内容详情
既有建筑纠偏加固信息化 施工技术应用研究
分类：
职工文苑
作者：
王磊
来源：
直属分公司
发布时间：
2025-12-05 15:53
1建筑物倾斜概况
陕西某水泥库是钢筋混凝土筒仓结构，高度为48米，直径为18.4米。基础采用人工挖孔灌注桩和承台筏板形式，桩长为29米，桩径为1米；承台筏板厚度为1.8米，直径为20.4米，筏板底埋深为4米。该建筑物设计库结构入料总重为197340 kN，未入料结构总重为67340 kN[3]。
该水泥库场地地表混凝土层损坏且场地排水不畅，黄土地基在雨季受水浸泡发生湿陷，产生负摩阻力，使桩基承载力降低，引发不均匀沉降，导致水泥库整体向西北倾。偏移量为325mm，倾斜率为0.0159。根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008[4]，该建筑整体倾斜率的允许值为s≤0.006，目前整体倾斜率已超出规范要求9.9‰。
2纠偏加固设计
根据筒仓的变形现状、地基基础及上部结构情况，设计采用静压混凝土空心方桩法进行地基基础加固和PLC控制系统顶升法进行基础纠偏。
2.1地基加固设计
根据桩基变刚度调平设计原则，考虑整体桩基系统在受力时能够保持均匀的变形特性，避免局部刚度过大或过小导致的不均匀沉降和结构损坏。本工程采用50根预制混凝土空心方桩提高桩基础的承载能力，满足满仓情况下的承载要求，确保水泥库在使用过程中的安全性和稳定性。为满足北侧切桩、顶升的要求，采取100%置换率，西北侧布置36根混凝土空心方桩。为增强筒仓的整体稳定性东南侧布置14混凝土空心方桩，共布置50根钢管桩，设计桩长41m。基础加固布桩如图1所示：
图1 基础加固布桩图
2.2 切桩顶升纠偏设计
对建筑物基础下方的灌注桩进行截断处理，并在截断的上下桩段之间安装顶升千斤顶。通过精确控制千斤顶的顶升动作，使建筑物能够沿着预设的设计轴线进行平面旋转，从而有效纠正其倾斜状态。
2.2.1 顶升桩数确定
在进行切桩和顶升时，筒仓的受力状态需要保持平衡。切桩的数量和分布需要根据建筑物的重心、受力中心及偏移方向来设计，以确保在顶升过程中能均匀分布受力，避免产生新的偏移和倾斜。顶升点应尽量均匀分布，以确保施加的力量能够均匀传导，避免产生不均匀的应力集中。顶升桩数量可按下式估算[5]：
（1）
式中：n顶升桩数量(根)； Qk筒仓需抬升的竖向荷载标准值(KN)； Na顶升点的抬顶升荷载值(kN)，取千斤顶额定工作荷载的 80%；k安全系数，取2.0。
根据公式计算出拟切断桩数为10根。综合考虑结构的整体刚度、质量分布、受力平衡、纠偏效果等，设计切桩数量为14根。设计切断的灌注桩如下图所示D-1~D-14，切桩后使用液压千斤顶对水泥库倾斜度进行顶升纠倾调整。切桩位置如图2所示：
图2 切桩位置图
2.2.2 顶升量计算
根据桩底的轴力及顶升量，选用额定起重量 300t(3000 kN)，行程 200 mm的液压千斤顶，每根桩侧对称布置三台，可以顶升的力达到9000 kN，满足最不利的情况。因此共计 42个千斤顶。
各点顶升量应按下式计算[5]:
（2）
式中，
为第j桩计算抬升量(mm)；
为转动轴至计算抬升桩的水平距离(mm)；L为转动轴至计算沉降最大点的水平距离(mm)，L=10200mm，;
为建筑纠偏设计最大抬升量(mm)。
（3）
各顶升桩设计顶升量见表1。
表1 2#筒仓各基桩设计顶升量
Table 3-12 Design uplift amount for each base pile of silo No. 2
桩号 |
|
| 桩号 |
|
|
D-1 | 3696 | 80 | D-8 | 3696 | 80 |
D-2 | 6231 | 135 | D-9 | 2199 | 48 |
D-3 | 8082 | 175 | D-10 | 4641 | 101 |
D-4 | 9075 | 197 | D-11 | 6020 | 130 |
D-5 | 9110 | 197 | D-12 | 6020 | 130 |
D-6 | 8091 | 175 | D-13 | 9075 | 101 |
D-7 | 6231 | 135 | D-14 | 2199 | 48 |
3 信息化施工纠偏加固方法
为确保纠偏加固工程的精准性和安全性，本研究采用信息化施工技术，结合PLC控制系统，对施工过程进行实时监测与动态调整。整体施工顺序为：巷道开挖→空心方桩加固地基→截桩→安装千斤顶→顶升纠偏→注浆钢管托换加塞钢垫板→灌注桩恢复→巷道回填。以下各节将系统介绍这一技术体系的具体实施方法与实际效果。
3.1 PLC控制系统设计
在建筑工程中，尤其是在基础沉降、结构变形等情况下，顶升法是一种常用的纠偏技术。PLC控制系统在顶升法中的应用，能够实现高精度、高效率的控制，确保建筑物的安全和稳定。通过PLC控制系统，可以变形监测各个千斤顶的压力和位移，自动调整控制策略，确保各个顶升点的同步性，从而有效纠正建筑物的倾斜和沉降[2]。主要包括以下设计步骤：
（1）系统设计：根据建筑物的结构特点和纠偏需求，设计顶升系统，包括选择合适的液压千斤顶、传感器和PLC控制器。
（2）监测设备选型：选择高精度的位移传感器和压力传感器，以便变形监测顶升过程中的位移和负载情况。
（3）控制逻辑编写：在PLC中编写控制程序，设定控制逻辑，实现对多个千斤顶的同步控制，确保顶升过程中的高度差控制在合理范围内。
（4）数据采集和反馈：通过PLC系统采集传感器数据，进行实时监控，并根据反馈调整顶升速度和压力。
3.2 预压方桩加固地基信息化施工
本工程预压托换桩为新增D1-D50混凝土空心方桩50根，边长500mm桩，桩段长 L=1.0-1.5m，相邻短桩采用电焊焊接。预压方桩基础托换施工顺序：导坑开挖→用钢尺量距测放桩位→清理基础底面粘土→静压沉桩→接桩→PLC控制系统监测→桩式托换。
（1）在导坑底部，使用钢尺进行测量，准确标定每根桩的位置。确保桩位符合设计要求。
（2）使用铲子和铁锹逐步去除基础底面上的粘土，确保基础底面光滑，无大块的土壤残留，确保底面清洁。使用整平钢板或铁锹进行整平，使得压桩基底平整。
（3）在千斤顶施压前，检查千斤顶的垂直度，确保千斤顶与桩体之间的连接是垂直的。如果发现倾斜，可通过调整千斤顶的位置或高度，进行微调以确保其垂直度。
（4）PLC控制系统压桩
PLC控制系统自动控制液压千斤顶的施压过程，通过预设的压桩力参数，如果压桩力未达到预设值，系统会自动提示增加桩长，直至达到设计压桩力。由于预压法压桩工艺无法像成孔灌注桩一样可以直观看到桩端持力层土壤情况，对于压桩是否达到预设持力层不能较好判断，通过系统数据分析实时监测桩端持力层承载力，确保桩端达到设计持力层。压桩结束后，PLC控制系统自动启动恒压支顶，防止基础发生附加沉降。通过实时监测支顶压力，确保恒压支顶的稳定性和有效性。压桩过程如图3-图5所示：
（a）操作台 （b）控制界面
图3 PLC控制系统
图4方桩安装 图5 静力压桩
PLC系统自动记录压桩过程中的关键数据，包括压桩力、桩长、垂直度等。数据通过信息化平台实时上传，施工管理人员可以通过平台随时查看施工进度和质量，确保施工按计划进行。通过数据分析，对地层局部存在的差异性进行优化设计，优化后压桩结果如图6所示。
图6 基础加固压桩结果图
从图中可以看出桩长分布在35m至43m之间，其中桩长41m-43m的桩数占比54%，该占比桩长主要布置在基础西北侧，与沉降量较大方向较一致；桩长35m-39m桩数占比32%，主要布置在基础南侧，与筒仓实际沉降较少方向一致。与设计桩长41m相比，有46%的桩长小于设计值，54%的桩长大于设计值。施工平均桩长为39m，比设计桩长小4.9%，说明设计方案对桩长的估算较为准确。
（5）桩式托换
1）每根方桩在压至预定压力后，应在该预加压力下进行桩式托换作业。托换压力P应不小于最终压桩力P，同时也不宜超过1.05P。托换持续时间应不少于30分钟，并应详细记录施工过程。
2）托换所用的钢管长度应根据现场实际测量尺寸来确定。为调整空隙，可使用钢板进行微调，并用铁锤将钢板敲入方桩与托换钢管之间，使其紧密贴合。达到换托目的后，方可进行卸压操作。
3）在钢管顶部应预留孔洞，待接桩作业完成后，从预留孔口中浇灌C20混凝土进行填芯处理。
3.3 灌注桩切桩施工
（1）切桩
在灌注桩顶面下0.5m和1.05m处标记切割位置，以确保切割线的准确性。首先，剥离灌注桩的混凝土保护层，露出钢筋，并将钢筋向两侧弯曲以避免切割时的干扰。切割桩体时采用静力切割方法，确保切割后的断面平整光滑。如发现切割面存在不水平的情况，应使用打磨机进行打磨，直至断面达到水平要求。切桩的高度为550mm。
（2）粘贴钢板
钢板尺寸为直径820mm、厚度15mm，应在进场前加工完毕。在切桩前，需将钢板表面打磨至清洁光滑。切桩完成后，应立即将钢板与断桩表面进行粘贴固定。粘贴时应保证胶层厚度均匀，确保粘贴后的钢板也处在水平位置。图7为切桩过程。
图7 绳锯切桩
（3）安装千斤顶
1）在断桩部位的上下两端，各设置一层钢垫板。钢垫板的直径为820mm，壁厚为15mm。钢垫板与混凝土之间，采用粘钢胶进行填充，确保密实无隙。
2）在中断部位设置3个液压千斤顶，每个千斤顶的升力不小于300 t，最大顶升行程为200mm，且工作时的工作压力不大于其额定功率的60%。在千斤顶的周围，按照图示位置分别安装四个钢支撑。钢支撑采用直径为219mm、壁厚为20mm的钢管制作，内部填充C40高强无机灌浆料，确保密实。
3.4 信息化顶升施工
（1）顶升过程中顶升量的控制
顶升工作计划分四个阶段进行，每个阶段的最大顶升量不超过50mm。根据最大顶升桩的预计顶升总量，合理分配并确定每次每个顶升桩的具体顶升量，各阶段设计顶升量见表5-1。
（2）PLC系统同步顶升控制
PLC系统通过压力传感器和位移传感器对每个千斤顶的工作状态进行实时监测。一旦作业过程中出现异常，例如监测到某个千斤顶的压力与位移均无变化，或者千斤顶的压力值突然下降且低于设定值的90%等情况，PLC系统能迅速捕捉这些异常信号并发出警报。施工人员迅速暂定顶升，逐步排查原因，并解决，确保顶升的安全性。
PLC控制系统通过预设的顶升量和纠偏目标，自动控制同一根桩上的3个千斤顶同步顶升，确保顶升过程的均匀性和稳定性。系统监测每个千斤顶的压力、位移和倾斜度，确保顶升高度从最外侧桩到中心桩依次递减。如果发现某个千斤顶的顶升量与其他千斤顶不同步，系统会自动调整该千斤顶的压力和行程，确保同步性。
对于14根桩共计42个千斤顶，PLC系统实现了全局同步控制。系统通过中央控制单元协调各桩的顶升过程，顶升过程分为四个阶段，每个阶段的最大顶升量不超过50mm。通过预设的顶升量和纠偏目标，精确调整每个千斤顶的顶升高度，顶升数据实时上传至信息化平台，施工管理人员可以随时查看每个顶升桩的顶升量和倾斜度。
（3）动态调控纠偏过程
首次与第二次顶升，依据预定的顶升量，执行第一次顶升操作，并详细记录每个顶升桩的实际顶升状况。在第一次和第二次顶升完成后，对筒仓整体倾斜测量。将实际测量结果与预先设定的目标值进行比对，分析是否存在超出预期的倾斜情况或高度差异。如果测量结果表明整体倾斜超出范围，应及时调整后续拟顶升量，重新计算每次顶升的具体量，保持整体结构的均匀性。在调整方案实施后，继续进行第三次和第四次顶升，按照新确定的顶升量进行操作。每次完成顶升操作后，都需重新进行倾斜度和高度差的测量，以确保结构在整个顶升过程中始终保持稳定。详细记录每次顶升的实际操作数据、测量结果及调整方案，以便日后查阅和分析。建立反馈机制，及时将测量数据和纠偏措施反馈给相关技术人员和管理层，以便进行更好的决策和调整。图8为加压顶升过程。
（a）液压系统 （b）千斤顶顶升
图8 加压顶升过程
3.5顶升效果分析：
各顶升点实际顶升情况和设计顶升量详见表5-1。根据表5-1可知D-4和D-5顶升量最大为195mm，顶升监测对应位置基础底面向上位移为219mm，建筑纠偏后倾斜率为（325-219）/20400=5.2‰<6‰，与纠偏前15.9‰相比，降低了9.9‰纠偏效果满足要求。
表5-1 实际顶升量和设计顶升量对比表
Table 5-1 Planned uplift amount
顶升桩号 | 施工每次顶升量（mm） | 累计顶升量 （mm） | 设计顶升量（mm） | 偏差 （mm） | ||||
第1次 | 第2次 | 第3次 | 第4次 | |||||
D-1 | 20 | 20 | 20 | 15 | 75 | 80 | -5 | |
D-2 | 34 | 34 | 34 | 30 | 132 | 135 | -3 | |
D-3 | 44 | 44 | 44 | 40 | 172 | 175 | -3 | |
D-4 | 50 | 50 | 50 | 45 | 195 | 197 | -2 | |
D-5 | 50 | 50 | 50 | 45 | 195 | 197 | -2 | |
D-6 | 44 | 44 | 44 | 40 | 172 | 175 | -3 | |
D-7 | 34 | 34 | 34 | 30 | 132 | 135 | -3 | |
D-8 | 20 | 20 | 20 | 20 | 80 | 80 | 0 | |
D-9 | 12 | 12 | 12 | 10 | 46 | 48 | -2 | |
D-10 | 26 | 26 | 26 | 20 | 98 | 101 | -3 | |
D-11 | 33 | 33 | 33 | 30 | 129 | 130 | -1 | |
D-12 | 33 | 33 | 33 | 30 | 129 | 130 | -1 | |
D-13 | 26 | 26 | 26 | 20 | 98 | 101 | -3 | |
D-14 | 12 | 12 | 12 | 10 | 46 | 48 | -2 | |
3.6 补桩还原
（1）在切断桩的部位上下各360mm范围内，使用切割机和打磨机剔除混凝土保护层，露出原灌注桩的钢筋和混凝土，小心操作，确保不损伤原桩体的钢筋。
（2）检查露出的原桩钢筋，确保其没有锈蚀和损伤。如有锈蚀，需进行除锈处理。
（3）将HRB400直径18mm的钢筋切割成合适长度，按照设计要求进行焊接。确保连接牢固，焊接部位应进行检查，确保焊缝均匀且无缺陷。
（4）在恢复桩体的外侧，按照Φ8@100的间距设置螺旋箍筋，确保箍筋与原桩钢筋连接良好，并有足够的锚固长度。
（5）在恢复区域周围支设模板，确保模板坚固且密封良好，以防止灌浆料漏出。模板高度应覆盖550mm的恢复区域。
（6）按照产品说明，充分搅拌C40高强无机灌浆料，确保其均匀性。将混合好的灌浆料均匀浇筑到支模内，使用振动器对混凝土进行振实，以去除气泡并提高密实度。
（7）浇筑完成后，应进行养护。可采用覆盖湿草帘或洒水等方式，保持混凝土表面湿润，避免干裂。
图9 钢筋连接 图10修复桩体
4结论
本文围绕陕西某水泥库因黄土地基湿陷引发的不均匀沉降问题，提出了一套全面的信息化纠偏加固施工流程。通过PLC控制系统实现静压混凝土空心方桩加固和同步顶升纠偏，成功将建筑物的倾斜率从15.9‰降至5.2‰，满足规范要求。PLC控制系统能够实时监测和调整施工参数，动态优化桩基布置和顶升过程，确保施工精度和安全性，显著提高了纠偏效率并降低了人工成本。静压桩加固与顶升纠偏相结合的技术体系，有效解决了湿陷性黄土地基引发的不均匀沉降问题，为类似工程提供了可借鉴的施工流程和技术方案。