基底注漿對減小廠房淺基礎(chǔ)沉降的效果分析

孫浩，郭立輝，劉金龍

(1.安徽水安建設(shè)集團股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.合肥學院城市建設(shè)與交通學院，安徽 合肥 230022)

1 引言

在工業(yè)廠房中，通常根據(jù)使用需要在廠房內(nèi)部不同區(qū)域堆放不同的物料，不同物料的使用進度不盡相同，造成廠房地面存在局部堆載過高、局部空載的不均勻分布情況。堆載屬于活荷載，設(shè)計時荷載取值與實際工況不一定吻合，且作用時間與位置經(jīng)常發(fā)生變化，無規(guī)律可循，其對廠房基礎(chǔ)的影響存在不確定性[1-3]。

當廠房采用樁基礎(chǔ)時，堆載對樁基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的負摩阻力與側(cè)壓力，若樁基礎(chǔ)承載力安全儲備較大，能夠抵抗、承擔堆載產(chǎn)生的不利影響，堆載對樁基礎(chǔ)的影響就非常有限。但堆載過大時，其對樁基礎(chǔ)也將產(chǎn)生較大影響。如周勇等[4]采用現(xiàn)場試驗和數(shù)值分析比較的方法研究表明，堆載預(yù)壓時間對樁基負摩阻力的發(fā)生發(fā)展起到關(guān)鍵影響，當堆載超過3個月，樁基負摩阻力已不明顯。潘曉東等[5]以杭州繞城高速上發(fā)生垮塌的斜交橋梁為案例，考察了土體的物理參數(shù)、堆載高度和斜交角對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明土體的彈性模量、堆土高度對橋梁在堆載作用下的橫向位移和內(nèi)力有很大影響。賀志勇等[6]基于某高速公路匝道橋橋側(cè)堆載案例研究表明，橋側(cè)大面積堆土后，匝道橋基礎(chǔ)彎矩增加177.7%，基礎(chǔ)軸力增加27.3%，主墩及上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力無明顯變化。其它學者也就堆載對樁基礎(chǔ)的影響開展了深入研究[7-11]。

事實上，堆載對淺基礎(chǔ)的影響可能更大。某些廠房，由于使用性質(zhì)（如臨時建構(gòu)筑物）和節(jié)約造價的要求，采用了淺基礎(chǔ)型式，堆載可能使淺基礎(chǔ)底部產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，誘發(fā)較大的變形與傾斜，影響使用功能。本文以某獨立基礎(chǔ)的攪拌站廠房為例，探討堆載對淺基礎(chǔ)的影響，并對注漿加固的效果進行分析，為類似工程提供參考。

2 廠房工程概況

某攪拌站廠房長約107.4m，寬約67.1m，占地面積約 7311.6m2，廠房頂部采用網(wǎng)架設(shè)計。廠房主要用途為砂石骨料堆場大棚，建筑層數(shù)為輕鋼一層。廠房采用柱下獨立基礎(chǔ)，共設(shè)26根柱子，邊柱尺寸為600×600，中柱尺寸600×800。采用鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約2.0m，基礎(chǔ)尺寸東、西側(cè)邊柱為 4.0m×4.0m，其余為 3.6m×3.6m。柱、梁、基礎(chǔ)混凝土強度等級為C30，墊層混凝土強度等級為C15。廠房平面布置如圖1所示，實景圖如圖2所示。

圖1 廠房結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 廠房內(nèi)部實況

圖1與圖2所示的擋土墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻厚0.50m，墻高3.0m，墻下設(shè)置鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)寬度3.70m，埋深 0.50m。內(nèi)部擋土墻主要起到分隔料倉的作用，不同位置的料倉堆放不同的骨料。

屋蓋采用四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架高度1.9m～3.2m，支承形式：柱點，由下部框架柱支承。根據(jù)工程地勘報告，自上而下土層分別為（如圖3所示）。

圖3 地質(zhì)剖面圖

①雜填土（Q4ml）：層厚1.10m～1.50m，灰褐、褐黃色，稍濕，稍密～中密狀態(tài)，主要由碎磚、碎石子、黏性土組成。

②粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）：層厚2.36m～6.44m，層底標高 1.96m～6.12m。灰褐、褐黃色，軟塑～可塑狀態(tài)，含氧化鐵等，局部夾有薄層粉土。搖振反應(yīng)無，切面稍光滑，干強度中等，韌性中等。該層單橋靜力觸探試驗端阻力Ps平均值為0.91MPa，標貫試驗實測擊數(shù)N值一般為3擊/30cm～4擊/30cm，平均值為3.5擊/30cm。此層屬中等偏高壓縮性土。

③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）：層厚10.66m～15.34m，層底標高-9.37m～-8.36m。青灰色，流塑狀態(tài)，局部軟塑，含大量有機質(zhì)及貝殼碎屑等，有腥臭味，局部夾有松散狀態(tài)的粉砂。切面粗糙，干強度低，韌性低。該層單橋靜力觸探試驗端阻力Ps平均值為0.63MPa，標貫試驗實測擊數(shù)N值一般為1擊/30cm～3擊/30cm，平均值為1.90擊/30cm。此層屬高壓縮性土。

④粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）：層厚5.50m～6.50m，層底標高-15.37m～-14.56m?；液?、褐黃色，軟塑～可塑狀態(tài)，含氧化鐵等，局部夾有薄層粉土、粉細砂。搖振反應(yīng)無，切面稍光滑，干強度中等，韌性中等。該層單橋靜力觸探試驗端阻力Ps平均值為2.04MPa，標貫試驗實測擊數(shù)N值一般為5擊/30cm～6擊/30cm，平均值為5.70擊/30cm。此層屬中等偏高壓縮性土。

⑤粉細砂（Q4al+pl）：此層未揭穿，揭露厚度0.10m～5.80m，揭露層底標高-18.32m～-20.56m?；疑⒒尹S色，飽和，中密狀態(tài)，含云母、石英及方解石等礦物。局部夾薄層可塑狀態(tài)粉質(zhì)黏土、稍密狀態(tài)粉土。搖振反應(yīng)迅速，切面粗糙，干強度低，韌性低。標貫試驗實測擊數(shù) N值一般為 16擊/30cm～28擊/30cm，平均值為21.2擊/30cm。此層土屬中等壓縮性土。

土層的物理力學參數(shù)如表1與表2所示。廠房地下水類型主要是上層滯水和承壓水。其中上層滯水主要分布于①層填土中。地下水埋藏淺，易蒸發(fā)，接受大氣降水、地表水補給，其水位、流量隨季節(jié)有明顯變化。

各土層強度參數(shù) 表1

各土層壓縮模量 表2

3 廠房變形與地基加固方案

3.1 廠房變形情況

廠房投入使用后，多個柱子發(fā)生下沉，網(wǎng)架桿件發(fā)生變形。其中③軸交軸、?軸柱頂標高沉降超過-0.40m，該位置為料倉填料區(qū)，填料高度約為3m～4m；⑦軸交軸、軸軸柱頂標高分別沉降0.28m 和 0.354m，該位置為料倉空倉區(qū)。2019年12月26日各柱頂沉降監(jiān)測值見表3所示，相應(yīng)沉降等值線分布如圖4所示。

各混凝土柱柱頂沉降值(單位:m,2019.12.26數(shù)據(jù)) 表3

圖4 柱頂沉降等值線分布圖(單位:m,2019.12.26數(shù)據(jù))

廠房開始投入使用時，各料倉不均勻堆載，中間料倉堆載較大，這是導(dǎo)致廠房的不均勻沉降的主要原因。廠房柱子呈現(xiàn)中柱沉降大、邊柱沉降小的規(guī)律，間接改變了網(wǎng)架(連續(xù)梁超靜定結(jié)構(gòu))的受力狀態(tài)，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)③軸交軸柱頂端網(wǎng)架已經(jīng)與柱端脫離。對部分沉降較大的柱頂，已通過及時釋放柱頂螺栓、采用鋼質(zhì)楔形墊板墊高支點等措施，防止下沉的基礎(chǔ)將網(wǎng)架拉壞。

當廠房的料倉堆載消除后，部分柱頂回升，說明地基土體在卸載狀態(tài)下產(chǎn)生了較大的回彈。結(jié)合土層深度及參數(shù)可知②粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土厚度較大，在堆載、卸載作用回彈效應(yīng)主要發(fā)生在這兩層土體中。

3.2 地基加固方案

根據(jù)廠房混凝土柱變形情況，一方面除了對柱頂與網(wǎng)架連接處進行墊高處理、釋放不均勻沉降對網(wǎng)架產(chǎn)生的附加應(yīng)力外，另一方面應(yīng)對混凝土柱基礎(chǔ)進行加固，減小堆載誘發(fā)柱基產(chǎn)生的不均勻沉降。

經(jīng)過綜合對比，采用袖閥管對柱基一定范圍的土體進行注漿加固，施工方便，綜合費用較低，加固效果能滿足相關(guān)要求。注漿參數(shù)如下：注漿鉆孔開孔直徑φ110，袖閥注漿管直徑φ50，注漿孔距離獨立基礎(chǔ)外輪廓1.0m，注漿孔間距2.0m，漿液水灰比0.6:1，注漿速度5 L/min～30 L/min，注漿壓力0.5MPa～1.0MPa，最終使注漿加固土體寬度超過基礎(chǔ)外輪廓2.0m、深度不小于3.0m。

以中柱基礎(chǔ)尺寸3.6m×3.6m為例，注漿加固設(shè)計如圖5與圖6所示。注漿需在基礎(chǔ)周邊較大范圍內(nèi)無堆載時進行，若基礎(chǔ)周邊存在堆載，則不宜進行注漿加固施工。需等注漿體硬化達到設(shè)計強度后，注漿加固的基礎(chǔ)周邊方可進行堆載作業(yè)。

圖5 袖閥管注漿加固剖面示意圖

圖6 袖閥管注漿加固平面布置圖

4 注漿加固效果分析

現(xiàn)基于有限元方法，探討袖閥管注漿體對減小獨立基礎(chǔ)沉降的效果。各土層參數(shù)根據(jù)工程勘察報告確定。注漿體可按彈性材料考慮，參考相關(guān)文獻數(shù)據(jù)[12-15]，注漿體彈性模量 E=20.0MPa、泊松比v=0.25。所探討問題等效為平面應(yīng)變問題，采用15節(jié)點三角形單元進行劃分，有限元建模如圖7所示。

圖7 有限元數(shù)值建模

數(shù)值計算考慮的工況為：廠房料倉空倉時，對獨立基礎(chǔ)底部土體進行袖閥管注漿加固，加固結(jié)束后，對料倉地表施加堆載，考察堆載作用下土體的豎向沉降分布特征。

圖8給出了2.0m高石料堆載作用下，未注漿加固情況下混凝土柱周邊地基土體的豎向沉降等值線分布圖。計算表明該情況下獨立基礎(chǔ)發(fā)生的最大豎向沉降為-12.2cm左右，與現(xiàn)場相同堆載情況下柱基的沉降監(jiān)測值較接近。

圖8 未加固時堆載導(dǎo)致土體產(chǎn)生的豎向沉降等值線分布圖(單位:cm)

圖9給出了注漿體厚度3.0m情況下，2.0m高石料堆載作用下地基土體的豎向沉降等值線分布圖?？梢?，注漿加固后，混凝土柱基底加固區(qū)域內(nèi)的豎向沉降所有減小，加固體內(nèi)的沉降分布較均勻。

圖9 注漿厚度3m后堆載導(dǎo)致土體產(chǎn)生的豎向沉降等值線分布圖(單位:cm)

圖10進一步給出了注漿(厚度3.0m)前后獨立基礎(chǔ)底部水平斷面的豎向沉降分布情況。可見，未注漿時，堆載使獨立基礎(chǔ)產(chǎn)生的豎向沉降為-12.16cm；設(shè)置厚度3.0m的注漿體后，堆載使獨立基礎(chǔ)產(chǎn)生的豎向沉降為-10.75cm。袖閥管注漿使獨立基礎(chǔ)豎向沉降減小了11.60%。

圖10 注漿(厚度3m)前后基底水平斷面豎向沉降對比分析

分析地質(zhì)條件可知，基底存在厚度較大的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，堆載作用下的土體沉降主要由其產(chǎn)生。若注漿體厚度增大，可能對減小基礎(chǔ)豎向沉降更有利。圖11給出了柱基豎向沉降與注漿體厚度之間的相互關(guān)系，如注漿體厚度為6m、8m時，柱基豎向沉降分別為-9.91cm、-9.18cm。圖12給出了注漿體厚度6.0m情況下地基土體的豎向沉降等值線分布圖。

圖11 基礎(chǔ)豎向沉降與注漿體厚度之間的相互關(guān)系

圖12 注漿厚度6m后堆載導(dǎo)致土體產(chǎn)生的豎向沉降等值線分布圖(單位:cm)

總體上看，與傳統(tǒng)工程的注漿加固相比，本工程的注漿效果并不明顯。如設(shè)置厚度8.0m的注漿體后，注漿使獨立基礎(chǔ)豎向沉降減小了24.51%。這是由于③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚度較大的緣故，該土層屬于高壓縮性土，如注漿體未透過該土層，注漿體仍會與周邊軟弱土層一起發(fā)生較大的變形。對于該類工程地質(zhì)條件，如果為永久性建（構(gòu)）筑物，采用樁基礎(chǔ)更合適。

由于本工程早已建成并投入使用，采用袖閥管注漿進行地基補強加固，施工簡便，造價相對較低，對減小基礎(chǔ)繼續(xù)惡化變形具有一定幫助。且所提攪拌站廠房屬于臨時性建（構(gòu)）筑物，在所服務(wù)的周邊工程建設(shè)竣工后，廠房將不再提供混凝土攪拌服務(wù)，后續(xù)將進行拆除處理。故對于所提攪拌站廠房來說，采用袖閥管注漿加固地基仍為性價比較高的措施之一。

5 結(jié)論

以某廠房獨立基礎(chǔ)為例，介紹了堆載使混凝土柱產(chǎn)生的不均勻沉降情況，并對袖閥管注漿加固的處治措施進行了分析，對比分析表明：

①廠房地基土體中存在厚度較大的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，在各料倉較大的不均勻堆載作用下，廠房產(chǎn)生了較大的不均勻沉降。當廠房的料倉堆載消除后，部分柱頂回升，說明地基土體在卸載狀態(tài)下產(chǎn)生了較大的回彈。

②廠房獨立基礎(chǔ)底部設(shè)置厚度3.0m的注漿體后，獨立基礎(chǔ)豎向沉降減小了11.60%。注漿效果并不明顯，這是由于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚度較大且屬于高壓縮性土，如注漿體未透過該土層，注漿體仍會與周邊軟弱土層一起發(fā)生較大的變形。

③所提工程早已建成并投入使用，采用袖閥管注漿進行地基補強加固，施工簡便，造價相對較低，對減小基礎(chǔ)繼續(xù)惡化變形具有一定幫助。所提攪拌站廠房屬于臨時性建（構(gòu)）筑物，采用袖閥管注漿加固地基仍為性價比較高的措施之一。