結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)與地基加固技術(shù)探究

顧瑜

蘇州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 江蘇 蘇州 215000

1 結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)

1.1 原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料收資

工程設(shè)計(jì)中，常會(huì)遇到原建筑結(jié)構(gòu)使用數(shù)年后，考慮變更其使用目的。工業(yè)建筑中可能考慮更換設(shè)備，設(shè)備荷載的變化將對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。民用建筑中如考慮將原房間功能使用改為其他活荷載較大的使用功能，或者書(shū)庫(kù)，庫(kù)房等，必需核算其房間的樓面梁及樓面梁直接傳導(dǎo)荷載的柱是否滿足新荷載的正常時(shí)候承載力要求。因此，必須對(duì)原結(jié)構(gòu)的平面布置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行完整的收資，便于后期進(jìn)行重新驗(yàn)算。

1.2 根據(jù)新增荷載重新計(jì)算

收資完成后，需要根據(jù)新荷載，對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新驗(yàn)算，當(dāng)建筑體量較大時(shí)，可考慮在局部建模計(jì)算，計(jì)算至荷載傳導(dǎo)的影響范圍。當(dāng)結(jié)構(gòu)本身體量不大時(shí)，可以考慮整體重新建模，以更好的模擬新荷載的作用情況。以某鋼混框架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房變電站的二層房間為例，變電站建設(shè)通?？紤]分期完成全部設(shè)備的布置，以滿足電網(wǎng)設(shè)計(jì)各階段對(duì)設(shè)備容量的要求。某變電站建設(shè)使用已超過(guò)十年，仍需要在其設(shè)備房間中增加布置新的重型設(shè)備，該重型設(shè)備啟動(dòng)及運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)荷載。新增布置設(shè)備時(shí)，必須對(duì)荷載重新驗(yàn)算，復(fù)核直接承受設(shè)備荷載的梁以及在荷載影響范圍內(nèi)的其他梁柱構(gòu)件是否滿足承載力要求，配筋是否滿足計(jì)算結(jié)果。如構(gòu)件配筋或截面無(wú)法滿足要求時(shí)，需要進(jìn)一步考慮對(duì)直接受力的構(gòu)件進(jìn)行局部加固[1]。

1.3 結(jié)構(gòu)梁柱加固措施

1.3.1 增大截面法。增加大截面法同時(shí)適用于梁構(gòu)件與柱構(gòu)件，當(dāng)梁的剛度以及抗彎抗剪不滿足計(jì)算要求，可以考慮增大構(gòu)件截面，在梁的四周或三側(cè)加固圍套，增大梁的截面。具體措施考慮對(duì)原結(jié)構(gòu)表面去除后進(jìn)行鑿毛，構(gòu)件下部截面增加部分加入新增的縱筋及箍筋，新增配筋需要考慮與原結(jié)構(gòu)配筋有連接錨固措施，加固縱筋需要錨固于原結(jié)構(gòu)主梁或柱中，通常采用植筋與結(jié)構(gòu)膠，或者固定于原結(jié)構(gòu)的角鋼支座實(shí)現(xiàn)。柱的增大截面加固方式與梁類(lèi)似，但加固設(shè)計(jì)過(guò)程中值得注意的是，通過(guò)增大截面法加固后的梁柱構(gòu)件，不可直接等效于一次澆筑新建的梁柱構(gòu)件，進(jìn)行截面與配筋的驗(yàn)算，需要考慮新舊混凝土之間的咬合黏結(jié)無(wú)法達(dá)到一次澆筑構(gòu)件的效果，對(duì)其加固后的承載力需要計(jì)入一定的折減。

1.3.2 外包型鋼法。外包型鋼法是另外一種常用的構(gòu)件加固方式，一般采用L100x10的角鋼與扁鋼箍焊接成套箍，包裹于需要加固的構(gòu)件上，對(duì)構(gòu)件起到控制變形的作用，增強(qiáng)其剛度并限制已經(jīng)產(chǎn)生的裂縫繼續(xù)發(fā)展。加固措施的外包型鋼同樣需要考慮其余與原結(jié)構(gòu)的錨固，次梁加固需要考慮與主梁的錨固，主梁加固需要考慮與柱的錨固。通常錨固于主梁采用角鋼支托與錨栓的組合，錨固于柱采用抱箍的方式。外包型鋼加固對(duì)構(gòu)件承載力有增強(qiáng)效果，但其增強(qiáng)的量是否可以滿足新增荷載的需求，對(duì)加固后構(gòu)件承載力的估算，外包型鋼法沒(méi)有增大截面法明確。

1.3.3 鋼絲網(wǎng)砂漿加固技術(shù)。這一類(lèi)型加固方式的運(yùn)用原理為在混凝土表層鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)，之后澆筑或壓抹水泥砂漿，與原結(jié)構(gòu)共同工作，從而提升結(jié)構(gòu)承載力。其最大優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)本身具有的復(fù)合砂漿與高質(zhì)量鋼材相結(jié)合，鋼絲網(wǎng)砂漿有著良好的分散性能，可以改善房屋建筑的預(yù)應(yīng)力構(gòu)造，有利于提升建筑的穩(wěn)定性。研究表明，與普通水泥砂漿相比，當(dāng)含鋼量達(dá)到301kg/m3時(shí)，鋼絲網(wǎng)砂漿顯著獲得了更高的特性，不僅抗拉強(qiáng)度高、彈性好、抗裂性能好且抗?jié)B性好，還可以有效提高建筑構(gòu)造的穩(wěn)定性。此技術(shù)中所運(yùn)用到的材料與普通鋼筋混凝土構(gòu)件不同之處在于，實(shí)際施工中，普通鋼筋混凝土構(gòu)件延展性能比較低，易于開(kāi)裂，鋼筋強(qiáng)度難以充分利用。相比而言，使用鋼絲網(wǎng)砂漿加固技術(shù)可彌補(bǔ)這些不足，配筋分散性好且骨料粒徑小，可制成薄壁結(jié)構(gòu)以減輕預(yù)應(yīng)力構(gòu)件自重。

1.3.4 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。在對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化時(shí)，關(guān)鍵技術(shù)是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)技術(shù)。其余外部載荷將對(duì)混凝土的彎曲配件有著直接影響。因此為了確保預(yù)應(yīng)力房屋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，就需要通過(guò)用混凝土對(duì)水平拉桿進(jìn)行加固操作，以便在拉桿內(nèi)部產(chǎn)生軸向張力，并通過(guò)水平拉桿頂部傳輸?shù)绞軓潣?gòu)件里，以此產(chǎn)生偏心壓力，優(yōu)化外力對(duì)構(gòu)件作用下產(chǎn)生的彎矩，進(jìn)一步提升了構(gòu)件的彎曲性能，防止構(gòu)件中出現(xiàn)裂紋的問(wèn)題，提高建筑結(jié)構(gòu)斜截面的抗剪強(qiáng)度，并提高房屋構(gòu)件的整體質(zhì)量和穩(wěn)定性。因此，在建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫中使用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)加固技術(shù)可以產(chǎn)生良好的加固效果。

1.3.5 截面加固技術(shù)。從房屋建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況來(lái)看，在開(kāi)展加固設(shè)計(jì)工作時(shí)，通過(guò)應(yīng)用截面加固技術(shù)可以有效提升加速效果。具體而言，截面加固技術(shù)是將建筑物相關(guān)結(jié)構(gòu)件的橫截面積進(jìn)行增加，以此來(lái)有效加固結(jié)構(gòu)。該技術(shù)一方面可以使建筑自身結(jié)構(gòu)得到有效優(yōu)化，而另一方面還能夠使建筑結(jié)構(gòu)的承載能力得到提升，并修復(fù)部分受到損傷的結(jié)構(gòu)，使房屋建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性得到有效提高。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，相關(guān)施工人員需要在建筑物周?chē)侠泶钤O(shè)腳手架，因此容易對(duì)建筑物的實(shí)際使用環(huán)境產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)后續(xù)相關(guān)加固工作的開(kāi)展造成阻礙。因此，相關(guān)施工人員需要合理完善截面加工技術(shù)的應(yīng)用方案，從而使該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用效果得到提升。

2 地基加固結(jié)構(gòu)的主要影響因素

多種現(xiàn)實(shí)因素制約地基加固結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其表現(xiàn)在以下幾個(gè)層面。①基于每種地基類(lèi)型結(jié)構(gòu)不同并存在自身的優(yōu)勢(shì)與不足，所以，當(dāng)其利用支撐功能時(shí)，建筑物將會(huì)受到不同影響。②由于施工目的的不同，結(jié)構(gòu)的使用、耐久性和安全性的差異會(huì)影響地基的受力，導(dǎo)致加固結(jié)構(gòu)的變形。③在施工中，建筑結(jié)構(gòu)的變形、發(fā)展速度及趨勢(shì)、施工加固技術(shù)水平與施工人員熟練程度等都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)加固技術(shù)有著重要影響。④地基加固結(jié)構(gòu)的質(zhì)量往往受到施工人員自身施工意圖的影響，過(guò)分強(qiáng)調(diào)施工速度和效率會(huì)增加地基缺陷[2]。

3 地基加固技術(shù)在建筑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

地基加固技術(shù)通常使用于新建項(xiàng)目中地基土承載力差，存在較厚軟弱地基層的情況，有利于減少地基沉降量。

現(xiàn)階段，我國(guó)土木工程地基加固施工中常用方式可分為兩種，一是換土墊層技術(shù)。該技術(shù)適用于地基的下部持力層出現(xiàn)土層軟化情況，通過(guò)換土墊層可改善土層硬度不足問(wèn)題。在具體施工中，先去除施工場(chǎng)地軟地基土層，使用高強(qiáng)度砂土取代原有土層，如砂墊層、碎石墊層等，鋪設(shè)后可滿足施工強(qiáng)度要求，優(yōu)化基礎(chǔ)施工條件，該施工方式常用于濕陷性黃土地區(qū)、凍土地區(qū)。二是復(fù)合地基加固技術(shù)。不同于換填的方式，復(fù)合地基更適用于地基土軟弱層較厚的情況，一般此類(lèi)情況下，即使考慮上部雜填土層換填后，下部軟弱下臥層仍然會(huì)在建筑建成后形成大量的沉降，造成基礎(chǔ)的沉降及沉降差，嚴(yán)重時(shí)可能造成上部結(jié)構(gòu)可見(jiàn)的破壞。

3.1 樁體復(fù)合地基技術(shù)

樁體復(fù)合地基加固技術(shù)包含砂樁、碎石樁以及夯實(shí)水泥樁等，利用振動(dòng)、沖擊等方式，在軟弱地基層面制作多個(gè)施工孔，利用壓力將砂擠入土體中，使軟弱土層產(chǎn)生砂石樁，使土體土層中的水分通過(guò)透水層、排水層快速排出土體，以此提升地基強(qiáng)度，提升地基對(duì)上層建筑的承載能力。根據(jù)注入使用材料的不同，分為各中不同的樁體。如碎石樁主要采用碎石，而砂石樁主要采用礫砂、粗砂、卵石等材料。加固后地基土的承載里可根據(jù)規(guī)范估算得到，此類(lèi)加固技術(shù)適用于大面積加固道路及場(chǎng)地，施工工藝簡(jiǎn)單且效果較好。

3.2 強(qiáng)夯技術(shù)

強(qiáng)夯技術(shù)是土木工程地基結(jié)構(gòu)加固中常用技術(shù)，操作便捷且加固效果良好。在實(shí)際使用中，首先，對(duì)地基位置進(jìn)行整理，保證場(chǎng)地平整性，初次平整場(chǎng)地時(shí)標(biāo)注定位坐標(biāo)，確定施工場(chǎng)地高度。其次，施工場(chǎng)地平整后，機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)，并根據(jù)夯擊高度確定具體夯擊作業(yè)，泥土填平后進(jìn)行夯擊。最后，將設(shè)備撤出施工現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)量夯擊高度。

3.3 換填法地基加固技術(shù)

在土木工程建設(shè)中，往往會(huì)遇到具有一定深度范圍的軟弱土層地基，且這部分的軟弱土層地基易于挖掘，如出現(xiàn)變形的軟基或泥沼地帶，這時(shí)可采用換填法地基加固技術(shù)進(jìn)行地基加固。換填法地基加固技術(shù)的施工原理較為簡(jiǎn)單，是一種比較傳統(tǒng)的工藝，主要采用地基組成材料置換的方法，將軟軟弱土層地基組成的土地材料進(jìn)行清除，然后把基底壓實(shí)；運(yùn)用強(qiáng)度、密度和耐腐蝕性強(qiáng)的卵石、素土、灰土、煤渣等材料，并利用機(jī)械振動(dòng)和壓實(shí)作用，進(jìn)而使之達(dá)到要求的密實(shí)度，避免變形、沉降等問(wèn)題產(chǎn)生，該方法主要包括換土墊層法、強(qiáng)夯置換法等地基加固方式。

3.4 地基加固技術(shù)

現(xiàn)階段，我國(guó)土木工程地基加固施工中常用方式可分為兩種，一是換土墊層技術(shù)。該技術(shù)適用于地基的下部持力層出現(xiàn)土層軟化情況，通過(guò)換土墊層可改善土層硬度不足問(wèn)題。在具體施工中，先去除施工地點(diǎn)軟地基土層，使用高強(qiáng)度砂土取代原有土層，如砂墊層、碎石墊層等，鋪設(shè)后可滿足施工強(qiáng)度要求，優(yōu)化基礎(chǔ)施工條件，該施工方式常用于濕陷性黃土地區(qū)、凍土地區(qū)。二是置換技術(shù)。若土木工程地基土層較為松軟，且并非土層軟化導(dǎo)致的松軟，應(yīng)對(duì)地基進(jìn)行加固施工。為保證施工方式使用的合理性，土木工程地質(zhì)勘查人員應(yīng)掌握工程施工區(qū)域的實(shí)際情況，分析相應(yīng)信息，選擇適合的地基加固方法，提升土木工程整體施工質(zhì)量。

3.5 化學(xué)加固技術(shù)

在工程施工中，化學(xué)加固技術(shù)已成為較為常用的技術(shù)，設(shè)計(jì)人員對(duì)化學(xué)材料合理配比，可提升土層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。通常施工流程為，首先，對(duì)場(chǎng)地周邊環(huán)境進(jìn)行多方面勘察。其次，清除施工區(qū)域地基上砂石等障礙物，維持地基平面平整干凈。最后，障礙物清理后，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)自然環(huán)境等因素進(jìn)行噴樁施工。

3.6 擠壓法

擠壓法適用于黃土、素填土、雜填土等地質(zhì)條件，也被稱(chēng)為振密法、擠密法。施工中主要借助爆破、擠壓、夯擊以及振動(dòng)等措施，提升土體夯程度和抗剪強(qiáng)度。在具體施工中，該施工方式可細(xì)分為振沖法、石灰樁擠密法、擠密砂樁法以及灰土樁擠密法，與排水加固方法相比，擠壓法受外界如重力和擠壓力雙重作用，加固后地基密度更大、強(qiáng)度更高、牢固性更強(qiáng)，在土木工程地基加工中具有較大優(yōu)勢(shì)[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際建筑施工中，施工質(zhì)量會(huì)受多方面因素影響，導(dǎo)致建設(shè)質(zhì)量下降。建筑工程結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)作為建筑工程的基礎(chǔ)組成部分，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，不僅會(huì)增加建筑使用風(fēng)險(xiǎn)，甚至縮短使用期限。因此，各類(lèi)加固技術(shù)的應(yīng)用在工程中有相當(dāng)重要的意義。設(shè)計(jì)人員在掌握工程結(jié)構(gòu)加固以及地基加固技術(shù)要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，需要根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以?xún)?yōu)化的設(shè)計(jì)方案，達(dá)到最優(yōu)的施工效果。