既有建筑物不均匀沉降的最优注浆加固范围研究

刘秋平

摘要：为研究既有建筑物不均匀沉降的最优注浆加固范围，以成都市某商城的地基加固工程为例，通过ABAQUS建立数值模型进行计算，分析不同加固深度和加固长度条件下注浆加固的效果，所得结论如下：地基沉降值随地基深度的增大而逐渐减小，软弱层对应位置的地基沉降程度大于相同深度其他位置，产生地基不均匀沉降现象。地基沉降值随加固深度的增大而减小，加固深度大于软弱层深度时，地基不均匀沉降基本消失，最优加固深度为6.6m。当加固长度达到20m时，由于软弱层的存在导致的地基不均匀沉降基本被消除，选取最优加固长度为20m。

关键词：既有建筑物；不均匀沉降；注浆加固范围；数值计算；ABAQUS

0   引言

目前，在建筑工程中仍然存在很多亟需解决的问题，其中之一就是既有建筑的地基的不均匀沉降问题。产生沉降的内在原因是土体的压缩性，因此在建筑施工和使用阶段必然会产生地基沉降。地基土受上部荷载和外界环境的作用，导致不同位置处产生的沉降量不同，若地基的不均匀沉降超出了规范要求，可能会导致建筑内墙体开裂、结构倾斜甚至倒塌[1]。

目前针对既有建筑的不均匀沉降及控制措施的研究已取得较多成果。周其健等[2]通过对建筑场地的沉降、裂缝等现象的调查，分析地基差异沉降影响因素，深入剖析了该红层地基产生差异沉降的原因。佟道林[3]基于某框架结构，对其在地基不均匀沉降条件下施加地震荷载，研究了结构在地基不均匀沉降下的内力变化和抗震性能。高鹏飞等[4]研究了建筑在湿陷性黄土地基上产生不均匀沉降的原因以及地基不均匀沉降影响范围，并基于此提出了合理加固方案。魏常宝等[5]针对大厚度的湿陷性黄土地基的既有建筑出现不均匀沉降后的检测与加固设计方法进行研究。汪过兵等[6]依托湿陷性黄土地基上的某中学三层教学楼的止倾加固实际工程，研究注浆花钢管樁对地基不均匀沉降的处理效果。

为研究利用注浆加固处理既有建筑地基不均匀沉降的最优注浆加固范围，本文以成都市某商城的地基加固工程为例，通过ABAQUS建立数值模型进行计算，分析不同加固深度和加固长度条件下注浆加固的效果，以期对工程实践起到一定的指导作用。

1   工程概况

成都市某商城的地基加固工程的总建筑面积为20万m2，由高层办公楼A栋、B栋、裙房和4层大底盘地下室组成，其中地下建筑面积72308m2，基础埋深为3.6m。该房屋始建于2012年，2017年初发现该房屋有不均匀沉降导致的开裂，2018年3月开始进行沉降观测。

沉降观测和裂缝分布表明，B栋中部有较大的沉降。虽然目前的地基沉降和上部结构倾斜程度暂未超过规范允许的范围，但考虑到地基沉降的发展仍在继续，不均匀沉降程度呈现加剧的趋势，为防止地基不均匀沉降进一步恶化，需要对地基进行加固处理。拟采取注浆加固的措施，并对加固后地基的后续沉降进行监测。

2   数值模型建立

结合现场岩土工程勘察结果，得到地基土从地表向下分别为：厚度为2.5m杂填土、厚度为3.2m粉质黏土、厚度为2.3m粉土、厚度为2.2m黏土（软弱层）、厚度为5.6m粉土、厚度为4.9m粉质黏土。

利用ABAQUS软件建立模型并进行分析。建立计算模型时，应在保证其符合实际情况的基础上尽可能简化计算模型。本文通过在模型上部直接施加均布荷载的方式模拟上部结构荷载，均布荷载为130.0kPa，不考虑上部结构和基础的刚度对荷载分布的影响。

模型的计算尺寸为：长293.4m，宽38.7m，高20.7m。有限元模型示意图如图1所示，考虑到地下室的存在，故不能将地表的沉降看作为地基沉降，本文监测的地基沉降数据为图1中线L处的土体位移。

地基土体采用摩尔-库伦模型，在设置模型的边界条件时，分别对前后左右4个土体边界进行约束，限制地基的水平位移，在模型底部设置水平和竖直约束。各地层的岩土体物理力学参数取值如表1所示。加固区土体参数取值如表2所示。

3   注浆加固范围对加固效果的影响

为研究注浆加固范围对地基加固效果的影响，本节考虑选取加固宽度与建筑宽度相同，设置不同的加固深度和加固长度计算工况，对不同工况下的地基沉降进行分析，确定注浆加固的最优范围。

3.1   未加固条件下的地基沉降

通过数值计算，得到未经注浆加固下的不同深度的地基沉降如图2所示。从图2可以看出，随着地基深度的不断增大，地基沉降值逐渐减小。在地基深度范围为0～4.4m的区间内，由于地基中存在软弱层，在软弱层位置（-10m＜x＜5m），地基沉降程度明显增大，大于相同深度其他位置的地基沉降值，出现地基不均匀沉降现象。该范围内的基础出现应力集中现象，导致基础发生开裂。

在地基深度范围为6.6～12.2m的区间内，由于地基深度较大且软弱层向下传递荷载的能力较弱，因此该深度范围内的地基沉降值较小，且软弱层位置对应的x方向范围内的地基沉降值，略小于相同深度其他位置的土体沉降值。

3.2   最优加固深度的确定

利用注浆加固的方法对地基进行加固时，加固区范围是由浆液扩散半径确定的，同时注浆区内的土体参数受多方面的影响，本文考虑将加固区范围内的土体看作一个整体。

假定加固区的长度为建筑长度，设置加固深度分别为2.1m、4.4m、6.6m、12.2m等4种工况，得到不同工况下的地基沉降数据，确定最优加固深度。不同加固深度条件下的地基沉降如图3所示，不同加固深度下注浆加固条件与未加固条件的地基沉降差如图4所示，不同加固深度条件下软弱层对应范围内的沉降减小率如表3所示。

如图3和图4所示，随着加固深度的逐渐增大，地基沉降逐渐减小，注浆加固后的地基沉降与未加固情况下的地基沉降之间的差值逐渐增大。

当加固深度小于软弱层深度（＜4.4m）时，由于注浆加固未能消除软弱层对地基沉降的不利影响，软弱层位置（-10m＜x＜5m）的地基沉降程度，仍然较相同深度其他位置处的地基沉降大，地基不均匀沉降现象较为明显。

当加固深度大于软弱层深度（h＞6.6m）时，软弱层在注浆加固范围内，注浆加固消除了软弱层对地基沉降的不利影响，在软弱层位置（-10m＜x＜5m）的地基沉降程度，与相同深度其他位置处的地基沉降基本相同，地基不均匀沉降基本消失。

如表3所示，软弱层对应范围内的沉降减小率随着注浆加固深度的增大逐渐增大，当加固深度超过软弱层深度时，即由4.4m增大到6.6m时，沉降减小率从28.85%、29.79%迅速增大到46.55%、43.17%，说明当加固深度超过软弱层深度后，注浆加固的效果得到了很大提升。当加固深度超过6.6m后继续增大加固深度，加固效果仍有提升，但提升幅度逐渐减小。

综上，当注浆加固深度未达到软弱层深度时，加固效果不理想，当注浆加固深度刚好超过软弱层深度时，注浆加固可消除软弱层导致的不利影响，减小地基的不均匀沉降。当超过软弱层深度后继续增大注浆加固深度，加固效果的提升幅度逐渐减小，但施工难度和施工成本逐渐升高。故综合考虑加固效果和经济因素，选取最优加固深度为6.6m。

3.3   最优加固长度的確定

基于上文中得到的最优加固深度6.6m和假定的加固区长度为建筑长度，设置加固长度分别为10m、20m、30m、40m、50m等5种工况，得到不同工况下的地基沉降数据。不同加固长度条件下的地基沉降如图5所示，不同加固长度条件下软弱层对应范围内的沉降减小率如表4所示。

如图5所示，在加固深度为最优加固深度的条件下，加固长度范围内的地基沉降值明显较小，因软弱层导致的地基不均匀得到了明显改善。随着加固长度的逐渐增大，加固长度范围以外的地基沉降值也逐渐呈现减小的趋势。

当加固长度达到20m时，加固长度的范围已经覆盖软弱层对应位置范围时，软弱层的存在导致的地基不均匀沉降基本消除，虽然此时在加固区两侧存在不均匀沉降，但未超过规范要求的范围。

如表4所示，软弱层对应范围内沉降减小率，随着注浆加固长度的增大逐渐增大，当加固长度由10m增大到20m时，沉降减小率从27.41%、34.91%迅速增大到43.59%、42.89%，说明当加固长度超过20m后，注浆加固的效果得到了很大提升。当加固长度超过20m且继续增大时，注浆加固的效果依然有一定程度的提升，但提升幅度逐渐减小。

综上，考虑到该注浆工程的重点是消除软弱层引起的地基不均匀沉降，综合考虑加固效果和经济因素，选取最优加固长度为20m。

4   结束语

本文以成都市某商城的地基加固工程为例，通过ABAQUS建立数值模型进行计算，分析不同加固深度和加固长度条件下注浆加固的效果，所得结论如下：

地基沉降值随地基深度的增大而逐渐减小，软弱层对应位置的地基沉降程度大于相同深度其他位置，产生地基不均匀沉降现象。地基沉降值随加固深度的增大而减小，加固深度大于软弱层深度时，地基不均匀沉降基本消失，最优加固深度为6.6m。当加固长度达到20m时，由于软弱层的存在导致的地基不均匀沉降基本被消除，选取最优加固长度为20m。

参考文献

[1] 杨亚欣. 既有建筑物不均匀沉降的注浆加固处理与数值分析[D].天津：河北工业大学，2017.

[2] 周其健，郭永春，屈智辉，等.某红层地基差异沉降原因分析[J].建筑科学，2020，36（11）：101-106.

[3] 佟道林.地基不均匀沉降对上部框架结构影响的静动力分析[J].建筑结构，2022，52（S1）：2416-2422.

[4] 高鹏飞，陈浩.某框架结构不均匀沉降原因分析及病害诊治技术研究[J].建筑结构，2022，52（S2）：1867-1872.

[5] 魏常宝，滕文川，钱铭.某大厚度湿陷性黄土场地既有建筑不均匀沉降地基基础检测鉴定与加固设计[J/OL].建筑结构：1-10[2023-04-14].

[6] 汪过兵，裴先科，姜伟等.湿陷性黄土地区某三层砌体结构教学楼止倾加固研究[J].工程抗震与加固改造，2023，45（1）：135-140.