既有建筑物不均勻沉降的最優注漿加固范圍研究

劉秋平

摘要：為研究既有建筑物不均勻沉降的最優注漿加固范圍，以成都市某商城的地基加固工程為例，通過ABAQUS建立數值模型進行計算，分析不同加固深度和加固長度條件下注漿加固的效果，所得結論如下：地基沉降值隨地基深度的增大而逐漸減小，軟弱層對應位置的地基沉降程度大于相同深度其他位置，產生地基不均勻沉降現象。地基沉降值隨加固深度的增大而減小，加固深度大于軟弱層深度時，地基不均勻沉降基本消失，最優加固深度為6.6m。當加固長度達到20m時，由于軟弱層的存在導致的地基不均勻沉降基本被消除，選取最優加固長度為20m。

關鍵詞：既有建筑物；不均勻沉降；注漿加固范圍；數值計算；ABAQUS

0? ?引言

目前，在建筑工程中仍然存在很多亟需解決的問題，其中之一就是既有建筑的地基的不均勻沉降問題。產生沉降的內在原因是土體的壓縮性，因此在建筑施工和使用階段必然會產生地基沉降。地基土受上部荷載和外界環境的作用，導致不同位置處產生的沉降量不同，若地基的不均勻沉降超出了規范要求，可能會導致建筑內墻體開裂、結構傾斜甚至倒塌[1]。

目前針對既有建筑的不均勻沉降及控制措施的研究已取得較多成果。周其健等[2]通過對建筑場地的沉降、裂縫等現象的調查，分析地基差異沉降影響因素，深入剖析了該紅層地基產生差異沉降的原因。佟道林[3]基于某框架結構，對其在地基不均勻沉降條件下施加地震荷載，研究了結構在地基不均勻沉降下的內力變化和抗震性能。高鵬飛等[4]研究了建筑在濕陷性黃土地基上產生不均勻沉降的原因以及地基不均勻沉降影響范圍，并基于此提出了合理加固方案。魏常寶等[5]針對大厚度的濕陷性黃土地基的既有建筑出現不均勻沉降后的檢測與加固設計方法進行研究。汪過兵等[6]依托濕陷性黃土地基上的某中學三層教學樓的止傾加固實際工程，研究注漿花鋼管樁對地基不均勻沉降的處理效果。

為研究利用注漿加固處理既有建筑地基不均勻沉降的最優注漿加固范圍，本文以成都市某商城的地基加固工程為例，通過ABAQUS建立數值模型進行計算，分析不同加固深度和加固長度條件下注漿加固的效果，以期對工程實踐起到一定的指導作用。

1? ?工程概況

成都市某商城的地基加固工程的總建筑面積為20萬m2，由高層辦公樓A棟、B棟、裙房和4層大底盤地下室組成，其中地下建筑面積72308m2，基礎埋深為3.6m。該房屋始建于2012年，2017年初發現該房屋有不均勻沉降導致的開裂，2018年3月開始進行沉降觀測。

沉降觀測和裂縫分布表明，B棟中部有較大的沉降。雖然目前的地基沉降和上部結構傾斜程度暫未超過規范允許的范圍，但考慮到地基沉降的發展仍在繼續，不均勻沉降程度呈現加劇的趨勢，為防止地基不均勻沉降進一步惡化，需要對地基進行加固處理。擬采取注漿加固的措施，并對加固后地基的后續沉降進行監測。

2? ?數值模型建立

結合現場巖土工程勘察結果，得到地基土從地表向下分別為：厚度為2.5m雜填土、厚度為3.2m粉質黏土、厚度為2.3m粉土、厚度為2.2m黏土（軟弱層）、厚度為5.6m粉土、厚度為4.9m粉質黏土。

利用ABAQUS軟件建立模型并進行分析。建立計算模型時，應在保證其符合實際情況的基礎上盡可能簡化計算模型。本文通過在模型上部直接施加均布荷載的方式模擬上部結構荷載，均布荷載為130.0kPa，不考慮上部結構和基礎的剛度對荷載分布的影響。

模型的計算尺寸為：長293.4m，寬38.7m，高20.7m。有限元模型示意圖如圖1所示，考慮到地下室的存在，故不能將地表的沉降看作為地基沉降，本文監測的地基沉降數據為圖1中線L處的土體位移。

地基土體采用摩爾-庫倫模型，在設置模型的邊界條件時，分別對前后左右4個土體邊界進行約束，限制地基的水平位移，在模型底部設置水平和豎直約束。各地層的巖土體物理力學參數取值如表1所示。加固區土體參數取值如表2所示。

3? ?注漿加固范圍對加固效果的影響

為研究注漿加固范圍對地基加固效果的影響，本節考慮選取加固寬度與建筑寬度相同，設置不同的加固深度和加固長度計算工況，對不同工況下的地基沉降進行分析，確定注漿加固的最優范圍。

3.1? ?未加固條件下的地基沉降

通過數值計算，得到未經注漿加固下的不同深度的地基沉降如圖2所示。從圖2可以看出，隨著地基深度的不斷增大，地基沉降值逐漸減小。在地基深度范圍為0～4.4m的區間內，由于地基中存在軟弱層，在軟弱層位置（-10m＜x＜5m），地基沉降程度明顯增大，大于相同深度其他位置的地基沉降值，出現地基不均勻沉降現象。該范圍內的基礎出現應力集中現象，導致基礎發生開裂。

在地基深度范圍為6.6～12.2m的區間內，由于地基深度較大且軟弱層向下傳遞荷載的能力較弱，因此該深度范圍內的地基沉降值較小，且軟弱層位置對應的x方向范圍內的地基沉降值，略小于相同深度其他位置的土體沉降值。

3.2? ?最優加固深度的確定

利用注漿加固的方法對地基進行加固時，加固區范圍是由漿液擴散半徑確定的，同時注漿區內的土體參數受多方面的影響，本文考慮將加固區范圍內的土體看作一個整體。

假定加固區的長度為建筑長度，設置加固深度分別為2.1m、4.4m、6.6m、12.2m等4種工況，得到不同工況下的地基沉降數據，確定最優加固深度。不同加固深度條件下的地基沉降如圖3所示，不同加固深度下注漿加固條件與未加固條件的地基沉降差如圖4所示，不同加固深度條件下軟弱層對應范圍內的沉降減小率如表3所示。

如圖3和圖4所示，隨著加固深度的逐漸增大，地基沉降逐漸減小，注漿加固后的地基沉降與未加固情況下的地基沉降之間的差值逐漸增大。

當加固深度小于軟弱層深度（＜4.4m）時，由于注漿加固未能消除軟弱層對地基沉降的不利影響，軟弱層位置（-10m＜x＜5m）的地基沉降程度，仍然較相同深度其他位置處的地基沉降大，地基不均勻沉降現象較為明顯。

當加固深度大于軟弱層深度（h＞6.6m）時，軟弱層在注漿加固范圍內，注漿加固消除了軟弱層對地基沉降的不利影響，在軟弱層位置（-10m＜x＜5m）的地基沉降程度，與相同深度其他位置處的地基沉降基本相同，地基不均勻沉降基本消失。

如表3所示，軟弱層對應范圍內的沉降減小率隨著注漿加固深度的增大逐漸增大，當加固深度超過軟弱層深度時，即由4.4m增大到6.6m時，沉降減小率從28.85%、29.79%迅速增大到46.55%、43.17%，說明當加固深度超過軟弱層深度后，注漿加固的效果得到了很大提升。當加固深度超過6.6m后繼續增大加固深度，加固效果仍有提升，但提升幅度逐漸減小。

綜上，當注漿加固深度未達到軟弱層深度時，加固效果不理想，當注漿加固深度剛好超過軟弱層深度時，注漿加固可消除軟弱層導致的不利影響，減小地基的不均勻沉降。當超過軟弱層深度后繼續增大注漿加固深度，加固效果的提升幅度逐漸減小，但施工難度和施工成本逐漸升高。故綜合考慮加固效果和經濟因素，選取最優加固深度為6.6m。

3.3? ?最優加固長度的確定

基于上文中得到的最優加固深度6.6m和假定的加固區長度為建筑長度，設置加固長度分別為10m、20m、30m、40m、50m等5種工況，得到不同工況下的地基沉降數據。不同加固長度條件下的地基沉降如圖5所示，不同加固長度條件下軟弱層對應范圍內的沉降減小率如表4所示。

如圖5所示，在加固深度為最優加固深度的條件下，加固長度范圍內的地基沉降值明顯較小，因軟弱層導致的地基不均勻得到了明顯改善。隨著加固長度的逐漸增大，加固長度范圍以外的地基沉降值也逐漸呈現減小的趨勢。

當加固長度達到20m時，加固長度的范圍已經覆蓋軟弱層對應位置范圍時，軟弱層的存在導致的地基不均勻沉降基本消除，雖然此時在加固區兩側存在不均勻沉降，但未超過規范要求的范圍。

如表4所示，軟弱層對應范圍內沉降減小率，隨著注漿加固長度的增大逐漸增大，當加固長度由10m增大到20m時，沉降減小率從27.41%、34.91%迅速增大到43.59%、42.89%，說明當加固長度超過20m后，注漿加固的效果得到了很大提升。當加固長度超過20m且繼續增大時，注漿加固的效果依然有一定程度的提升，但提升幅度逐漸減小。

綜上，考慮到該注漿工程的重點是消除軟弱層引起的地基不均勻沉降，綜合考慮加固效果和經濟因素，選取最優加固長度為20m。

4? ?結束語

本文以成都市某商城的地基加固工程為例，通過ABAQUS建立數值模型進行計算，分析不同加固深度和加固長度條件下注漿加固的效果，所得結論如下：

地基沉降值隨地基深度的增大而逐漸減小，軟弱層對應位置的地基沉降程度大于相同深度其他位置，產生地基不均勻沉降現象。地基沉降值隨加固深度的增大而減小，加固深度大于軟弱層深度時，地基不均勻沉降基本消失，最優加固深度為6.6m。當加固長度達到20m時，由于軟弱層的存在導致的地基不均勻沉降基本被消除，選取最優加固長度為20m。

參考文獻

[1] 楊亞欣. 既有建筑物不均勻沉降的注漿加固處理與數值分析[D].天津：河北工業大學，2017.

[2] 周其健，郭永春，屈智輝，等.某紅層地基差異沉降原因分析[J].建筑科學，2020，36（11）：101-106.

[3] 佟道林.地基不均勻沉降對上部框架結構影響的靜動力分析[J].建筑結構，2022，52（S1）：2416-2422.

[4] 高鵬飛，陳浩.某框架結構不均勻沉降原因分析及病害診治技術研究[J].建筑結構，2022，52（S2）：1867-1872.

[5] 魏常寶，滕文川，錢銘.某大厚度濕陷性黃土場地既有建筑不均勻沉降地基基礎檢測鑒定與加固設計[J/OL].建筑結構：1-10[2023-04-14].

[6] 汪過兵，裴先科，姜偉等.濕陷性黃土地區某三層砌體結構教學樓止傾加固研究[J].工程抗震與加固改造，2023，45（1）：135-140.