高层建筑弹性地基梁加固施工技术研究*

叶剑标,余晓云

(亳州职业技术学院建筑工程系, 安徽 亳州 236800)

引言

随着社会经济发展和人口规模持续扩大，城市中高层建筑数量与日俱增.高层建筑具有埋度深、质量大等特点.在高层建筑建设的过程中，由于不均匀的荷载作用、地下水位变化、外界动力等因素[1]，极易造成高层建筑产生局部沉降或位移，从而出现裂缝或倾斜现象.如果高层建筑和地基直接相连，其承受的压力均会通过墙面、柱等传递到地基，所产生的压强将严重影响高层建筑稳定性，因此需在两者之间使用地基梁，使外界压力以均匀形式传递到地基上，降低其承受的荷载强度[2,3].弹性地基梁造价低、施工方便，是最佳选择.由于高层建筑的质量和外界压力都作用于弹性地基梁，其安全性对高层建筑质量具有重要作用，因此弹性地基梁加固十分必要.

当前相关的研究有很多，例如杨振杰[4]和朱德良[5]等人分别通过强夯与振动碾压以及高压旋喷桩实现弹性地基梁加固.虽然这两种方法均能够满足高层建筑承载力要求，但其经济成本较高，且在面临高强度压力时的结构稳定性有待提升.为改善传统研究方法存在的不足，本文研究了新的高层建筑弹性地基梁加固施工技术.该技术通过强夯、钢筋加工、混凝土浇注加固弹性地基梁，并使用位移和沉降计算方法从不同方面验证其加固效果，以期利用稳定性较高的弹性地基梁保证高层建筑质量，为人们生命和财产安全提供保障.

1 材料方法

1.1 弹性地基梁概况

以弹性地基梁作为分析对象，设定其结构参数.将分析对象的长宽高分别设置为60 cm、2 cm、3 cm，弹性模量及地基系数分别设置成1.6×106kg/cm2、11.3 kg/cm2，周期干扰力为f=100sin(500t)，单位为kg，初位移和初动量均取0，密度为0.009 kg/cm3.弹性地基梁结构具体如图1所示.

图1 弹性地基梁结构

1.2 弹性地基梁加固施工技术

1)通过强夯施工对地基上的夯点进行夯击，达到既定标准后，使用砂浆垫层处理地基.

2)在执行上述过程时，还需进行钢筋加工.因弹性地基梁的主筋较长，且具有较大的钢筋半径，应严格根据操作要求和验收标准进行加工[6,7].

3)运用有效方法完成钢筋绑扎工作，防止因弹性地基梁的各筋之间出现多处交错而产生个别筋无法绑扎的情况.

4)为避免出现混凝土漏浆现象，需要将模板缝隙堵严.

5)弹性地基梁混凝土量高，并对质量具有严格要求，因此为防止发生薄弱面、施工缝等状况，在进行混凝土浇注时，不仅需要不间断浇注，还需要分层捣固，且一次成功[8].使用细碎石捣固底端混凝土是因为底端钢筋的密集度较高.

1.3 弹性地基梁基本原理

将加固后弹性地基梁应用于高层建筑深基坑排桩支护结构中.该结构顶端和底端分别使用常规、弹性地基梁单元，冻胀力与土水压力是其承受的主要载荷[9-11].常规梁单元刚度矩阵用公式(1)描述：

(1)

式(1)中，常规梁单元刚度用Ke描述；截面长度用l描述；弹性模量用Ea描述；截面惯性矩用I描述.通过公式(2)描述弹性地基梁单元刚度矩阵：

(2)

式(2)中，矩阵上半部分与下半部分对称，弹性地基梁单元刚度用Kd描述；弹性系数分别用

深基坑排桩支护结构刚度矩阵用K描述，由上述两个矩阵共同形成，表示为K=Ke+Kd.

1.4 排桩支护结构位移计算

若产生地震作用，根据该结构静力平衡条件，其承受的等效结点载荷矩阵R需要和K保持平衡，在地震作用已知的情况下，能获得该结构位移，使用式(3)描述平衡表达式：

Kδ=R

(3)

由于外界因素会对混凝土支撑产生影响，因此，对K进行调整，压顶梁弹性系数用Kw l描述，K的调整可通过将该系数添加至受压顶梁影响的梁单元上实现.排桩支护结构位移用δw l描述，计算过程如式(4)所示：

δw l=Fw l/Kw l

(4)

1.5 弹性地基梁沉降控制标准及沉降计算

1.5.1 沉降控制标准

过大的弹性地基梁沉降变形极易引发高层建筑的多余内力，对其稳定性构成巨大威胁，结合《建筑地基基础设计规范》和学者的工程经验[12,13]，沉降差极限值取高层建筑底部弹性地基梁一半长度的0.001，即4.4 mm.

1.5.2 沉降计算

在计算开始之前，需要判断弹性地基梁类型[14,15].若想表明弹性地基梁为短梁，也可称作刚性梁，则满足λl≤π/4；若想表明弹性地基梁为有限长梁，也可称作有限刚度梁，则满足π/4<λl<π；若想表明弹性地基梁为长梁，也可称作柔性梁，则满足λl≥π.其中，弹性地基梁长度用l描述；柔度指数及特征值分别用λl、λ描述.公式(5)为λ的计算过程：

(5)

式(5)中，弹性地基梁宽度及抗弯刚度，分别用b、EI描述；复合地基基床系数用k0描述，其计算过程用公式(6)描述：

(6)

式(6)中，计算点压B力强度用p1和p2描述；与其相匹配的稳定沉降量分别用s1、s2描述.

当弹性地基梁承受均布荷载时，可用公式(7)描述该梁在荷载边缘处的沉降量：

(7)

将计算单元设定成1 m，最大沉降量分布在荷载中部区域，其计算过程用公式(8)描述：

(8)

由式(7)、式(8)可获得式(9)描述的高层建筑底部弹性地基梁沉降差的计算过程：

Δymax=ymax-y=

(9)

2 结果分析

不同地震强度下，使用本文技术对高层建筑深基坑排桩支护结构的稳定性进行测试，进而验证弹性地基梁加固施工效果.各地震强度波形模拟结果用图2描述.

分析图2可知，低级地震强度的波形起伏较小，仅出现一次较大波动，地震持续时间为3 s；中级地震强度的波形与低级地震强度的波形起伏程度较为接近，但出现较大波动的次数较多，且地震持续时间较长；高级地震强度的波形起伏很大，地震持续时间为3 s左右，易对高层建筑造成严重破坏.

利用地震模拟振动台可得，支护结构在符合安全标准的条件下，横向与纵向位移的最大值分别为0.82 m、0.53 m.使用1～12数字表示支护结构的不同位置，在上述地震强度模拟结果下，通过本文技术计算各位置的横向和纵向位移，结果如表1所示.

表1 支护结构各位置的横向与纵向位移结果

分析表1可知，在发生不同强度地震的情况下，高层建筑深基坑排桩支护结构的各位置都会出现横向及纵向位移，随着地震强度增加，位移程度不断加深，并且纵向位移程度均大于横向位移程度.

不同地震强度下，支护结构6号位置的横向及纵向位移始终保持最小，该位置的稳定性最强；当发生高级强度地震时，支护结构的横向及纵向位移最大值分别为0.46 m、0.63 m，均低于符合安全标准的极限值.以上结果可以看出，虽然支护结构的稳定性随地震强度增加有所下降，但始终控制在安全标准范围内，表明本文技术具有良好的高层建筑弹性地基梁加固施工效果，能极大地提升弹性地基梁稳定性.

将高层建筑基坑深度分别设定成4 m、8 m、12 m，测试不同地震强度下，排桩支护结构的地下连续墙侧向位移变化情况，结果用图3描述.

(a)基坑深度为4m的地下连续墙侧向位移图

通过分析图3可以得出，随着地震强度增加，不同基坑深度的排桩支护结构的地下连续墙侧向位移持续增大；在地震处于相同强度的情况下，排桩支护结构的地下连续墙侧向位移随着基坑深度增加而增大；当基坑深度为4 m时，侧向位移最大值在150～200 mm范围内变化，当基坑深度为8 m时，侧向位移小幅度增大，介于200～250 mm之间，当基坑深度为12m时，不同地震强度的侧向位移大幅度增大，最大侧向位移在350～400 mm范围内变化.以上结果表明，基坑深度对排桩支护结构的地下连续墙侧向位移具有较大影响，将基坑深度控制在12 m以内，能获得较稳定的支护结构，同时也表明在此范围内，弹性地基梁加固效果更优.

将桩长分别设定成5 m、6 m、7 m，高层建筑荷载中部区域弹性地基梁在不同桩间距下的沉降量结果用图4描述.

图4 弹性地基梁沉降量图

分析图4可得，在桩间距不断增加的情况下，不同桩长对应的弹性地基梁沉降量均呈上升趋势，当桩间距≤6 m时，弹性地基梁沉降量上升速率较慢，当超过该值时，弹性地基梁迅速上升；在桩间距相同的情况下，弹性地基梁沉降量随桩长升高而降低，当桩长为7 m时，最小和最大沉降量分别为-2.5 mm、-20 mm左右，变化量为17.5 mm，当桩长为5 m时，最小和最大沉降量分别为-6 mm、-32.5 mm左右，变化量为26.5 mm.以上结果能看出，桩间距与桩长对弹性地基梁沉降量具有较大影响，为获得较稳定的弹性地基梁，可对两个参数进行调整.

将桩长分别设定成4 m、5 m、6 m、7 m，高层建筑荷载正下方弹性地基梁在不同桩间距下的沉降差结果用图5描述.

图5 弹性地基梁沉降差结果

分析图5可以看出，不同桩长对应的弹性地基梁沉降差均随桩间距增加而上升，并呈现出先缓慢上升后迅速上升的趋势；在桩间距相同的条件下，弹性地基梁沉降差与桩长呈反比，当桩长为7 m和6 m时，最大沉降差分别为-3.4 mm、-4 mm左右，均保持在沉降控制标准内，当桩长和桩间距分别为5 m、9 m时，沉降差大致为-4.5 mm，已超出沉降控制标准，当桩长为4 m时，沉降差始终低于-4.4 mm，不满足沉降控制标准.通过上述分析可知，为充分体现弹性地基梁加固效果，使其既符合沉降控制标准，还能减少桩体用量，节约经济成本，可将桩长和桩间距分别设定成5 m、6 m.

将桩径分别设定成500 mm、600 mm、700 mm、800 mm，测试不同桩长下弹性地基梁的安全系数，结果用图6描述.

图6 不同桩径的弹性地基梁安全系数图

分析图6可得，不同桩径对应的弹性地基梁安全系数均随着桩长增加而上升，在桩长为10 m的情况下，各桩径对应的弹性地基梁安全系数较为接近，在桩长<12 m的情况下，安全系数上升速率较快，并在超过12 m后逐渐趋于平稳；当桩径为700 mm时，弹性地基梁安全系数始终保持最高，最大值约为9，当桩径为500 mm时，弹性地基梁安全系数始终处于最低值.因此可以表明，桩长和桩径对弹性地基梁安全系数影响较大，桩长与安全系数呈正比，将桩径设置为700 mm，可获得稳定性较高的弹性地基梁.

3 结论

随着高层建筑数量逐年上升，其安全性日益引起人们的重视，本文研究高层建筑弹性地基梁加固施工技术，通过加固弹性地基梁，并从位移、沉降、安全系数三方面出发，分析本文技术的加固效果，以及各项参数变化对弹性地基梁的影响，可获得以下结论：

1)以弹性地基梁作为主体的排桩支护结构的稳定性随地震强度增加而降低，但始终控制在安全标准范围内，弹性地基梁加固施工效果良好，且该结构受基坑深度影响较大，将其控制在12 m以内，能获得较稳定的支护结构.

2)桩间距和桩长对弹性地基梁沉降量具有较大影响，为充分体现弹性地基梁加固效果，可将两个参数分别设定成5 m、6 m.

3)桩长和桩径对弹性地基梁安全系数影响较大，桩长与安全系数呈正比，将桩径设置为700 mm，可获得稳定性较高的弹性地基梁.