基礎沉降對框架結構的反應分析及加固研究

張曉禹

中國建筑第二工程局有限公司西南分公司 重慶 400020

井工采礦、深基坑開挖、地鐵等地下淺埋設施建設會產生基礎沉降，引起地表建筑物的結構力學反應，可能導致地表建筑物結構力學失穩等，如不能對地表建筑物進行充分加固，則可能導致較嚴重的后果。其中，井工開采中的大采高長臂冒落式開采過程，可能會在地表導致采高七成左右的地表沉降，此沉降過程的核心影響地區必須全面征遷，但邊緣地區的沉降范圍劃分及其建筑物加固保護工程，需經過嚴格的結構力學分析。地鐵等地下淺埋設施建設，特別是基于盾構掘進的淺埋地下設施建設，對地表建筑的影響也較為直接，一般需要保留所有地表建筑物，并對其制定合理且充分的加固策略。

譚志催等[1]對某框架結構建筑突發性樓面磚墻開裂過程進行了建模分析，認為其根本原因與基礎沉降有關。方祥明[2]針對大型全框架廠房在基礎沉降過程中產生的樓面、地面缺陷，闡述了基于伸縮縫的綜合治理方案。秦東平等[3]研究了基于盾構挖掘法的淺埋隧道施工對鄰近混凝土框架結構建筑物的影響傳導機制，并對其進行了結構力學建模分析。曹繼喜[4]研究了淺埋暗挖鐵路隧道對既有混凝土結構鐵路框架橋的結構力學影響，該研究雖不是對框架式民用建筑的結構力學應力分析，但鐵路框架橋的鋼筋混凝土框架結構仍有一定代表性。以上研究中，地下施工對基礎的應變傳導機制、基礎應變對基礎應力的傳導機制、基礎應力對混凝土框架結構的應變傳導機制，可以在有限元模型中進行充分分析，并可利用該分析策略，對相應的加固方案進行針對性比較分析，從而得出對應的解決方案。

本文對某框架混凝土結構的加固方案進行有限元建模分析，從而選擇了合理的框架混凝土結構民用建筑加固方案。

1 基本情況

1.1 框架混凝土民用建筑的基本情況

某居民區中單體建筑屬于混凝土框架結構，地上22層，地下1層，建筑物層高2.9 m，地上高度68.8 m，地下室高度4.5 m，施工基坑深度6.7 m，地下結構含地下室及建筑基礎高度5.5 m。該居民區共包含22層混凝土框架結構建筑19棟，該建筑屬于其中的第12棟。因該棟建筑受到本次暗挖地鐵段沉降影響，故對其進行單獨分析。該建筑基礎與第8、9、13、14棟建筑基礎構成聯合地下室結構，用作居民區停車場及其他附屬設施的布置空間，同時形成聯合基礎。其基礎結構如圖1所示。

圖1 建筑基礎基本構造（平面）

圖1中，隧道影響區下穿第12棟基礎，而第12棟基礎共有8組灌注法深樁基至穩定基巖，基巖頂板埋深42 m，2條地鐵隧道自深樁基間穿過。此穿過模式將對深樁基自身穩定性產生直接影響，且隧道本身帶來的頂板壓力，也會對聯合地梁、一體澆筑基礎等結構帶來應力應變擾動。第12棟附近的基礎立面如圖2所示。

圖2 隧道掘進影響區附近基礎立面

圖2中，聯合地梁為矩形斷面，寬度450 mm、高度430 mm；深樁基為圓形斷面，直徑450 mm；一體澆筑基礎整體厚度500 mm。建筑物基礎層最大厚度950 mm，最小厚度500 mm，基礎下部為深度填充夯土層。深樁基向上延伸為建筑物梁柱使用，其他梁柱自一體澆筑基礎生根，共同構成建筑物上部框架結構。2條盾構隧道自建筑物深樁基間穿過，頂板距離聯合地梁下部約8.5 m。建筑物施工設計期間，按照第四系發育地層條件下抗震烈度8級進行設計。

1.2 地下淺埋隧道掘進工程的基本情況

項目區為某城市地鐵14號線工程，穿過城市近郊區，采用雙隧道明挖加暗挖掘進方式，與本文相關區段采用盾構機暗挖方式通過。隧道開挖直徑6.2 m，內部有效直徑5.5 m，隧道穿過項目區12棟建筑基礎區域，其深樁基最小間距9.2 m，隧道頂板中線距離該建筑硬基礎最低處的最小距離為8.5 m。

項目區第四系發育，厚度37～42 m，為海河沖積平原沉積地貌，共分為5個地質亞層，自上而下分別為人工填土層（厚0～4 m）、穩定填土層（厚3～7 m）、砂質土層（厚15～19 m）、黏土層（厚17～22 m）、粉砂質土層（厚0～7 m）。部分地層在部分區域有缺失。基巖為奧陶系灰巖，鉆孔最深進入13 m，未探及底板。其中，砂質土層淺埋非承壓地下水發育，涌水量100～230 m3/h。隧道開挖過程中需要地下水控制措施，地表無建筑物影響條件下，采用強排法控制地下水，所述區域前后各100 m使用帷幕注漿法控制地下水。

該淺埋隧道穿過項目區12棟基礎附近的斷面如圖3所示。

圖3 隧道下穿建筑物基礎示意

圖3中，隧道下穿該建筑基礎過程中，因建筑下部深樁基分布較密，且隧道轉彎半徑受到地鐵設計要求，隧道并非正交穿過建筑物基礎，所以，雖然隧道掘進直徑6.2 m與建筑地梁最小間距9.2 m之間有3.0 m的富余，但在實際設計過程中，其側壁與建筑物樁基礎的最小距離僅0.7 m，掘進過程將給建筑物基礎帶來較大擾動。上覆土層共涉及2層，其中，穩定填土層厚度3～7 m，隧道整體從厚度17～19 m的富含水砂質土層中穿過，隧道與建筑物深樁基的鄰近點位于砂質土層中。

2 有限元分析的建模策略

2.1 隧道擾動下的應力分析

分析建筑物基礎結構，其對下覆巖層產生的整體壓力為16.8 kN/m3，其中大部分壓力經深樁基傳導至基巖（奧陶系灰巖）中，且建筑物地梁及一體澆筑基礎的總承力達到45 MPa，故應以實測土層壓力為準，其基本實測思路為：用測得固定深度的實際壓力值，減去計算所得相應深度的土層壓力，即為實際建筑傳導至土層的壓力值。

在該分析思路下，隧道掘進過程中對建筑物深樁基和聯合地梁產生的應變是影響建筑物基礎穩定性的關鍵因素，即在建筑物基礎加固方案中，應充分控制建筑物深樁基及聯合地梁的應變量。

實測建筑物地梁的強度為45 MPa，最大彈性應變為36.7 mm/m，澆筑深樁基的強度為37 MPa，最大彈性應變為29.3 mm/m，所以，應在此基礎上結合相應土層的應力參數進行有限元模型設計。

2.2 有限元建模

將圖3中架構進行簡化，形成圖4中的有限元分析模型。

圖4 有限元等效分析模型示意

對圖4中3D模型進行有限元分解，有限元規模為0.1 m×0.1 m×0.1 m，故橫向劃分為121個有限元單元，縱向劃分為200個有限元單元，分析深度為100個有限元單元。根據前文分析的應力分布情況，可得圖5。

圖5 結構受力分析

圖5中，B、f1、f2、f3為隧道頂板、底板及兩側的應力，Br為建筑物對頂梁的壓力，B1、B2為不同距離條件下的建筑物深樁基應力。將圖3中數據輸入到圖4有限元模型中，對其不同擾動條件和不同加固策略下的結構應變進行分析。

3 不同加固條件下的建筑物基礎結構應變分析

3.1 不加固條件下的掘進擾動

首先采用直接掘進通過的方式進行隧道施工，在CAE有限元平臺下觀察掘進過程對建筑物基礎的擾動情況，如圖6所示。

圖6中，如果采用不加固方式直接掘進，設定掘進擾動到完成預制砌塊被動支護之間的最大時間間隔為3 h，則3 h內建筑基礎將產生超過容許值的應變，達到深樁基結構的試驗最大容許應變值29.3 mm/m。分析結果中，距離較近的深樁基（0.7 m）局部產生了試驗中的最大容許應變值，距離較遠的深樁基（2.3 m）及聯合地梁局部，均產生了超過25.0 mm/m的危險應變。

故可認為，直接進行掘進通過而不對建筑物基礎進行有效加固，極有可能導致建筑物深樁基及其他基礎結構發生結構破壞。

3.2 帷幕注漿條件下的掘進擾動

前文分析中，該隧道的掘進擾動給建筑物基礎帶來的擾動主要來自2個方面：一是掘進過程中巖土壓力導致的巖土位移對建筑物基礎結構產生擾動；二是掘進過程的較大規模地下水涌出，導致局部淺層地下水水位下降，加劇土層位移，最終給建筑物基礎結構帶來額外壓力。故采用帷幕注漿法，在隧道通過建筑物基礎前后外延100 m距離對隧道土層周圍5 m進行帷幕注漿，一方面阻止地下水涌出，另一方面可使土層持力從16 MPa提升到22 MPa，從而實現對建筑物基礎的初步加固。該模式下進行CAE平臺的有限元分析，可得分析結果如圖7所示。

圖6 直接掘進條件下的 建筑物基礎應變

圖7 帷幕注漿條件下的 建筑物基礎應變

圖7中，雖然建筑物基礎結構的應變狀態顯著優于直接掘進法，但仍有一定體積的較近深樁基（0.7 m）結構發生了超出29.3 mm/m的結構應變。該體積較直接掘進方案下的應變發生體積顯著縮小，但仍可判定該方案將給建筑基礎帶來較大程度的破壞。

同時，該分析表明，在建筑物基礎附近選擇適當方案對建筑基礎進行加固，可以充分優化掘進過程對建筑物基礎的穩定性影響。

3.3 加強注漿條件下的掘進擾動

結合上述分析結果，選擇在隧道掘進通過建筑物基礎部分時，對建筑物基礎部分進行加強劈裂注漿，使樁基礎周圍2.0 m內的整體土層持力達到25 MPa，并同時采用帷幕注漿法，確保3.2中隧道周圍5 m的帷幕注漿得到有效執行。此時掘進過程中，掘進擾動到完成預制砌塊被動支護之間的最大時間間隔延長至5 h，對建筑物基礎結構的應變特征進行分析，可得圖8。

圖8 加強注漿條件下的建筑物基礎應變

圖8中，采用該方案進行建筑物基礎結構加固后，CAE平臺的有限元分析結果中未出現超過25.0 mm/m的應變區域，聯合地梁結構未出現超過18.0 mm/m的應變區域的結果，可以基本斷定該加固模式可保障建筑物基礎結構的穩定性。

3.4 有限元分析結果匯總

對照上述3組分析結果，可得表1。

表1 有限元系統應變分析結果匯總

表1中，直接掘進通過方案建筑物基礎的最大應變量達到了54.5 mm/m，遠超過建筑物混凝土結構的容許應變值，單純帷幕注漿方案的建筑物基礎最大應變量也達到了33.6 mm/m，超出建筑物混凝土結構的容許應變值，可以認為，該2種方案的本質均為針對掘進過程的圍巖處理方案，并不完全適應對建筑物基礎的加固需求。而加強注漿模式下建筑物基礎結構的最大應變量為21.8 mm/m，小于本文設定的25.0 mm/m應變值臨界線，且建筑物聯合地梁的最大應變值為11.2 mm/m，該沉降過程可通過建筑物自身上部結構有效承擔。

4 結語

綜合比較分析上述3套方案，在基于CAE的有限元分析支持下，發現采用加強劈裂注漿加固建筑物基礎并配合隧道掘進過程中的帷幕注漿方案，可以讓建筑物基礎最大應變控制在21.8 mm/m，小于最大容許應變值29.3 mm/m，同時也小于基于此值推算出的建筑物基礎結構的危險應變值25.0 mm/m。

此應變條件下，建筑物上層建筑的最大可能沉降值為95.2 mm，遠小于其他2套方案的230.3 mm和189.5 mm。故本文認為，在盾構隧道的掘進施工中，采用加強劈裂注漿加固建筑物基礎并配合隧道掘進過程中的帷幕注漿方案，可對建筑物基礎進行有效且充分的加固。