框架結(jié)構(gòu)房屋地基基礎(chǔ)不均勻沉降危害分析及對策研究

王永輝

摘要:地基基礎(chǔ)不均勻沉降將對框架結(jié)構(gòu)房屋產(chǎn)生很大的危害，輕則引起房屋墻體開裂，重則引起房屋結(jié)構(gòu)整體或局部傾斜甚至倒塌。因此，正確認(rèn)識不均勻沉降對房屋結(jié)構(gòu)造成的危害，深入分析事故發(fā)生的原因，并提出有效的對策，具有重要的實(shí)際工程意義。

關(guān)鍵詞: 框架結(jié)構(gòu)；不均勻沉降；對策

1 地基基礎(chǔ)不均勻沉降對框架結(jié)構(gòu)房屋的危害

由于地基基礎(chǔ)不均勻沉降產(chǎn)生的工程質(zhì)量事故，輕則影響建筑物的美觀，破壞室內(nèi)外裝修，造成房屋使用者心理上的不安，重則造成墻體滲水和灌風(fēng)，影響建筑物的使用功能，更嚴(yán)重的會引起墻倒屋塌，出現(xiàn)傷人事故和財(cái)產(chǎn)損失。因此有必要對這些事故原因進(jìn)行深入的分析

從而提出科學(xué)可行的防止和治理措施。

2 原因分析

2.1 建筑結(jié)構(gòu)傾斜的原因

造成框架結(jié)構(gòu)房屋傾斜的原因是多方面的，其主要有：基礎(chǔ)埋置深度不夠，或重心不穩(wěn)導(dǎo)致建筑物整體穩(wěn)定性的削弱；地基承載力不夠，在建筑物垂直荷載下發(fā)生不均勻沉降或局部沉降，使得建筑物隨之沉降而傾斜；地下樁或基礎(chǔ)發(fā)生破壞而使建筑物發(fā)生傾斜；上部結(jié)構(gòu)受力不均產(chǎn)生扭矩。從而出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)傾斜；上部結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件破壞導(dǎo)致傾斜；施工中構(gòu)件定位偏移形成累計(jì)偏差導(dǎo)致重心偏移而發(fā)生傾斜；地基土質(zhì)差或地下水位高等原因造成基底土蠕動而導(dǎo)致建筑傾斜等。

2.2 鋼筋混凝土框架梁開裂的原因

地基下沉對上部結(jié)構(gòu)的影響過程是一個復(fù)雜的應(yīng)力重新調(diào)整的過程。不僅與地基的不均勻程度有關(guān)，而且與基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的剛度關(guān)系密切。根據(jù)對一些算例進(jìn)行分析，結(jié)果表明，地基下沉一般可影響到上部5至6層框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，甚至可能出現(xiàn)正負(fù)應(yīng)力反號現(xiàn)象，導(dǎo)致梁、柱出現(xiàn)嚴(yán)重的裂縫。其影響順序是從基礎(chǔ)逐步向上反應(yīng)，影響程度逐漸衰減。當(dāng)箱形基礎(chǔ)或底層結(jié)構(gòu)有較大的剛度時，對上層框架的影響顯著減小，可以自動調(diào)整地基反力，逐步趨近均勻沉降。沉降引起斜裂縫一般情況下是比較難察覺的，它與熱脹冷縮溫度裂逢、受彎垂直裂逢不同，形態(tài)變化多端，通常根據(jù)梁受力特點(diǎn)，裂縫數(shù)量、走向、寬度、深度以及裂逢發(fā)生部位，來進(jìn)行綜合分析研究，綜合大量的己發(fā)現(xiàn)沉降引起斜裂逢，其主要有下列幾個方面的主要特征:

裂逢走向。一般裂縫的走向同主拉應(yīng)力方向垂直，沉降引起斜裂縫也是遵循主拉應(yīng)力跡線準(zhǔn)則。通常情況下，裂逢往往由沉降小的一邊向沉降較大一邊傾斜延伸。如梁跨中沉降(撓曲)時，裂縫由梁底開始逐漸向梁面傾斜伸展，指向跨中沉降較大處。

裂縫變化。沉降引起裂縫，使裂縫多樣化，表面看來缺乏一定規(guī)則，較難解釋清楚，裂逢有時從梁面由上而下開展，有時從梁底由下往上開裂，有時也拌隨著一些垂直裂縫，甚至梁腹中間也會開裂，同時有的斜裂縫發(fā)生在梁的受剪區(qū)(或彎剪區(qū)段)也有的發(fā)生在梁的彎拉區(qū)段。

裂縫數(shù)量。當(dāng)主拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時。在梁支座附近或連續(xù)梁反彎點(diǎn)區(qū)段，容易出現(xiàn)貫通性斜裂縫，這些裂縫數(shù)量多少，一般與下列幾個因素密切相關(guān):不均勻沉降量多少；荷載大小與振動干擾影響；有否產(chǎn)生撓曲扭矩而引起附加剪應(yīng)力大?。换炷列阅芪⒘芽p現(xiàn)象及徐變大小。

斜裂縫出現(xiàn)時間。根據(jù)有關(guān)梁斜裂縫試驗(yàn)研究表明，由彎曲效應(yīng)引起的垂直裂縫，出現(xiàn)時間對應(yīng)的荷載為(0.14-0.16)Pu(Pu為極限荷載)，而斜裂縫開始出現(xiàn)時間對應(yīng)的荷載為(0.38-0.42)Pu，顯然垂直裂縫出現(xiàn)比斜裂縫要早，但是沉降引起斜裂縫，沒有經(jīng)歷垂直裂縫階段，而在荷載較輕情況下，開始就出現(xiàn)斜裂縫，一般難以說得正確時間，只能大致把裂縫出現(xiàn)時間分為三個階段:一是施工階段出現(xiàn)裂縫，梁從澆搗混凝土開始，直到裂縫出現(xiàn)時間比較短，甚至短少到3-5天發(fā)現(xiàn)梁斜裂縫，這種情況往往是混凝土強(qiáng)度低時，受到不均勻沉降與施工荷載共同作用，影響比較嚴(yán)重:二是竣工階段平時施工人員對梁斜裂縫不太注意，當(dāng)工程進(jìn)入粉刷竣工驗(yàn)收時，裂縫就明顯暴露出來了。這種情況主要是梁內(nèi)傷通過混凝土徐變逐漸反映出來了;三是使用階段。有些框架結(jié)構(gòu)大梁，經(jīng)過半年多使用時間才發(fā)現(xiàn)斜裂縫，這種情況，主要是梁損傷較輕，雖然己經(jīng)存在微裂縫，在較長時間沉降、徐變、溫度、外荷載聯(lián)合應(yīng)力作用，慢慢地反映出來，裂縫趨于明朗化。

3 防治措施

3.1 地基處理

樁基礎(chǔ)。采用爆擴(kuò)樁、灌注樁,打入樁穿過軟弱土層,將基礎(chǔ)支撐在堅(jiān)硬土(石)層上,使建筑物的沉降差滿足設(shè)計(jì)要求。這種方法能同時取代或減少地基處理和開挖基坑的土方工程,可以節(jié)約人力和縮短工期,山區(qū)普遍采用此法。要使樁基礎(chǔ)達(dá)到經(jīng)濟(jì)上合理,技術(shù)上安全可靠,必須做到精心設(shè)計(jì)和精心施工,否則,雖采用了樁基礎(chǔ)也會發(fā)生問題；充分利用上覆土層,盡量采用淺基礎(chǔ)。當(dāng)?shù)鼗喜客翆拥膹?qiáng)度較高,并有一定的厚度,其下分別為軟弱土后和硬土層時,應(yīng)優(yōu)先采用淺基礎(chǔ)為經(jīng)濟(jì)合理；換土。換土有以硬換軟或以軟換硬兩種方式。其目的都是為了獲得整個建筑物的均勻沉降。一般來講,在一個建筑場地內(nèi),硬地基少,軟地基多,宜采用以軟換硬的換土法(又叫褥墊)；若軟地基少,硬地基多,宜采用以硬換軟的換土法;若軟、硬地基各一半,宜采用設(shè)置沉降縫與局部換土相結(jié)合的方法。

3.2 基礎(chǔ)加固

地基基礎(chǔ)加固中，常采用加寬或加大基礎(chǔ)底面積的方法，因其施工簡單、所需設(shè)備少，常用于基礎(chǔ)面積太小而產(chǎn)生過大沉降或不均勻沉降事故的處理，以及采用直接法加層時對地基礎(chǔ)的補(bǔ)償加固。這種加固方法基礎(chǔ)直接加寬、外增獨(dú)立基礎(chǔ)加大兩種?；A(chǔ)加深是將原基礎(chǔ)下的軟土、膨脹土、雜土等土層分段挖去，換成混凝土或磚墩(俗稱墩式托換)，使基礎(chǔ)加深并置于較好士層上的一種加固方法。當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生裂縫、破損、侵蝕(如受酸、堿等有害物質(zhì)的侵蝕)以及因加層而引起基礎(chǔ)剛度不足時，應(yīng)對基礎(chǔ)進(jìn)行加固，以滿足其剛度及耐久性的要求。

基礎(chǔ)直接加寬?；A(chǔ)直接加寬是對挖開原基礎(chǔ)兩側(cè)的填土后澆筑新基礎(chǔ)的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能使新舊基礎(chǔ)很好結(jié)合、共同變形。

①單面加寬：當(dāng)基礎(chǔ)承受的荷載偏心距較大或產(chǎn)生不均勻沉降時，應(yīng)采用單面加寬的方法。新加部分應(yīng)與原基礎(chǔ)有很好的連接，應(yīng)將原基礎(chǔ)表面鑿毛，每隔一定間距設(shè)置角鋼挑梁，且用膨脹混凝土將其牢靠地錨固在原地基上。澆搗混凝土前，界面處應(yīng)涂界面劑。②雙面加寬：當(dāng)基礎(chǔ)承受過大的中心荷載或小偏心荷載時采用雙面加寬方法。新舊基礎(chǔ)的連接，采用掏挖原基礎(chǔ)灰漿縫并在原基礎(chǔ)上鑿凹坑以形成剪刀鍵的辦法。③四面加寬：對于獨(dú)立基礎(chǔ)，采用四面加寬的方法進(jìn)行加固。當(dāng)每邊加寬不超過30cm時，采用素混凝土圍磁;當(dāng)每邊加寬大于30cm時，則應(yīng)在圍套內(nèi)配置鋼筋。④增設(shè)筏板基礎(chǔ)：在己有的基礎(chǔ)間增設(shè)筏板，以增大基礎(chǔ)底面積，減少地基反力，是一種非常有效的加大基礎(chǔ)底面積的辦法。它常用于穩(wěn)定軟土或回填土上建筑物的下沉或不均勻沉降。新增筏板基礎(chǔ)不宜設(shè)在房屋基底，而應(yīng)設(shè)在基底以上700-800mm處。板厚不宜小于200-250mm。為了增大筏板的剛度，應(yīng)在板上澆筑次梁(高300-400mm)和主梁(高5OO-1000mm)，次梁間距為2.5m，筏板、梁與基礎(chǔ)墻之間應(yīng)有可靠連接，板應(yīng)嵌入墻中300-400mm。主次梁兩端應(yīng)按鉸接考慮，筏板可視具體情況按單向板或雙向板計(jì)算，并應(yīng)注意構(gòu)造鋼筋的配置。

外增基礎(chǔ)： ①抬梁法:抬梁法是在原基礎(chǔ)兩側(cè)挖坑并做新基礎(chǔ)，通過鋼筋混凝土梁將墻體荷載部分轉(zhuǎn)移到新做基礎(chǔ)上的一種加大基底面積的方法。新加的抬墻梁應(yīng)設(shè)置在原地基梁或圈梁的下部。這種加固方法具有對原基礎(chǔ)擾動少、調(diào)協(xié)數(shù)量較為靈活的特點(diǎn)。采用抬梁法加大基底面積時，應(yīng)注意抬梁的設(shè)置應(yīng)避開底層的門、窗和洞口;抬梁的頂部須用鋼板楔緊。對于外增獨(dú)立基礎(chǔ)，可用千斤頂將抬梁頂起，并打入鋼楔，以減少新增基礎(chǔ)的應(yīng)力滯后。②斜撐法：斜撐法加大基底面積，與上述抬梁法不同之點(diǎn)，是抬梁改為斜撐，新加的獨(dú)立基礎(chǔ)不是位于原基礎(chǔ)兩側(cè)，而是位于原基礎(chǔ)之間。

基礎(chǔ)加固： ①混凝土圍套加固：混凝土圍套加固是指在己開裂、破損或因加層而需要提高剛度的基礎(chǔ)外面澆筑鋼筋混凝土圍套的一種基礎(chǔ)加固方法。這種方法不僅可使基礎(chǔ)底面面積增大，降低原基底的反力，而且可使原基礎(chǔ)受到圍套的約束，其剛度、抗剪、抗彎和抗沖切的能力得到提高。②加厚加固：這種加固方法是將原基礎(chǔ)的肋加高、加寬。以減少基礎(chǔ)底板的懸臂長度和降低懸臂彎矩，使原基礎(chǔ)的剛度及承載力得到提高，尤其適合于舊房加層設(shè)計(jì)時的基礎(chǔ)加固。③灌漿法加固：灌漿法加固是指用壓送設(shè)備把水泥漿或環(huán)氧樹脂漿壓入原基礎(chǔ)的裂縫內(nèi)或破損處的一種加固方法。施工時先在基礎(chǔ)中鉆孔，孔徑應(yīng)比灌漿管直徑(一般為25mm)大2-3mm，孔距取O.5-1.Om，孔數(shù)對于獨(dú)立基礎(chǔ)應(yīng)

3.3 結(jié)構(gòu)修復(fù)加固

對鋼筋硅結(jié)構(gòu)的加固方法很多，本論文只針對由于沉降而產(chǎn)生的問題進(jìn)行的加固處理。一般是采用增大截面法進(jìn)行加固處理。

鋼筋混凝土梁修復(fù)加固。沉降對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，不僅可能因承受過大彎曲拉應(yīng)力和主拉應(yīng)力而產(chǎn)生一段裂縫，有時還可能因突然受擠壓、剪切而酥裂，甚至掉塊。此時如僅靠“補(bǔ)給”。就很難使結(jié)構(gòu)恢復(fù)“元?dú)狻?。必須根?jù)結(jié)構(gòu)的具體受損情況，用鋼筋混凝土對破損部位進(jìn)行包套，才能達(dá)到復(fù)原、補(bǔ)強(qiáng)的目的。主要有以下方法:①梁端包套：梁裂縫和破損，一般多集中在主拉應(yīng)力較大的梁端。然而，對絕大部分超靜定結(jié)構(gòu)的橫梁來說，近梁端處不僅主拉應(yīng)力大，而且上部彎曲拉應(yīng)力亦大。因此梁近端上冀緣，加固補(bǔ)強(qiáng)時，不宜打開。欲保證梁上表面不破壞，那么只有采用梁下加腋包套的辦法來恢復(fù)正截面和斜截面的承載能力。這類構(gòu)件在加固的承載力計(jì)算，只能將新舊混凝土截面視為各自獨(dú)立工作考慮，其承擔(dān)的彎矩按新舊混凝土截面剛度進(jìn)行分析。②梁柱包套：根據(jù)許多沉降工程實(shí)例表明，某些劇烈的差異沉降，其破壞往往反映在梁柱交會的節(jié)點(diǎn)附近。此時最好把梁柱包裹在一起，進(jìn)行一次性加固。包套加固時，首先把被加固的結(jié)構(gòu)表面打毛。每隔5OOmm左右沿梁兩側(cè)鉆孔，以直徑大于1Omm的半開口箍穿下，并與下半開口箍搭焊在一起。③型鋼捆扎包裹法：鋼材是強(qiáng)度高、塑性韌性都比較好的材料，用它來加固因沉降而破壞的磚石砌體、混凝土或鋼筋混凝土構(gòu)件，由于加固體和被加固體二者特性上的明顯差異，捆扎后及易松弛、繼續(xù)變形，鋼材強(qiáng)度也不可能充分發(fā)揮。用型鋼進(jìn)行捆扎加固，操作簡單、施工速度快。因此盡管存在上述缺點(diǎn)，目前在處理沉降事故中仍廣泛采用。由于梁柱斷面多為方形或長方形，因此用各類型鋼加固其裂縫時，只能采用包箍的型式。不論采取什么樣的包箍的方法，都必須通過擰緊螺栓對包箍件預(yù)加壓力，以使它們和梁柱表面充分接觸、密貼結(jié)合。對于單梁，可直接在梁上比較大的斜裂縫中部位置上設(shè)一道螺栓包箍。預(yù)先在梁兩側(cè)的樓板上鉆孔，用U形螺栓自上穿下，固定在梁下表面的通常墊板上，這樣可以保持梁頂比較平整。如梁上鋪板或擱置其它構(gòu)件，只須用高標(biāo)號水泥砂漿抹面把鋼箍覆蓋起來即可。對于整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，梁柱裂縫大多集中在節(jié)點(diǎn)附近，因此，梁拴的捆扎包箍在構(gòu)造上應(yīng)形成互相聯(lián)系的整體。施工時，首先沿柱四角各打一穿過樓板的孔洞，四只包角角鋼同時穿下，兩端臨時用鋼夾板點(diǎn)焊固定。然后按預(yù)定位置，一對夾板配一對拉緊螺栓，逐次調(diào)整緊固后，再把各夾板的端部和包角角鋼焊接在一起。梁頭包箍，首先把下冀緣兩只包角角鋼，與已經(jīng)固定在柱上的角鋼托點(diǎn)焊固定，然后依次用U形螺栓，自下而上經(jīng)梁兩側(cè)鉆孔固定樓板面上。最后用細(xì)石混凝土和高強(qiáng)度水泥砂漿，將樓板上的全部孔洞填塞、抹平。

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