多層建筑沉降縫對(duì)傾及糾偏分析

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【摘要】:根據(jù)相鄰基礎(chǔ)相互作用的分析理論,發(fā)展了被沉降縫分隔的兩個(gè)建筑單元對(duì)傾、糾偏的計(jì)算方法。糾偏分析分以下步驟進(jìn)行:糾偏前在有效荷載作用下作沒(méi)有樁支承的兩個(gè)相鄰單元基礎(chǔ)的相互作用分析;糾偏后在剩余荷載作用下作有靜壓樁支承的兩個(gè)相鄰單元基礎(chǔ)的相互作用分析;然后對(duì)兩個(gè)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加;有效荷載相對(duì)總荷載的比例與根據(jù)沉降觀測(cè)資料推算的固結(jié)度相當(dāng)。本文的計(jì)算方法可近似考慮單樁極限承載力的影響和沉樁產(chǎn)生的拖帶作用。最后對(duì)一個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行了分析,根據(jù)傾斜量與樁數(shù)的相互關(guān)系可確定控制傾斜和糾偏的最佳樁數(shù)。

關(guān)鍵詞:  相互作用;  對(duì)傾;  糾偏;  沉降縫;  固結(jié)度收稿 1　前　　言 近年我國(guó)軟土地區(qū)常出現(xiàn)一些沉降縫兩側(cè)建筑物對(duì)傾碰頂,造成兩側(cè)建筑結(jié)構(gòu)損壞的事故,隨后不得不面臨糾偏加固問(wèn)題。而對(duì)這方面機(jī)理的研究卻很少,缺乏有效合理的計(jì)算分析方法。 對(duì)于基礎(chǔ)傾斜一般用近似方法計(jì)算,假定基礎(chǔ)為柔性基礎(chǔ),基底壓力線性分布,然后用分層總和法計(jì)算基礎(chǔ)兩端的沉降,兩點(diǎn)之間的沉降差除以兩點(diǎn)之間的距離即為該基礎(chǔ)的傾斜。對(duì)于絕對(duì)剛性基礎(chǔ),作者已在文獻(xiàn)[1]中基本解決了對(duì)高層建筑箱形基礎(chǔ)傾斜的綜合分析問(wèn)題,提出的方法可綜合考慮偏心荷載、基礎(chǔ)的埋深效應(yīng)、荷載的高重心效應(yīng)、鄰近建筑物的相互影響問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了相鄰樁基礎(chǔ)由于相互影響導(dǎo)致對(duì)傾的計(jì)算分析。本文在文獻(xiàn)[1、2]計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,提出了沉降縫兩側(cè)建筑物對(duì)傾及錨桿靜壓樁加固糾偏的計(jì)算分析方法,并對(duì)一個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行了分析研究。 2　相鄰基礎(chǔ)傾斜計(jì)算的基本原理 對(duì)多層建筑基礎(chǔ)的傾斜問(wèn)題也可近似按剛性基礎(chǔ)來(lái)分析,假定某被影響剛性基礎(chǔ)的基底始終與地基緊密接觸,將接觸面劃分為n個(gè)矩形網(wǎng)格,在上部荷載與相鄰基礎(chǔ)荷載的影響下,考慮基礎(chǔ)埋深和建筑物高度對(duì)傾斜的影響后,剛性基礎(chǔ)地基反力和整體傾斜式中:xi,yi,Ri分別為第i個(gè)網(wǎng)格的中點(diǎn)坐標(biāo)和集中反力;αx、αy、s分別為基礎(chǔ)平面坐標(biāo)原點(diǎn)沿x軸、y軸的整體傾斜值和沉降量;P,Mx,My分別為上部荷載的豎向合力及其對(duì)x軸、y軸的偏心彎矩;Δi為相鄰建筑物的荷載對(duì)各網(wǎng)格中心點(diǎn)產(chǎn)生的附加沉降; [δij]為地基的柔度矩陣,δij表示第j網(wǎng)格的單位荷載對(duì)第i個(gè)網(wǎng)格產(chǎn)生的沉降,即為各網(wǎng)格單元間的相互影響系數(shù),作為樁基礎(chǔ)就是樁—土—樁相互作用系數(shù),對(duì)于分層地基模型,可根據(jù)Bouss-inesq及Mindlin應(yīng)力公式用分層總和法求得。 I=136b1•D4,b1為矩形箱形基礎(chǔ)側(cè)面的計(jì)算寬度,由于基礎(chǔ)寬度較大,可近似取受力側(cè)面的基礎(chǔ)寬度,D為基礎(chǔ)埋深;m為地基比例系數(shù);h為上部結(jié)構(gòu)荷載重心的高度。為了對(duì)同時(shí)建造的A、B兩座相建筑的相互影響進(jìn)行分析,令ΔBA、ΔAB分別為A基礎(chǔ)對(duì)B基礎(chǔ)和B基礎(chǔ)對(duì)A基礎(chǔ)產(chǎn)生的附加沉降。A基礎(chǔ)受B基礎(chǔ)作用而產(chǎn)生的ΔAB的影響而改變基礎(chǔ)變形和基底反力分布,將使ΔBA發(fā)生變化,這又最終影響到B基礎(chǔ)的分析結(jié)果和ΔAB,要最后確定這種影響量,就需要迭代法來(lái)分析。具體分析步驟可見文獻(xiàn)[1、2]所述。 3　錨桿靜壓樁糾偏計(jì)算方法考慮糾偏前后基礎(chǔ)受力狀況的變化,基礎(chǔ)糾偏計(jì)算需要按以下步驟進(jìn)行: 3•1　糾偏前的基礎(chǔ)傾斜計(jì)算基礎(chǔ)糾偏計(jì)算的基本原理同上,糾偏前的基礎(chǔ)傾斜計(jì)算,可直接按公式(1)計(jì)算,只要將計(jì)算荷載取已經(jīng)轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力部分的有效附加荷載。即:Pt=U×P=StS∞×P(2)　　式中:U為地基平均固結(jié)度,St、S∞分別為加固前的基礎(chǔ)沉降和最終沉降。 3•2　糾偏后的基礎(chǔ)傾斜計(jì)算錨桿靜壓樁糾偏后的基礎(chǔ)傾斜計(jì)算也可按公式(1)計(jì)算,與糾偏前計(jì)算不同的,只要將公式(1)中的天然地基的土—土相互作用系數(shù)用樁—土—樁相互作用系數(shù)代替,將計(jì)算荷載取糾偏前尚未轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力部分的附加荷載,即(1-Pt)。與通常的樁基礎(chǔ)不同,糾偏靜壓樁主要用于控制變形,樁的安全系數(shù)很小,相當(dāng)一部分樁的工作荷載可能相當(dāng)于單樁極限承載力。而按公式(1)計(jì)算的樁頂反力卻可能會(huì)超過(guò)單樁極限承載力,為此對(duì)公式(1)進(jìn)行計(jì)算時(shí),采用了荷載截去法(“load cut-offprocedure”)[3],如果計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)某一樁頂反力大于單樁極限承載力,即令該樁的樁頂反力為單樁極限承載力恒值不變,同時(shí)將該樁在公式(1)左邊矩陣中刪去,將該樁對(duì)鄰近單元的附加沉降移至右邊。 3•3　錨桿靜壓樁用于糾偏時(shí)拖帶下沉的近似計(jì)算錨桿靜壓樁壓樁時(shí)拖帶下沉對(duì)基礎(chǔ)傾斜的影響,可通過(guò)公式(1)中的參數(shù)Δ反映,這里關(guān)鍵是要確定基礎(chǔ)下各網(wǎng)格單元中心的拖帶下沉量。由于擠土效應(yīng),預(yù)制樁沉樁對(duì)周圍土的影響通常出現(xiàn)地面隆起現(xiàn)象,而在軟土地區(qū)對(duì)已有建筑物用錨桿靜壓樁進(jìn)行糾偏加固施工時(shí),卻常常有附加沉降出現(xiàn)。這一現(xiàn)象是很值得研究的,目前還沒(méi)有有效的方法進(jìn)行定量分析。 在空曠的場(chǎng)地上,預(yù)制樁沉樁對(duì)周圍土的影響主要表現(xiàn)在擠土效應(yīng)和沉樁過(guò)程中產(chǎn)生的拖帶下沉,前者往往是主要的;由于擠土效應(yīng)同時(shí)對(duì)周圍土的擾動(dòng)作用,土的強(qiáng)度及變形模量降低,在基底壓力作用下,地基土?xí)a(chǎn)生新的附加沉降。作者在此近似認(rèn)為,在軟土地區(qū)已有建筑物下沉樁時(shí),由于樁的數(shù)量不多、截面尺寸較小,擠土效應(yīng)產(chǎn)生的地基隆起量與對(duì)周圍土的擾動(dòng)作用產(chǎn)生的附加沉降相等,錨桿靜壓樁沉樁對(duì)周圍土的影響主要就是沉樁過(guò)程中所產(chǎn)生的拖帶下沉。在壓樁施工過(guò)程中,由于樁的擠土效應(yīng),土的粘聚力被破壞,土中孔隙水壓力增大,土的抗剪強(qiáng)度將大大降低。 因此,樁側(cè)摩阻力也就明顯減小。通過(guò)對(duì)樁的壓樁阻力曲線和埋設(shè)在樁尖傳感器測(cè)得的樁尖阻力曲線進(jìn)行分析,壓樁時(shí)的樁頂壓樁力曲線與樁尖阻力曲線非常接近,進(jìn)入樁尖持力層后,兩條曲線才有明顯的差別。由此可見,壓樁阻力曲線反映的主要就是樁尖阻力的變化規(guī)律[4]。因此,沉樁過(guò)程中產(chǎn)生的拖帶下沉主要是由樁端阻力產(chǎn)生的。樁端及樁端周圍土的位移可近似按下式計(jì)算[5]:wb=Pb(1-ν)4r0G(3-1)這兩幢建筑物結(jié)構(gòu)封頂時(shí),發(fā)現(xiàn)沉降較大,并且相互對(duì)傾明顯, 10號(hào)房比8號(hào)房更明顯, 10號(hào)房建筑物竣工后不久, 5樓沉降縫兩側(cè)墻體因縫內(nèi)障礙物出現(xiàn)局部鼓出開裂現(xiàn)象,隨即破墻清除并采用錨桿靜壓樁進(jìn)行加固糾偏。8號(hào)房的沉降、對(duì)傾量相對(duì)較小,在沉降縫碰頂前,對(duì)沉降縫上部?jī)蓚?cè)墻體采取了減薄措施,加大了沉降縫上部的凈寬。圖2為8號(hào)樓東西兩單元對(duì)傾量(絕對(duì)值,下同)隨單元平均沉降增加的變化情況。從圖中可見,建筑物傾斜量在早期基礎(chǔ)沉降較小時(shí)很小,后隨著沉降的增大迅速增加。西單元的基礎(chǔ)長(zhǎng)度要小于東單元,因此沉降也小于東單元,但傾斜量要大于東單元。圖3為10號(hào)樓東西兩單元對(duì)傾量隨單元平均沉降增加的變化情況。在第236天,即結(jié)構(gòu)封頂約125天后,開始在沉降縫附近的建筑物基礎(chǔ)下進(jìn)行錨桿靜壓樁加固, 16天內(nèi)共壓樁38根,樁位布置情況如圖1所示,樁長(zhǎng)20m,以⑤2層粉砂夾砂質(zhì)粉土作為樁端持力層,樁身截面尺寸均為250×250mm,最終壓樁力363鶫481kN。圖3中的曲線在錨桿靜壓樁施工后出現(xiàn)了峰值,說(shuō)明對(duì)傾值有一定的增加,這是由于壓樁時(shí)有一定的拖帶下沉,加大了東、西單元沉降縫區(qū)域的沉降。隨著樁開始受力發(fā)揮作用,沉降縫區(qū)域的沉降速率迅速減小,而建筑物的兩端幾乎不受加固影響,沉降速率依然較大,這勢(shì)必使建筑物出現(xiàn)自然回傾,也即圖3中的曲線出現(xiàn)下降現(xiàn)象,達(dá)到了糾偏的目的。 4•2　計(jì)算參數(shù)確定上述工程實(shí)例均采用粉噴樁作復(fù)合地基。目前,已有多種復(fù)合地基沉降計(jì)算方法,本文采用類似天然地基的分層總和法,加固范圍內(nèi)復(fù)合地基壓縮模量用下式計(jì)算:Esp=m•Ep+(1-m)Es(5)　　式中:Ep、Es分別為粉噴樁和天然地基土的壓縮模量,m表示置換率。由于當(dāng)時(shí)試塊沒(méi)有作過(guò)壓縮試驗(yàn),本文粉噴樁的壓縮模量按經(jīng)驗(yàn)取值,參照文獻(xiàn)[8]水泥土試件的壓縮模量Es=60鶫100MPa,鑒于實(shí)際施工的水泥土攪拌均勻度要比室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)差,及當(dāng)時(shí)上海地區(qū)粉噴樁的施工質(zhì)量普遍較差,本文采取不同的數(shù)值進(jìn)行試算,由于上部采取了復(fù)攪措施,因此可取樁的上部分壓縮模量高于下部。天然地基土的壓縮模量已在文獻(xiàn)[7]中列出。 4•3　計(jì)算結(jié)果分析對(duì)8號(hào)房的主要計(jì)算結(jié)果如表1所示,假定不同的粉噴樁壓縮模量值,粉噴樁上部的壓縮模量高出下部20MPa,可以看出,當(dāng)粉噴樁的上、下部壓縮模量分別為60MPa、40MPa時(shí),計(jì)算最終沉降與實(shí)測(cè)推算結(jié)果較為吻合。由于基礎(chǔ)長(zhǎng)度較小,西單元的傾斜值要大于東單元?！　∨c天然地基相比,復(fù)合地基起到了減小基礎(chǔ)沉降、傾斜的作用,荷載的偏心作用對(duì)沉降縫兩側(cè)單元的對(duì)傾影響較大,對(duì)于多層建筑,荷載重心的高度對(duì)傾斜的影響不明顯。根據(jù)表1, 8號(hào)房東、西單元的計(jì)算傾斜值分別為-3•05‰、5•65‰, 10號(hào)房在232天糾偏前完成的固結(jié)度大約為50%,參照8號(hào)房可預(yù)計(jì)10號(hào)房東、西單元此時(shí)的傾斜量分別為-1•53‰、2•83‰,沉降量分別為112•7mm、103•7mm。糾偏后的變形情況及累計(jì)變形量的預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示。加固后東西單元的傾斜量有了明顯的減小,即出現(xiàn)了回傾現(xiàn)象,沉降繼續(xù)有所發(fā)展,但比加固前要小得多。表2中,分別對(duì)是否考慮單樁極限承載力和沉樁產(chǎn)生的附加沉降進(jìn)行了對(duì)比分析,可以發(fā)現(xiàn),不考慮單樁極限承載力和附加沉降的影響,可使預(yù)測(cè)的糾偏效果偏大。其中極限位移wb取10mm,相當(dāng)于上海地區(qū)類似樁靜載試驗(yàn)得到的單樁極限承載力所對(duì)應(yīng)的沉降量。10號(hào)房糾偏前的變形和糾偏后沉降的預(yù)測(cè)結(jié)果均要比實(shí)測(cè)結(jié)果小,這是由于計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮建筑物中部處理暗浜的砂填土的影響,基底下的砂墊層。 4•4　糾偏工程中的傾斜控制考慮單樁極限承載力Qu=500kN,沉樁產(chǎn)生的附加沉降wb=10mm,假定不同的樁數(shù)進(jìn)行分別計(jì)算,可以得到糾偏后錨桿靜壓樁的樁數(shù)與東、西單元傾斜量絕對(duì)值之和的關(guān)系如圖4所示。該曲線與沉降控制復(fù)合樁基的樁數(shù)與沉降關(guān)系曲線相似。樁的平面位置會(huì)對(duì)糾偏效果產(chǎn)生影響,在減少樁數(shù)時(shí),從單元中心由近到遠(yuǎn)抽樁,在增加樁數(shù)時(shí),從單元中心由遠(yuǎn)到近加樁,但基本不超過(guò)原實(shí)際布樁范圍。從圖4可以看出,不糾偏時(shí),東、西單元新增傾斜量絕對(duì)值之和為4•36 (1•53+2•83)‰,是糾偏前的2倍;樁數(shù)較少時(shí),增加樁數(shù)對(duì)減小對(duì)傾量作用較為明顯;樁數(shù)增加到一定數(shù)量時(shí),增加樁數(shù)對(duì)減小對(duì)傾量的作用就不再明顯,也就是說(shuō)此時(shí)再增加樁數(shù),對(duì)減小基礎(chǔ)對(duì)傾量的作用不大。 因此糾偏設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇曲線趨于平緩時(shí)的拐點(diǎn)后面附近某一點(diǎn)作為糾偏的用樁數(shù)量,該拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的樁數(shù)為最佳糾偏用樁量。從圖4可知,本工程的用樁數(shù)量38根略多于最佳糾偏用樁量?！　∪绻鼗庸痰哪康闹灰刂平ㄖ镄略鰧?duì)傾量為,即維持加固前的對(duì)傾量4•36‰,從圖4可知,控制不再發(fā)生新的傾斜的最佳用樁量為16根。這一概念同樣可用于預(yù)防控制建筑物出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象,當(dāng)建筑物由于相鄰荷載等因素影響會(huì)出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象時(shí),就需要在沉降較大一側(cè)增加地基的剛度,如采用錨桿靜壓樁,可得到相應(yīng)的樁數(shù)與傾斜量的關(guān)系,傾斜量為零所對(duì)應(yīng)的樁數(shù)即為最佳傾斜控制用樁量。從圖4還可以看出,通過(guò)增加樁數(shù)建筑物傾也只有約2‰,要達(dá)到完全糾偏的目的較為困難。 5　結(jié)　　論 相互影響和局部應(yīng)力集中(偏心)是導(dǎo)致沉降縫分隔的相鄰建筑物對(duì)傾的主要因素。在沉降縫附近區(qū)域使用錨桿靜壓樁可達(dá)到控制傾斜和糾偏的目的,根據(jù)傾斜量與樁數(shù)的相互關(guān)系可確定控制傾斜和糾偏的最佳樁數(shù)。不考慮單樁極限承載力和附加沉降的影響,可使預(yù)測(cè)的糾偏效果偏大。 參　考　文　獻(xiàn) [1]　樓曉明,劉建航,胡中雄.高層建筑箱形基礎(chǔ)傾斜的綜合分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào), 2000 (6), 646鶫650 [2]　樓曉明,劉建航,洪毓康.相鄰高層建筑樁箱基礎(chǔ)的共同作用分析[J].土木工程學(xué)報(bào), 2002, 35 (3): 55鶫60 [3]　Hain S J, Lee I K•The analysis of flexible raft-pile systems[J]. 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