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    黃土地基剛度軟化法迫降糾傾技術(shù)應(yīng)用研究

    2011-04-13 11:22:38
    山西建筑 2011年4期
    關(guān)鍵詞:筏板陷性軟化

    周 軍

    1 工程概況

    1.1 建筑物平面

    某新建教學(xué)綜合樓,位于蘭州市龔家灣,總用地面積19 098m2,建筑面積 18 615m2??蚣芙Y(jié)構(gòu),加氣混凝土砌塊填充墻,1層建筑面積為3 920m2,建筑物高度25.8m。地上6層,局部 7層,平面布置復(fù)雜,大體呈“L”形(見圖1)。

    建筑物按功能分五個獨(dú)立區(qū),A區(qū)為辦公樓,B區(qū)為小教室區(qū),平面呈34m×22m的矩形,C區(qū)為主樓綜合區(qū),平面呈異形,長42m,柱距開間5m~6m,D區(qū)為大教室區(qū),E區(qū)為大型階梯教室,平面為半徑33m的1/4圓。五個區(qū)之間均設(shè)置寬度為 150mm的變形縫。工程抗震設(shè)防烈度為 8度,框架抗震等級為二級,建筑抗震設(shè)防類別為丙類。設(shè)計(jì)基本地震加速度 0.2g。結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為 50年,使用年限 50年。

    1.2 場地土及基礎(chǔ)

    工程的地基土質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,地基土主要由雜填土、黃土、粉細(xì)砂及卵石四層組成,其中雜填土厚12.4m~28.7m,以建筑垃圾、生活垃圾為主,黃土厚3.1m~17.6m,粉細(xì)砂厚0.2m~0.5m,卵石層埋深16.1m~32.4m,卵石層的承載力fak=800 kPa。

    A區(qū)基礎(chǔ)為人工成孔灌注樁,部分為機(jī)械成孔灌注樁;B區(qū),C區(qū),D區(qū)為筏板基礎(chǔ);E區(qū)為機(jī)械成孔灌注樁。樁混凝土強(qiáng)度等級為C30,筏板基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級為C30P6。

    1.3 建筑物結(jié)構(gòu)變形

    主體工程施工至 5層時,筏板基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)生不正常變形,B,C兩個單元的變形縫縮小,在第 6層施工時,由于變形縫處無法正常支撐模板,有意將B單元的定位軸線向南側(cè)偏移,直至主體結(jié)構(gòu)封頂,B,C兩個單元在第 5層變形縫處緊挨在一起,變形縫徹底喪失應(yīng)有的功能。

    A,E單元沒有發(fā)生不均勻沉降,D單元的東南角的下沉量為16mm。C,D單元筏板變形的坡度一致,B,C單元筏板變形的坡度反向,在變形縫對應(yīng)的位置東端基礎(chǔ)沉降最嚴(yán)重,與A單元相比沉降量達(dá)149mm。B,C,D三個單元筏板的最大沉降率依次為3.7‰,0.5‰和0.4‰。C單元筏板西側(cè)在樓梯(小圓弧)處上翹3mm。

    2 原因分析

    1)水的作用是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害的誘發(fā)因素。2007年 8月中旬,建筑場地南側(cè)離建筑物 100m開外處現(xiàn)場臨時用房的墻體開裂,地基下陷,成為危房,以至于拆了重建。后重建的臨時房屋又出現(xiàn)墻體開裂,地基下陷,成為危房。同時,附近的場地顯著下陷。直到 10月下旬開挖后發(fā)現(xiàn),該處的地下排水管道斷裂,大量的水浸入垃圾土層。2)降低工程成本的思想使結(jié)構(gòu)方案偏重于節(jié)約。甲方在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)選型的技術(shù)上參與導(dǎo)向性意見。為了節(jié)約建設(shè)投資,在垃圾土層的地基上建議采用工程造價相對較低的筏板基礎(chǔ)。當(dāng)然,在防水措施到位的前提下,垃圾土層的筏板基礎(chǔ)是可行的。3)意識先入為主。由于建筑物和臨時房屋建造在垃圾土層上,故對現(xiàn)場臨時用房的墻體開裂、地基下陷等現(xiàn)象認(rèn)為是正常的,沒有引起足夠的重視。4)不利的地理位置。地下排水管道斷裂的位置處于渾溝地勢較高的地方,而擬建建筑物位置處于渾溝地勢較低的地方,即地勢特點(diǎn)容易使浸入水在土層中流動。5)結(jié)構(gòu)荷載不均勻。在B區(qū)的主體為 5層,靠C區(qū)的位置為局部 6層,B區(qū),C區(qū)的變形縫兩側(cè)是兩道圍護(hù)墻。二者均造成結(jié)構(gòu)的荷載不均,致使地基應(yīng)力分布不均,有助于不均勻變形的產(chǎn)生。

    綜合上述因素的共同作用,建筑物B區(qū),C區(qū)之間的變形縫從下到上由大變小,在 5層頂部的結(jié)構(gòu)相接觸,互相間的擠壓作用導(dǎo)致個別構(gòu)件和墻體產(chǎn)生裂縫。設(shè)計(jì)的變形縫已經(jīng)完全失去作用。

    3 方案選擇

    3.1 糾傾途徑

    建筑物B區(qū),C區(qū),D區(qū)的基礎(chǔ)是一個整體筏板,在B區(qū),C區(qū)筏板的變形呈V形,要讓B區(qū),C區(qū)建筑物的變形縫恢復(fù)正常,技術(shù)途徑只有兩條:1)頂升,使V形的中部抬高;2)迫降,使V形左部的地基降低。如何使整體筏板中部已經(jīng)下沉的量通過頂升進(jìn)行恢復(fù)是一個難度不小的課題。若用膨脹材料進(jìn)行頂升,在不破壞筏板的前提下材料無法抵達(dá);若采用設(shè)備頂升,又沒有合適的反力點(diǎn)支撐設(shè)備。經(jīng)過課題組充分討論,綜合各種因素,決定采用迫降法。

    3.2 迫降技術(shù)

    迫降技術(shù)有三種,即解除應(yīng)力方法、附加應(yīng)力方法和軟化地基土體剛度法。試驗(yàn)結(jié)果表明,在黃土地區(qū),解除應(yīng)力法的糾傾效果最差,附加應(yīng)力法次之,軟化地基土體剛度法最佳,且前兩者對糾傾的反應(yīng)不敏感,即對糾傾過程不易控制,后者對糾傾的反應(yīng)很敏感,即通過檢測結(jié)果依靠地基土體剛度的變化容易對糾傾過程進(jìn)行控制。由于解除應(yīng)力法和附加應(yīng)力法是軟化地基土體剛度法的前提,故決定以解除應(yīng)力法和附加應(yīng)力法為輔,以軟化地基土體剛度法為主。

    3.3 糾傾目標(biāo)

    原設(shè)計(jì)變形縫的寬度為150mm,目前在頂層實(shí)際為零,當(dāng)使得變形縫的寬度達(dá)到150mm時,即B,C豎向平行,但需要使建筑物在B區(qū)出現(xiàn)反坡,當(dāng)B區(qū)垂直時,變形縫的寬度只能達(dá)到130mm,使建筑物在B區(qū)出現(xiàn)反坡非建筑物所需。故確定僅僅對建筑物B區(qū)采取迫降糾傾措施,糾傾目標(biāo)為使B區(qū),C區(qū)變形縫接近130mm為宜。

    3.4 施工工藝

    第一步,布置觀測點(diǎn)。第二步,在B區(qū)建筑物較高側(cè)用挖掘機(jī)開挖深度為5.5m的直角梯形槽(保守0.5m);觀察至少2 d后,確定保守量的處理。第三步,在槽內(nèi)的-4.5m以下開挖直徑為120mm,中心距為500mm,深度為15 000mm的水平孔,觀察至少 2 d后,確定水平孔是否加密加深。第四步,在水平孔內(nèi)進(jìn)行注水—修孔—注水等技術(shù)過程的循環(huán),直至完成糾傾任務(wù)。第五步,回填水平孔,夯填豎向槽。

    4 實(shí)施與效果

    4.1 應(yīng)力解除法

    將建筑物 B區(qū)的南側(cè)沿著東西方向挖開一道長略大于B區(qū)縱向墻體長度、上口寬 6 000 mm、下口寬 3 000 mm、深度為4 500mm的直角梯形截面的槽,連同準(zhǔn)備耗時 5 d。

    連續(xù)觀測3 d(累計(jì)8 d),B區(qū),C區(qū)沒有反應(yīng),糾傾效果為零。究其原因有:1)應(yīng)力解除的深度不夠,即直角梯形截面的槽淺,應(yīng)力解除不徹底。鑒于該建筑物特殊的地基層,應(yīng)力解除的深度只能設(shè)在換填土層的底部;2)建筑物基礎(chǔ)的剛度大,足以抵抗由于應(yīng)力解除引起的地基變形;3)換填土層的承載能力高,應(yīng)力解除對現(xiàn)有地基土體影響不顯著。

    4.2 應(yīng)力附加法

    不計(jì)應(yīng)力集中的影響,采用圓形水平孔均勻減少原有地基有效面積的方法進(jìn)行地基應(yīng)力的附加。水平孔高度位置在灰土層底層以下300mm處。

    單獨(dú)附加應(yīng)力的工作進(jìn)行了4次,耗時43 d(累計(jì)51 d)。附加1的孔徑為110mm,間距600mm,附加2只是延長了孔身,附加 3采用隔一加一的方法,使面積減少的相對量達(dá)到 27%,附加 4采用加倍的方法,使面積減少的相對量達(dá)到 36%。

    附加應(yīng)力法使結(jié)構(gòu)的地基下沉5 mm,由于B,C單元的變形縫處發(fā)生等量的下沉,故B單元的回傾效果為零。

    附加應(yīng)力法迫降糾傾效果與地基土體應(yīng)力飽和度有關(guān),飽和度越高,迫降糾傾效果越顯著。反之,則不顯著。

    4.3 地基土體剛度軟化法

    在應(yīng)力附加技術(shù)的基礎(chǔ)上給水平孔內(nèi)按照一定的方式注入一定量的水,使地基土體剛度軟化,引起地基變形,迫使傾斜結(jié)構(gòu)物回傾。這種迫降糾傾技術(shù)叫做地基土體剛度軟化法[5],簡稱剛度軟化法(以下同)。

    在面積減少的相對量達(dá)到 36%的基礎(chǔ)上,應(yīng)用地基土體剛度軟化法,即給水平孔內(nèi)注水,使建筑物較高側(cè)繼續(xù)沉降。首次注水6m3,連續(xù)觀察3 d(累計(jì)54 d),最大沉降量累計(jì)為12mm。在理想狀態(tài)下,B單元結(jié)構(gòu)物整體應(yīng)該以 B,C單元變形縫為轉(zhuǎn)動軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動,即 B單元結(jié)構(gòu)物整體開始回傾。實(shí)際上,B單元結(jié)構(gòu)物整體沒有以B,C單元變形縫為轉(zhuǎn)動軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動,而是B單元較高側(cè)與較低側(cè)產(chǎn)生著相同的沉降量,故B單元的回傾效果繼續(xù)為零。水平孔里面塌陷,無法繼續(xù)注水。

    4.4 “附加—軟化”重復(fù)交替

    重新成孔,第二次注水6m3,B單元較高側(cè)下沉8mm(累計(jì)下沉20mm),建筑物回傾2mm(累計(jì)2mm),耗時12 d(累計(jì)66 d)。

    又經(jīng)過 6次成孔、注水的重復(fù)交替,累計(jì)耗時共計(jì) 152 d,B單元較高側(cè)下沉累計(jì)最大量170mm,建筑物回傾累計(jì)137mm,B單元地面橫向出現(xiàn)了微小反坡,連續(xù)觀察 7 d后,建筑物地基穩(wěn)定,不再產(chǎn)生下沉。接著用了 5 d時間夯填了水平孔和應(yīng)力解除的槽。至此,歷時167 d,B,C單元變形縫的功能恢復(fù)正常。

    5 結(jié)語

    1)應(yīng)力飽和度對應(yīng)力附加法糾傾有直接影響,應(yīng)力飽和度越大,越有利于糾傾。2)迫降糾傾的三種技術(shù)中,對于黃土地基,應(yīng)力解除法和應(yīng)力附加法的糾傾效果都小,剛度軟化法的糾傾效果顯著,與室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果相似。3)監(jiān)測工作在糾傾中的作用非常重要。測量手段是糾傾工程技術(shù)人員的眼睛,通過它可以“看到”建筑物整體的回傾狀態(tài);結(jié)構(gòu)應(yīng)變檢測是糾傾工程技術(shù)人員的神經(jīng),通過它能夠“感到”建筑結(jié)構(gòu)局部的受力狀態(tài)。

    [1] 宋 彧,張貴文,李春燕.濕陷性黃土地基上磚混房屋糾傾方案研究與實(shí)踐[J].建筑結(jié)構(gòu),2002,32(11):13-15.

    [2] 劉亞蓮,梁志松.某樓房的糾偏和地基加固[J].建筑科學(xué),2002,18(3):29-31.

    [3] 張貴文.濕陷性黃土上扭傾房屋升降綜合糾傾技術(shù)研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2003(7):8-10.

    [4] 張貴文,朱彥鵬,衡 濤,等.濕陷性黃土地基應(yīng)力解除法迫降糾傾試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué),2007(3):38-43.

    [5] 張貴文,朱彥鵬,曹 輝,等.濕陷性黃土地基應(yīng)力附加法迫降糾傾試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué),2007(3):43-47.

    [6] 鮑育明,趙艷秋.某綜合樓不均勻沉降事故分析與處理[J].建筑結(jié)構(gòu),2004,34(10):24-26.

    [7] 宋 彧,朱彥鵬,張貴文,等.濕陷性黃土地基剛度軟化法迫降糾傾試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué),2007(3):47-52.

    [8] 宋 彧,張貴文,朱彥鵬,等.濕陷性黃土地基綜合法迫降糾傾試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報,2008,33(2):125-129.

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