水平掏土迫降糾傾法機理分析及計算方法

鄧正定，張小兵，王 瓏

(1.中國鐵道科學研究院， 北京 100081； 2.中鐵西北科學研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000)

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水平掏土迫降糾傾法機理分析及計算方法

鄧正定1，張小兵2，王 瓏2

(1.中國鐵道科學研究院， 北京 100081； 2.中鐵西北科學研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000)

針對水平掏土成孔形成的土條帶側(cè)向應(yīng)力解除，條帶邊緣會產(chǎn)生剪脹滑移破壞的特征，基于對其破壞模式分析的基礎(chǔ)上，運用經(jīng)典土力學觀點，假定土體彈性區(qū)與塑性區(qū)交界處服從摩爾-庫倫準則，認為塑性區(qū)土體產(chǎn)生滑移剪切破壞，彈性區(qū)土體主要承擔上部荷載，服從虎克定律，提出針對水平掏土成孔土壓縮變形的計算方法，并應(yīng)用于建筑物糾偏實例中，對計算結(jié)果和工程應(yīng)用結(jié)果比較表明，該方法能夠很好計算出掏土臨界應(yīng)力以及掏土孔孔徑、土條寬度等相關(guān)重要參數(shù)，預(yù)測附加沉降量，并與實際結(jié)果吻合較好，證明了計算方法的正確性和合理性，填補了糾偏設(shè)計不能預(yù)測沉降量的理論空白，對于建筑物糾偏設(shè)計與施工具有較強的指導(dǎo)意義。

糾偏； 掏土成孔； 機理分析； 計算方法

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程增加，各式各樣的建筑形式不斷涌現(xiàn)，建筑規(guī)模也越來越大，一些建筑物不得不座落在地質(zhì)條件差的場地上，由于上部結(jié)構(gòu)的多樣性，地基基礎(chǔ)的復(fù)雜性及不確定性，再加上勘察、設(shè)計、施工等多方面的原因，近年來建筑物傾斜事故時有發(fā)生[1]。目前，建筑物糾傾的方法共有三十多種，根據(jù)處理方式可歸結(jié)為迫降法、抬升法、預(yù)留法、橫向加載法和綜合法(或組合糾傾法)等五大類[2], 由于大部分建筑傾斜是由于地基土的不均勻沉降引起，故在各種糾傾方法中，水平掏土迫降糾傾法適用范圍廣，糾傾沉降量容易控制，適用于軟土地基、黃土地基、片筏基礎(chǔ)上的傾斜建筑物。通過大量工程實踐,獲得了許多關(guān)于掏土糾傾法的有價值結(jié)論[3]，但由于建筑物掏土糾傾的特殊性，此方法還大多以不完全適合的土力學理論為導(dǎo)向，借鑒以往設(shè)計經(jīng)驗，來指導(dǎo)工程實踐，至今尚無成套的、系統(tǒng)的理論體系，對該方法的應(yīng)用和推廣造成較大阻礙。目前針對水平掏土糾傾的理論研究還存在以下問題：

(1)針對糾傾過程中孔間土的破壞模式、損傷機理尚無系統(tǒng)研究，尚無合理的計算掏土成孔后地基土附加沉降的計算方法，從而無法精確計算掏土量及附加沉降；

(2)由于掏土孔的存在，相當于孔間土側(cè)限解除，土體產(chǎn)生部分滑移剪切破壞，這與傳統(tǒng)的地基土附加沉降計算方法有較大區(qū)別。

針對以上主要問題，通過理論研究、結(jié)合具體工程實例等方法，運用經(jīng)典土力學方法，提出能夠適用于水平掏土糾傾法的附加沉降計算方法，并應(yīng)用于實際糾傾工程中進行驗證，為今后采用此法的糾傾加固工程提供理論依據(jù),具有廣闊應(yīng)用前景和學術(shù)價值。

1 水平掏土糾傾法原理及土的破壞模式

1.1 水平掏土糾傾法原理

水平掏土迫降糾傾法是指在傾斜建(構(gòu))筑物沉降較少的一側(cè)基礎(chǔ)底部，采用人工或機械按照設(shè)計的次序和掏土量進行水平掏土，以消減基底的承壓面積，增大其附加應(yīng)力，隨著基底附加應(yīng)力的增大，基底土體由壓密變形向塑性變形發(fā)展，同時輔以錨索加壓進一步增加基地應(yīng)力，使土體再次被壓縮而引起建(構(gòu))筑物下沉，如圖1。

圖1 水平掏土迫降糾傾法示意

1.2 孔間土的破壞模式

建筑物的荷載通過基礎(chǔ)傳遞到土中，因此基礎(chǔ)底面的壓力分布形式將對土產(chǎn)生直接影響，其涉及到上部結(jié)構(gòu)物、基礎(chǔ)和地基土共同作用問題，是一個十分復(fù)雜的課題，因此在簡化分析時僅看作壓力接觸問題，即看作上部結(jié)構(gòu)自重直接傳遞到土體中，由于掏土孔的存在，會導(dǎo)致承擔荷載面積減小，而上部荷載大小不變，從而造成土體應(yīng)力增加，引起應(yīng)力重分布，同時由于孔間土側(cè)限應(yīng)力減少，造成孔邊緣形成塑性破壞區(qū)，隨著掏土量增加，塑性區(qū)范圍增大，部分土體受剪脹破壞，見圖2。基于以上實際，可將孔間土看成原狀土及破壞土,孔間土在初始狀態(tài)時全部為原狀土,隨著應(yīng)力增加，側(cè)向應(yīng)力解除，孔間土邊緣部分土體逐漸受剪脹破壞，滑入孔中，在掏土造就應(yīng)力增加的過程中，其受力特性是兩種土體動態(tài)變化的綜合反映。

圖2 孔間土破壞模式

對于掏土糾傾過程中的土體，在壓應(yīng)力和剪應(yīng)力作用下，當達到臨界狀態(tài)時，部分土體開始發(fā)生剪脹破壞，由于土體前期已經(jīng)過固結(jié)，可認為原狀土不再發(fā)生體應(yīng)變，將受剪脹破壞土體所占比例用ω表示，則孔間土的力學特性可表示為二者加權(quán)平均值：

S=(1-ω)Si+ωSd

(1)

式中：S為土的某種力學指標；Si與Sd分別為原狀土和破壞土的同一力學指標。

2 水平掏土成孔機理

2.1 掏土成孔塑性力學分析

由于掏土成孔后，在上部荷載P一定時，隨著受荷面積A不斷減小，孔間土應(yīng)力σ不斷增加，有如下關(guān)系：

(2)

(3)

式中：σ0為掏土前初始應(yīng)力；P為上部荷載；A0為掏土前基底面積；σ為掏土成孔后條帶土豎向應(yīng)力；D為掏土孔直徑；L為掏土孔間土寬度。

由于掏土孔的存在，孔周地基土初始應(yīng)力被解除，隨著應(yīng)力的增加，孔周一定范圍地基土將由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)為塑性狀態(tài)，且塑性區(qū)范圍隨著掏土量的增加而增加，而在塑性區(qū)之外的土體仍保持彈性狀態(tài)，由于孔間土破壞往往發(fā)生在孔間土寬度最小處，故可將孔間土看成近似寬度一致的條帶，孔間土水平方向應(yīng)力由邊緣向中間逐漸增大，孔間土受壓縮剪脹破壞，其受力特性如圖3所示。

圖3 孔間土單元體受力分析

考慮單元力系的平衡方程有：

(4)

式中:r為土條中某一點處到掏土孔中心的水平距離；σr為某一點處徑向應(yīng)力；σe為某一點處環(huán)向應(yīng)力。

假設(shè)孔間土中，塑性區(qū)土體服從摩爾-庫倫準則，則有如下關(guān)系:

σe(1-sinφ)-σr(1+sinφ)=2ccosφ

(5)

式中:c為土體粘聚力；φ為土體內(nèi)摩擦角。

結(jié)合公式(4)、(5)得到：

(6)

通過對式(6)非齊次微分方程求通解可得：

(7)

式中：C為待定常數(shù)。

(8)

由于在掏土迫降時，只需考慮掏土孔兩側(cè)土的應(yīng)力狀態(tài)，而忽略掏土孔上下方的應(yīng)力，在兩側(cè)土體塑性區(qū)與彈性區(qū)交界處，可認為環(huán)向應(yīng)力與由上部荷載引起的豎向應(yīng)力近似相等，應(yīng)力只與掏土孔削弱面積相關(guān)，結(jié)合式(3)可得：

(9)

同時σe、σr需滿足：

(10)

結(jié)合式(8)、(9)、(10)聯(lián)解得掏土孔中心在水平方向的塑性區(qū)范圍為：

(11)

由上式可知，塑性區(qū)范圍大小隨上部荷載、掏土孔削弱面積以及掏土孔徑的增大而增大。當2r≤D時，孔間土沒有形成塑性區(qū)，即孔間土為全彈性區(qū)；當孔間土寬度L≥2r-D時，孔間土部分形成塑性區(qū)，部分為彈性區(qū)，即孔間土為半塑性半彈性區(qū)，當孔間土寬度L<2r-D時，塑性區(qū)范圍覆蓋整個孔間土寬度，即形成全塑性區(qū)。

由式(11)可知，當r=D/2時，孔間土全部為彈性區(qū)，但即將形成部分塑性區(qū)，即處于臨界狀態(tài)，這在糾偏中是很重要的參數(shù)，即可采取“掏土至臨界，錨索加壓至破壞”的措施，設(shè)計掏土量為達到臨界應(yīng)力即可，再通過錨索加壓使塑性區(qū)范圍擴大，加速沉降量，計算得掏土臨界應(yīng)力值為：

(12)

式中：σcr為即將形成塑性區(qū)時臨界應(yīng)力值。

結(jié)合式(3)、(12)可得達到臨界應(yīng)力時，所對應(yīng)的掏土孔間土條寬度與各相關(guān)參數(shù)的關(guān)系為：

(13)

式中：Lcr為達到臨塑狀態(tài)時孔間土條寬度。

同樣，由式(11)可知，當r=(D+L)/2時，條帶土全部為塑性區(qū)，即無彈性區(qū)，計算可得條帶土形成全塑性區(qū)時臨界應(yīng)力值σqr為：

(14)

2.2 地基土附加沉降計算方法

假定土體的剪脹破壞是瞬時發(fā)生,無時間效應(yīng)。對于孔間土來說，塑性區(qū)土體大部分受到剪切滑移破壞，可將這部分土體當成損傷土，為描述孔間土損傷區(qū)的發(fā)展，需建立描述損傷發(fā)展的方程，即損傷演化方程。沈珠江[4～6]等結(jié)合大量實驗研究認為，損傷伴隨著應(yīng)變的發(fā)展而發(fā)展，但結(jié)合掏土成孔的特點，將塑性理論與損傷理論相聯(lián)系，可認為損傷區(qū)伴隨著塑性區(qū)的范圍發(fā)展而發(fā)展，其損傷演化方程可表示為：

(15)

式中：a為損傷修正系數(shù),可取0.8～0.9。

沈珠江等[4]認為原狀土變形性狀近似為彈性體，即服從虎克定律，則非損傷區(qū)原狀土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有：

(16)

式中：εe為非損傷區(qū)應(yīng)變；E為原狀土彈性模量。

孔間土由于部分土體發(fā)生剪切破壞，由于損傷土會滑移到掏土孔中，可承擔的荷載較小，為簡化計算，可忽略損傷土的應(yīng)力，認為荷載全部由彈性區(qū)原狀土承擔，則有：

ε=εe

(17)

式中：ε為孔間土總應(yīng)變。

由于土潰變導(dǎo)致實際承擔荷載孔間土面積A進一步減少，故可認為非損傷區(qū)土的壓縮變形是一個新的平衡過程，則原狀土區(qū)土體承擔的應(yīng)力為：

(18)

由于掏土造就應(yīng)力小于臨界應(yīng)力時，孔間土同樣可認為彈性變形，同樣服從虎克定律，則可建立最終能夠描述掏土成孔后地基土附加沉降的計算方程：

(19)

從式(19)可知，掏土造就應(yīng)力超過臨界應(yīng)力時，由于可承擔荷載面積隨著破壞區(qū)的增大進一步減小，應(yīng)力進一步增大，沉降速率會明顯加快，進入“惡性”循環(huán)，這就是在糾偏實踐中，當掏土至臨界后，輔以少量錨索加壓或堆載，都能起到事半功倍效果的原因。

3 計算方法在建筑糾偏中的應(yīng)用

3.1 工程概況

甘肅省某高層商住樓為地下1層，主樓地上17層，裙樓3層，主樓總高度為50 m。其中主樓為剪力墻結(jié)構(gòu)，裙樓均為框架剪力墻結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)形式均為平板式筏形基礎(chǔ)，且主樓與裙樓筏板相連。筏板東西向最大長度43 m，南北向?qū)挾?6 m。筏板埋深5.2 m，筏板板厚1.0 m，筏板外伸1.2 m，筏板下為厚150 mm的C20素混凝土墊層，墊層與筏板之間做建筑防水，防水層上做50 mm厚C20混凝土保護層，墊層下做厚500 mm的3∶7灰土墊層。

該樓所在場地屬于關(guān)川河西岸二級階地后緣。根據(jù)詳勘報告及后期勘察資料顯示，場地地層自上而下主要由黃土、角礫及泥巖三層組成，由于對濕陷性黃土進行了孔內(nèi)深層強夯法(DDC法)整片處理，該樓基礎(chǔ)坐落于黃土復(fù)合地基土地層之上，復(fù)合地基土物理力學指標見表1，傾斜變形情況見圖4。

表1 復(fù)合地基土物理力學參數(shù)

圖4 大樓平面示意

3.2 相關(guān)參數(shù)計算

由于大樓存在設(shè)計缺陷，導(dǎo)致偏心嚴重，建筑物基礎(chǔ)底面的壓應(yīng)力可按下式計算[7～9]：

(19)

式中：pk為荷載效應(yīng)標準組合時，基礎(chǔ)底面平均壓應(yīng)力；pkmax為荷載效應(yīng)標準組合時，基礎(chǔ)底面邊緣最大壓應(yīng)力；pkmin為荷載效應(yīng)標準組合時，基礎(chǔ)底面邊緣最小壓應(yīng)力；Fk+Gk為上部荷載組合；A為基礎(chǔ)底面面積(m2)；Mp為偏心荷載；W為基礎(chǔ)底面抵抗矩(m3)。

通過計算可得掏土前各區(qū)域地基應(yīng)力分布等勢圖如圖5所示。

圖5 掏土前各區(qū)域地基應(yīng)力等勢圖/kPa

結(jié)合鉆孔機械特點，一般可供選擇鉆孔孔徑為130 mm或150 mm，由于大樓東北側(cè)筏板邊緣目標沉降量為70～80 mm，目標沉降量較大，而孔周土破壞壓縮后需占用部分體積，故選擇鉆機孔徑為150 mm較為合適。

結(jié)合式(13)及各相關(guān)物理參數(shù)進行計算，各區(qū)域達到臨界狀態(tài)時所需最小土條寬度Lcr如圖6所示。

圖6 各區(qū)域達到臨界狀態(tài)時所需最小土條寬度/mm

結(jié)合式(14)及各相關(guān)物理參數(shù)進行計算，各區(qū)域達到全塑性區(qū)狀態(tài)時所需最小土條寬度Lqr如圖7所示。

本著“掏土至臨界，錨索加壓至破壞”的原則，并使東北側(cè)塑性區(qū)范圍適當擴大，甚至達到全塑性區(qū)，西南側(cè)介于全彈性區(qū)與全塑性區(qū)之間，掏土區(qū)范圍為重心以東南1～2 m，根據(jù)糾傾目標，東北邊緣所需沉降量為70～80 mm,重心附近所需沉降量為40～50 mm，故設(shè)計東北側(cè)邊緣掏土孔土條寬度為40 mm，結(jié)合式(18)計算可得孔間土壓縮變形量為65 mm,設(shè)計重心以東南邊緣掏土孔土條寬度為60 mm，計算可得孔間土壓縮變形量為28 mm,基本與大樓糾傾目標值相吻合。

圖7 各區(qū)域達到全塑性狀態(tài)時所需最小土條寬度/mm

3.3 糾傾效果驗證

2014年11月1日開始對大樓進行糾傾，歷時4個多月，大樓最大傾斜率由原來5.52‰回到2.54‰,達到我國規(guī)范的建筑物安全使用要求，監(jiān)測點布置及沉降曲線分別見圖8、9。

圖8 各沉降觀測點布置

圖9 各觀測點沉降曲線

由圖9可知，大樓沉降基本趨于穩(wěn)定，位于東北側(cè)的1、2、3#觀測點沉降值為60～70 mm之間，西南角的6#點沉降最小，約10 mm,為加固側(cè)豎井開挖及拖帶沉降影響所致，大樓附加沉降量與計算結(jié)果基本一致，說明本文所提出的計算方法有較好的實用性。

4 結(jié)論與建議

本文通過經(jīng)典土力學與現(xiàn)代損傷力學結(jié)合，構(gòu)建出簡單實用的針對掏土迫降糾偏附加沉降的計算方法，并成功應(yīng)用于糾偏工程實例，得出以下結(jié)論：

(1)基于摩爾-庫倫準則，分析孔間土的應(yīng)力分布特點，得出孔間土塑性區(qū)范圍，以及達到臨界狀態(tài)時所對應(yīng)的土條寬度，為糾傾設(shè)計提供依據(jù)；

(2)引入損傷力學觀點，根據(jù)設(shè)計參數(shù)預(yù)測出最終附加沉降量，填補了以往糾偏只能依靠經(jīng)驗，不能準確計算的空白；

(3)將所提出的計算方法應(yīng)用于基礎(chǔ)形式復(fù)雜的糾偏工程中，計算結(jié)果與實際沉降量基本吻合；

(4)本文提出的計算方法需確定的材料參數(shù)較少，且都是土力學最基本的物理參數(shù)，簡單而實用。

(5)本文所提出計算方法，沒有考慮損傷區(qū)所承擔荷載，而實際上，損傷區(qū)也承擔一定荷載，服從特定的屈服準則，后續(xù)應(yīng)加強研究，以建立更加符合掏土糾偏實際的計算方法。

[1] 唐業(yè)清, 萬墨林. 建筑物改造與病害治理[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2000.

[2] 王 楨. 錨索技術(shù)用于建筑物可控精確糾傾[J]. 施工技術(shù), 2011, 40(s1), 24-27.

[3] 趙錫宏, 孫 紅, 羅冠威. 損傷土力學[M]. 上海: 同濟大學出版社, 2000.

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[9] JGJ 270-2012, 建筑物傾斜糾偏技術(shù)規(guī)程[S].

Mechanism Analysis and Calculation Methed of Horizontal Soil Landing Rectifying Method

DENGZheng-ding1,ZHANGXiao-bing2,WANGLong2

(1.China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China; 2.Northwest Research Institute Co Ltd of CREC， Lanzhou 730000， China)

Because of the characteristics of the horizontal soil into hole forming soil lateral stress relief, edge banding producing dilatancy sliding failure, and based on the failure mode analysis, on the basis of using the classical soil mechanics point of view, it assumes that the elastic zone and the plastic zone of soil on the border obey Moore-coulomb criterion, shear damage responses of the plastic zone of soil slip, the elastic zone soil mainly undertakes the upper load, obey hooke’s law, proposed in view of the level of soil pore forming and the calculation method of soil compression deformation and applied to the building rectifying example. The comparing result of the calculation results and engineering application showed that this method can calculate the soil stress and critical soil hole diameter, width related important parameters, such as soil, additional subsidence prediction, and are in good agreement with the actual results, proving the correctness and rationality of the calculation method and fill in the gap theory, in which design cannot predict settlement, and has strong guiding significance in rectifying for building design and construction.

rectifying; soil pore forming; mechanism analysis; calculation method

2015-12-03

2016-03-03

鄧正定(1987-)，男，江西萍鄉(xiāng)人，博士研究生，研究方向為建筑物糾傾加固(Email：dengzhengding@126.com)

中鐵科學研究院有限公司科技開發(fā)項目(2015-SQ1-05)

TU746.3

A

2095-0985(2016)05-0038-06