高層建筑彈性地基梁加固施工技術研究*

葉劍標,余曉云

(亳州職業技術學院建筑工程系, 安徽 亳州 236800)

引言

隨著社會經濟發展和人口規模持續擴大，城市中高層建筑數量與日俱增.高層建筑具有埋度深、質量大等特點.在高層建筑建設的過程中，由于不均勻的荷載作用、地下水位變化、外界動力等因素[1]，極易造成高層建筑產生局部沉降或位移，從而出現裂縫或傾斜現象.如果高層建筑和地基直接相連，其承受的壓力均會通過墻面、柱等傳遞到地基，所產生的壓強將嚴重影響高層建筑穩定性，因此需在兩者之間使用地基梁，使外界壓力以均勻形式傳遞到地基上，降低其承受的荷載強度[2,3].彈性地基梁造價低、施工方便，是最佳選擇.由于高層建筑的質量和外界壓力都作用于彈性地基梁，其安全性對高層建筑質量具有重要作用，因此彈性地基梁加固十分必要.

當前相關的研究有很多，例如楊振杰[4]和朱德良[5]等人分別通過強夯與振動碾壓以及高壓旋噴樁實現彈性地基梁加固.雖然這兩種方法均能夠滿足高層建筑承載力要求，但其經濟成本較高，且在面臨高強度壓力時的結構穩定性有待提升.為改善傳統研究方法存在的不足，本文研究了新的高層建筑彈性地基梁加固施工技術.該技術通過強夯、鋼筋加工、混凝土澆注加固彈性地基梁，并使用位移和沉降計算方法從不同方面驗證其加固效果，以期利用穩定性較高的彈性地基梁保證高層建筑質量，為人們生命和財產安全提供保障.

1 材料方法

1.1 彈性地基梁概況

以彈性地基梁作為分析對象，設定其結構參數.將分析對象的長寬高分別設置為60 cm、2 cm、3 cm，彈性模量及地基系數分別設置成1.6×106kg/cm2、11.3 kg/cm2，周期干擾力為f=100sin(500t)，單位為kg，初位移和初動量均取0，密度為0.009 kg/cm3.彈性地基梁結構具體如圖1所示.

圖1 彈性地基梁結構

1.2 彈性地基梁加固施工技術

1)通過強夯施工對地基上的夯點進行夯擊，達到既定標準后，使用砂漿墊層處理地基.

2)在執行上述過程時，還需進行鋼筋加工.因彈性地基梁的主筋較長，且具有較大的鋼筋半徑，應嚴格根據操作要求和驗收標準進行加工[6,7].

3)運用有效方法完成鋼筋綁扎工作，防止因彈性地基梁的各筋之間出現多處交錯而產生個別筋無法綁扎的情況.

4)為避免出現混凝土漏漿現象，需要將模板縫隙堵嚴.

5)彈性地基梁混凝土量高，并對質量具有嚴格要求，因此為防止發生薄弱面、施工縫等狀況，在進行混凝土澆注時，不僅需要不間斷澆注，還需要分層搗固，且一次成功[8].使用細碎石搗固底端混凝土是因為底端鋼筋的密集度較高.

1.3 彈性地基梁基本原理

將加固后彈性地基梁應用于高層建筑深基坑排樁支護結構中.該結構頂端和底端分別使用常規、彈性地基梁單元，凍脹力與土水壓力是其承受的主要載荷[9-11].常規梁單元剛度矩陣用公式(1)描述：

(1)

式(1)中，常規梁單元剛度用Ke描述；截面長度用l描述；彈性模量用Ea描述；截面慣性矩用I描述.通過公式(2)描述彈性地基梁單元剛度矩陣：

(2)

式(2)中，矩陣上半部分與下半部分對稱，彈性地基梁單元剛度用Kd描述；彈性系數分別用

深基坑排樁支護結構剛度矩陣用K描述，由上述兩個矩陣共同形成，表示為K=Ke+Kd.

1.4 排樁支護結構位移計算

若產生地震作用，根據該結構靜力平衡條件，其承受的等效結點載荷矩陣R需要和K保持平衡，在地震作用已知的情況下，能獲得該結構位移，使用式(3)描述平衡表達式：

Kδ=R

(3)

由于外界因素會對混凝土支撐產生影響，因此，對K進行調整，壓頂梁彈性系數用Kw l描述，K的調整可通過將該系數添加至受壓頂梁影響的梁單元上實現.排樁支護結構位移用δw l描述，計算過程如式(4)所示：

δw l=Fw l/Kw l

(4)

1.5 彈性地基梁沉降控制標準及沉降計算

1.5.1 沉降控制標準

過大的彈性地基梁沉降變形極易引發高層建筑的多余內力，對其穩定性構成巨大威脅，結合《建筑地基基礎設計規范》和學者的工程經驗[12,13]，沉降差極限值取高層建筑底部彈性地基梁一半長度的0.001，即4.4 mm.

1.5.2 沉降計算

在計算開始之前，需要判斷彈性地基梁類型[14,15].若想表明彈性地基梁為短梁，也可稱作剛性梁，則滿足λl≤π/4；若想表明彈性地基梁為有限長梁，也可稱作有限剛度梁，則滿足π/4<λl<π；若想表明彈性地基梁為長梁，也可稱作柔性梁，則滿足λl≥π.其中，彈性地基梁長度用l描述；柔度指數及特征值分別用λl、λ描述.公式(5)為λ的計算過程：

(5)

式(5)中，彈性地基梁寬度及抗彎剛度，分別用b、EI描述；復合地基基床系數用k0描述，其計算過程用公式(6)描述：

(6)

式(6)中，計算點壓B力強度用p1和p2描述；與其相匹配的穩定沉降量分別用s1、s2描述.

當彈性地基梁承受均布荷載時，可用公式(7)描述該梁在荷載邊緣處的沉降量：

(7)

將計算單元設定成1 m，最大沉降量分布在荷載中部區域，其計算過程用公式(8)描述：

(8)

由式(7)、式(8)可獲得式(9)描述的高層建筑底部彈性地基梁沉降差的計算過程：

Δymax=ymax-y=

(9)

2 結果分析

不同地震強度下，使用本文技術對高層建筑深基坑排樁支護結構的穩定性進行測試，進而驗證彈性地基梁加固施工效果.各地震強度波形模擬結果用圖2描述.

分析圖2可知，低級地震強度的波形起伏較小，僅出現一次較大波動，地震持續時間為3 s；中級地震強度的波形與低級地震強度的波形起伏程度較為接近，但出現較大波動的次數較多，且地震持續時間較長；高級地震強度的波形起伏很大，地震持續時間為3 s左右，易對高層建筑造成嚴重破壞.

利用地震模擬振動臺可得，支護結構在符合安全標準的條件下，橫向與縱向位移的最大值分別為0.82 m、0.53 m.使用1～12數字表示支護結構的不同位置，在上述地震強度模擬結果下，通過本文技術計算各位置的橫向和縱向位移，結果如表1所示.

表1 支護結構各位置的橫向與縱向位移結果

分析表1可知，在發生不同強度地震的情況下，高層建筑深基坑排樁支護結構的各位置都會出現橫向及縱向位移，隨著地震強度增加，位移程度不斷加深，并且縱向位移程度均大于橫向位移程度.

不同地震強度下，支護結構6號位置的橫向及縱向位移始終保持最小，該位置的穩定性最強；當發生高級強度地震時，支護結構的橫向及縱向位移最大值分別為0.46 m、0.63 m，均低于符合安全標準的極限值.以上結果可以看出，雖然支護結構的穩定性隨地震強度增加有所下降，但始終控制在安全標準范圍內，表明本文技術具有良好的高層建筑彈性地基梁加固施工效果，能極大地提升彈性地基梁穩定性.

將高層建筑基坑深度分別設定成4 m、8 m、12 m，測試不同地震強度下，排樁支護結構的地下連續墻側向位移變化情況，結果用圖3描述.

(a)基坑深度為4m的地下連續墻側向位移圖

通過分析圖3可以得出，隨著地震強度增加，不同基坑深度的排樁支護結構的地下連續墻側向位移持續增大；在地震處于相同強度的情況下，排樁支護結構的地下連續墻側向位移隨著基坑深度增加而增大；當基坑深度為4 m時，側向位移最大值在150～200 mm范圍內變化，當基坑深度為8 m時，側向位移小幅度增大，介于200～250 mm之間，當基坑深度為12m時，不同地震強度的側向位移大幅度增大，最大側向位移在350～400 mm范圍內變化.以上結果表明，基坑深度對排樁支護結構的地下連續墻側向位移具有較大影響，將基坑深度控制在12 m以內，能獲得較穩定的支護結構，同時也表明在此范圍內，彈性地基梁加固效果更優.

將樁長分別設定成5 m、6 m、7 m，高層建筑荷載中部區域彈性地基梁在不同樁間距下的沉降量結果用圖4描述.

圖4 彈性地基梁沉降量圖

分析圖4可得，在樁間距不斷增加的情況下，不同樁長對應的彈性地基梁沉降量均呈上升趨勢，當樁間距≤6 m時，彈性地基梁沉降量上升速率較慢，當超過該值時，彈性地基梁迅速上升；在樁間距相同的情況下，彈性地基梁沉降量隨樁長升高而降低，當樁長為7 m時，最小和最大沉降量分別為-2.5 mm、-20 mm左右，變化量為17.5 mm，當樁長為5 m時，最小和最大沉降量分別為-6 mm、-32.5 mm左右，變化量為26.5 mm.以上結果能看出，樁間距與樁長對彈性地基梁沉降量具有較大影響，為獲得較穩定的彈性地基梁，可對兩個參數進行調整.

將樁長分別設定成4 m、5 m、6 m、7 m，高層建筑荷載正下方彈性地基梁在不同樁間距下的沉降差結果用圖5描述.

圖5 彈性地基梁沉降差結果

分析圖5可以看出，不同樁長對應的彈性地基梁沉降差均隨樁間距增加而上升，并呈現出先緩慢上升后迅速上升的趨勢；在樁間距相同的條件下，彈性地基梁沉降差與樁長呈反比，當樁長為7 m和6 m時，最大沉降差分別為-3.4 mm、-4 mm左右，均保持在沉降控制標準內，當樁長和樁間距分別為5 m、9 m時，沉降差大致為-4.5 mm，已超出沉降控制標準，當樁長為4 m時，沉降差始終低于-4.4 mm，不滿足沉降控制標準.通過上述分析可知，為充分體現彈性地基梁加固效果，使其既符合沉降控制標準，還能減少樁體用量，節約經濟成本，可將樁長和樁間距分別設定成5 m、6 m.

將樁徑分別設定成500 mm、600 mm、700 mm、800 mm，測試不同樁長下彈性地基梁的安全系數，結果用圖6描述.

圖6 不同樁徑的彈性地基梁安全系數圖

分析圖6可得，不同樁徑對應的彈性地基梁安全系數均隨著樁長增加而上升，在樁長為10 m的情況下，各樁徑對應的彈性地基梁安全系數較為接近，在樁長<12 m的情況下，安全系數上升速率較快，并在超過12 m后逐漸趨于平穩；當樁徑為700 mm時，彈性地基梁安全系數始終保持最高，最大值約為9，當樁徑為500 mm時，彈性地基梁安全系數始終處于最低值.因此可以表明，樁長和樁徑對彈性地基梁安全系數影響較大，樁長與安全系數呈正比，將樁徑設置為700 mm，可獲得穩定性較高的彈性地基梁.

3 結論

隨著高層建筑數量逐年上升，其安全性日益引起人們的重視，本文研究高層建筑彈性地基梁加固施工技術，通過加固彈性地基梁，并從位移、沉降、安全系數三方面出發，分析本文技術的加固效果，以及各項參數變化對彈性地基梁的影響，可獲得以下結論：

1)以彈性地基梁作為主體的排樁支護結構的穩定性隨地震強度增加而降低，但始終控制在安全標準范圍內，彈性地基梁加固施工效果良好，且該結構受基坑深度影響較大，將其控制在12 m以內，能獲得較穩定的支護結構.

2)樁間距和樁長對彈性地基梁沉降量具有較大影響，為充分體現彈性地基梁加固效果，可將兩個參數分別設定成5 m、6 m.

3)樁長和樁徑對彈性地基梁安全系數影響較大，樁長與安全系數呈正比，將樁徑設置為700 mm，可獲得穩定性較高的彈性地基梁.