黃土地基剛度軟化法迫降糾傾技術(shù)應(yīng)用研究

周 軍

1 工程概況

1.1 建筑物平面

某新建教學(xué)綜合樓，位于蘭州市龔家灣，總用地面積19 098m2，建筑面積 18 615m2?？蚣芙Y(jié)構(gòu)，加氣混凝土砌塊填充墻，1層建筑面積為3 920m2，建筑物高度25.8m。地上6層，局部 7層，平面布置復(fù)雜，大體呈“L”形(見圖1)。

建筑物按功能分五個獨(dú)立區(qū)，A區(qū)為辦公樓，B區(qū)為小教室區(qū)，平面呈34m×22m的矩形，C區(qū)為主樓綜合區(qū)，平面呈異形，長42m，柱距開間5m～6m，D區(qū)為大教室區(qū)，E區(qū)為大型階梯教室，平面為半徑33m的1/4圓。五個區(qū)之間均設(shè)置寬度為 150mm的變形縫。工程抗震設(shè)防烈度為 8度，框架抗震等級為二級，建筑抗震設(shè)防類別為丙類。設(shè)計(jì)基本地震加速度 0.2g。結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為 50年，使用年限 50年。

1.2 場地土及基礎(chǔ)

工程的地基土質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地基土主要由雜填土、黃土、粉細(xì)砂及卵石四層組成，其中雜填土厚12.4m～28.7m，以建筑垃圾、生活垃圾為主，黃土厚3.1m～17.6m，粉細(xì)砂厚0.2m～0.5m，卵石層埋深16.1m～32.4m，卵石層的承載力fak=800 kPa。

A區(qū)基礎(chǔ)為人工成孔灌注樁，部分為機(jī)械成孔灌注樁;B區(qū)，C區(qū)，D區(qū)為筏板基礎(chǔ);E區(qū)為機(jī)械成孔灌注樁。樁混凝土強(qiáng)度等級為C30，筏板基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級為C30P6。

1.3 建筑物結(jié)構(gòu)變形

主體工程施工至 5層時，筏板基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)生不正常變形，B，C兩個單元的變形縫縮小，在第 6層施工時，由于變形縫處無法正常支撐模板，有意將B單元的定位軸線向南側(cè)偏移，直至主體結(jié)構(gòu)封頂，B，C兩個單元在第 5層變形縫處緊挨在一起，變形縫徹底喪失應(yīng)有的功能。

A，E單元沒有發(fā)生不均勻沉降，D單元的東南角的下沉量為16mm。C，D單元筏板變形的坡度一致，B，C單元筏板變形的坡度反向，在變形縫對應(yīng)的位置東端基礎(chǔ)沉降最嚴(yán)重，與A單元相比沉降量達(dá)149mm。B，C，D三個單元筏板的最大沉降率依次為3.7‰，0.5‰和0.4‰。C單元筏板西側(cè)在樓梯(小圓弧)處上翹3mm。

2 原因分析

1)水的作用是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害的誘發(fā)因素。2007年 8月中旬，建筑場地南側(cè)離建筑物 100m開外處現(xiàn)場臨時用房的墻體開裂，地基下陷，成為危房，以至于拆了重建。后重建的臨時房屋又出現(xiàn)墻體開裂，地基下陷，成為危房。同時，附近的場地顯著下陷。直到 10月下旬開挖后發(fā)現(xiàn)，該處的地下排水管道斷裂，大量的水浸入垃圾土層。2)降低工程成本的思想使結(jié)構(gòu)方案偏重于節(jié)約。甲方在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)選型的技術(shù)上參與導(dǎo)向性意見。為了節(jié)約建設(shè)投資，在垃圾土層的地基上建議采用工程造價相對較低的筏板基礎(chǔ)。當(dāng)然，在防水措施到位的前提下，垃圾土層的筏板基礎(chǔ)是可行的。3)意識先入為主。由于建筑物和臨時房屋建造在垃圾土層上，故對現(xiàn)場臨時用房的墻體開裂、地基下陷等現(xiàn)象認(rèn)為是正常的，沒有引起足夠的重視。4)不利的地理位置。地下排水管道斷裂的位置處于渾溝地勢較高的地方，而擬建建筑物位置處于渾溝地勢較低的地方，即地勢特點(diǎn)容易使浸入水在土層中流動。5)結(jié)構(gòu)荷載不均勻。在B區(qū)的主體為 5層，靠C區(qū)的位置為局部 6層，B區(qū)，C區(qū)的變形縫兩側(cè)是兩道圍護(hù)墻。二者均造成結(jié)構(gòu)的荷載不均，致使地基應(yīng)力分布不均，有助于不均勻變形的產(chǎn)生。

綜合上述因素的共同作用，建筑物B區(qū)，C區(qū)之間的變形縫從下到上由大變小，在 5層頂部的結(jié)構(gòu)相接觸，互相間的擠壓作用導(dǎo)致個別構(gòu)件和墻體產(chǎn)生裂縫。設(shè)計(jì)的變形縫已經(jīng)完全失去作用。

3 方案選擇

3.1 糾傾途徑

建筑物B區(qū)，C區(qū)，D區(qū)的基礎(chǔ)是一個整體筏板，在B區(qū)，C區(qū)筏板的變形呈V形，要讓B區(qū)，C區(qū)建筑物的變形縫恢復(fù)正常，技術(shù)途徑只有兩條:1)頂升，使V形的中部抬高;2)迫降，使V形左部的地基降低。如何使整體筏板中部已經(jīng)下沉的量通過頂升進(jìn)行恢復(fù)是一個難度不小的課題。若用膨脹材料進(jìn)行頂升，在不破壞筏板的前提下材料無法抵達(dá);若采用設(shè)備頂升，又沒有合適的反力點(diǎn)支撐設(shè)備。經(jīng)過課題組充分討論，綜合各種因素，決定采用迫降法。

3.2 迫降技術(shù)

迫降技術(shù)有三種，即解除應(yīng)力方法、附加應(yīng)力方法和軟化地基土體剛度法。試驗(yàn)結(jié)果表明，在黃土地區(qū)，解除應(yīng)力法的糾傾效果最差，附加應(yīng)力法次之，軟化地基土體剛度法最佳，且前兩者對糾傾的反應(yīng)不敏感，即對糾傾過程不易控制，后者對糾傾的反應(yīng)很敏感，即通過檢測結(jié)果依靠地基土體剛度的變化容易對糾傾過程進(jìn)行控制。由于解除應(yīng)力法和附加應(yīng)力法是軟化地基土體剛度法的前提，故決定以解除應(yīng)力法和附加應(yīng)力法為輔，以軟化地基土體剛度法為主。

3.3 糾傾目標(biāo)

原設(shè)計(jì)變形縫的寬度為150mm，目前在頂層實(shí)際為零，當(dāng)使得變形縫的寬度達(dá)到150mm時，即B，C豎向平行，但需要使建筑物在B區(qū)出現(xiàn)反坡，當(dāng)B區(qū)垂直時，變形縫的寬度只能達(dá)到130mm，使建筑物在B區(qū)出現(xiàn)反坡非建筑物所需。故確定僅僅對建筑物B區(qū)采取迫降糾傾措施，糾傾目標(biāo)為使B區(qū)，C區(qū)變形縫接近130mm為宜。

3.4 施工工藝

第一步，布置觀測點(diǎn)。第二步，在B區(qū)建筑物較高側(cè)用挖掘機(jī)開挖深度為5.5m的直角梯形槽(保守0.5m);觀察至少2 d后，確定保守量的處理。第三步，在槽內(nèi)的-4.5m以下開挖直徑為120mm，中心距為500mm，深度為15 000mm的水平孔，觀察至少 2 d后，確定水平孔是否加密加深。第四步，在水平孔內(nèi)進(jìn)行注水—修孔—注水等技術(shù)過程的循環(huán)，直至完成糾傾任務(wù)。第五步，回填水平孔，夯填豎向槽。

4 實(shí)施與效果

4.1 應(yīng)力解除法

將建筑物 B區(qū)的南側(cè)沿著東西方向挖開一道長略大于B區(qū)縱向墻體長度、上口寬 6 000 mm、下口寬 3 000 mm、深度為4 500mm的直角梯形截面的槽，連同準(zhǔn)備耗時 5 d。

連續(xù)觀測3 d(累計(jì)8 d)，B區(qū)，C區(qū)沒有反應(yīng)，糾傾效果為零。究其原因有:1)應(yīng)力解除的深度不夠，即直角梯形截面的槽淺，應(yīng)力解除不徹底。鑒于該建筑物特殊的地基層，應(yīng)力解除的深度只能設(shè)在換填土層的底部;2)建筑物基礎(chǔ)的剛度大，足以抵抗由于應(yīng)力解除引起的地基變形;3)換填土層的承載能力高，應(yīng)力解除對現(xiàn)有地基土體影響不顯著。

4.2 應(yīng)力附加法

不計(jì)應(yīng)力集中的影響，采用圓形水平孔均勻減少原有地基有效面積的方法進(jìn)行地基應(yīng)力的附加。水平孔高度位置在灰土層底層以下300mm處。

單獨(dú)附加應(yīng)力的工作進(jìn)行了4次，耗時43 d(累計(jì)51 d)。附加1的孔徑為110mm，間距600mm，附加2只是延長了孔身，附加 3采用隔一加一的方法，使面積減少的相對量達(dá)到 27%，附加 4采用加倍的方法，使面積減少的相對量達(dá)到 36%。

附加應(yīng)力法使結(jié)構(gòu)的地基下沉5 mm，由于B，C單元的變形縫處發(fā)生等量的下沉，故B單元的回傾效果為零。

附加應(yīng)力法迫降糾傾效果與地基土體應(yīng)力飽和度有關(guān)，飽和度越高，迫降糾傾效果越顯著。反之，則不顯著。

4.3 地基土體剛度軟化法

在應(yīng)力附加技術(shù)的基礎(chǔ)上給水平孔內(nèi)按照一定的方式注入一定量的水，使地基土體剛度軟化，引起地基變形，迫使傾斜結(jié)構(gòu)物回傾。這種迫降糾傾技術(shù)叫做地基土體剛度軟化法[5]，簡稱剛度軟化法(以下同)。

在面積減少的相對量達(dá)到 36%的基礎(chǔ)上，應(yīng)用地基土體剛度軟化法，即給水平孔內(nèi)注水，使建筑物較高側(cè)繼續(xù)沉降。首次注水6m3，連續(xù)觀察3 d(累計(jì)54 d)，最大沉降量累計(jì)為12mm。在理想狀態(tài)下，B單元結(jié)構(gòu)物整體應(yīng)該以 B，C單元變形縫為轉(zhuǎn)動軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，即 B單元結(jié)構(gòu)物整體開始回傾。實(shí)際上，B單元結(jié)構(gòu)物整體沒有以B，C單元變形縫為轉(zhuǎn)動軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，而是B單元較高側(cè)與較低側(cè)產(chǎn)生著相同的沉降量，故B單元的回傾效果繼續(xù)為零。水平孔里面塌陷，無法繼續(xù)注水。

4.4 “附加—軟化”重復(fù)交替

重新成孔，第二次注水6m3，B單元較高側(cè)下沉8mm(累計(jì)下沉20mm)，建筑物回傾2mm(累計(jì)2mm)，耗時12 d(累計(jì)66 d)。

又經(jīng)過 6次成孔、注水的重復(fù)交替，累計(jì)耗時共計(jì) 152 d，B單元較高側(cè)下沉累計(jì)最大量170mm，建筑物回傾累計(jì)137mm，B單元地面橫向出現(xiàn)了微小反坡，連續(xù)觀察 7 d后，建筑物地基穩(wěn)定，不再產(chǎn)生下沉。接著用了 5 d時間夯填了水平孔和應(yīng)力解除的槽。至此，歷時167 d，B，C單元變形縫的功能恢復(fù)正常。

5 結(jié)語

1)應(yīng)力飽和度對應(yīng)力附加法糾傾有直接影響，應(yīng)力飽和度越大，越有利于糾傾。2)迫降糾傾的三種技術(shù)中，對于黃土地基，應(yīng)力解除法和應(yīng)力附加法的糾傾效果都小，剛度軟化法的糾傾效果顯著，與室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果相似。3)監(jiān)測工作在糾傾中的作用非常重要。測量手段是糾傾工程技術(shù)人員的眼睛，通過它可以“看到”建筑物整體的回傾狀態(tài);結(jié)構(gòu)應(yīng)變檢測是糾傾工程技術(shù)人員的神經(jīng)，通過它能夠“感到”建筑結(jié)構(gòu)局部的受力狀態(tài)。

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