病害治理，高边坡及滑坡病害 治理等方面的研究及设计和施工。E-mail cxw20020526。 Causes of inclination of a high-rise residential building and relevant inclination-rectifying and reinforcement technology CHENG Xiao-wei, WANG Zhen, ZHANG Xiao-bing Northwest Research Institute Co., Ltd. of China Railway Engineering Corporation, Lanzhou 730000, China Abstract Based on the inclination-rectifying and reinforcement of a thirty-storey residential building, the relevant inclination-rectifying measures and control technology are introduced after analyzing the causes of its inclination. In order to ensure the safety, stability and linear structure of inclined building, this project first adopts the combined inclination-rectifying reinforcement means of “major soil-digging and minor anchor-pressuring”, and brings forward many control technologies such as stress control, fine-tuning by anchor-pressuring and deation control and so on, and thus scientific and reasonable construction procedures are prepared so as to guarantee successful implementation of inclination-rectifying and reinforcement of the high-rise building. The inclination rate of the building returns to 0.89‰ from 2.61‰, meeting the national related standards and practical requirements. This project has created a new national record of inclination-rectifying buildings in the building height 97m and the number of building floor 30 floors, and fills in the gap for the implementation of inclination-rectifying of high-rise buildings located on the weathered mudstone, complex foundation and deep foundation. It will be useful for rectifying inclined high-rise buildings. Key words high-rise building; inclination-rectifying and reinforcement; control technology 0 引 言 建筑物纠倾加固是一项起步晚、难度大、综合性 强的工程技术。目前，此类技术主要以土力学理论和 工程经验为指导，借鉴某些成熟的设计施工技术为来 指导工程实践，至今尚未形成系统的理论和设计施工 技术体系，因此一直以来该项工程技术的施工风险很 高，特别是在高层建筑物的纠倾加固中。本文以成功 实施的青海师范大学 3 号住宅楼纠倾加固工程为实 例，在高层建筑物纠倾加固方法、纠倾控制技术及防 复倾加固方面进行了针对性的研究，以指导实践，对 类似工程具有很好的借鉴价值。 1 工程概况 青海师范大学 3 号住宅楼为框架剪力墙结构，地 上 30 层，地下 1 层，建筑高度 97 m，建筑面积 15896 m2，采用梁板式筏形基础，埋深-8.2 m，筏板东西向 长 41.0 m，南北向最大宽度 19.8 m。 该楼所在场地位于西宁市湟水河南岸二级阶地， ─────── 基金项目中铁西北科学研究院有限公司自选课题项目 收稿日期2011–03–16 第 4 期 程晓伟，等. 某高层住宅楼倾斜原因及纠倾加固技术研究 757 场地平坦，地貌单一，在其北侧 30 m 远处为一东西 向陡坎，落差 6 m，其下为湟水河一级阶地，明都大 厦位于该阶地上。场地位置见图 1。 图 1 3 号楼地理位置图 Fig. 1 Geographic position of Biulding No. 3 根据详勘报告和后期补勘资料，该场地所揭示地 层由第四系松散层和第三系泥岩组成，自上而下分别 为黄土层、粉土、砂砾石层、强风化泥岩和中风化泥 岩，师大 3 号楼基础坐落在强风化泥岩层上，各土层 相关指标见表 1。 表 1 各土层参数统计表 Table1 Statistical parameters of soils 层 序 材料 名称 厚度 /m γ /kNm3 c/kPa ϕ / E0 /Pa ① 黄土层 2.31 17 15 16 6.00 107 ② 粉土 0.91 ③ 砂砾层 2.77 20 5 38 1.04 108 ④ 强风化 泥岩 3.28 18.8 27 26 6.94 107 ⑤ 中风化 泥岩 19 19.5 35 28 1.08 108 2 大楼倾斜变形状况及原因分析 青海师范大学 3 号住宅楼于 2006 年 10 月开工建 设，2007 年 9 月，主体结构封顶后不久，地基便发生 不均匀沉降，大楼整体朝北东方向倾斜，此后，差异 沉降与日俱增，倾斜变形不断发展。截止 2008 年 10 月 15 日， 大楼朝北方向的倾斜率达 2.66‰， 朝东方向 的倾斜率达 1.82‰，根据建筑地基基础设计规范 ， 3 号楼整体倾斜已超过规范规定的 2.5‰允许值[1]（见 图 2） 。 通过对 3 号楼结构形式、地基均匀性、周边环境 等与大楼倾斜的相关性分析，发现大楼的不均匀沉降 非单一因素所致，而是由多种不利因素组合共同作用 的结果，其中 （1）地基强风化泥岩层本身空间分布复杂多变、 风化不均性、顺倾的岩层产状、发育的裂隙和地下水 文条件构成了地基土的先天不利因素。 （2）3 号楼在基坑开挖到持力层后，人为无意间 在西南侧（沉降少侧）持力泥岩层内换填了 4 个大小 不等混凝土墩（截面 3.3 m4.0 m，深 2 m） ，加剧了 地基不均匀性，构成了 3 号楼不均匀沉降的内因。 （3）在距 3 号楼北侧约 30 m 远处，新建工程基 坑开挖过程中造成边坡 2 次坍塌失稳，继而牵引到 3 号楼北侧侧向应力松驰；加之该基坑施工过程中长达 数月的持续抽水， 加速了地下水位的变化和物质运移， 进而影响到 3 号楼地基的正常固结，以上构成了地基 产生不均匀沉降的外部诱发因素。 图 2 青海师范大学 3 号楼全景 Fig. 2 Fullview of Building No.3 of Qinghai Normal University 3 纠倾加固方案 考虑到 3 号楼在尚未投入使用的情况下发生倾 斜，致使电梯无法安装，且倾斜量不断加剧恶化，纠 倾加固工作势在必行。由于 3 号楼具有质量大（3.2 104 t） 、重心高（约 39 m） ，埋置深（8.2 m）等特点， 采用顶升纠倾法要求的顶升吨位极大，难度很高，故 在纠倾方案制定上首选迫降纠倾或组合迫降纠倾法。 在经过对各种纠倾措施的综合对比后，确定了竖井内 放射状水平掏土锚索施力调控斜孔钢管桩止倾地 基注浆加固”的综合纠倾加固方案，具体为 （1） 室外竖井内放射状水平掏土。 在 3 号楼室外 沉降少侧（西南侧）开挖 4 个竖井，井深 10.5 m，至 筏板以下 2～3 m，竖井在平面布置上与筏板搭接 0.7 m 宽度，以备筏板上施工加压用的锚索。在竖井内基 础标高以下强风化泥岩里水平向放射状掏土，削减基 底的受力面积，从而增大地基土应力，促进该侧基础 下沉。 （2） 锚索加压调控辅助纠倾措施。 分别在少沉侧 竖井内露出的筏板上，垂直打入两根锚索，锚固段深 758 岩 土 工 程 学 报 2012 年 入中风化泥岩，利用锚索与筏板组成加力系统，通过 千斤顶向筏板加压，以增加西南侧地基沉降量，达到 纠倾的目的。 （3） 钢管桩止倾。 在 3 号楼室外原沉降多侧打入 一排斜孔钢管桩，斜插入筏板下中风化层内。钢管桩 端部用钢筋混凝土梁连成一个整体，起到加固北侧地 基和侧向约束的作用。 （4）地基注浆加固。纠倾目标完成后，掏土孔内 高压注入水泥砂浆， 起到加固地基的作用 （见图 3， 4） 。 图 3 3 号楼纠倾加固措施布置平面图 Fig. 3 Location of inclination-rectifying and reinforcement .measures for Building No. 3 图 4 纠倾示意图 Fig. 4 Schematic diagram of inclination-rectifying 4 纠倾加固中的控制技术 4.1 应力控制 纠倾前首先要确定该地基的承载力临界值及目前 状态下的地基应力值，确保掏土后的地基应力值不超 过地基承载力临界值，即纠倾中的应力控制。众所周 知，地基的应力–应变曲线如图 5 所示，地基应力σ 在承载力基本值 a σ的附近[2]。当掏土后，掏土孔间的 土条的应力值 （这里不妨称之为掏土造就地基应力值） 随掏土面积的增大而增大，p σ 朝 k σ向增加， 随着 p σ 的 增大， 土条处于塑性变形状态， 地基沉降量不断增加。 由于 3 号楼坐落在强风化泥岩层上，且其质量大，一 旦掏土量过大，造就地基应力超过地基承载力临界值 时，就有可能产生“突沉”现象。因此 p σ 的确定尤为 重要，应满足 pk σσ 的条件。 图 5 地基应力–变形曲线 Fig. 5 Curve of ground stress-deation 通过计算， 3号楼纠倾前的基底最大应力值为409 kPa，静荷载试验确定的地基承载力修正值为 504 kPa，计算的 1/3 塑性开展深度地基承载力临界值为 550 kPa。 为做到安全可控， 本工程将掏土造就的最大 应力值控制为 550 kPa，通过分三阶段掏土从小到大 逐渐逼近该应力值， 本工程三阶段掏土造就应力值设 计为465，504，550 kPa（见图 6） 。 在确定掏土造就的地基土应力值后，3 号楼掏土 面积通过三阶段掏土造就应力值计算。为更精确、线 性的布置不同位置处的掏土面积，计算每阶段掏土面 积时，将迫降区基底应力等值线每 5 kPa 分成一区， 然后分别计算每个区域上不同应力值阶段的掏土面 积，掏土面积的计算公式为 p AAA σ β σ Δ Δ 。 1 式中 AΔ 为掏土面积； A 为原地基承载面积；β为 地基应力增长率。 图 6 纠倾前地基应力等值线分区图 Fig. 6 Zoning of stress contours before digging soil 在计算出每一应力阶段不同应力区内的掏土面 积后，布置掏土孔位置并对其编号，布置掏土孔时还 必须做到西南侧要求沉降量大朝东北逐渐递减， 满足 掏土后迫降区地基应力分布线性， 防止出现应力集中 和掏土盲区。不同应力阶段的掏土孔需间隔布置，掏 土时分井、 分孔、 分批间隔进行， 避免多掏 （见图 7） 。 第 4 期 程晓伟，等. 某高层住宅楼倾斜原因及纠倾加固技术研究 759 图 7 倾斜方向线上掏土造就应力线（第一阶段） Fig. 7 Stress line of digging soil on inclined direction 4.2 锚索加压调控 青海师范大学3 住宅楼纠倾采取了以掏土为主， 锚索加压调控为辅的纠倾思路，实现“掏土至临界， 辅助加压调控” ，即掏土时有意“欠掏”一些，而后 通过迫降区锚索加压，使3 楼下沉回倾，当基底因掏 土和锚索加压要发生屈服破坏时， 由于筏板下沉而使 锚索上的加压千斤顶自动卸荷，从而防止“突沉”现 象的发生。本工程锚索布置于迫降区的2、3、4、 5 井内，每井内筏板上各布置两束锚索，利用锚索、 筏板、千斤顶组成加力系统，通过千斤顶对筏板施加 压力，增大 3 号楼地基上的偏心压力，达到纠倾调控 的目的（见图 8） 。 图 8 锚索分布图 Fig. 8 Distribution of anchors 4.3 安全防控措施 为防止纠倾过程中，地基产生突然沉降或过量沉 降，纠倾前预制一定数量的混凝土预制块，待到纠倾 阶段，把混凝土预制块布置于井中筏板下方，预制块 顶部与筏板基础之间用钢板填塞， 但预留一定的空隙， 使筏板具有下沉的空间，同时密切关注监测数据的变 化，根据沉降速率的快慢考虑是否在空隙中钳入硬木 板，作为临时支撑，以控制筏板的下沉速度。 另外，在对西南侧基底的混凝土墩松绑时，考虑 其对大楼沉降侧的安全防护作用。采用了取芯钻机进 行水平切削的办法，即用钻机横向切掉一层间距为 110 mm 的混凝土条带，解除其对筏板的支承作用， 提供筏板下沉的空间， 一旦筏板的沉降量达到 110 mm 时，即切除的混凝土条带曾占剧的空间完全闭合时， 混凝土墩再次受力，约束筏板继续下沉，从而达到安 全防控的目的（见图 9） 。 图 9 基底混凝土墩处理现场 Fig. 9 Processing site of concrete blocks 4.4 变形控制 变形控制是建（构）筑物纠倾的终极目标，纠倾 工程不仅需要满足建筑物通过纠倾措施的实施达到 “改斜归正” ， 达到预期的纠倾目标， 同时还要保证建 筑物在整个纠倾过程中安全、平稳、线性，这就要求 在施工过程中把握好建筑物的回倾速率，使其在一定 的范围内，整个纠倾过程做到缓慢启动，均匀回倾， 平稳锁定[3]。根据建筑物移位纠倾增层改造技术规 范 ，考虑到3楼质量大、重心高，埋置深的特点，且 是我国第一次尝试对坐落在强风化泥岩上高层建筑物 纠倾，为稳妥起见，将本工程的变形速率预定为2～5 mm/d范围内（见图10） 。 图 10 理想状态下纠倾回倾速率简图 Fig. 10 Diagram of inclination-rectifying rate under ideal state 为实现整个纠倾过程中建筑物的变形可控，青海 师范大学 3 号住宅楼纠倾加固工程建立起的一套包含 多重监测手段的监测体系， 包括水准监测、 倾斜监测、 760 岩 土 工 程 学 报 2012 年 电梯井内吊线锤监测、液态静力水准测量等多重监测 方法。每一项监测方法之间相互验证，优势互补，增 加监测数据的可信度，使监测控制体系更好服务于纠 倾施工。 5 防复倾加固措施 5.1 钢管桩加固 在 3 号楼室外原沉降多侧打入一排斜孔钢管桩， 斜插入筏板下中风化层内。钢管桩端部用钢筋混凝土 梁连成一个整体，起到加固北侧地基和侧向约束的作 用。 5.2 竖井防复倾回填处理 纠倾完成后，对位于沉降多侧的1、6 井采取与 南侧竖井不同的回填方案。竖井筏板以下 2 m 高度内 用多根钢管支顶筏板，同时植入钢筋用混凝土与筏板 浇注成一整体，井中央竖向安装两个注浆管，深入井 底，混凝土浇注完毕后利用高压注浆，充填其周围缝 隙。 5.3 预应力锚索张拉锁定防复倾 纠倾完成后，大楼仍然存在一定的残余偏心倾覆 力矩，为克服这些偏心倾覆力矩，对大楼2～4 竖井 内的 8 束锚索分别进行加力锁定，相当于在大楼西南 侧施加了一个回复力矩，在一定程度上平衡大楼倾斜 产生的倾覆力矩，提高大楼今后的抗震性能。 6 纠倾加固流程 根据本工程的纠倾加固措施及施工思路，结合青 海师范大学 3 号楼的特殊性，本工程的纠倾加固流程 如图 11 所示。 7 纠倾效果评价 2008 年 10 月 15 日， 青海师大 3 号住宅楼纠倾加 固工程正式开始，按照前期制定的纠倾加固方法及控 制技术手段有条不紊的实施，在实施每一步骤时，及 时监测大楼沉降及倾斜量，根据监测反馈的信息决定 是否进行下一道程序，即执行“动态化设计，信息化 施工”的理念。期间观测点的日最大沉降速率为 2.2 mm/d，整个纠倾过程中实现了建筑物的安全，可控。 经过 70 d 的紧张施工， 2009 年 1 月 5 日， 大楼南北向 倾斜率由纠倾前的 2.66‰回归到 0.87‰；东西向倾斜 率由纠倾前的 1.82‰回归到 1.28‰，均满足了国家相 关规范规定的小于 2.5‰要求，纠倾加固取得圆满成 功，大楼两个方向的倾斜率–时间变化曲线见图 12， 13。 图 11 纠偏加固流程图 Fig. 11 Flowchart of inclination-rectifying and reinforcement 图 12 大楼两方向的倾斜率时间变化曲线 Fig. 12 Change curve of inclined rate along two directions of .building 8 结论及建议 青海师范大学3号楼纠倾加固工程的成功实施， 在 纠倾高度及层数上刷新了国内高层建筑物的纠倾记 录，填补了国内在强风化泥岩、复杂地基、深埋基础 中实施双向纠倾的空白，通过本工程得出以下几点结 论及建议 （1） “基底掏土为主，锚索加压为辅”的迫降纠 倾法是切实可行的，是一种可控性好、精度高的组合 纠倾方法。 第 4 期 程晓伟，等. 某高层住宅楼倾斜原因及纠倾加固技术研究 761 图 13 大楼电梯井吊线锤回归迹线 Fig. 13 Regression tracing line of hammer dropped in elevator well （2） 建筑物纠倾加固是一项技术难度大、 影响因 素多的技术密集型工作，由于在目前的纠倾技术水平 下还不能进行精确的科学计算， 要做到建筑物的安全、 平稳、线性，纠倾控制技术尤为重要，多重控制技术 措施的实施是建筑物纠倾加固的重要保障，特别是对 质量大、重心高、埋置深的高层建筑物。 （3） 变形监测是纠倾加固工程中一项必不可少的 内容，是实现“动态化设计、信息化施工”的前提， 它不仅是检验纠倾成果的手段，而且是指导施工、矫 正偏差的依据。 建立两种或两种以上监测手段的体系， 各监测手段之间相互校核，互为补充，保证了监测信 息反馈的及时、客观。 通过对本工程倾斜原因的分析，我们发现在西宁 地区，建筑物基础多坐落于卵石层或泥岩层上，由于 卵石层为含水层，其下的强风化泥岩为弱透水层，因 此应特别注意新建工程基坑降水对临近建筑物地基沉 降变形的影响；除应对基坑降水方案进行充分论证之 外，在建筑物密集地段，宜采用止水帷幕配合基坑开 挖，以防止次生灾害产生。局部地基处理及集水坑回 填应采用与原地基土层物理力学性质相近的材料，不 可简单的采用素混凝土回填处理。 参考文献 [1] GB 50007－2002 建筑地基基础设计规范[S]. 北京 中国建 筑工业出版社, 2002. 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