高層建筑彈性地基梁加固施工技術(shù)研究*

葉劍標(biāo),余曉云

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系, 安徽 亳州 236800)

引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，城市中高層建筑數(shù)量與日俱增.高層建筑具有埋度深、質(zhì)量大等特點(diǎn).在高層建筑建設(shè)的過程中，由于不均勻的荷載作用、地下水位變化、外界動力等因素[1]，極易造成高層建筑產(chǎn)生局部沉降或位移，從而出現(xiàn)裂縫或傾斜現(xiàn)象.如果高層建筑和地基直接相連，其承受的壓力均會通過墻面、柱等傳遞到地基，所產(chǎn)生的壓強(qiáng)將嚴(yán)重影響高層建筑穩(wěn)定性，因此需在兩者之間使用地基梁，使外界壓力以均勻形式傳遞到地基上，降低其承受的荷載強(qiáng)度[2,3].彈性地基梁造價低、施工方便，是最佳選擇.由于高層建筑的質(zhì)量和外界壓力都作用于彈性地基梁，其安全性對高層建筑質(zhì)量具有重要作用，因此彈性地基梁加固十分必要.

當(dāng)前相關(guān)的研究有很多，例如楊振杰[4]和朱德良[5]等人分別通過強(qiáng)夯與振動碾壓以及高壓旋噴樁實(shí)現(xiàn)彈性地基梁加固.雖然這兩種方法均能夠滿足高層建筑承載力要求，但其經(jīng)濟(jì)成本較高，且在面臨高強(qiáng)度壓力時的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有待提升.為改善傳統(tǒng)研究方法存在的不足，本文研究了新的高層建筑彈性地基梁加固施工技術(shù).該技術(shù)通過強(qiáng)夯、鋼筋加工、混凝土澆注加固彈性地基梁，并使用位移和沉降計算方法從不同方面驗證其加固效果，以期利用穩(wěn)定性較高的彈性地基梁保證高層建筑質(zhì)量，為人們生命和財產(chǎn)安全提供保障.

1 材料方法

1.1 彈性地基梁概況

以彈性地基梁作為分析對象，設(shè)定其結(jié)構(gòu)參數(shù).將分析對象的長寬高分別設(shè)置為60 cm、2 cm、3 cm，彈性模量及地基系數(shù)分別設(shè)置成1.6×106kg/cm2、11.3 kg/cm2，周期干擾力為f=100sin(500t)，單位為kg，初位移和初動量均取0，密度為0.009 kg/cm3.彈性地基梁結(jié)構(gòu)具體如圖1所示.

圖1 彈性地基梁結(jié)構(gòu)

1.2 彈性地基梁加固施工技術(shù)

1)通過強(qiáng)夯施工對地基上的夯點(diǎn)進(jìn)行夯擊，達(dá)到既定標(biāo)準(zhǔn)后，使用砂漿墊層處理地基.

2)在執(zhí)行上述過程時，還需進(jìn)行鋼筋加工.因彈性地基梁的主筋較長，且具有較大的鋼筋半徑，應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)操作要求和驗收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工[6,7].

3)運(yùn)用有效方法完成鋼筋綁扎工作，防止因彈性地基梁的各筋之間出現(xiàn)多處交錯而產(chǎn)生個別筋無法綁扎的情況.

4)為避免出現(xiàn)混凝土漏漿現(xiàn)象，需要將模板縫隙堵嚴(yán).

5)彈性地基梁混凝土量高，并對質(zhì)量具有嚴(yán)格要求，因此為防止發(fā)生薄弱面、施工縫等狀況，在進(jìn)行混凝土澆注時，不僅需要不間斷澆注，還需要分層搗固，且一次成功[8].使用細(xì)碎石搗固底端混凝土是因為底端鋼筋的密集度較高.

1.3 彈性地基梁基本原理

將加固后彈性地基梁應(yīng)用于高層建筑深基坑排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中.該結(jié)構(gòu)頂端和底端分別使用常規(guī)、彈性地基梁單元，凍脹力與土水壓力是其承受的主要載荷[9-11].常規(guī)梁單元剛度矩陣用公式(1)描述：

(1)

式(1)中，常規(guī)梁單元剛度用Ke描述；截面長度用l描述；彈性模量用Ea描述；截面慣性矩用I描述.通過公式(2)描述彈性地基梁單元剛度矩陣：

(2)

式(2)中，矩陣上半部分與下半部分對稱，彈性地基梁單元剛度用Kd描述；彈性系數(shù)分別用

深基坑排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度矩陣用K描述，由上述兩個矩陣共同形成，表示為K=Ke+Kd.

1.4 排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)位移計算

若產(chǎn)生地震作用，根據(jù)該結(jié)構(gòu)靜力平衡條件，其承受的等效結(jié)點(diǎn)載荷矩陣R需要和K保持平衡，在地震作用已知的情況下，能獲得該結(jié)構(gòu)位移，使用式(3)描述平衡表達(dá)式：

Kδ=R

(3)

由于外界因素會對混凝土支撐產(chǎn)生影響，因此，對K進(jìn)行調(diào)整，壓頂梁彈性系數(shù)用Kw l描述，K的調(diào)整可通過將該系數(shù)添加至受壓頂梁影響的梁單元上實(shí)現(xiàn).排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)位移用δw l描述，計算過程如式(4)所示：

δw l=Fw l/Kw l

(4)

1.5 彈性地基梁沉降控制標(biāo)準(zhǔn)及沉降計算

1.5.1 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

過大的彈性地基梁沉降變形極易引發(fā)高層建筑的多余內(nèi)力，對其穩(wěn)定性構(gòu)成巨大威脅，結(jié)合《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》和學(xué)者的工程經(jīng)驗[12,13]，沉降差極限值取高層建筑底部彈性地基梁一半長度的0.001，即4.4 mm.

1.5.2 沉降計算

在計算開始之前，需要判斷彈性地基梁類型[14,15].若想表明彈性地基梁為短梁，也可稱作剛性梁，則滿足λl≤π/4；若想表明彈性地基梁為有限長梁，也可稱作有限剛度梁，則滿足π/4<λl<π；若想表明彈性地基梁為長梁，也可稱作柔性梁，則滿足λl≥π.其中，彈性地基梁長度用l描述；柔度指數(shù)及特征值分別用λl、λ描述.公式(5)為λ的計算過程：

(5)

式(5)中，彈性地基梁寬度及抗彎剛度，分別用b、EI描述；復(fù)合地基基床系數(shù)用k0描述，其計算過程用公式(6)描述：

(6)

式(6)中，計算點(diǎn)壓B力強(qiáng)度用p1和p2描述；與其相匹配的穩(wěn)定沉降量分別用s1、s2描述.

當(dāng)彈性地基梁承受均布荷載時，可用公式(7)描述該梁在荷載邊緣處的沉降量：

(7)

將計算單元設(shè)定成1 m，最大沉降量分布在荷載中部區(qū)域，其計算過程用公式(8)描述：

(8)

由式(7)、式(8)可獲得式(9)描述的高層建筑底部彈性地基梁沉降差的計算過程：

Δymax=ymax-y=

(9)

2 結(jié)果分析

不同地震強(qiáng)度下，使用本文技術(shù)對高層建筑深基坑排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行測試，進(jìn)而驗證彈性地基梁加固施工效果.各地震強(qiáng)度波形模擬結(jié)果用圖2描述.

分析圖2可知，低級地震強(qiáng)度的波形起伏較小，僅出現(xiàn)一次較大波動，地震持續(xù)時間為3 s；中級地震強(qiáng)度的波形與低級地震強(qiáng)度的波形起伏程度較為接近，但出現(xiàn)較大波動的次數(shù)較多，且地震持續(xù)時間較長；高級地震強(qiáng)度的波形起伏很大，地震持續(xù)時間為3 s左右，易對高層建筑造成嚴(yán)重破壞.

利用地震模擬振動臺可得，支護(hù)結(jié)構(gòu)在符合安全標(biāo)準(zhǔn)的條件下，橫向與縱向位移的最大值分別為0.82 m、0.53 m.使用1～12數(shù)字表示支護(hù)結(jié)構(gòu)的不同位置，在上述地震強(qiáng)度模擬結(jié)果下，通過本文技術(shù)計算各位置的橫向和縱向位移，結(jié)果如表1所示.

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)各位置的橫向與縱向位移結(jié)果

分析表1可知，在發(fā)生不同強(qiáng)度地震的情況下，高層建筑深基坑排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的各位置都會出現(xiàn)橫向及縱向位移，隨著地震強(qiáng)度增加，位移程度不斷加深，并且縱向位移程度均大于橫向位移程度.

不同地震強(qiáng)度下，支護(hù)結(jié)構(gòu)6號位置的橫向及縱向位移始終保持最小，該位置的穩(wěn)定性最強(qiáng)；當(dāng)發(fā)生高級強(qiáng)度地震時，支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向及縱向位移最大值分別為0.46 m、0.63 m，均低于符合安全標(biāo)準(zhǔn)的極限值.以上結(jié)果可以看出，雖然支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨地震強(qiáng)度增加有所下降，但始終控制在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，表明本文技術(shù)具有良好的高層建筑彈性地基梁加固施工效果，能極大地提升彈性地基梁穩(wěn)定性.

將高層建筑基坑深度分別設(shè)定成4 m、8 m、12 m，測試不同地震強(qiáng)度下，排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻側(cè)向位移變化情況，結(jié)果用圖3描述.

(a)基坑深度為4m的地下連續(xù)墻側(cè)向位移圖

通過分析圖3可以得出，隨著地震強(qiáng)度增加，不同基坑深度的排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻側(cè)向位移持續(xù)增大；在地震處于相同強(qiáng)度的情況下，排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻側(cè)向位移隨著基坑深度增加而增大；當(dāng)基坑深度為4 m時，側(cè)向位移最大值在150～200 mm范圍內(nèi)變化，當(dāng)基坑深度為8 m時，側(cè)向位移小幅度增大，介于200～250 mm之間，當(dāng)基坑深度為12m時，不同地震強(qiáng)度的側(cè)向位移大幅度增大，最大側(cè)向位移在350～400 mm范圍內(nèi)變化.以上結(jié)果表明，基坑深度對排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻側(cè)向位移具有較大影響，將基坑深度控制在12 m以內(nèi)，能獲得較穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時也表明在此范圍內(nèi)，彈性地基梁加固效果更優(yōu).

將樁長分別設(shè)定成5 m、6 m、7 m，高層建筑荷載中部區(qū)域彈性地基梁在不同樁間距下的沉降量結(jié)果用圖4描述.

圖4 彈性地基梁沉降量圖

分析圖4可得，在樁間距不斷增加的情況下，不同樁長對應(yīng)的彈性地基梁沉降量均呈上升趨勢，當(dāng)樁間距≤6 m時，彈性地基梁沉降量上升速率較慢，當(dāng)超過該值時，彈性地基梁迅速上升；在樁間距相同的情況下，彈性地基梁沉降量隨樁長升高而降低，當(dāng)樁長為7 m時，最小和最大沉降量分別為-2.5 mm、-20 mm左右，變化量為17.5 mm，當(dāng)樁長為5 m時，最小和最大沉降量分別為-6 mm、-32.5 mm左右，變化量為26.5 mm.以上結(jié)果能看出，樁間距與樁長對彈性地基梁沉降量具有較大影響，為獲得較穩(wěn)定的彈性地基梁，可對兩個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整.

將樁長分別設(shè)定成4 m、5 m、6 m、7 m，高層建筑荷載正下方彈性地基梁在不同樁間距下的沉降差結(jié)果用圖5描述.

圖5 彈性地基梁沉降差結(jié)果

分析圖5可以看出，不同樁長對應(yīng)的彈性地基梁沉降差均隨樁間距增加而上升，并呈現(xiàn)出先緩慢上升后迅速上升的趨勢；在樁間距相同的條件下，彈性地基梁沉降差與樁長呈反比，當(dāng)樁長為7 m和6 m時，最大沉降差分別為-3.4 mm、-4 mm左右，均保持在沉降控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，當(dāng)樁長和樁間距分別為5 m、9 m時，沉降差大致為-4.5 mm，已超出沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)樁長為4 m時，沉降差始終低于-4.4 mm，不滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn).通過上述分析可知，為充分體現(xiàn)彈性地基梁加固效果，使其既符合沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，還能減少樁體用量，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，可將樁長和樁間距分別設(shè)定成5 m、6 m.

將樁徑分別設(shè)定成500 mm、600 mm、700 mm、800 mm，測試不同樁長下彈性地基梁的安全系數(shù)，結(jié)果用圖6描述.

圖6 不同樁徑的彈性地基梁安全系數(shù)圖

分析圖6可得，不同樁徑對應(yīng)的彈性地基梁安全系數(shù)均隨著樁長增加而上升，在樁長為10 m的情況下，各樁徑對應(yīng)的彈性地基梁安全系數(shù)較為接近，在樁長<12 m的情況下，安全系數(shù)上升速率較快，并在超過12 m后逐漸趨于平穩(wěn)；當(dāng)樁徑為700 mm時，彈性地基梁安全系數(shù)始終保持最高，最大值約為9，當(dāng)樁徑為500 mm時，彈性地基梁安全系數(shù)始終處于最低值.因此可以表明，樁長和樁徑對彈性地基梁安全系數(shù)影響較大，樁長與安全系數(shù)呈正比，將樁徑設(shè)置為700 mm，可獲得穩(wěn)定性較高的彈性地基梁.

3 結(jié)論

隨著高層建筑數(shù)量逐年上升，其安全性日益引起人們的重視，本文研究高層建筑彈性地基梁加固施工技術(shù)，通過加固彈性地基梁，并從位移、沉降、安全系數(shù)三方面出發(fā)，分析本文技術(shù)的加固效果，以及各項參數(shù)變化對彈性地基梁的影響，可獲得以下結(jié)論：

1)以彈性地基梁作為主體的排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨地震強(qiáng)度增加而降低，但始終控制在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，彈性地基梁加固施工效果良好，且該結(jié)構(gòu)受基坑深度影響較大，將其控制在12 m以內(nèi)，能獲得較穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu).

2)樁間距和樁長對彈性地基梁沉降量具有較大影響，為充分體現(xiàn)彈性地基梁加固效果，可將兩個參數(shù)分別設(shè)定成5 m、6 m.

3)樁長和樁徑對彈性地基梁安全系數(shù)影響較大，樁長與安全系數(shù)呈正比，將樁徑設(shè)置為700 mm，可獲得穩(wěn)定性較高的彈性地基梁.