预压托换桩加固及顶升纠偏工程实践

岩石力学与工程学报 Vol.24 No.15

2005年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2005

预压托换桩加固及顶升纠偏工程实践

，

刘丽萍1，李向阳23，王德伟4，燕 菲3

(1. 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；2. 同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092；

3. 陕西建达疑难工程公司，陕西 西安 710055；4. 陕西现代建筑设计研究院，陕西 西安 710048)

摘要：西安市某住宅楼是在原3层砖混结构上增建至7层框架结构式房屋，两种结构体系没有完全脱离开，又由于设计时地基处理不当，导致建筑物刚封顶即严重倾斜，倾斜率为18.6‰，沉降速率为9.15 mm/d，随时存在倒塌的危险。为使房屋恢复正常使用，经研究后决定采用钢筋混凝土预压托换桩加固及顶升纠偏方案。以此工程为例，提出顶升纠偏中预压托换桩设计公式；详细介绍了纠偏方案的选定、钢筋混凝土预压托换桩顶升纠偏的设计方法、施工工艺、顶升监测与控制以及顶升施工中的技术难点及采取的对策等。经过3 d顶升施工后，使房屋的倾斜率稳定在0.53‰，沉降速率小于0.007 7 mm/d，房屋基本上恢复了正常使用。经过5 a多使用证明，在黄土地区采用预压托换桩法加固或纠偏类似工程问题是可行的。 关键词：基础工程；顶升纠偏；预压托换桩；地基加固；工程实例

中图分类号：TU 472.2 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)15–2795–07

FOUNDATION REINFORCEMENT AND BUILDING RECTIFICATION OF DEVIATION BY JACK-UP AND PRELOADING UNDERPINNING PILE

LIU Li-ping1，LI Xiang-yang23，WANG De-wei4，YAN Fei3

，

(1. Institute of Civil Engineering，Xi′an University of Architecture and Technology，Xi′an 710055，China；

2. Department of Geotechnical engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；

3. Shaanxi Jianda Problem Project Treating Company，Xi′an 710055，China； 4. Shaanxi Modern Architecture Design and Research Institute，Xi′an 710048，China)

Abstract：A 3-story brick concrete structural building was added to 7-story in Xi′an City，Shaanxi Province；and the new-added part is a frame structure. Because two different structural systems are not separated completely and the designer adopted unsuitable ground treatment method，the building became leaning seriously when the major structure was completed. The inclination ratio and settlement rate of building are up to 18.6‰ and 9.15 mm per day，respectively；and the building is bound to collapse. The scheme of rectifying deviation by jack-up and by preloading underpinning pile was employed after investigation for sake of safety. Based on this case，the following aspects are investigated：the formula to determine the numbers of underpinning piles for rectifying leaning building is presented；scheme choice of rectifying deviation，designing method，construction procedure of preloading underpinning pile，jacking monitoring and controlling are introduced in derail；difficult factors and corresponding problems during jacking construction are provided. After 3-day jack-up construction，the inclination ratio of building is steady at 0.53‰ and settlement rate is less than 0.007 7 mm per day and tends to be stable. After five years regular service，it can be concluded that preloading underpinning pile is feasible to reinforce or rectify similar structures and project in loess region.

收稿日期：2004–03–30；修回日期：2004–04–19

作者简介：刘丽萍(1971–)，女，1994年毕业于西安建筑科技大学工业与民用建筑专业，现为讲师、博士研究生，主要从事岩土工程方面的教学与研究工作。E-mail：liliuliping@126.com，liping8790@sina.com。

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Key words：foundation engineering；rectifying deviation by jack-up；preloading underpinning pile；foundation reinforcement；engineering case

故原因是地基处理深度不够，每柱所受的竖向荷载很大，而基底附加应力大于地基承载力；另外基础处于偏心受力，导致基础沉降量过大，压断了位于西北角的上水管，以致大量水浸入地基引起地基土湿陷变形。

1999年1月1日对该楼进行沉降观测(观测点见图1)，北侧N1～N8观测点48 h的平均沉降量为18.03 mm，南侧S1～S4观测点的平均沉降量为3.32 mm，南、北沉降速率分别为9.15和1.66 mm/d，相差了5倍多。切断水源后，下沉有所趋缓，但沉降速率仍很大。1月4日，北侧向北倾斜率为18.6‰，顶点偏离轴线的水平位移达到40.2 cm。为避免该楼因倾斜发展加剧而倒塌，需立即采取有效加固措施。

1 引 言

该7层住宅楼位于西安市南郊，原为3层砖混结构房屋，长28.44 m，宽12.42 m，层高3.00 m，建筑面积约1 080 m2，建于1992年。地基采用灰土井处理，井深5.7 m。砖强度为MU10，砂浆标号为M5。1997年开始在原3层砖房上增加4层，使其扩建至7层，新增面积约为2 600 m2，总面积约3 700 m2。后增部分为框架结构，跨过原3层砖房，地基平面见图1。B(B′)，1′，10′，H等轴线的框架柱紧贴3层砖房的外墙，柱下为钢筋混凝土条形基础，基础宽为1.0和1.8 m，埋深为2.0 m，A(A′)轴基础宽3.6 m，埋深同上。条基下为1.2 m厚的灰土垫层，宽度与基础相同。由于加层时未对其进行正规的设计与施工，图中一部分尺寸为现场丈量所得。该楼也未见工程地质勘察报告。据西边相邻楼可知，该场地为Ⅱ级自重湿陷性黄土场地。

在主体结构的施工过程中该楼即出现南北沉降不均匀，北边沉降大，从而造成楼面标高南高北低，而施工单位为找平楼面标高，竟采取将北边楼面粉刷层增厚的措施，以致更加剧了不均匀沉降发展。事故发生后经开凿发现，北面楼面粉刷层厚约13 cm，而南面仅有1 cm。在室内装修期间，楼房向北倾斜加剧并出现地面渗水，北面、西面混凝土地面出现数条平行于楼房外墙的通长裂缝。经调查，事

2 纠偏方案

对倾斜房屋进行纠偏主要有迫降和顶升两类方法[1

，2]

，迫降法中根据采取的手段不同又可细分为

～5]

掏土纠偏[3，注水纠偏[6

，11]

，7]

和压重纠偏法等；顶升

法中可分为截桩纠偏[8]和托换纠偏法[9]等，而这些方法又可组合使用[10

。每种方法都有其适用性，

可根据房屋的结构类型、倾斜程度和地基情况等来灵活选用。通过结构检查发现该楼除3层砖混房屋墙体有裂缝外，框架柱、梁均未出现明显的开裂，表明该楼整体性较好，对进行加固有利。针对该楼的特点，提出了使用迫降法和顶升法这2种方案以

单位：mm

图1 增建后基础平面及沉降观测点

Fig.1 Foundation plan of building and settlement observation points after stories are added

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供选择。介绍如下：

迫降法是采取适当的措施使南边沉降大于北边沉降，从而使房屋逐渐恢复垂直。对于该楼拟采用钢筋混凝土托换桩(以下简称托换桩)加固北部的地基基础，以制止沉降进一步发展，然后在A轴南侧打排孔，预埋塑料管后用碎石封填，并向里注水，使地基湿陷、软化下沉从而达到纠偏的目的。 顶升法是保持南侧A轴柱基础不动，整栋楼以此轴为转动轴，在A轴以北的柱及墙下进行顶升使之恢复垂直。该法须对A轴以北部分地基基础进行托换桩加固，待托换桩施工完毕后在桩顶上放置千斤顶，同时把建筑物基础与周围地面脱开，千斤顶同时顶升，使整栋建筑物绕A轴转动而达到纠偏的目的。

两种方法各有利弊，迫降法工期长，地下情况不明，注水对周围建筑物有影响；楼房东西向较长，注水纠偏不易做到两边沉降一致，反而易引起上部结构开裂；纠偏后，由于沉降量过大，底楼地坪标高将会降低，可能引起室外地面高出室内地面，使下水管标高与市政下水管不一致，从而造成下水排泄困难等问题。另外，迫降沉降量不能准确控制，难以达到理想的纠偏效果，纠偏不成功的可能性也较大。但迫降法的优点是所需的施工人员少；基础不脱离地基，楼房的安全性较高；所需的托换桩较少，造价较低。相比之下，顶升法纠偏所需的劳动力多；基础全部脱离，使建筑物的荷载将全部由顶升点支撑，水平约束减小，风险性增加。由于增建部分设计及施工不正规，基础梁、柱及上部结构配筋，混凝土强度等级等均存在不确定因素，在顶升外力作用下，局部有开裂或压碎的可能。顶升法的优点是工期短；顶升量能准确控制，纠偏效果理想，成功率高；地面标高能基本恢复。经比较后，决定采用顶升法纠偏。

3 顶升纠偏设计

3.1 钢筋混凝土预压托换桩加固介绍

预压托换桩加固法是由西安建筑科技大学涂光祉(1988年)开发并成功应用于西北黄土地区的地基基础加固方法，该法是对桩式托换法的改进和扩展，非常适用于低水位地区危房地基基础加固，目前已成为黄土地区加固危房地基基础的首选方案。该法的优点是压桩压力能准确控制和量测，不用大型机具，非常适合室内施工，且受力合理明确，工期短，

造价低，对环境无污染。现在，预压托换桩法又逐渐推广到紧邻基坑的建筑物的保护，建筑物的加层等领域。设计方法和施工工艺如下所述：

(1) 加固机理及计算方法

在地基承载力不足的建筑物基础底面下，静力压入钢筋混凝土预制桩或者钢管，使得桩端置入地基深部较好的持力层中，并将建筑物的全部或部分荷载传到该土层，从而达到减小基底下地基土的附加应力，制止沉降的发展，达到加固的目的。该法虽成功地解决了许多工程问题，但理论研究较少，设计计算多为半经验法。根据以往的工程经验及相关的托换桩静载荷试验资料，建议按以下方法设计托换桩数：

n=k

F

R

(1) 式中：n为设计桩数；F为上部结构传至拟加固基础的竖向荷载；R为单桩承载力设计值，R = Ru/γ，

Ru为单桩极限承载力，可取压桩终止压力，γ 为承载力分项系数，一般可取1.5，对于顶升桩数设计，因顶升力是短时荷载，可取1.4；k为托换率，即托换桩承载力与被加固建筑物基础竖向荷载之比，一般取0.6～1.0，顶升设计时取1.0。

从已有的载荷试验可知，单桩压桩终止压力接近单桩极限承载力。压桩终止压力是由建筑物的层数、层高、基础埋深及建筑物整体性综合来确定的。目前，限于设备及操作条件，一般压桩终止压力均不超过500 kN。托换率是托换设计中非常重要的系数，其大小直接影响加固效果及工程造价。影响托换率的因素很多，需综合考虑建筑物的沉降、倾斜量、墙体开裂程度、建筑物的重要性、地基土特性等。

(2) 施工工艺

在设计桩位处挖边长约0.8 m的方坑，深度为基底下2.1 m，确定桩位后放第一节桩，桩顶放置千斤顶，千斤顶与电动油泵相连，泵上装有压力表，开动油泵，利用建筑物基础自重作反力向下压桩。第一节桩压到坑底后接桩，桩段之间通过预埋钢板焊接连接，如此反复，直到压桩终止压力达到设计要求即终止压桩。卸下桩顶千斤顶，在桩顶两侧安装钢支架，支架两端安放千斤顶，同时施压，达到预定的压力后，量取桩顶与基底之间的空隙，截取钢管塞入，然后同时卸下两侧千斤顶，桩身反弹而顶紧基础。托换示意见图2。由于采用上述的托换工艺而使桩身受到了预压力，在基础不需要产生附

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主千斤顶 基础 托换千斤顶 连接螺栓 预压托换装置 托换桩 图2 托换示意图 Fig.2 Sketch of underpinning

加沉降的前提下就获得了加固承载力，因此，能立即制止建筑物沉降的发展，这是预压托换加固法的显著特点，其他加固方法难以达到。 3.2 荷载计算

建筑物荷载包括3层砖房、增扩建框架、基础等荷载。荷载划分为顶升力设计荷载和地基基础承载力验算荷载两种，原因是两类设计荷载种类及分项系数不同。

因A轴基础较宽，可不考虑加固，所以顶升及验算荷载只取A轴以北部分。又因住户未搬入，顶升荷载只取恒载，其组成为：框架上部结构荷载，基础底板自重(因顶升时基础上覆土已挖除)，砖混荷载(含基础)。因顶升荷载为短期荷载，根据已有的顶升工程经验，设计值取标准值的1.1倍即可，因此，分项系数取1.1。顶升荷载见表1。

表1 顶升荷载

Table 1 Loads for jacking up

建筑物组成

标准值/kN 设计值/kN 砖混 16 413 18 054 框架 36 733 40 406 合计

53 146

58 460

承载力验算荷载为A轴以北所有荷载，包括恒载、活载等，分项系数恒载取1.2、活载取1.4。顶升力设计荷载为A轴以北，只考虑恒载，不考虑活载。

顶升荷载用于确定顶升所需的托换桩数，而验算荷载用于对顶升后建筑物地基基础进行承载力验算。一般而言，满足顶升荷载的托换桩数也能满足验算承载力的要求。 3.3 顶升点设计

本工程所用托换桩为钢筋混凝土预制桩，截面尺寸为

200 mm×200 mm，内配4根直径12 mm螺

纹钢，φ 6@200 mm的箍筋。桩段长为0.8～1.5 m，混凝土强度等级为C30，桩两端预埋8 mm厚的钢板。设计压桩终止压力不小于450 kN，入土深度约为14 m，最终由压桩压力控制。

根据式(1)，采用表1的设计荷载计算，框架下托换桩数为126根，砖混下托换桩数为51根，总计177根。但由于框架基础底面积有限，为避免桩过于集中导致局部顶升力过大而引起基础混凝土压碎或开裂。根据基础面积，框架柱下布置托换桩114根，尚有3 840 kN的不足部分只能通过3层砖房下的顶升点来弥补。3层砖房为灰土井基础，根据计算和现场试压，最小截面的灰土井承载力均可达到450 kN，可利用灰土井代替一部分托换桩作为顶升点，为安全取设计顶升力为250 kN。楼梯间等部位设置临时顶升点，其下不需托换桩，直接支撑于地基上。经调整后，顶升点设计见表2。由表1，2知，总的顶升力大于顶升荷载。

表2 顶升点设计

Table 2 Design of jacking points

建筑物组成 顶升点数 顶升力/kN 砖混 34 10 928 框架 114 36 640 灰土井上 52 13 000

临时 8

合计

208

60 568

顶升点设计经常不能一次确定，有时甚至在顶升时发现荷载不均，局部顶升力过大而需随时增加 托换桩。以上顶升点也是在施工过程中根据所揭露 的框架基础的现状、灰土井的位置以及施工质量等情况几次调整后确定的。顶升点布置见图3。 3.4 托换桩静载荷试验及承载力验算

施工过程中共进行4根托换桩静载试验，桩号分别为14#，18#，30#和35#，试验曲线见图4。托换桩大部分变形处于弹性范围内。承载力设计值可取300 kN。在加层之前，3层砖房并未出现裂缝，表明灰土井的承载力满足要求，但由于北边浸水，使部分灰土井承载力降低，故近似取30%的砖房荷载由托换桩承担，本工程的托换率取为0.7，经验算，托换桩数满足要求。 3.5 顶升中的难点及对策

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图例：

托换桩及其上顶升点灰土井上顶升点 临时顶升点

图3 托换桩及顶升点布置图

Fig.3 Arrangement plan of underpinning piles and jacking points

框架桩

单位：mm

0 5s/mm 1015 p/kPa

40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 #14试验点 18#试验点 30#试验点 35#试验点 图4 托换桩静载荷试验

满足顶升力要求。为避免框架梁(指转换层，下同)

440局部受力过大而开裂，以及薄弱墙段裂缝过宽，采取如下措施：尽量控制顶升点的顶力按设计要求顶升，使墙段及框架梁受力均匀；梁上节点及跨中受力较大部位处设专人观察，对墙段上新出现的裂缝观测其宽度及长度，如墙上裂缝发展较快，则停止顶升，并对墙段进行加固或采取其他措施。 3.6 顶升监测方法

采取以下3种监测手段：

(1) 百分表控制每点的微小顶升量，压力表控制顶升力。在每个柱基础及纵横墙交叉的关键顶升点处安装百分表，以控制基础每一次顶升的上抬量。共设置50 mm量程的百分表52只。

(2) 水准仪、经纬仪控制。在框架柱上贴坐标纸，观测每柱上升的位移量。东西设置经纬仪观测房屋的倾斜量。共用3台水准仪，2台经纬仪。

(3) 在屋顶檐口处的用铁丝吊垂球，底部放标尺，直观观测纠偏效果。 3.7 设计顶升量及纠偏预期目标

设计顶升量是根据每个顶升点的标高确定的。对设计顶升点处的标高进行测量，取南边一排柱平均标高作为参考点，计算出每点的顶升量。顶升量各点不一，最大的顶升量约为300 mm。顶升纠偏

Fig.4 Static load test of underpinning pile

加层后该楼房存在框架和砖混2种不同结构体系，并且两者并未完全脱开，因此，顶升中存在着2种不同结构体系相协调的问题。难点存在于结构层的框架梁能否承受砖房的顶升力，以及砖砌体强度能否满足顶升力的要求。分析如下：转换层的横向框架梁高1 200 mm，宽600 mm，共10道，3层砖房弥补框架不足部分的顶升力为3 840 kN，分布在梁上的荷载为38 kN/m，经验算表明是安全的。对3层砖房而言，在顶升力作用下，需对每片墙砌体进行抗压承载力验算。经计算轴线2，5，9处底层墙段安全系数小于1.0，是薄弱墙段，在顶升中应加强观测，密切注视裂缝的开展情况，其余墙体均

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预期目标是尽量使室内楼面结构层标高趋平，或满足使用要求，使建筑物的整体倾斜控制在规范规定的范围内，并力求恢复垂直。

4 托换桩施工及顶升作业

1999年1月6日开始进行地基基础加固，1月11日F轴线及以北21根托换桩施工完毕后，北边的平均沉降为0.86 mm/d，南边的平均沉降为1.04 mm/d。楼房的倾斜得到了控制。施工至1月31日，大部分托换桩已施工完毕，北部的平均沉降为0.24 mm/d，南部的平均沉降为0.085 mm/d，基本趋于稳定。2月4日进行试顶作业，以观察托换桩及上部结构的反应，并据此在受力较大的部位增加了托换桩。2月6日托换桩及顶升支点全部施工完毕，基础已与地基脱开。148根托换桩平均终止压力为483 kN，总的压力为71 477 kN，平均入土深度为14.4 m。所有桩及支点上都装置千斤顶，208个支点共设置500 kN千斤顶168台，320 kN千斤顶40台，200 kN保护千斤顶100台。

顶升作业不是一次顶到位，而是分级进行，每级顶升量为3～7 mm，每个顶升点完成一级顶升到进行下一级顶升前的循环过程本文称为顶升回次。平面上共分2个工作段，1～6轴为第1段，5～10为第2段，工人依次在第1，2工作段上间隔进行顶升作业。一般刚开始顶升时每级顶升量都较小，约3 mm，当楼房全部脱离地基后，顶升量可达5～7 mm。经过3 d共70个回次的顶升作业，H轴线顶升量平均为277 mm，平均每回次约为4 mm。

2月8日顶升结束，最大顶升量295 mm，南侧A轴框架柱平均下沉30 m，最大下沉37 mm。顶升后东北角倾斜率为0.53‰，西北角北偏0.5‰，楼房基本恢复垂直。顶升结束后，每个顶升支点处采用钢管进行托换，并对托换桩施加预压力，托换完成后，基底下空隙采用注浆泵注入水泥浆液充填。表3为H轴柱托换前后位移变化。

5 顶升效果检验

楼房出现突然下沉后即进行精密水准沉降观测，一直持续到顶升结束后5个月。共进行20次沉降观测，北侧

H–3轴柱子沉降观测结果见表4。

表3 H轴柱托换前后位移变化

Table 3 Displacement variation of H column before and

after underpinning

柱轴线号

托换前顶升量

托换后顶升量

托换过程下沉量

/mm

/mm

/mm

1 264 260 4 2 268 265 3 3 286 284 2 4 281 279 2 5 273 270 3 6 274 271 3 7 295 294 1 8 288 285 3 9 273 270 3 10 268

265

3

表4 H–3轴柱子沉降观测数据 Table 4 Displacements of H–3 column

次数时间

沉降量累计沉降 沉降速率

/月日 /mm /mm

/(mm・d－

1)

备注 10101

–

–

– 初始读数

20103 18.27 18.27 9.140 0 30104 4.12 22.39 5.490 0 40104 0.97 23.36 3.230 0 50105 3.27 26.63 3.720 0

60106 2.74 29.37 2.740 0 加固开始70107 3.18 32.55 3.180 0 80108 2.13 34.68 2.130 0 90109 2.24 36.92 2.240 0 100110 1.00 37.92 1.000 0

110111 0.77 38.69 0.770 0 倾斜停止130116 1.10 40.55 – 140121 0.37 40.92 0.074 0 150127 0.53 41.45 0.088 0 160131 0.37 41.20 0.093 0

170213

–

–

–

顶升后初测

180313 0.70 0.70 0.023 0

190320 0.62 1.32 0.088 0 装修开始20

0710 0.77 2.09

0.007 7 趋于稳定

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6 结 语

采用预压托换桩加固方法，经过3 d的顶升作业，使倾斜率为18.6‰，沉降速率9.15 mm/d，而濒临倒塌的危房顶升复位至倾斜率为0.53‰，基本恢复垂直，沉降趋于稳定，因此，对于整体性较好，倾斜严重且沉降快速发展的危房，采用托换顶升法进行纠偏是比较适宜的，其能及时制止沉降，工期短，效果明显。

和其他土建工程相比，托换纠偏工程有其特殊性。其设计和施工不可分割，设计人员同时也应是施工人员，且要随时对施工过程中揭露出的问题进行设计补充变更。从事纠偏工程的技术人员不但需具备岩土工程和结构工程方面的理论知识，也需具备这两方面的实践经验才能胜任。

该工程是在3层砖混房屋上加建成7层框架，而这两种体系又没有完全脱离，这在结构上有很大的缺陷，也对纠偏带来难度。

目前，该楼已正常使用五年多，没有出现新的沉降和倾斜，证明该加固纠偏法是成功的，适宜于黄土地区危房加固及纠偏。

致谢 本文得到西安建筑科技大学土木工程学院涂光祉教授的大力支持与指导，在此致以衷心的感谢！

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