基础沉降对框架结构的反应分析及加固研究

张晓禹

中国建筑第二工程局有限公司西南分公司 重庆 400020

井工采矿、深基坑开挖、地铁等地下浅埋设施建设会产生基础沉降，引起地表建筑物的结构力学反应，可能导致地表建筑物结构力学失稳等，如不能对地表建筑物进行充分加固，则可能导致较严重的后果。其中，井工开采中的大采高长臂冒落式开采过程，可能会在地表导致采高七成左右的地表沉降，此沉降过程的核心影响地区必须全面征迁，但边缘地区的沉降范围划分及其建筑物加固保护工程，需经过严格的结构力学分析。地铁等地下浅埋设施建设，特别是基于盾构掘进的浅埋地下设施建设，对地表建筑的影响也较为直接，一般需要保留所有地表建筑物，并对其制定合理且充分的加固策略。

谭志催等[1]对某框架结构建筑突发性楼面砖墙开裂过程进行了建模分析，认为其根本原因与基础沉降有关。方祥明[2]针对大型全框架厂房在基础沉降过程中产生的楼面、地面缺陷，阐述了基于伸缩缝的综合治理方案。秦东平等[3]研究了基于盾构挖掘法的浅埋隧道施工对邻近混凝土框架结构建筑物的影响传导机制，并对其进行了结构力学建模分析。曹继喜[4]研究了浅埋暗挖铁路隧道对既有混凝土结构铁路框架桥的结构力学影响，该研究虽不是对框架式民用建筑的结构力学应力分析，但铁路框架桥的钢筋混凝土框架结构仍有一定代表性。以上研究中，地下施工对基础的应变传导机制、基础应变对基础应力的传导机制、基础应力对混凝土框架结构的应变传导机制，可以在有限元模型中进行充分分析，并可利用该分析策略，对相应的加固方案进行针对性比较分析，从而得出对应的解决方案。

本文对某框架混凝土结构的加固方案进行有限元建模分析，从而选择了合理的框架混凝土结构民用建筑加固方案。

1 基本情况

1.1 框架混凝土民用建筑的基本情况

某居民区中单体建筑属于混凝土框架结构，地上22层，地下1层，建筑物层高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，地下结构含地下室及建筑基础高度5.5 m。该居民区共包含22层混凝土框架结构建筑19栋，该建筑属于其中的第12栋。因该栋建筑受到本次暗挖地铁段沉降影响，故对其进行单独分析。该建筑基础与第8、9、13、14栋建筑基础构成联合地下室结构，用作居民区停车场及其他附属设施的布置空间，同时形成联合基础。其基础结构如图1所示。

图1 建筑基础基本构造（平面）

图1中，隧道影响区下穿第12栋基础，而第12栋基础共有8组灌注法深桩基至稳定基岩，基岩顶板埋深42 m，2条地铁隧道自深桩基间穿过。此穿过模式将对深桩基自身稳定性产生直接影响，且隧道本身带来的顶板压力，也会对联合地梁、一体浇筑基础等结构带来应力应变扰动。第12栋附近的基础立面如图2所示。

图2 隧道掘进影响区附近基础立面

图2中，联合地梁为矩形断面，宽度450 mm、高度430 mm；深桩基为圆形断面，直径450 mm；一体浇筑基础整体厚度500 mm。建筑物基础层最大厚度950 mm，最小厚度500 mm，基础下部为深度填充夯土层。深桩基向上延伸为建筑物梁柱使用，其他梁柱自一体浇筑基础生根，共同构成建筑物上部框架结构。2条盾构隧道自建筑物深桩基间穿过，顶板距离联合地梁下部约8.5 m。建筑物施工设计期间，按照第四系发育地层条件下抗震烈度8级进行设计。

1.2 地下浅埋隧道掘进工程的基本情况

项目区为某城市地铁14号线工程，穿过城市近郊区，采用双隧道明挖加暗挖掘进方式，与本文相关区段采用盾构机暗挖方式通过。隧道开挖直径6.2 m，内部有效直径5.5 m，隧道穿过项目区12栋建筑基础区域，其深桩基最小间距9.2 m，隧道顶板中线距离该建筑硬基础最低处的最小距离为8.5 m。

项目区第四系发育，厚度37～42 m，为海河冲积平原沉积地貌，共分为5个地质亚层，自上而下分别为人工填土层（厚0～4 m）、稳定填土层（厚3～7 m）、砂质土层（厚15～19 m）、黏土层（厚17～22 m）、粉砂质土层（厚0～7 m）。部分地层在部分区域有缺失。基岩为奥陶系灰岩，钻孔最深进入13 m，未探及底板。其中，砂质土层浅埋非承压地下水发育，涌水量100～230 m3/h。隧道开挖过程中需要地下水控制措施，地表无建筑物影响条件下，采用强排法控制地下水，所述区域前后各100 m使用帷幕注浆法控制地下水。

该浅埋隧道穿过项目区12栋基础附近的断面如图3所示。

图3 隧道下穿建筑物基础示意

图3中，隧道下穿该建筑基础过程中，因建筑下部深桩基分布较密，且隧道转弯半径受到地铁设计要求，隧道并非正交穿过建筑物基础，所以，虽然隧道掘进直径6.2 m与建筑地梁最小间距9.2 m之间有3.0 m的富余，但在实际设计过程中，其侧壁与建筑物桩基础的最小距离仅0.7 m，掘进过程将给建筑物基础带来较大扰动。上覆土层共涉及2层，其中，稳定填土层厚度3～7 m，隧道整体从厚度17～19 m的富含水砂质土层中穿过，隧道与建筑物深桩基的邻近点位于砂质土层中。

2 有限元分析的建模策略

2.1 隧道扰动下的应力分析

分析建筑物基础结构，其对下覆岩层产生的整体压力为16.8 kN/m3，其中大部分压力经深桩基传导至基岩（奥陶系灰岩）中，且建筑物地梁及一体浇筑基础的总承力达到45 MPa，故应以实测土层压力为准，其基本实测思路为：用测得固定深度的实际压力值，减去计算所得相应深度的土层压力，即为实际建筑传导至土层的压力值。

在该分析思路下，隧道掘进过程中对建筑物深桩基和联合地梁产生的应变是影响建筑物基础稳定性的关键因素，即在建筑物基础加固方案中，应充分控制建筑物深桩基及联合地梁的应变量。

实测建筑物地梁的强度为45 MPa，最大弹性应变为36.7 mm/m，浇筑深桩基的强度为37 MPa，最大弹性应变为29.3 mm/m，所以，应在此基础上结合相应土层的应力参数进行有限元模型设计。

2.2 有限元建模

将图3中架构进行简化，形成图4中的有限元分析模型。

图4 有限元等效分析模型示意

对图4中3D模型进行有限元分解，有限元规模为0.1 m×0.1 m×0.1 m，故横向划分为121个有限元单元，纵向划分为200个有限元单元，分析深度为100个有限元单元。根据前文分析的应力分布情况，可得图5。

图5 结构受力分析

图5中，B、f1、f2、f3为隧道顶板、底板及两侧的应力，Br为建筑物对顶梁的压力，B1、B2为不同距离条件下的建筑物深桩基应力。将图3中数据输入到图4有限元模型中，对其不同扰动条件和不同加固策略下的结构应变进行分析。

3 不同加固条件下的建筑物基础结构应变分析

3.1 不加固条件下的掘进扰动

首先采用直接掘进通过的方式进行隧道施工，在CAE有限元平台下观察掘进过程对建筑物基础的扰动情况，如图6所示。

图6中，如果采用不加固方式直接掘进，设定掘进扰动到完成预制砌块被动支护之间的最大时间间隔为3 h，则3 h内建筑基础将产生超过容许值的应变，达到深桩基结构的试验最大容许应变值29.3 mm/m。分析结果中，距离较近的深桩基（0.7 m）局部产生了试验中的最大容许应变值，距离较远的深桩基（2.3 m）及联合地梁局部，均产生了超过25.0 mm/m的危险应变。

故可认为，直接进行掘进通过而不对建筑物基础进行有效加固，极有可能导致建筑物深桩基及其他基础结构发生结构破坏。

3.2 帷幕注浆条件下的掘进扰动

前文分析中，该隧道的掘进扰动给建筑物基础带来的扰动主要来自2个方面：一是掘进过程中岩土压力导致的岩土位移对建筑物基础结构产生扰动；二是掘进过程的较大规模地下水涌出，导致局部浅层地下水水位下降，加剧土层位移，最终给建筑物基础结构带来额外压力。故采用帷幕注浆法，在隧道通过建筑物基础前后外延100 m距离对隧道土层周围5 m进行帷幕注浆，一方面阻止地下水涌出，另一方面可使土层持力从16 MPa提升到22 MPa，从而实现对建筑物基础的初步加固。该模式下进行CAE平台的有限元分析，可得分析结果如图7所示。

图6 直接掘进条件下的 建筑物基础应变

图7 帷幕注浆条件下的 建筑物基础应变

图7中，虽然建筑物基础结构的应变状态显著优于直接掘进法，但仍有一定体积的较近深桩基（0.7 m）结构发生了超出29.3 mm/m的结构应变。该体积较直接掘进方案下的应变发生体积显著缩小，但仍可判定该方案将给建筑基础带来较大程度的破坏。

同时，该分析表明，在建筑物基础附近选择适当方案对建筑基础进行加固，可以充分优化掘进过程对建筑物基础的稳定性影响。

3.3 加强注浆条件下的掘进扰动

结合上述分析结果，选择在隧道掘进通过建筑物基础部分时，对建筑物基础部分进行加强劈裂注浆，使桩基础周围2.0 m内的整体土层持力达到25 MPa，并同时采用帷幕注浆法，确保3.2中隧道周围5 m的帷幕注浆得到有效执行。此时掘进过程中，掘进扰动到完成预制砌块被动支护之间的最大时间间隔延长至5 h，对建筑物基础结构的应变特征进行分析，可得图8。

图8 加强注浆条件下的建筑物基础应变

图8中，采用该方案进行建筑物基础结构加固后，CAE平台的有限元分析结果中未出现超过25.0 mm/m的应变区域，联合地梁结构未出现超过18.0 mm/m的应变区域的结果，可以基本断定该加固模式可保障建筑物基础结构的稳定性。

3.4 有限元分析结果汇总

对照上述3组分析结果，可得表1。

表1 有限元系统应变分析结果汇总

表1中，直接掘进通过方案建筑物基础的最大应变量达到了54.5 mm/m，远超过建筑物混凝土结构的容许应变值，单纯帷幕注浆方案的建筑物基础最大应变量也达到了33.6 mm/m，超出建筑物混凝土结构的容许应变值，可以认为，该2种方案的本质均为针对掘进过程的围岩处理方案，并不完全适应对建筑物基础的加固需求。而加强注浆模式下建筑物基础结构的最大应变量为21.8 mm/m，小于本文设定的25.0 mm/m应变值临界线，且建筑物联合地梁的最大应变值为11.2 mm/m，该沉降过程可通过建筑物自身上部结构有效承担。

4 结语

综合比较分析上述3套方案，在基于CAE的有限元分析支持下，发现采用加强劈裂注浆加固建筑物基础并配合隧道掘进过程中的帷幕注浆方案，可以让建筑物基础最大应变控制在21.8 mm/m，小于最大容许应变值29.3 mm/m，同时也小于基于此值推算出的建筑物基础结构的危险应变值25.0 mm/m。

此应变条件下，建筑物上层建筑的最大可能沉降值为95.2 mm，远小于其他2套方案的230.3 mm和189.5 mm。故本文认为，在盾构隧道的掘进施工中，采用加强劈裂注浆加固建筑物基础并配合隧道掘进过程中的帷幕注浆方案，可对建筑物基础进行有效且充分的加固。