张晓楠， 史三元， 路 漫， 刘立波
（1河北工程大学土木工程学院，邯郸056038；2河北正纲律师事务所，邯郸056038）
[摘要] 在深入分析云南省某砖混住宅建筑倾斜原因的基础上，结合加固纠倾实例，提出采用截桩与开挖应力释放沟联合应用的综合纠倾法。采用ABAQUS软件对分批截桩进行了模拟，分析了截桩过程中的地基应力、土体沉降、基础梁的应力、桩体竖向位移以及上部结构应力，为后续纠倾设计与施工方案提供了依据。在实际施工中采用三种监测方法来进行信息化的施工。实际监测结果表明，随着各批次截桩的进行，建筑物倾斜率回归到允许值以内，保证了建筑物在纠倾过程中的安全。
[关键词]软土地区；砖混结构；截桩迫降法；纠倾加固；ABAQUS软件；现场监测
1 工程概况
云南省某普通砖混结构住宅楼（图1）地下一层，地上五层，东西长106m、南北宽12m，建筑总高度为22. 7m。该住宅楼的地基为软土，基础采用墙下单排水泥土加芯搅拌桩基础。
本住宅楼从2013年9月完成桩基的施工，2013年10月至2014年3月进行主体结构施工，而2014年8月主体结构竣工时出现不均匀沉降。沉降观测结果显示：在南侧的外纵墙处2个沉降观测点的沉降量为21~26mm，而北侧外纵墙相应的2个沉降观测点的沉降量为134~261mm，可见，本住宅楼明显向北侧倾斜。
此外，经过后续持续沉降观测发现，该楼沉降并未达到稳定，其沉降量和沉降差还在持续增大且沉降速率有增大的趋势，室内墙体还出现了裂缝（图2）。综合该楼的倾斜现状，亟需对该楼进行纠倾加固处理。
2 场区地址条件
经工程地质勘察，该工程地基土层从上往下依次为：①层杂填土，厚4.0~5．0m，由建筑垃圾组成，含粉质黏土；②层淤泥土，厚2.0~4. 0m，高压缩性；③层有机质黏土，厚2.0~4. 0m，饱和状，含腐殖质；④层粉质黏土，厚2.0~3. 0m，可塑状，部分可见；⑤层圆砾，厚16. 0m。稳定地下水位于地面以下1.0~2. 5m。该土层主要物理力学参数与地基承载力如表1所示。
3 房屋倾斜原因分析
通过对现场的实际调研，并结合地质勘查情况，可知建筑发生不均匀沉降原因主要来自：上部结构荷载的差异、地基和基础方案以及周边环境这三个方面。另外，该小区场地上部均分布有近期堆填的素填土，包含砖块、碎石等，其厚度在1.0~8. 0m。经调查了解，该场地原为农田及浅塘，地势低洼，为提高场地整平标高，进行了大面积的填土施工。
3.1结构荷载差异
北侧局部七层，结构局部高差明显；北侧主要为书房与厨房，而南侧主要为客厅、卧房，结构重心与形心不重合，结构对房屋的抗倾覆不利。
3.2地基和基础方案
建筑地基土体欠固结。该住宅楼采用加芯搅拌桩来作为上部砖混结构的基础，其中芯桩长9m，属短芯搅拌桩A(S)型，不满足云南省《加芯搅拌桩技术规程》( DBJ/T 543-19-2007)对加芯搅拌桩用作桩基时预制混凝土芯桩与搅拌桩的桩长比不宜小于0. 87的规定。
为了验证本住宅楼加芯搅拌桩的实际承载力，在该住宅楼基础梁下选取6根桩进行了静载荷试验，结果如表2所示。可见，除3#桩单桩极限承载力大于设计预估极限承载力(900kN)外，5#，6#桩的单桩极限承载力仅为540kN，远小于设计预估极限承载力。单桩承载力不满足设计要求，也是导致建筑发生不均匀沉降的主要原因之一。
3.3周围环境
本项目北侧有一新的基坑开挖工程（图3），基坑深度为2.1~4. 0m，场地地下水位较浅（水位埋深在1~2. 5m），开挖过程中进行了基坑降水。由于基坑开挖边缘距建筑北侧较近，最近距离仅为7. 5m，抽水造成本项目建筑下部土层中地下水位急剧下降，因此本项目建筑地基发生较大的固结沉降。并且北侧基坑开挖后搁置时间较长，而基坑周边又未采取任何支护措施，这相当于本项目建筑地基北侧发生了应力解除作用，故土体产生向北侧的侧向变形，从而导致本项目建筑向北侧倾斜。
4 对纠偏过程的数值模拟分析
截桩迫降法为对于支承在岩层或砂卵石层上的端承桩、桩长很大的摩擦桩或端承摩擦桩，采取将承台下的基桩桩顶进行切断处理，从而使承台顺利下沉，直至达到该建筑物纠倾的目的。为了验证截桩迫降法的可行性，采用ABAQUS软件对倾斜后建筑物进行了截桩的数值模拟。
由于本住宅楼外纵墙南侧比北侧沉降小，通过分批次的截桩，使住宅楼南侧在结构自重作用下逐步下沉，直至建筑物倾斜率满足规范要求，本次模拟共分三批次进行截桩分析，各批次截桩位置如图4所示，其中0、△、口分别表示第一、二、三批截桩。
4.1分析模型
鉴于该结构平面尺寸为106m x12m（长×宽），若按照实际建筑尺寸进行建模分析时，由于桩土接触非线性会因计算溢出无法收敛而得不到计算结果，同时整体建模计算的意义也不大。为保证计算精度和节约计算时间，建模时选取五个单元中的一个单元按1:1的比例进行建模分析。本模型土体在长度方向上延伸5倍结构单元宽度，在深度方向上延伸2.5倍结构单元的宽度，有限元整体数值模型见图5。桩基则依据面积等效原理，将原设计的搅拌桩简化为矩形桩，以便于模拟。
为了对结构与地基土体的共同作用进行更为详细的分析，分别选择了北侧桩体Nl，N2，N3，南侧桩体桩体N7，N8，N9，以及中部桩体N4，N5，N6来一起进行综合性的分析，所选桩的位置如图6所示。
上部结构以及桩基础采用C3D8R单元模拟，土体和基础梁采用C3D8P单元模拟。
4.2 ABAQUS中土性参数的确定
本文在ABAQUS中采用修正的剑桥模型来模拟土体本构，相关的参数主要有对数塑性体积模量A、临界状态线应力比M、反映初始屈服面大小的参数a。、屈服面形状控制参数B、对数体积模量k以及单位压力(p =lkPa)作用下对应的孔隙率e．。在本次模型参数输入时，ao由e，自动计算，无需输入；而a和后默认取1.0。
假定上部结构和桩基础均为均质的线弹性体，故圈梁、构造柱和楼板的弹性模量统一取为2. 73×104MPa，基础梁和芯桩弹性模量则取为3.18×104MPa。水泥土搅拌桩的压缩模量取100~120kPa，其弹性模量为压缩模量的3—5倍，泊松比取为0.2。
4.3有限元的计算步骤
通过设置多个计算阶段，模拟初始地应力、住宅楼结构施工、桩复合地基等结构初始状态，然后进行基坑开挖支护、截桩法迫降的施工等工况模拟。在计算阶段定义中，添加基础梁和桩基础，利用生死单元杀死上部结构，激活或冻结土体、结构、荷载、边界条件，更改材料参数、孔压计算类型、荷载大小等。
计算过程共分8个分析阶段：1）初始分析，对模型的边界条件进行了确定，限制整体模型底部向上的自由度和四个侧面水平向自由度；为提高计算效率，假定在土体历史应力形成时基础梁与桩基础已经施工完成。2）施加地应力，根据初始分析步中形成的应力场，设置好基础梁、桩基础与地基土体的接触单元。3）添加荷载，地基土体施加8kN/m3的体积力，对桩基础与基础梁施加大小为9.8 m/s2的重力荷载。4）加载上部结构1—3层，在此分析步中，利用生死单元激活这三层上部结构，并对该结构施加大小为9.8 m/s2的重力荷载。5）继续加载上部结构4—5层。6）对于局部6层结构，采用等效均布荷载施加到6层相应墙体上。7）将基坑土体移除掉，并将基坑侧面设置为排水面来模拟基坑开挖应力释放。8）改变土体渗透系数，重置基坑侧面，通过采用杀死单元来模拟截桩。
4.4数值模拟的结果分析
4.4.1截桩后地基应力分析
图7为各批次截桩后地基土体的竖向应力图（正值为压应力，负值为拉应力），图8为各批次截桩后桩基对应不同深度Z处(Z =O，4，9m)地基土体沉降与时间的关系曲线。
从各批次截桩后地基土体的竖向应力图（图7）可以看出，在第一批截桩处理后，土体的竖向应力就发生了变化，由北侧向南侧转移；第二批截桩处理后，土体竖向应力场发生了较明显的变化，但在上部结构与桩基础的整体协调下，竖向应力场变得较为均匀；第三批截桩处理后，土体应力场进一步发生变化，竖向应力的分布更加均匀、对称。
同时从截桩后不同深度地基土体沉降随时间变化的关系（图8）可知，第一批截桩后土体沉降在较长时间内基本保持不变，第二批截桩后土体快速产生变形。说明在土体被扰动以后其变形才开始显现，故随着截桩批次的进行，在上部结构一桩基础一地基土体的共同作用下，地基土体的应力状态在原有基础上进行了调整，使得南侧剩余桩体分担的荷载持续增大，引起建筑物重心向南回移，有利于建筑物的回倾。
在每一批截桩处理后，地基土体所产生的总沉降量都是在持续增加的，但随着各批次截桩的进行，对建筑物纠倾的效果也越来越明显。
4.4.2考虑截桩后基础梁受力与桩变形分析
图9为各批次截桩后基础梁的应力图（负值为拉应力，正值为压应力）。图10为所选桩体在各批次截桩后竖向位移随时间变化曲线图。
从各批次截桩后基础梁的应力图（图9）可以看出，在第一批截桩后，基础梁的中间位置的压应力较大，相反南侧基础梁的最大应力则相对较小。第二、三批截桩后，基础梁的最大应力均发生在基础梁的中间位置，北侧基础梁的最大应力稍有增大，而南侧基础梁的最大应力则普遍较小，基础梁局部位置出现较大的拉应力，已达到混凝土极限抗拉强度。这说明中间基础梁所在位置处于较危险的不利状态，故在本项目纠倾施工过程中，应首先对建筑物的南侧进行止倾处理，而且对中间基础梁部分应进行补强处理。
同时从所选桩体在各批次截桩后其竖向位移随时间变化曲线图（图10）可以看出，在第一批截桩后，南侧桩体（即N7，N8，N9）竖向位移在初期变化很小，在后期增大较多，而北侧桩体（即Nl，N2，N3）在初期虽有小幅竖向位移产生，但随着截桩后时间的增长，桩体竖向位移几乎无变化；中间桩体(即N4，N5，N6)竖向位移变化则与南侧桩体竖向位移变化相同。第二、三批截桩后，南侧桩体竖向位移曲线较第一批截桩后桩体竖向位移曲线明显变陡，桩体竖向位移的变化速率明显加快，第二、三批截桩后最大竖向位移均发生在N8桩体，竖向位移值分别为205，297mm；第三批截桩后桩体竖向位移较第二批截桩后桩体竖向位移明显要大。对于中间桩体，在第二、三批截桩后也有较明显的竖向位移产生，但对比同一轴线上的N4，N5，N6桩体，竖向位移较大处也同样出现在了中间桩体N5的位置。
在第三批截桩后，截桩纠倾效果明显，当住宅楼回倾至沉降设计值时，应立即进行截桩并达到沉降在短期内能够稳定的要求，否则将会出现过度纠偏的现象。
4.4.3考虑截桩后上部结构应力分析
图11为各批截桩后上部结构应力图（正值为压应力，负值为拉应力）。从图11可知，墙体最大竖向应力发生在底部的边缘部位，而墙体所受应力均尚未达到其强度限值，其中，随着各批次截桩的进行，南侧墙体所受应力有所下降，而北侧墙体的应力稍有增加，中间墙体应力呈现出先增大、后减小的趋势。同时从结构von Mises应力图可以看出，底层横向墙体在中间位置也出现了较大的拉应力，拉应力方向自中间横墙墙体底部向北侧延伸，随着截桩的进行，在该方向上的最大拉应力与von Mises应力均有所增加。
5 纠倾方法的选取
根据第4节数值模拟分析，综合考虑该建筑物的实际状况，采用应力释放法和截桩迫降法相结合的综合纠倾方法作为该建筑物的最终纠倾方案。应力释放法具体为在该建筑南侧开挖一条宽1. 0m、深3. 0m的应力释放沟，同时在沉降量较小的南侧地基上开槽或挖竖向井，解除这一侧地基土体的水平应力，使地基土产生竖向变形。截桩现场照片如图12所示。
根据上部结构荷载情况以及既有桩基静载试验结果，初步确定截桩位置及数量。截桩顺序由沉降大的东侧向西侧逐步推进。通过分批次的截桩，使建筑物南侧在结构自重作用下逐步下沉，直至建筑物倾斜率满足规范要求。
当建筑物回倾至规范允许范围内时，再进行封桩处理，以便及时止倾。同时，将截断的桩重新与基础梁连接，完成综合纠倾工作。
6 纠倾过程沉降监测系统
在围护结构上和邻近建筑物上布置测量控制点，随时注意观测围护结构的变形，做到信息化施工。为了对建筑物在纠倾过程中的回倾程度进行必要的掌控，在纠偏施工过程中设置了现场监测系统，根据住宅楼的规模以及结构特征，并结合施工场地的工程地质和水文地质等条件。在能反映建筑物倾斜特征的位置，布设24个沉降及倾斜观测点，其中在建筑物四周布设15个水准仪沉降观测点，待建筑物北侧截桩施工完毕后，在限位桩上设置6个百分表来监测桩的竖向位移。
6.1沉降监测
采用水准测量法和百分表观测法这两种观测方法进行沉降监测，整个纠倾过程中，选择结构相对刚度较大的区域设置百分表，并对该监测点进行高频观测，百分表现场布置如图13所示。
6.2倾斜监测
采用全站仪贴反射片的方法进行倾斜监测，以确保观测结果的准确性。反射片粘贴方式如图14所示。
在整个纠倾过程都要保持对垂直度观测点的监测，掌握建筑物的沉降情况，以便指导纠倾施工。纠倾施工结束后，继续沉降观测，直至建筑物沉降稳定。
在截桩阶段完成以后，建筑物的沉降逐渐地趋于稳定。而且封桩完成后一周建筑物沉降监测结果基本没有变化，表明沉降停止。
7 土体沉降结果分析
地基土的沉降理论计算如下式：
式中：S为土体的沉降；S。为由土中水的渗透产生的土体沉降；Js。为由气体压缩产生的土体沉降；Si为土颗粒弹性变形产生的土体沉降。
由式(1)计算的沉降值和有限元模拟的沉降值以及实测的局部沉降观测点处沉降值对比如图15所示。测点C2布置在住宅楼南侧外纵墙中部位置处，C7布置在住宅楼南侧东角点处，而测点Cl0，C14分别布置在住宅楼北侧外纵墙中部和东角点处。
从图15中可以看出，理论计算的沉降与有限元模拟和实测的沉降的总体变化趋势基本是一致的，建筑物北侧的沉降较大，南侧的沉降较小。
本工程实际纠倾时间共计44d，截桩305根（房屋共计471根桩），约占总桩数的65%，，在纠倾结束时建筑物最大倾斜率已降低至允许值以内，建筑物变形亦趋于稳定。
8 结论
(1)在各批次截桩后，在上部结构一桩基础一地基土体的共同作用下，建筑物的沉降差值明显缩小，建筑物倾斜回归到允许值以内。
(2)当建筑物回倾至规定的设计值以后，应立即进行封桩处理，并使其达到沉降在短期内能够稳定的要求，以防止纠倾过度。
(4)建筑纠倾效果的影响因素众多，目前无法实现精确控制，应当通过数值分析和信息化施工方法才可以及时采取措施对沉降量进行准确和有效的控制。
(5)本文通过对多层砖混结构发生倾斜的原因进行分析，提醒在建筑施工过程中应注意基坑开挖对周边环境造成的影响，同时工程纠倾实例的具体实施技术又为相似工程提供参考。
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