灰土墊層掏土糾偏有限元分析

趙子玉 廉竹清 賈吉龍

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000； 2.張家口中房房地產開發公司，河北 張家口 075000)

我國從20世紀中葉開始興起糾偏技術，且發展迅速，新技術，新工藝和新方法不斷涌現，給糾偏加固注入新的活力。我國的一些學者和工程技術人員進行了一系列的理論研究與應用。但目前針對建筑物糾偏技術的研究重點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用于灰土墊層的研究。本文結合某磚混結構住宅掏土糾偏工程，本工程在灰土墊層中進行掏土，出現成孔后不易塌孔的現象。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建筑物糾偏效果的影響規律。

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層的磚混結構住宅，基礎類型為鋼筋混凝土條形基礎，地下室層高為2.4 m，1層～6層層高為2.8 m，6號樓總長為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和灰土墊層兩部分，其中不考慮掏土過程對上部結構的影響，只利用條形基礎施加均布荷載，故將條形基礎視為一個剛度很大的整體。

2.1 有限元模型參數

利用ABAQUS分析時，灰土墊層作為彈塑性材料，計算參數有：彈性模量(elastic)、泊松比(ratio)、內摩擦角(friction)、粘聚力(cohesion)、密度(density)等；條形基礎作為理想彈性體，計算參數：彈性模量(elastic)、泊松比(ratio)、密度(density)。

根據參考文獻和土工試驗，材料計算參數如表1所示。

2.2 建立有限元模型

因模型龐大且具有對稱性，為減少計算時間，該模型取東側1/2單元，沉降觀測點北側選取5號觀測點，南側選取10號觀測點，如圖1所示。

表1 材料主要物理力學指標

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

2.3 其他設置參數

設置接觸面：條形基礎設為主面，灰土墊層設為縱面；約束采用綁定約束。

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

3 計算結果及分析

3.1 灰土墊層沉降分布

根據本工程的工程質量鑒定報告，10號(南側)觀測點沉降-217 mm，5號(北側)觀測點沉降-557 mm，南北兩側沉降差為340 mm，建筑傾斜率為17.7‰。按照《建筑地基基礎設計規范》規定，建筑物的傾斜率不大于4‰，故在南側進行掏土，以扶正該建筑物。如圖3～圖5所示，按照掏土糾偏試驗的掏土程序，在模型灰土墊層中進行掏土以及在條形基礎上進行堆載。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組合的豎向剖面的豎向位移云圖。

3.2 掏土、堆載時灰土墊層沉降量

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號和10號觀測點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；在數值模擬過程中，5號觀測點沉降量不顯著，10號觀測點為最大沉降點，其最大沉降量分別為-89.47 mm,-30.84 mm及-23.39 mm，大小關系為1∶9灰土墊層> 2∶8灰土墊層>3∶7灰土墊層；在實際掏土糾偏工程中，應時刻監測觀測點的沉降量，并嚴格控制糾偏速率的規定范圍內；如果糾偏速率接近規范允許最大值，應停止掏土，加大監測頻率，并采取措施，避免糾偏過快給建筑物造成二次損壞。

同時計算出5號和10號觀測點在掏土過程中沉降差的變化，記錄掏土前后從5號觀測點到10號觀測點的沉降差，繪制其曲線圖如圖7所示。

結果表明：從5號觀測點到10號觀測點，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；在實際工程中，由于建筑物兩側沉降差較大，故需要將變形后的掏土孔進行檢查、清孔、重新成孔，反復多次，直至達到糾偏規范要求。

4 結語

本文應用ABAQUS對張家口市某磚混結構住宅糾偏工程進行有限元模擬。結合實際工程資料和掏土試驗相關參數，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號觀測點向10號觀測點線性增長。2)在實際工程中，建筑物傾斜量遠大于有限元模擬計算結果，故在灰土墊層中采用掏土糾偏技術，應注意當孔徑足夠大、孔間凈距足夠小時宜停止擴孔，并反復將變形后的橢圓孔擴為孔徑不變的圓孔，直至傾斜率小于4‰為止，達到糾偏要求。最后，進行灌漿，填充掏土孔，使基礎不再下沉，工程完畢。

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