既有建筑物不均勻沉降的最優(yōu)注漿加固范圍研究

劉秋平

摘要：為研究既有建筑物不均勻沉降的最優(yōu)注漿加固范圍，以成都市某商城的地基加固工程為例，通過ABAQUS建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，分析不同加固深度和加固長(zhǎng)度條件下注漿加固的效果，所得結(jié)論如下：地基沉降值隨地基深度的增大而逐漸減小，軟弱層對(duì)應(yīng)位置的地基沉降程度大于相同深度其他位置，產(chǎn)生地基不均勻沉降現(xiàn)象。地基沉降值隨加固深度的增大而減小，加固深度大于軟弱層深度時(shí)，地基不均勻沉降基本消失，最優(yōu)加固深度為6.6m。當(dāng)加固長(zhǎng)度達(dá)到20m時(shí)，由于軟弱層的存在導(dǎo)致的地基不均勻沉降基本被消除，選取最優(yōu)加固長(zhǎng)度為20m。

關(guān)鍵詞：既有建筑物；不均勻沉降；注漿加固范圍；數(shù)值計(jì)算；ABAQUS

0? ?引言

目前，在建筑工程中仍然存在很多亟需解決的問題，其中之一就是既有建筑的地基的不均勻沉降問題。產(chǎn)生沉降的內(nèi)在原因是土體的壓縮性，因此在建筑施工和使用階段必然會(huì)產(chǎn)生地基沉降。地基土受上部荷載和外界環(huán)境的作用，導(dǎo)致不同位置處產(chǎn)生的沉降量不同，若地基的不均勻沉降超出了規(guī)范要求，可能會(huì)導(dǎo)致建筑內(nèi)墻體開裂、結(jié)構(gòu)傾斜甚至倒塌[1]。

目前針對(duì)既有建筑的不均勻沉降及控制措施的研究已取得較多成果。周其健等[2]通過對(duì)建筑場(chǎng)地的沉降、裂縫等現(xiàn)象的調(diào)查，分析地基差異沉降影響因素，深入剖析了該紅層地基產(chǎn)生差異沉降的原因。佟道林[3]基于某框架結(jié)構(gòu)，對(duì)其在地基不均勻沉降條件下施加地震荷載，研究了結(jié)構(gòu)在地基不均勻沉降下的內(nèi)力變化和抗震性能。高鵬飛等[4]研究了建筑在濕陷性黃土地基上產(chǎn)生不均勻沉降的原因以及地基不均勻沉降影響范圍，并基于此提出了合理加固方案。魏常寶等[5]針對(duì)大厚度的濕陷性黃土地基的既有建筑出現(xiàn)不均勻沉降后的檢測(cè)與加固設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。汪過兵等[6]依托濕陷性黃土地基上的某中學(xué)三層教學(xué)樓的止傾加固實(shí)際工程，研究注漿花鋼管樁對(duì)地基不均勻沉降的處理效果。

為研究利用注漿加固處理既有建筑地基不均勻沉降的最優(yōu)注漿加固范圍，本文以成都市某商城的地基加固工程為例，通過ABAQUS建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，分析不同加固深度和加固長(zhǎng)度條件下注漿加固的效果，以期對(duì)工程實(shí)踐起到一定的指導(dǎo)作用。

1? ?工程概況

成都市某商城的地基加固工程的總建筑面積為20萬(wàn)m2，由高層辦公樓A棟、B棟、裙房和4層大底盤地下室組成，其中地下建筑面積72308m2，基礎(chǔ)埋深為3.6m。該房屋始建于2012年，2017年初發(fā)現(xiàn)該房屋有不均勻沉降導(dǎo)致的開裂，2018年3月開始進(jìn)行沉降觀測(cè)。

沉降觀測(cè)和裂縫分布表明，B棟中部有較大的沉降。雖然目前的地基沉降和上部結(jié)構(gòu)傾斜程度暫未超過規(guī)范允許的范圍，但考慮到地基沉降的發(fā)展仍在繼續(xù)，不均勻沉降程度呈現(xiàn)加劇的趨勢(shì)，為防止地基不均勻沉降進(jìn)一步惡化，需要對(duì)地基進(jìn)行加固處理。擬采取注漿加固的措施，并對(duì)加固后地基的后續(xù)沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2? ?數(shù)值模型建立

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖土工程勘察結(jié)果，得到地基土從地表向下分別為：厚度為2.5m雜填土、厚度為3.2m粉質(zhì)黏土、厚度為2.3m粉土、厚度為2.2m黏土（軟弱層）、厚度為5.6m粉土、厚度為4.9m粉質(zhì)黏土。

利用ABAQUS軟件建立模型并進(jìn)行分析。建立計(jì)算模型時(shí)，應(yīng)在保證其符合實(shí)際情況的基礎(chǔ)上盡可能簡(jiǎn)化計(jì)算模型。本文通過在模型上部直接施加均布荷載的方式模擬上部結(jié)構(gòu)荷載，均布荷載為130.0kPa，不考慮上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的剛度對(duì)荷載分布的影響。

模型的計(jì)算尺寸為：長(zhǎng)293.4m，寬38.7m，高20.7m。有限元模型示意圖如圖1所示，考慮到地下室的存在，故不能將地表的沉降看作為地基沉降，本文監(jiān)測(cè)的地基沉降數(shù)據(jù)為圖1中線L處的土體位移。

地基土體采用摩爾-庫(kù)倫模型，在設(shè)置模型的邊界條件時(shí)，分別對(duì)前后左右4個(gè)土體邊界進(jìn)行約束，限制地基的水平位移，在模型底部設(shè)置水平和豎直約束。各地層的巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。加固區(qū)土體參數(shù)取值如表2所示。

3? ?注漿加固范圍對(duì)加固效果的影響

為研究注漿加固范圍對(duì)地基加固效果的影響，本節(jié)考慮選取加固寬度與建筑寬度相同，設(shè)置不同的加固深度和加固長(zhǎng)度計(jì)算工況，對(duì)不同工況下的地基沉降進(jìn)行分析，確定注漿加固的最優(yōu)范圍。

3.1? ?未加固條件下的地基沉降

通過數(shù)值計(jì)算，得到未經(jīng)注漿加固下的不同深度的地基沉降如圖2所示。從圖2可以看出，隨著地基深度的不斷增大，地基沉降值逐漸減小。在地基深度范圍為0～4.4m的區(qū)間內(nèi)，由于地基中存在軟弱層，在軟弱層位置（-10m＜x＜5m），地基沉降程度明顯增大，大于相同深度其他位置的地基沉降值，出現(xiàn)地基不均勻沉降現(xiàn)象。該范圍內(nèi)的基礎(chǔ)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致基礎(chǔ)發(fā)生開裂。

在地基深度范圍為6.6～12.2m的區(qū)間內(nèi)，由于地基深度較大且軟弱層向下傳遞荷載的能力較弱，因此該深度范圍內(nèi)的地基沉降值較小，且軟弱層位置對(duì)應(yīng)的x方向范圍內(nèi)的地基沉降值，略小于相同深度其他位置的土體沉降值。

3.2? ?最優(yōu)加固深度的確定

利用注漿加固的方法對(duì)地基進(jìn)行加固時(shí)，加固區(qū)范圍是由漿液擴(kuò)散半徑確定的，同時(shí)注漿區(qū)內(nèi)的土體參數(shù)受多方面的影響，本文考慮將加固區(qū)范圍內(nèi)的土體看作一個(gè)整體。

假定加固區(qū)的長(zhǎng)度為建筑長(zhǎng)度，設(shè)置加固深度分別為2.1m、4.4m、6.6m、12.2m等4種工況，得到不同工況下的地基沉降數(shù)據(jù)，確定最優(yōu)加固深度。不同加固深度條件下的地基沉降如圖3所示，不同加固深度下注漿加固條件與未加固條件的地基沉降差如圖4所示，不同加固深度條件下軟弱層對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)的沉降減小率如表3所示。

如圖3和圖4所示，隨著加固深度的逐漸增大，地基沉降逐漸減小，注漿加固后的地基沉降與未加固情況下的地基沉降之間的差值逐漸增大。

當(dāng)加固深度小于軟弱層深度（＜4.4m）時(shí)，由于注漿加固未能消除軟弱層對(duì)地基沉降的不利影響，軟弱層位置（-10m＜x＜5m）的地基沉降程度，仍然較相同深度其他位置處的地基沉降大，地基不均勻沉降現(xiàn)象較為明顯。

當(dāng)加固深度大于軟弱層深度（h＞6.6m）時(shí)，軟弱層在注漿加固范圍內(nèi)，注漿加固消除了軟弱層對(duì)地基沉降的不利影響，在軟弱層位置（-10m＜x＜5m）的地基沉降程度，與相同深度其他位置處的地基沉降基本相同，地基不均勻沉降基本消失。

如表3所示，軟弱層對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)的沉降減小率隨著注漿加固深度的增大逐漸增大，當(dāng)加固深度超過軟弱層深度時(shí)，即由4.4m增大到6.6m時(shí)，沉降減小率從28.85%、29.79%迅速增大到46.55%、43.17%，說明當(dāng)加固深度超過軟弱層深度后，注漿加固的效果得到了很大提升。當(dāng)加固深度超過6.6m后繼續(xù)增大加固深度，加固效果仍有提升，但提升幅度逐漸減小。

綜上，當(dāng)注漿加固深度未達(dá)到軟弱層深度時(shí)，加固效果不理想，當(dāng)注漿加固深度剛好超過軟弱層深度時(shí)，注漿加固可消除軟弱層導(dǎo)致的不利影響，減小地基的不均勻沉降。當(dāng)超過軟弱層深度后繼續(xù)增大注漿加固深度，加固效果的提升幅度逐漸減小，但施工難度和施工成本逐漸升高。故綜合考慮加固效果和經(jīng)濟(jì)因素，選取最優(yōu)加固深度為6.6m。

3.3? ?最優(yōu)加固長(zhǎng)度的確定

基于上文中得到的最優(yōu)加固深度6.6m和假定的加固區(qū)長(zhǎng)度為建筑長(zhǎng)度，設(shè)置加固長(zhǎng)度分別為10m、20m、30m、40m、50m等5種工況，得到不同工況下的地基沉降數(shù)據(jù)。不同加固長(zhǎng)度條件下的地基沉降如圖5所示，不同加固長(zhǎng)度條件下軟弱層對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)的沉降減小率如表4所示。

如圖5所示，在加固深度為最優(yōu)加固深度的條件下，加固長(zhǎng)度范圍內(nèi)的地基沉降值明顯較小，因軟弱層導(dǎo)致的地基不均勻得到了明顯改善。隨著加固長(zhǎng)度的逐漸增大，加固長(zhǎng)度范圍以外的地基沉降值也逐漸呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

當(dāng)加固長(zhǎng)度達(dá)到20m時(shí)，加固長(zhǎng)度的范圍已經(jīng)覆蓋軟弱層對(duì)應(yīng)位置范圍時(shí)，軟弱層的存在導(dǎo)致的地基不均勻沉降基本消除，雖然此時(shí)在加固區(qū)兩側(cè)存在不均勻沉降，但未超過規(guī)范要求的范圍。

如表4所示，軟弱層對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)沉降減小率，隨著注漿加固長(zhǎng)度的增大逐漸增大，當(dāng)加固長(zhǎng)度由10m增大到20m時(shí)，沉降減小率從27.41%、34.91%迅速增大到43.59%、42.89%，說明當(dāng)加固長(zhǎng)度超過20m后，注漿加固的效果得到了很大提升。當(dāng)加固長(zhǎng)度超過20m且繼續(xù)增大時(shí)，注漿加固的效果依然有一定程度的提升，但提升幅度逐漸減小。

綜上，考慮到該注漿工程的重點(diǎn)是消除軟弱層引起的地基不均勻沉降，綜合考慮加固效果和經(jīng)濟(jì)因素，選取最優(yōu)加固長(zhǎng)度為20m。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

本文以成都市某商城的地基加固工程為例，通過ABAQUS建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，分析不同加固深度和加固長(zhǎng)度條件下注漿加固的效果，所得結(jié)論如下：

地基沉降值隨地基深度的增大而逐漸減小，軟弱層對(duì)應(yīng)位置的地基沉降程度大于相同深度其他位置，產(chǎn)生地基不均勻沉降現(xiàn)象。地基沉降值隨加固深度的增大而減小，加固深度大于軟弱層深度時(shí)，地基不均勻沉降基本消失，最優(yōu)加固深度為6.6m。當(dāng)加固長(zhǎng)度達(dá)到20m時(shí)，由于軟弱層的存在導(dǎo)致的地基不均勻沉降基本被消除，選取最優(yōu)加固長(zhǎng)度為20m。

參考文獻(xiàn)

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