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1、多层建筑沉降缝对倾及纠偏分析 - 基础理论 【摘要】: 根据相邻基础相互作用的分析理论,发展了被沉降缝分隔的 两个建筑单元对倾、纠偏的计算方法。纠偏分析分以下步骤进行:纠 偏前在有效荷载作用下作没有桩支承的两个相邻单元基础的相互作 用分析; 纠偏后在剩余荷载作用下作有静压桩支承的两个相邻单元基 础的相互作用分析; 然后对两个计算结果进行叠加; 有效荷载相对总荷 载的比例与根据沉降观测资料推算的固结度相当。本文的计算方法 可近似考虑单桩极限承载力的影响和沉桩产生的拖带作用。最后对 一个工程实例进行了分析,根据倾斜量与桩数的相互关系可确定控制 倾斜和纠偏的最佳桩数。关键词: 相互作用; 对倾; 纠
2、偏; 沉降缝; 固结度收稿1 前 言近年我国软土地区常出现一些沉降缝两侧建筑物对倾碰顶,造成两 侧建筑结构损坏的事故,随后不得不面临纠偏加固问题。而对这方面 机理的研究却很少,缺乏有效合理的计算分析方法。对于基础倾斜一般用近似方法计算,假定基础为柔性基础,基底压力 线性分布,然后用分层总和法计算基础两端的沉降,两点之间的沉降差 除以两点之间的距离即为该基础的倾斜。对于绝对刚性基础,作者已 在文献1中基本解决了对高层建筑箱形基础倾斜的综合分析问题,提 出的方法可综合考虑偏心荷载、基础的埋深效应、荷载的高重心效 应、邻近建筑物的相互影响问题。文献2进一步实现了相邻桩基础 由于相互影响导致对倾的计算
3、分析。本文在文献1、2 计算方法的基础上,提出了沉降缝两侧建筑物对倾及锚杆静压桩加固纠偏的计算 分析方法,并对一个工程实例进行了分析研究。2 相邻基础倾斜计算的基本原理对多层建筑基础的倾斜问题也可近似按刚性基础来分析,假定某被 影响刚性基础的基底始终与地基紧密接触,将接触面划分为 n 个矩形 网格,在上部荷载与相邻基础荷载的影响下,考虑基础埋深和建筑物高 度对倾斜的影响后,刚性基础地基反力和整体倾斜式中:xi,yi,Ri 分别 为第 i 个网格的中点坐标和集中反力;x 、y、s 分别为基础平面坐 标原点沿 x 轴、y 轴的整体倾斜值和沉降量;P,Mx,My 分别为上部荷 载的竖向合力及其对 x
4、 轴、y 轴的偏心弯矩;i 为相邻建筑物的荷载 对各网格中心点产生的附加沉降; ij为地基的柔度矩阵,ij 表示第 j 网格的单位荷载对第 i 个网格产生的沉降,即为各网格单元间的相互 影响系数,作为桩基础就是桩土桩相互作用系数,对于分层地基模 型,可根据 Bouss-inesq 及 Mindlin 应力公式用分层总和法求得。I=136b1D4,b1 为矩形箱形基础侧面的计算宽度,由于基础宽度较 大,可近似取受力侧面的基础宽度,D 为基础埋深;m 为地基比例系数;h 为上部结构荷载重心的高度。为了对同时建造的 A、B 两座相建筑 的相互影响进行分析,令 BA 、AB 分别为 A 基础对 B 基
5、础和 B 基 础对 A 基础产生的附加沉降。A 基础受 B 基础作用而产生的 AB 的影响而改变基础变形和基底反力分布,将使 BA 发生变化,这又最 终影响到 B 基础的分析结果和 AB,要最后确定这种影响量,就需要 迭代法来分析。具体分析步骤可见文献1、2 所述。 3 锚杆静压桩纠偏计算方法考虑纠偏前后基础受力状况的变化, 基础纠偏计算需要按以下步骤进行:31 纠偏前的基础倾斜计算基础纠偏计算的基本原理同上,纠偏前 的基础倾斜计算,可直接按公式(1)计算,只要将计算荷载取已经转化 为有效应力部分的有效附加荷载。即:Pt=UP=StSP(2) 式中:U 为地基平均固结度,St、S分别为加固前的
6、基础沉降和最终沉降。32 纠偏后的基础倾斜计算锚杆静压桩纠偏后的基础倾斜计算也 可按公式(1)计算,与纠偏前计算不同的,只要将公式(1)中的天然地基 的土土相互作用系数用桩土桩相互作用系数代替,将计算荷载 取纠偏前尚未转化为有效应力部分的附加荷载,即(1-Pt)。与通常的桩 基础不同,纠偏静压桩主要用于控制变形,桩的安全系数很小,相当一 部分桩的工作荷载可能相当于单桩极限承载力。而按公式(1)计算的 桩顶反力却可能会超过单桩极限承载力,为此对公式(1)进行计算时, 采用了荷载截去法(“load cut-offprocedure”)3,如果计算结果出现某一 桩顶反力大于单桩极限承载力,即令该桩的
7、桩顶反力为单桩极限承载 力恒值不变,同时将该桩在公式(1)左边矩阵中删去,将该桩对邻近单 元的附加沉降移至右边。33 锚杆静压桩用于纠偏时拖带下沉的近似计算锚杆静压桩压桩 时拖带下沉对基础倾斜的影响,可通过公式(1)中的参数 反映,这里 关键是要确定基础下各网格单元中心的拖带下沉量。由于挤土效应, 预制桩沉桩对周围土的影响通常出现地面隆起现象,而在软土地区对 已有建筑物用锚杆静压桩进行纠偏加固施工时,却常常有附加沉降出现。这一现象是很值得研究的,目前还没有有效的方法进行定量分析。在空旷的场地上,预制桩沉桩对周围土的影响主要表现在挤土效应 和沉桩过程中产生的拖带下沉,前者往往是主要的;由于挤土效
8、应同时 对周围土的扰动作用,土的强度及变形模量降低,在基底压力作用下, 地基土会产生新的附加沉降。作者在此近似认为,在软土地区已有建 筑物下沉桩时,由于桩的数量不多、截面尺寸较小,挤土效应产生的地 基隆起量与对周围土的扰动作用产生的附加沉降相等,锚杆静压桩沉 桩对周围土的影响主要就是沉桩过程中所产生的拖带下沉。在压桩 施工过程中,由于桩的挤土效应,土的粘聚力被破坏,土中孔隙水压力 增大,土的抗剪强度将大大降低。因此,桩侧摩阻力也就明显减小。通过对桩的压桩阻力曲线和埋设 在桩尖传感器测得的桩尖阻力曲线进行分析,压桩时的桩顶压桩力曲 线与桩尖阻力曲线非常接近,进入桩尖持力层后,两条曲线才有明显的
9、差别。由此可见,压桩阻力曲线反映的主要就是桩尖阻力的变化规律 4。因此,沉桩过程中产生的拖带下沉主要是由桩端阻力产生的。桩 端及桩端周围土的位移可近似按下式计算5:wb=Pb(1-)4r0G(3-1)这 两幢建筑物结构封顶时,发现沉降较大,并且相互对倾明显, 10 号房比 8 号房更明显, 10 号房建筑物竣工后不久, 5 楼沉降缝两侧墙体因缝 内障碍物出现局部鼓出开裂现象,随即破墙清除并采用锚杆静压桩进 行加固纠偏。8 号房的沉降、对倾量相对较小,在沉降缝碰顶前,对沉 降缝上部两侧墙体采取了减薄措施,加大了沉降缝上部的净宽。图 2为 8 号楼东西两单元对倾量(绝对值,下同) 随单元平均沉降增
10、加的变 化情况。从图中可见,建筑物倾斜量在早期基础沉降较小时很小,后随 着沉降的增大迅速增加。西单元的基础长度要小于东单元,因此沉降 也小于东单元,但倾斜量要大于东单元。图 3 为 10 号楼东西两单元 对倾量随单元平均沉降增加的变化情况。在第 236 天,即结构封顶约 125 天后,开始在沉降缝附近的建筑物基础下进行锚杆静压桩加固, 16 天内共压桩 38 根,桩位布置情况如图 1 所示,桩长 20m,以2 层粉砂 夹砂质粉土作为桩端持力层,桩身截面尺寸均为 250250mm,最终压 桩力 363 鶫 481kN。图 3 中的曲线在锚杆静压桩施工后出现了峰值, 说明对倾值有一定的增加,这是由
11、于压桩时有一定的拖带下沉,加大了 东、西单元沉降缝区域的沉降。随着桩开始受力发挥作用,沉降缝区 域的沉降速率迅速减小,而建筑物的两端几乎不受加固影响,沉降速率 依然较大,这势必使建筑物出现自然回倾,也即图 3 中的曲线出现下降 现象,达到了纠偏的目的。42 计算参数确定上述工程实例均采用粉喷桩作复合地基。目前, 已有多种复合地基沉降计算方法,本文采用类似天然地基的分层总和 法,加固范围内复合地基压缩模量用下式计算:Esp=mEp+(1-m)Es(5) 式中:Ep、Es 分别为粉喷桩和天然地基土的压缩模量,m 表示置换率。 由于当时试块没有作过压缩试验,本文粉喷桩的压缩模量按经验取值, 参照文献
12、8水泥土试件的压缩模量 Es=60 鶫 100MPa,鉴于实际施工 的水泥土搅拌均匀度要比室内试验时差,及当时上海地区粉喷桩的施 工质量普遍较差,本文采取不同的数值进行试算,由于上部采取了复搅措施,因此可取桩的上部分压缩模量高于下部。天然地基土的压缩模 量已在文献7中列出。43 计算结果分析对 8 号房的主要计算结果如表 1 所示,假定不同 的粉喷桩压缩模量值,粉喷桩上部的压缩模量高出下部 20MPa,可以看 出,当粉喷桩的上、下部压缩模量分别为 60MPa、40MPa 时,计算最 终沉降与实测推算结果较为吻合。由于基础长度较小,西单元的倾斜 值要大于东单元。 与天然地基相比,复合地基起到了减
13、小基础沉 降、倾斜的作用,荷载的偏心作用对沉降缝两侧单元的对倾影响较大, 对于多层建筑,荷载重心的高度对倾斜的影响不明显。根据表 1, 8 号 房东、西单元的计算倾斜值分别为-305、565, 10 号房在 232 天纠偏前完成的固结度大约为 50%,参照 8 号房可预计 10 号房东、 西单元此时的倾斜量分别为-153、283,沉降量分别为 1127mm、1037mm 。纠偏后的变形情况及累计变形量的预测结果 如表 2 所示。加固后东西单元的倾斜量有了明显的减小,即出现了回 倾现象,沉降继续有所发展,但比加固前要小得多。表 2 中,分别对是 否考虑单桩极限承载力和沉桩产生的附加沉降进行了对比
14、分析,可以 发现,不考虑单桩极限承载力和附加沉降的影响,可使预测的纠偏效果 偏大。其中极限位移 wb 取 10mm,相当于上海地区类似桩静载试验 得到的单桩极限承载力所对应的沉降量。10 号房纠偏前的变形和纠 偏后沉降的预测结果均要比实测结果小,这是由于计算时没有考虑建 筑物中部处理暗浜的砂填土的影响,基底下的砂垫层。44 纠偏工程中的倾斜控制考虑单桩极限承载力 Qu=500kN,沉桩产生的附加沉降 wb=10mm,假定不同的桩数进行分别计算,可以得到 纠偏后锚杆静压桩的桩数与东、西单元倾斜量绝对值之和的关系如 图 4 所示。该曲线与沉降控制复合桩基的桩数与沉降关系曲线相似。 桩的平面位置会对
15、纠偏效果产生影响,在减少桩数时,从单元中心由近 到远抽桩,在增加桩数时,从单元中心由远到近加桩,但基本不超过原 实际布桩范围。从图 4 可以看出,不纠偏时,东、西单元新增倾斜量绝 对值之和为 436 (153+283),是纠偏前的 2 倍; 桩数较少时,增加桩 数对减小对倾量作用较为明显;桩数增加到一定数量时,增加桩数对减 小对倾量的作用就不再明显,也就是说此时再增加桩数,对减小基础对 倾量的作用不大。因此纠偏设计时应选择曲线趋于平缓时的拐点后面附近某一点作 为纠偏的用桩数量,该拐点所对应的桩数为最佳纠偏用桩量。从图 4 可知,本工程的用桩数量 38 根略多于最佳纠偏用桩量。 如果地 基加固的
16、目的只要控制建筑物新增对倾量为,即维持加固前的对倾量 436,从图 4 可知,控制不再发生新的倾斜的最佳用桩量为 16 根。 这一概念同样可用于预防控制建筑物出现倾斜现象,当建筑物由于相 邻荷载等因素影响会出现倾斜现象时,就需要在沉降较大一侧增加地 基的刚度,如采用锚杆静压桩,可得到相应的桩数与倾斜量的关系,倾 斜量为零所对应的桩数即为最佳倾斜控制用桩量。从图 4 还可以看 出,通过增加桩数建筑物倾也只有约 2,要达到完全纠偏的目的较为 困难。5 结 论 相互影响和局部应力集中(偏心) 是导致沉降缝分隔的相邻建筑物 对倾的主要因素。在沉降缝附近区域使用锚杆静压桩可达到控制倾 斜和纠偏的目的,根据倾斜量与桩数的相互关系可确定控制倾斜和纠 偏的最佳桩数。不考虑单桩极限承载力和附加沉降的影响,可使预测 的纠偏效果偏大。参 考 文 献1 楼晓明,刘建航,胡中雄.高层建筑箱形基础倾斜的综合分析J. 同济大学学报, 2000 (6), 64
