灰土墊層掏土糾偏有限元分析

趙子玉 廉竹清 賈吉龍

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000； 2.張家口中房房地產(chǎn)開發(fā)公司，河北 張家口 075000)

我國(guó)從20世紀(jì)中葉開始興起糾偏技術(shù)，且發(fā)展迅速，新技術(shù)，新工藝和新方法不斷涌現(xiàn)，給糾偏加固注入新的活力。我國(guó)的一些學(xué)者和工程技術(shù)人員進(jìn)行了一系列的理論研究與應(yīng)用。但目前針對(duì)建筑物糾偏技術(shù)的研究重點(diǎn)更多著眼于原狀土地基建筑物的掏土糾偏工程，而忽略了掏土糾偏技術(shù)用于灰土墊層的研究。本文結(jié)合某磚混結(jié)構(gòu)住宅掏土糾偏工程，本工程在灰土墊層中進(jìn)行掏土，出現(xiàn)成孔后不易塌孔的現(xiàn)象。本文建立有限元模型，分析灰土配比、孔徑及孔間凈距等因素對(duì)建筑物糾偏效果的影響規(guī)律。

1 工程概況

本工程位于張家口市，該建筑為地下1層、地上6層的磚混結(jié)構(gòu)住宅，基礎(chǔ)類型為鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，地下室層高為2.4 m，1層～6層層高為2.8 m，6號(hào)樓總長(zhǎng)為78.9 m，寬12 m，建筑面積為6 783.16 m2，在軸和軸之間有分隔縫，基礎(chǔ)在分隔縫處相連，該建筑于2010年竣工。

2 有限元ABAQUS分析

本文采用ABAQUS有限元模擬灰土墊層的掏土糾偏過程，有限元模型分為條形基礎(chǔ)和灰土墊層兩部分，其中不考慮掏土過程對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，只利用條形基礎(chǔ)施加均布荷載，故將條形基礎(chǔ)視為一個(gè)剛度很大的整體。

2.1 有限元模型參數(shù)

利用ABAQUS分析時(shí)，灰土墊層作為彈塑性材料，計(jì)算參數(shù)有：彈性模量(elastic)、泊松比(ratio)、內(nèi)摩擦角(friction)、粘聚力(cohesion)、密度(density)等；條形基礎(chǔ)作為理想彈性體，計(jì)算參數(shù)：彈性模量(elastic)、泊松比(ratio)、密度(density)。

根據(jù)參考文獻(xiàn)和土工試驗(yàn)，材料計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2.2 建立有限元模型

因模型龐大且具有對(duì)稱性，為減少計(jì)算時(shí)間，該模型取東側(cè)1/2單元，沉降觀測(cè)點(diǎn)北側(cè)選取5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)，南側(cè)選取10號(hào)觀測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。

表1 材料主要物理力學(xué)指標(biāo)

為與實(shí)際工程盡量保持一致，部件信息與工程實(shí)際相近。本文灰土墊層取11.5 m×17 m×2 m(長(zhǎng)×寬×高)的立方體；上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為在8.5 m×14 m的范圍內(nèi)寬為1.8 m的條形基礎(chǔ)，其高為0.2 m，采用彈性模量接近鋼材性質(zhì)材料來達(dá)到均布荷載的目的。灰土墊層和條形基礎(chǔ)的裝配如圖2所示。

2.3 其他設(shè)置參數(shù)

設(shè)置接觸面：條形基礎(chǔ)設(shè)為主面，灰土墊層設(shè)為縱面；約束采用綁定約束。

加載方式：在剛性體條形基礎(chǔ)上施加180 kPa的均布荷載；堆載范圍為南側(cè)條形基礎(chǔ)，由外向里延伸0.9 m，施加21.7 kPa的均布荷載。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 灰土墊層沉降分布

根據(jù)本工程的工程質(zhì)量鑒定報(bào)告，10號(hào)(南側(cè))觀測(cè)點(diǎn)沉降-217 mm，5號(hào)(北側(cè))觀測(cè)點(diǎn)沉降-557 mm，南北兩側(cè)沉降差為340 mm，建筑傾斜率為17.7‰。按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，建筑物的傾斜率不大于4‰，故在南側(cè)進(jìn)行掏土，以扶正該建筑物。如圖3～圖5所示，按照掏土糾偏試驗(yàn)的掏土程序，在模型灰土墊層中進(jìn)行掏土以及在條形基礎(chǔ)上進(jìn)行堆載。掏土、加載完畢后，分別得到1∶9,2∶8,3∶7灰土墊層和條形基礎(chǔ)組合的豎向剖面的豎向位移云圖。

3.2 掏土、堆載時(shí)灰土墊層沉降量

通過ABAQUS有限元模擬的方法，分別得出1∶9,2∶8,3∶7灰土墊層5號(hào)和10號(hào)觀測(cè)點(diǎn)在掏土過程中沉降量的變化，繪制其變化曲線圖如圖6所示。

結(jié)果表明：灰土墊層沉降量隨著掏土孔的增大以及孔間凈距的減小而增加；在數(shù)值模擬過程中，5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)沉降量不顯著，10號(hào)觀測(cè)點(diǎn)為最大沉降點(diǎn)，其最大沉降量分別為-89.47 mm,-30.84 mm及-23.39 mm，大小關(guān)系為1∶9灰土墊層> 2∶8灰土墊層>3∶7灰土墊層；在實(shí)際掏土糾偏工程中，應(yīng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)觀測(cè)點(diǎn)的沉降量，并嚴(yán)格控制糾偏速率的規(guī)定范圍內(nèi)；如果糾偏速率接近規(guī)范允許最大值，應(yīng)停止掏土，加大監(jiān)測(cè)頻率，并采取措施，避免糾偏過快給建筑物造成二次損壞。

同時(shí)計(jì)算出5號(hào)和10號(hào)觀測(cè)點(diǎn)在掏土過程中沉降差的變化，記錄掏土前后從5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)到10號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的沉降差，繪制其曲線圖如圖7所示。

結(jié)果表明：從5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)到10號(hào)觀測(cè)點(diǎn)，沉降差大體呈線性增加，1∶9灰土墊層沉降差增加較為顯著，2∶8,3∶7灰土墊層沉降差曲線幾乎重合，其沉降差值分別為-37.79 mm,-7.25 mm及-7.23 mm；在實(shí)際工程中，由于建筑物兩側(cè)沉降差較大，故需要將變形后的掏土孔進(jìn)行檢查、清孔、重新成孔，反復(fù)多次，直至達(dá)到糾偏規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文應(yīng)用ABAQUS對(duì)張家口市某磚混結(jié)構(gòu)住宅糾偏工程進(jìn)行有限元模擬。結(jié)合實(shí)際工程資料和掏土試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，模擬1∶9,2∶8,3∶7灰土墊層在掏土過程中沉降量變化以及沉降差的變化，得出以下結(jié)論：1)灰土墊層沉降量隨著掏土孔的增大以及孔間凈距的減小而增加；沉降差由5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)向10號(hào)觀測(cè)點(diǎn)線性增長(zhǎng)。2)在實(shí)際工程中，建筑物傾斜量遠(yuǎn)大于有限元模擬計(jì)算結(jié)果，故在灰土墊層中采用掏土糾偏技術(shù)，應(yīng)注意當(dāng)孔徑足夠大、孔間凈距足夠小時(shí)宜停止擴(kuò)孔，并反復(fù)將變形后的橢圓孔擴(kuò)為孔徑不變的圓孔，直至傾斜率小于4‰為止，達(dá)到糾偏要求。最后，進(jìn)行灌漿，填充掏土孔，使基礎(chǔ)不再下沉，工程完畢。

參考文獻(xiàn)：

[1] 平 洋.建筑物水平掏土糾偏技術(shù)理論分析與應(yīng)用研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué),2011.

[2] 陳玉清.建筑物掏土糾偏技術(shù)影響因素分析與研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué),2014.

[3] 蘆 葦.磚石古塔掏土糾偏過程模擬分析[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2014.

[4] 姚爾可.磚混結(jié)構(gòu)房屋糾偏加固技術(shù)研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2010.

[5] 王運(yùn)棟.掏土糾偏法作用機(jī)理的分析研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

[6] 費(fèi) 康，彭 劼.ABAQUS巖土工程實(shí)例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2017.

[7] GB 50007—2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8] JGJ 123—2012,既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范[S].

[9] GB 50292—2015，民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)[S].