建筑物基底掏土灌水法纠倾

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    提  要： 通过确定塑性区最小半径，引入了掏土灌水法工程纠倾设计方法。八层砖混住宅楼纠倾工程实践证明，在粘土类地区采用基础迫降---基底掏土平孔灌水纠倾， 具有技术合理, 施工简单、可控性强，回倾速度容易控制的特点

    1.概述
    在新建和已有工程中，由于各种复杂的原因，地基不均匀下沉，造成建筑物倾斜，给国家财产和人民生活带来严重损失和困难。因此，需要采取一定的纠倾措施将倾斜建筑物纠正过来，现有的纠倾技术可分为迫降法和抬升法两种[1]。掏土灌水法是纠倾方法中迫降方法的一种，所谓迫降法是指在沉降较小一侧采用掏土、浸水或堆载加压等,或将此几种方法综合起来迫使基础下沉使建筑物回倾。
    采用在房屋沉降小的一侧掏土灌水,在成孔的某一半径范围内因掏孔和灌水而加大地基应力，使地基应力重分布并形成塑性区,使基础产生沉降。同时，采取有效的措施控制沉降大的一侧的沉降，达到纠倾目的，见图1示意图。此方法是迫降纠倾中的一种新方法,适用于砂土、粉土、粉质粘土及粘土等地基上的倾斜建筑物。所以，称之为“掏土灌水纠倾法”（简称“掏灌法”）。 
    2.掏土灌水最大塑性区半径Rp及掏孔间距D
    2.1 假定
    从图2取出典型单元，距基底h处掏直径为d的孔，掏孔深度s。假设土体是理想弹塑性体，材料服从Tresca屈服准则： （1）
    2.2 圆筒形孔周最大塑性区半径的确定Rp，掏孔间距D的初步确定
    对Tresca材料，如果已知成孔半径Ri和成孔处地基应力 p(包括自重和建筑物引起的附加应力)则可计算出成孔周围的最大塑性区半径。假设成孔灌水后收缩闭合，可利用圆筒形孔体积变化等于弹性区体积变化推出[2]：
    （2）E棗取地基土的压缩模量
     n 棗为消耗泊松比
    K棗地基抗剪强度(所能承受剪应力)
    Ri棗成孔半径
    一般工程中，对饱和粘性土及粉土，取Rp≈3 Ri，则掏孔间距D=6Ri。
    3.工程设计方法
    根据房屋的上部结构、基础及地基共同工作原理，假定上部及基础是属于刚性的，当地基出现轻微的不均匀下沉以后，基础及上部结构不挠曲，基础底面在地基沉降以后仍为平面。这样，建筑物为一刚体绕沉降大的一侧建筑物底端转动---沉降小的一侧建筑物下沉，沉降大的一侧只是转动点而不得产生新的沉降。
    3.1 回倾量值及设计沉降差
    出于以上假定，地基所受的应力与变形成直线变化，基础随同地基一起下沉，沿建筑物倾斜方向取出各个倾斜断面，计算简图见图3（图中虚线为建筑物纠倾前位置，点划线为纠倾后位置）。按如下计算公式分别计算各倾斜断面:
= (3)
    其中:
    -----建筑物实际水平变位值
    -----建筑物自然地面算起的高度
    a -----考虑施工因素的变位滞留量(回倾滞留量)，规范[3]取为*0.4%
    -----建筑物纠倾时水平变位设计控制值,(=-a)
    B -----建筑物宽度
    -----纠倾需调整的设计沉降差.
    此处，计算沉降差的工程意义为等效掏土土层厚度,即建筑物基础沉降最大高度值。
    3.2 回倾速度D 
    计算沉降差在施工时不可能一次完成，需要分阶段实现。一般情况下，按照建筑物的倾斜量大小、建筑物自身结构的完整性状况设定回倾速度。定义每天掏孔灌水的沉降量D 为回倾速度（单位：mm/每天）。
    设计上D 值一般取为10-25mm/每天。实践中每次成孔后需多次灌水，才能使大部分掏孔孔壁塌落闭合，但仍有部分孔不能完全闭合。即，实际回倾速度小于设计回倾速度。
    3.3 掏孔直径d
    掏孔直径d的确定应当考虑施工的可行性，即采用已有的施工方法、机具，以及施工成本。现有的水平成孔方法有人工（d=50-200mm）及机械（70-200）两种。掏小直径孔，较之较大直径孔，成孔间距缩短，成孔工作量（成孔次数）必然增多，从而使施工成本上升。一般工程实践中，平衡掏孔效果与成本的关系，采用d=100-150mm较为理想。
    事实上建筑物沿回倾方向是逐渐增大的，因而沿掏孔方向采用变截面最为合理（图1）。由于变截面施工难以控制，并且基础的刚度远大于地基的刚度，掏土灌水后地基的应力进行调整，地基竖向变形和侧向移动变形常常相继发生。因而，设计中可采用等截面的掏孔值。
    3.4 掏孔间距D
    对于一般粘性土，按照前述塑性方法确定的塑性影响范围，取Rp=3 RI。当掏孔直径d=100时，其最大塑性区半径约为RP=150mm，最小孔间距D约为300mm。为保证建筑物均匀沉降，使建筑物保持相对稳定，从而需要保持一定的孔距，以确保灌水后掏孔周边土体浸水逐渐形成塑性区，设计D值较塑性方法取值要大。
    工程设计时，假定土体不可压缩，每天掏孔灌水产生沉降D 的折算体积等于掏孔体积V，从而确定两孔间间距，即：
    V=p d2/4 (4)
    掏孔间距D：
    D= V /D (5)
    3.5 掏孔深度S
    假定建筑物为一刚体绕沉降大的一侧建筑物底端转动---沉降小的一侧建筑物下沉，沉降大的一侧只是转动点而不得产生新的沉降。这样，掏土量从（沉降小的一侧）递减为零（沉降大的一侧），为三角形分布。工程实践中，沉降大的的一侧已然是敏感位置了，除非采取切实可行的加固措施（如微型桩托换基础），若要掏土至该部位势必造成新的沉降，其结果是加重了建筑物的倾斜。为了保证倾斜房屋纠倾不致加大倾斜一侧的下沉量，掏挖区应控制在倾斜反侧的房屋重心线以外的范围；重心线以内的地基土不掏挖，通过建筑物上部结构与基础的下沉予以调整。
    3.6 掏孔位置距基底高度h
    掏孔位置距基底的距离应控制在一定范围内，一般300-600mm。距离过远，势必造成开挖深度增大；另外，基底下土体在上部荷重作用下可能向外坍塌，尤其在遭水浸泡后基底下土体向外塌落，可能引起不可控制的沉降。距离过近，基底下地基土变薄，基底反力变化过大，基础受力不均匀，导致基础对地基土的沉降调整能力下降。
    3.7 灌水量控制
    基础的沉降主要是在灌水后发生的，孔内灌水以灌满为止。由于土质情况不同，孔壁在灌水后的塌陷闭合可能是多次灌水的结果。一般开始灌水时，注入水量远大于掏孔体积（水渗入周围土体所至），后期注入水量愈来愈小，待孔壁完全塌陷闭合后无法灌水。工程中当多数孔（2/3以上）灌水量接近零时，停止灌水，清孔或重新成孔。
    4.工程实例
    4.1 工程概况
    济南钢铁集团总公司8#住宅楼，8层，室外高为24.2m，长57.86m，宽12.62m，砖混结构，钢筋混凝土条形基础，基础埋深为-2.25m,设伸缩缝一道(5,6轴处),平面如图4所示。1994年12月该楼伸缩缝以东主体完成施工，1995年5月伸缩缝西侧主体封顶.1996年6月发现外纵墙窗台下多处出现斜向裂缝，该楼19轴处8层窗台向北倾斜145mm,并有继续发展的趋势。
    1996年7,8月两次进行工程地质补充勘察，发现在该建筑物北部及东侧地下有一废弃防空洞，洞顶距地面约8M,洞高1.5-1.8m,洞宽1.5m。防空洞顶部塌落,且建筑物外已有两处塌陷至地面。因此,建筑物发生倾斜是由于房屋下防空洞塌陷所至。
    观测该建筑物(1#点)主体结构最大倾斜值=298mm(指建筑物的最高标高处柱子或墙体的水平倾斜值,见表1),折合倾斜量/=1.231%（为建筑物室外总高度）,已大大超过规范[3]5.2.4条规定0.4%的地基变形允许倾斜量,以及标准[4]2.5.1.1条规定的危房限值0.7%。个各测点倾斜值见表1。

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