(上海泓源建筑工程科技股份有限公司,上?!?01707)
建筑物常用的糾偏方法有沉降法、頂升法、綜合法,其中,沉降法又分為主動(dòng)迫沉法和被動(dòng)限沉法。采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ菇ㄖ锏膬A斜得到糾正,既保障了建筑物的安全正常使用,也是關(guān)系民生的一項(xiàng)重要建筑技術(shù)措施。
多年來,由于地基土性質(zhì)、建筑物荷載分布及其他外因,導(dǎo)致建筑物傾斜的事例屢見不鮮,國(guó)內(nèi)很多學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)建筑物的糾偏都進(jìn)行了較為深入的研究,建筑糾偏技術(shù)也取得了較快的發(fā)展和應(yīng)用。
本文擬以上海崇明島1號(hào)水閘工程為背景,對(duì)雙梁頂升法進(jìn)行設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用,為類似工程建筑物的糾偏提供一種可靠的全新的方法。
位于上海崇明島的1號(hào)水閘工程,長(zhǎng)9.8m,寬7.2m,框架結(jié)構(gòu),梁板基礎(chǔ),底梁高60cm,寬50cm,筏板厚40cm。該水閘發(fā)生由東向西傾斜,東西兩側(cè)高差達(dá)1.3m的情況。發(fā)生傾斜后,整體結(jié)構(gòu)良好,未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象。
經(jīng)查看原勘察資料,水閘下的主要土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1及表2。
表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)
表2 土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)
調(diào)查原設(shè)計(jì)資料,水閘為天然地基,水閘外圍無隔水措施。此時(shí),水閘上下游兩側(cè)的滲流路徑長(zhǎng)度為水閘寬度7.2m,根據(jù)滲流理論公式(1)和(2):
(1)
(2)
式中i——水力梯度;
Δh——上下游水頭差,m;
l——滲流路徑長(zhǎng)度,m;
icr——臨界水力梯度;
γ′——地基土的有效重度,kN/m3;
γw——水的重度,kN/m3。
當(dāng)實(shí)際水力梯度大于臨界水力梯度,且地基土的組成符合流土的形成條件時(shí),就會(huì)產(chǎn)生流沙、管涌等現(xiàn)象。該水閘底部為砂質(zhì)粉土,勘察資料顯示其顆粒組成具備產(chǎn)生流土的條件,在上下游形成的水力梯度大于臨界水力梯度時(shí),產(chǎn)生流沙、管涌,水閘底部地基土被不斷帶走,從而使水閘底部地基土被局部掏空,水閘在自重作用下產(chǎn)生傾斜。
根據(jù)原設(shè)計(jì)資料,水閘翼墻頂標(biāo)高為4.36m,最大防洪高程為3.86m,水閘底層頂面標(biāo)高與翼墻標(biāo)高相同,若采用沉降法進(jìn)行水閘糾偏,則糾偏后水閘閘門處頂面標(biāo)高不能滿足防洪需求。因而,決定采用頂升法對(duì)水閘進(jìn)行糾偏處理。
水閘總重量為2800kN,由于頂升時(shí)水閘一側(cè)位于地面,另一側(cè)位于頂升用的底梁上,所以頂升裝置所承受的重量按0.6倍考慮,則頂升重量按1680kN考慮。
頂升裝置由4個(gè)千斤頂(每個(gè)頂升能力為200t,兩兩交替頂升)、上梁、下梁、連接梁帽、連接鋼板及連接鋼筋組成,鋼筋采用Φ32螺紋鋼筋,每根焊接后的極限抗拉力為50t,安全系數(shù)取2,則每根鋼筋的抗拉力設(shè)計(jì)值為25t,鋼梁每端焊接10根鋼筋。具體裝置設(shè)計(jì)如圖1所示。
圖1 頂升裝置
②3層灰色砂質(zhì)粉土的地基土承載力特征值為105kPa,水閘總重量為2800kN,由于頂升時(shí)水閘的一側(cè)位于地面、另一側(cè)位于頂升用的底梁上,所以地基所承受的重量按0.6倍考慮,則頂升重量按1680kN考慮。由于梁兩端受力,故每側(cè)地基土所承擔(dān)的反力為840kN,地基土所提供的反力按荷載的1.5倍考慮,則每側(cè)地基土需確保能夠提供1260kN的反力。
軸心受壓時(shí),確定基礎(chǔ)面積的計(jì)算公式見式(3):
(3)
式中A——基礎(chǔ)面積,m2;
pk——相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí),基礎(chǔ)底面處的平均壓力,kN;
fa——經(jīng)深度和寬度修正后的地基承載力特征值,kPa。
地基承載力特征值修正公式見式(4):
fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)
(4)
式中fak——地基承載力特征值,kPa;
ηb——基礎(chǔ)寬度的地基承載力修正系數(shù);
ηd——基礎(chǔ)埋置深度的地基承載力修正系數(shù),m;
γ——基礎(chǔ)底面以下土的重度,kN/m3;
b——基礎(chǔ)底面寬度,m,當(dāng)基礎(chǔ)底面寬度小于3m時(shí)按3m取值,大于6m時(shí)按6m取值;
γm——基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度,kN/m3,位于地下水位以下的土層取有效重度;
d——基礎(chǔ)埋置深度,m。
以原有水閘基礎(chǔ)底面為基準(zhǔn)面,水閘沉降差為1.3m,千斤頂高度為0.5m,上下鋼梁的凈距為0.6cm,頂升用基礎(chǔ)底板及其上的鋼墊板總厚度為0.5m,由此計(jì)算頂升用基礎(chǔ)底面埋深為1.7m。受場(chǎng)地范圍的影響,設(shè)定頂升用基礎(chǔ)寬度小于3.0m,由于頂升用基礎(chǔ)上無覆土,所以地基土承載力不進(jìn)行深度修正,因此,fa=fak=105kPa。
若對(duì)提供反力的地基不加固,則所需承擔(dān)反力的基礎(chǔ)面積:
A=1260/105=12m2
若采用高壓旋噴樁對(duì)擬放置千斤頂位置一定范圍內(nèi)的地基土進(jìn)行加固,根據(jù)上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn),經(jīng)旋噴樁加固后的②3層灰色砂質(zhì)粉土復(fù)合地基承載力特征值可達(dá)210kPa,則需承擔(dān)反力的基礎(chǔ)面積:
A=1260/210=6.0m2
由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工操作面較小,所以采用旋噴樁對(duì)擬提供反力的基礎(chǔ)范圍進(jìn)行加固,加固范圍以擬放置千斤頂?shù)奈恢脼橹行乃闹芨骷庸?.25m,即加固尺寸為2.5m×2.5m。在此加固地基上澆筑厚度30cm的鋼筋混凝土基礎(chǔ)。
該次頂升糾偏工作采用雙梁頂升方法,首先將長(zhǎng)度8.0m的梁從水閘基礎(chǔ)下面橫穿而過,后將長(zhǎng)度為9.0m的上梁從基礎(chǔ)底板上面橫穿而過,梁的高度均為56cm,梁的寬度均為35cm,由工字鋼及厚度為3cm的鋼板加工而成,梁的腿寬166mm、腹寬14.5mm,下梁受均布荷載作用,上梁受集中荷載作用。
上下梁的強(qiáng)度等相關(guān)計(jì)算公式及計(jì)算結(jié)果如下所示。
①下梁抗彎強(qiáng)度:
驗(yàn)算公式:
(5)
彎矩公式:
(6)
My=0
(7)
慣性矩:
(8)
凈截面模量:
(9)
式中Mx、My——同一截面處繞x軸和y軸的彎矩,kN·m;
γx、γy——截面塑性發(fā)展系數(shù);
Wnx、Wny——對(duì)x軸和y軸的凈截面模量,cm3;
f——鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N;
q——梁上均布荷載,N/m2;
l——梁的長(zhǎng)度,m;
Ix——截面繞x軸的慣性矩,cm4;
B——梁的寬度,m;
H——梁的高度,m;
b——梁的腿寬,m;
h——梁腹板高度,m;
y——梁截面計(jì)算點(diǎn)至截面x軸的高度,m。
下梁相關(guān)計(jì)算結(jié)果見表3。
表3 下梁抗彎強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果
下梁抗彎強(qiáng)度滿足要求。
②上梁抗彎強(qiáng)度:
驗(yàn)算公式:
(10)
彎矩公式:
Mx=Fa
(11)
My=0
(12)
式中F——梁一端所受的集中荷載;
a——梁支點(diǎn)至集中荷載作用點(diǎn)的距離。
上梁相關(guān)計(jì)算結(jié)果見表4。
表4 上梁抗彎強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果
上梁抗彎強(qiáng)度滿足要求。
③梁抗剪強(qiáng)度:
驗(yàn)算公式:
(13)
剪力:
(14)
面積矩:
(15)
式中τ——梁所受到的抗剪強(qiáng)度,kPa;
V——計(jì)算截面沿腹板平面作用的剪力,kN;
S——計(jì)算剪力處以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩,cm3;
I——毛截面慣性矩,cm4;
tw——腹板厚度,cm;
fv——鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2。
上下鋼梁的抗剪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表5。
表5 抗剪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果
梁的抗剪強(qiáng)度滿足要求。
頂升后,水閘底部留下較大的空隙,另外原有地基土受到極大的擾動(dòng),為保證水閘今后使用的安全性,設(shè)計(jì)擬采用錨桿靜壓樁作為水閘的樁基礎(chǔ),并將水閘底部空隙采用C30混凝土予以灌注充填密實(shí)。錨桿靜壓樁的具體設(shè)計(jì)如下。
根據(jù)原有勘察報(bào)告的地層特性、物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、埋藏分布特征結(jié)合上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn),該工程水閘基礎(chǔ)下土層樁周土極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值fs及樁端極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值fp的見取值表6。
擬采用預(yù)制方樁,邊長(zhǎng)為250mm,6節(jié)樁,每節(jié)2m(水閘內(nèi)凈高3.1m),共6節(jié),單樁長(zhǎng)度12.0m。
表6 樁周土極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值 fs及樁端土極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值 fp
單樁承載力計(jì)算公式見式(16)~式(19)。
樁端極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值:
RPK=fpAp
(16)
樁側(cè)總極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值:
Rsk=Up∑fsili
(17)
端阻比:
(18)
單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值:
(19)
用樁數(shù)量計(jì)算公式見式(20)。
(20)
式中RPK——樁端極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值;
fp——樁端土極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;
Ap——樁端全斷面面積;
Rsk——樁側(cè)總極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值;
Up——樁全斷面周長(zhǎng);
fsi——樁周第i層土的極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值;
li——樁周第i層土的厚度;
ρp——端阻比,樁端極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值與樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值的比值;
Rd——單樁承載力設(shè)計(jì)值;
Ys——樁側(cè)阻力分項(xiàng)系數(shù);
Yp——樁端阻力分項(xiàng)系數(shù);
n——樁數(shù);
N——相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合作用于基礎(chǔ)底面總荷載。
單樁承載力及樁數(shù)計(jì)算結(jié)果見表7。
表7 單樁承載力計(jì)算結(jié)果
錨桿靜壓樁沿著基礎(chǔ)底板均勻?qū)ΨQ布置。
為防止由于水力梯度過大而導(dǎo)致水閘基礎(chǔ)底部及周圍地基土流失,在水閘基礎(chǔ)外圍距離水閘基礎(chǔ)邊緣1.5m的位置設(shè)置封閉止水帷幕,止水帷幕采用高壓旋噴樁,樁徑600mm,間距400mm,搭接200mm。在泵閘東西兩側(cè)現(xiàn)狀地坪上施工的止水帷幕,樁長(zhǎng)約12.5m,樁底進(jìn)入第③層相對(duì)隔水層不少于0.5m;在泵閘南北兩側(cè)臨河面施工的止水帷幕,樁長(zhǎng)約10m,樁底需進(jìn)入第③層相對(duì)隔水層不少于0.5m。高壓旋噴樁采用三重管旋噴工藝,水泥摻入量不小于500kg/m3,水泥漿水灰比約1.0,噴射提升速度不大于10cm/min,樁位偏差小于50mm,成樁垂直度偏差小于1%。
在止水帷幕與水閘基礎(chǔ)邊緣的空隙內(nèi),采用壓密注漿對(duì)基礎(chǔ)標(biāo)高下5.0m深度范圍內(nèi)的地基土進(jìn)行加固處理,壓密注漿采用純水泥漿,水灰比為0.6。
該工程糾偏加固施工總流程如圖2所示。按照設(shè)計(jì)要求及施工流程圖進(jìn)行施工,圓滿完成了水閘糾偏加固工程,并恢復(fù)了水閘原有使用功能,提高了水閘安全使用性能。
圖2 施工總流程
a.雙梁頂升法糾偏的設(shè)計(jì)研究從地質(zhì)工程、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多個(gè)角度出發(fā),成功地使水閘工程恢復(fù)了其安全使用功能。
b.雙梁頂升法糾偏的設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用為類似工程糾偏加固提供了新思路,具有一定的創(chuàng)新意義,為類似工程建筑物的糾偏找到了一種安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的方法,具有一定的應(yīng)用前景。
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