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”)。
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?取地基土的压缩模量
n ?为消耗泊松比
K?地基抗剪强度(所能承受剪应力)
Ri?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