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        基底注漿對減小廠房淺基礎(chǔ)沉降的效果分析

        2022-12-30 03:28:02孫浩郭立輝劉金龍
        安徽建筑 2022年12期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        孫浩,郭立輝,劉金龍

        (1.安徽水安建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,安徽 合肥 230601;2.合肥學(xué)院城市建設(shè)與交通學(xué)院,安徽 合肥 230022)

        1 引言

        在工業(yè)廠房中,通常根據(jù)使用需要在廠房內(nèi)部不同區(qū)域堆放不同的物料,不同物料的使用進(jìn)度不盡相同,造成廠房地面存在局部堆載過高、局部空載的不均勻分布情況。堆載屬于活荷載,設(shè)計(jì)時荷載取值與實(shí)際工況不一定吻合,且作用時間與位置經(jīng)常發(fā)生變化,無規(guī)律可循,其對廠房基礎(chǔ)的影響存在不確定性[1-3]。

        當(dāng)廠房采用樁基礎(chǔ)時,堆載對樁基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的負(fù)摩阻力與側(cè)壓力,若樁基礎(chǔ)承載力安全儲備較大,能夠抵抗、承擔(dān)堆載產(chǎn)生的不利影響,堆載對樁基礎(chǔ)的影響就非常有限。但堆載過大時,其對樁基礎(chǔ)也將產(chǎn)生較大影響。如周勇等[4]采用現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值分析比較的方法研究表明,堆載預(yù)壓時間對樁基負(fù)摩阻力的發(fā)生發(fā)展起到關(guān)鍵影響,當(dāng)堆載超過3個月,樁基負(fù)摩阻力已不明顯。潘曉東等[5]以杭州繞城高速上發(fā)生垮塌的斜交橋梁為案例,考察了土體的物理參數(shù)、堆載高度和斜交角對橋梁結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明土體的彈性模量、堆土高度對橋梁在堆載作用下的橫向位移和內(nèi)力有很大影響。賀志勇等[6]基于某高速公路匝道橋橋側(cè)堆載案例研究表明,橋側(cè)大面積堆土后,匝道橋基礎(chǔ)彎矩增加177.7%,基礎(chǔ)軸力增加27.3%,主墩及上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力無明顯變化。其它學(xué)者也就堆載對樁基礎(chǔ)的影響開展了深入研究[7-11]。

        事實(shí)上,堆載對淺基礎(chǔ)的影響可能更大。某些廠房,由于使用性質(zhì)(如臨時建構(gòu)筑物)和節(jié)約造價的要求,采用了淺基礎(chǔ)型式,堆載可能使淺基礎(chǔ)底部產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力,誘發(fā)較大的變形與傾斜,影響使用功能。本文以某獨(dú)立基礎(chǔ)的攪拌站廠房為例,探討堆載對淺基礎(chǔ)的影響,并對注漿加固的效果進(jìn)行分析,為類似工程提供參考。

        2 廠房工程概況

        某攪拌站廠房長約107.4m,寬約67.1m,占地面積約 7311.6m2,廠房頂部采用網(wǎng)架設(shè)計(jì)。廠房主要用途為砂石骨料堆場大棚,建筑層數(shù)為輕鋼一層。廠房采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ),共設(shè)26根柱子,邊柱尺寸為600×600,中柱尺寸600×800。采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ),基礎(chǔ)埋深約2.0m,基礎(chǔ)尺寸東、西側(cè)邊柱為 4.0m×4.0m,其余為 3.6m×3.6m。柱、梁、基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級為C30,墊層混凝土強(qiáng)度等級為C15。廠房平面布置如圖1所示,實(shí)景圖如圖2所示。

        圖1 廠房結(jié)構(gòu)平面布置圖

        圖2 廠房內(nèi)部實(shí)況

        圖1與圖2所示的擋土墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),墻厚0.50m,墻高3.0m,墻下設(shè)置鋼筋混凝土條形基礎(chǔ),基礎(chǔ)寬度3.70m,埋深 0.50m。內(nèi)部擋土墻主要起到分隔料倉的作用,不同位置的料倉堆放不同的骨料。

        屋蓋采用四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu),網(wǎng)架高度1.9m~3.2m,支承形式:柱點(diǎn),由下部框架柱支承。根據(jù)工程地勘報(bào)告,自上而下土層分別為(如圖3所示)。

        圖3 地質(zhì)剖面圖

        ①雜填土(Q4ml):層厚1.10m~1.50m,灰褐、褐黃色,稍濕,稍密~中密狀態(tài),主要由碎磚、碎石子、黏性土組成。

        ②粉質(zhì)黏土(Q4al+pl):層厚2.36m~6.44m,層底標(biāo)高 1.96m~6.12m?;液?、褐黃色,軟塑~可塑狀態(tài),含氧化鐵等,局部夾有薄層粉土。搖振反應(yīng)無,切面稍光滑,干強(qiáng)度中等,韌性中等。該層單橋靜力觸探試驗(yàn)端阻力Ps平均值為0.91MPa,標(biāo)貫試驗(yàn)實(shí)測擊數(shù)N值一般為3擊/30cm~4擊/30cm,平均值為3.5擊/30cm。此層屬中等偏高壓縮性土。

        ③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(Q4al+pl):層厚10.66m~15.34m,層底標(biāo)高-9.37m~-8.36m。青灰色,流塑狀態(tài),局部軟塑,含大量有機(jī)質(zhì)及貝殼碎屑等,有腥臭味,局部夾有松散狀態(tài)的粉砂。切面粗糙,干強(qiáng)度低,韌性低。該層單橋靜力觸探試驗(yàn)端阻力Ps平均值為0.63MPa,標(biāo)貫試驗(yàn)實(shí)測擊數(shù)N值一般為1擊/30cm~3擊/30cm,平均值為1.90擊/30cm。此層屬高壓縮性土。

        ④粉質(zhì)黏土(Q4al+pl):層厚5.50m~6.50m,層底標(biāo)高-15.37m~-14.56m?;液?、褐黃色,軟塑~可塑狀態(tài),含氧化鐵等,局部夾有薄層粉土、粉細(xì)砂。搖振反應(yīng)無,切面稍光滑,干強(qiáng)度中等,韌性中等。該層單橋靜力觸探試驗(yàn)端阻力Ps平均值為2.04MPa,標(biāo)貫試驗(yàn)實(shí)測擊數(shù)N值一般為5擊/30cm~6擊/30cm,平均值為5.70擊/30cm。此層屬中等偏高壓縮性土。

        ⑤粉細(xì)砂(Q4al+pl):此層未揭穿,揭露厚度0.10m~5.80m,揭露層底標(biāo)高-18.32m~-20.56m?;疑⒒尹S色,飽和,中密狀態(tài),含云母、石英及方解石等礦物。局部夾薄層可塑狀態(tài)粉質(zhì)黏土、稍密狀態(tài)粉土。搖振反應(yīng)迅速,切面粗糙,干強(qiáng)度低,韌性低。標(biāo)貫試驗(yàn)實(shí)測擊數(shù) N值一般為 16擊/30cm~28擊/30cm,平均值為21.2擊/30cm。此層土屬中等壓縮性土。

        土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1與表2所示。廠房地下水類型主要是上層滯水和承壓水。其中上層滯水主要分布于①層填土中。地下水埋藏淺,易蒸發(fā),接受大氣降水、地表水補(bǔ)給,其水位、流量隨季節(jié)有明顯變化。

        各土層強(qiáng)度參數(shù) 表1

        各土層壓縮模量 表2

        3 廠房變形與地基加固方案

        3.1 廠房變形情況

        廠房投入使用后,多個柱子發(fā)生下沉,網(wǎng)架桿件發(fā)生變形。其中③軸交軸、?軸柱頂標(biāo)高沉降超過-0.40m,該位置為料倉填料區(qū),填料高度約為3m~4m;⑦軸交軸、軸軸柱頂標(biāo)高分別沉降0.28m 和 0.354m,該位置為料倉空倉區(qū)。2019年12月26日各柱頂沉降監(jiān)測值見表3所示,相應(yīng)沉降等值線分布如圖4所示。

        各混凝土柱柱頂沉降值(單位:m,2019.12.26數(shù)據(jù)) 表3

        圖4 柱頂沉降等值線分布圖(單位:m,2019.12.26數(shù)據(jù))

        廠房開始投入使用時,各料倉不均勻堆載,中間料倉堆載較大,這是導(dǎo)致廠房的不均勻沉降的主要原因。廠房柱子呈現(xiàn)中柱沉降大、邊柱沉降小的規(guī)律,間接改變了網(wǎng)架(連續(xù)梁超靜定結(jié)構(gòu))的受力狀態(tài),現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)③軸交軸柱頂端網(wǎng)架已經(jīng)與柱端脫離。對部分沉降較大的柱頂,已通過及時釋放柱頂螺栓、采用鋼質(zhì)楔形墊板墊高支點(diǎn)等措施,防止下沉的基礎(chǔ)將網(wǎng)架拉壞。

        當(dāng)廠房的料倉堆載消除后,部分柱頂回升,說明地基土體在卸載狀態(tài)下產(chǎn)生了較大的回彈。結(jié)合土層深度及參數(shù)可知②粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土厚度較大,在堆載、卸載作用回彈效應(yīng)主要發(fā)生在這兩層土體中。

        3.2 地基加固方案

        根據(jù)廠房混凝土柱變形情況,一方面除了對柱頂與網(wǎng)架連接處進(jìn)行墊高處理、釋放不均勻沉降對網(wǎng)架產(chǎn)生的附加應(yīng)力外,另一方面應(yīng)對混凝土柱基礎(chǔ)進(jìn)行加固,減小堆載誘發(fā)柱基產(chǎn)生的不均勻沉降。

        經(jīng)過綜合對比,采用袖閥管對柱基一定范圍的土體進(jìn)行注漿加固,施工方便,綜合費(fèi)用較低,加固效果能滿足相關(guān)要求。注漿參數(shù)如下:注漿鉆孔開孔直徑φ110,袖閥注漿管直徑φ50,注漿孔距離獨(dú)立基礎(chǔ)外輪廓1.0m,注漿孔間距2.0m,漿液水灰比0.6:1,注漿速度5 L/min~30 L/min,注漿壓力0.5MPa~1.0MPa,最終使注漿加固土體寬度超過基礎(chǔ)外輪廓2.0m、深度不小于3.0m。

        以中柱基礎(chǔ)尺寸3.6m×3.6m為例,注漿加固設(shè)計(jì)如圖5與圖6所示。注漿需在基礎(chǔ)周邊較大范圍內(nèi)無堆載時進(jìn)行,若基礎(chǔ)周邊存在堆載,則不宜進(jìn)行注漿加固施工。需等注漿體硬化達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,注漿加固的基礎(chǔ)周邊方可進(jìn)行堆載作業(yè)。

        圖5 袖閥管注漿加固剖面示意圖

        圖6 袖閥管注漿加固平面布置圖

        4 注漿加固效果分析

        現(xiàn)基于有限元方法,探討袖閥管注漿體對減小獨(dú)立基礎(chǔ)沉降的效果。各土層參數(shù)根據(jù)工程勘察報(bào)告確定。注漿體可按彈性材料考慮,參考相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[12-15],注漿體彈性模量 E=20.0MPa、泊松比v=0.25。所探討問題等效為平面應(yīng)變問題,采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行劃分,有限元建模如圖7所示。

        圖7 有限元數(shù)值建模

        數(shù)值計(jì)算考慮的工況為:廠房料倉空倉時,對獨(dú)立基礎(chǔ)底部土體進(jìn)行袖閥管注漿加固,加固結(jié)束后,對料倉地表施加堆載,考察堆載作用下土體的豎向沉降分布特征。

        圖8給出了2.0m高石料堆載作用下,未注漿加固情況下混凝土柱周邊地基土體的豎向沉降等值線分布圖。計(jì)算表明該情況下獨(dú)立基礎(chǔ)發(fā)生的最大豎向沉降為-12.2cm左右,與現(xiàn)場相同堆載情況下柱基的沉降監(jiān)測值較接近。

        圖8 未加固時堆載導(dǎo)致土體產(chǎn)生的豎向沉降等值線分布圖(單位:cm)

        圖9給出了注漿體厚度3.0m情況下,2.0m高石料堆載作用下地基土體的豎向沉降等值線分布圖??梢?,注漿加固后,混凝土柱基底加固區(qū)域內(nèi)的豎向沉降所有減小,加固體內(nèi)的沉降分布較均勻。

        圖9 注漿厚度3m后堆載導(dǎo)致土體產(chǎn)生的豎向沉降等值線分布圖(單位:cm)

        圖10進(jìn)一步給出了注漿(厚度3.0m)前后獨(dú)立基礎(chǔ)底部水平斷面的豎向沉降分布情況??梢?,未注漿時,堆載使獨(dú)立基礎(chǔ)產(chǎn)生的豎向沉降為-12.16cm;設(shè)置厚度3.0m的注漿體后,堆載使獨(dú)立基礎(chǔ)產(chǎn)生的豎向沉降為-10.75cm。袖閥管注漿使獨(dú)立基礎(chǔ)豎向沉降減小了11.60%。

        圖10 注漿(厚度3m)前后基底水平斷面豎向沉降對比分析

        分析地質(zhì)條件可知,基底存在厚度較大的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層,堆載作用下的土體沉降主要由其產(chǎn)生。若注漿體厚度增大,可能對減小基礎(chǔ)豎向沉降更有利。圖11給出了柱基豎向沉降與注漿體厚度之間的相互關(guān)系,如注漿體厚度為6m、8m時,柱基豎向沉降分別為-9.91cm、-9.18cm。圖12給出了注漿體厚度6.0m情況下地基土體的豎向沉降等值線分布圖。

        圖11 基礎(chǔ)豎向沉降與注漿體厚度之間的相互關(guān)系

        圖12 注漿厚度6m后堆載導(dǎo)致土體產(chǎn)生的豎向沉降等值線分布圖(單位:cm)

        總體上看,與傳統(tǒng)工程的注漿加固相比,本工程的注漿效果并不明顯。如設(shè)置厚度8.0m的注漿體后,注漿使獨(dú)立基礎(chǔ)豎向沉降減小了24.51%。這是由于③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚度較大的緣故,該土層屬于高壓縮性土,如注漿體未透過該土層,注漿體仍會與周邊軟弱土層一起發(fā)生較大的變形。對于該類工程地質(zhì)條件,如果為永久性建(構(gòu))筑物,采用樁基礎(chǔ)更合適。

        由于本工程早已建成并投入使用,采用袖閥管注漿進(jìn)行地基補(bǔ)強(qiáng)加固,施工簡便,造價相對較低,對減小基礎(chǔ)繼續(xù)惡化變形具有一定幫助。且所提攪拌站廠房屬于臨時性建(構(gòu))筑物,在所服務(wù)的周邊工程建設(shè)竣工后,廠房將不再提供混凝土攪拌服務(wù),后續(xù)將進(jìn)行拆除處理。故對于所提攪拌站廠房來說,采用袖閥管注漿加固地基仍為性價比較高的措施之一。

        5 結(jié)論

        以某廠房獨(dú)立基礎(chǔ)為例,介紹了堆載使混凝土柱產(chǎn)生的不均勻沉降情況,并對袖閥管注漿加固的處治措施進(jìn)行了分析,對比分析表明:

        ①廠房地基土體中存在厚度較大的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層,在各料倉較大的不均勻堆載作用下,廠房產(chǎn)生了較大的不均勻沉降。當(dāng)廠房的料倉堆載消除后,部分柱頂回升,說明地基土體在卸載狀態(tài)下產(chǎn)生了較大的回彈。

        ②廠房獨(dú)立基礎(chǔ)底部設(shè)置厚度3.0m的注漿體后,獨(dú)立基礎(chǔ)豎向沉降減小了11.60%。注漿效果并不明顯,這是由于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚度較大且屬于高壓縮性土,如注漿體未透過該土層,注漿體仍會與周邊軟弱土層一起發(fā)生較大的變形。

        ③所提工程早已建成并投入使用,采用袖閥管注漿進(jìn)行地基補(bǔ)強(qiáng)加固,施工簡便,造價相對較低,對減小基礎(chǔ)繼續(xù)惡化變形具有一定幫助。所提攪拌站廠房屬于臨時性建(構(gòu))筑物,采用袖閥管注漿加固地基仍為性價比較高的措施之一。

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