湛江海漫滩8层结构房屋基础沉降分析

湛江海漫滩8层结构房屋基础沉降分析

14号楼位于洪武景海路14号，是一座8层的建筑。单层总建筑面积为360平方米，朝南。此楼1993年2月动工兴建,1995年9月交付使用,2000年初发现基础产生明显的不均匀沉降,楼房向东南向倾斜,最大倾斜量为46cm,最大倾斜率为2.23%。2000年6月某公司对此工程基础进行加固,同年8月31日竣工,竣工后至今经过2年多时间,通过4次监测,发现沉降已得到控制,但纠偏效果不好,楼体倾斜依旧。为确保楼层的安全使用,需对该楼房基础安全性重新进行评估,若不安全,应提出加固方案。同时由于该楼倾斜严重,影响正常使用,应如何纠偏也是必须考虑的问题。1地层地质情况场地原为海漫滩,经人工吹填砂整平为现在的平坦地形,地面标高在4.3m左右。该场地地质情况自上而下为:①吹填砂;②细粒土质细砂;③淤泥质粉质粘土、淤泥;④泥岩土;⑤含砂粉质粘土;⑥粘土;⑦含细粒土粗砂。该场地典型的地质剖面如图1所示。1.1旋喷桩加固法据2000年6月对该楼承台顶面相对沉降进行测量,其结果如图2所示。由此可见,该楼基础最大沉降约为46cm。2000年6月曾用旋喷桩对该楼部分基础进行加固,加固工作在2000年8月完成。加固后,从2002年1月至2003年4月曾由粤西地质工程勘察院对该楼沉降进行观测,其沉降结果如图3所示。由此可见,加固后,该楼仍然产生沉降,但沉降量不大。该楼目前的倾斜量如图4所示。1.2泥沙的压缩试验本工程场地内有较厚的淤泥层,在吹填砂荷载作用下,淤泥层将压缩,由于淤泥的变形模量小,压缩量大,渗透系数小的特点,因此压缩变形的过程历时很长。对淤泥的沉降及固结度计算如下:1.2.1s,sh/es以ZK1孔为例,吹填砂厚6m,淤泥厚约5m,Es=1MPa,s=σsh/Es=540mm。以ZK6孔为例,吹填砂厚5.6m,淤泥厚约11m,Es=1MPa,s=σsh/Es=1009mm。1.2.2沉降对比分析从1991年底完成吹填砂到1995年9月交付使用历时3年9个月(3.75年),从1991年底至测试时共11年6个月。对ZK1孔和ZK6孔2种情况下在建筑物建成之初的沉降量s1及固结度U1及现在的沉降量s2及固结度U2进行分析如下:对ZK1孔:淤泥层厚度H为5m,交付使用时,此时固结已经完成;则从交付使用至今这点几乎不再沉降。对ZK2孔:淤泥层厚度H为11m,交付使用时,则U1=0.75,即已经沉降1109×0.75/10=83cm,现在的固结度为:则U=0.96,即至今已经沉降1109×0.96/10=106.5cm,剩余沉降约为4cm。其中:Cv为固结系数;K为渗透系数;Es为压缩模量;γw为水的重度;Tv1为固结度;t为固结时间;H为淤泥层厚度。1.2.3桩的负作用力当时间因数为2时,固结度达到1,即沉降基本稳定,因此:从施工至今经历了11年6个月,故还需3～4年ZK6孔地面沉降才能基本稳定。由以上分析知道,部分钻孔固结沉降已完成,不需要考虑桩的负摩擦力;部分钻孔固结沉降没有完成,需要考虑桩的负摩擦力。1.3地基的极限平衡及容重条件根据地质资料,桩底的持力层大部分为粘土层,标贯击数为3.7～6.4,根据以往的经验及地质报告描述取c=20kPa,φ=16°,则桩基持力层地基强度可根据文献按下式计算:式中:Pλ为地基强度,λ=0表示地基处于临界塑性状态,λ=1表示地基处于极限平衡状态;γ为基础持力层的容重;d为桩直径;γ0为基础底面以上土层的容重;h为基础的埋深;c为基础底部持力层的粘聚力;A′λ、Bλ、Dλ为与基础底部持力层内摩擦角φ及危险度λ有关的函数。对于本工程,取γ=18kN/m3,d=0.48m,γ0=8kN/m3,h=22m。当λ=0时,A′λ=0,Bλ=2.43,Dλ=4.99。当λ=1时,A′λ=0.95,Bλ=4.34,Dλ=11.63。所以Pλ=0=527.0kPa,Pλ=1=1000.0kPa。由以上计算可知,对于大部分桩,考虑桩身的负摩擦力,桩底荷载为158kN,桩底持力层的安全度K:1.4桩沉降的计算1.4.1桩身承载力分析由于本工程场地在1991年完成吹填砂施工,对于淤泥层较薄处,4年后该区域的固结基本完成,可以不考虑淤泥对桩造成的负摩擦。取淤泥层极限摩阻力标准值为10kPa,吹填砂及细粒质细砂的极限摩阻力平均值为15kPa,含砂粉质粘土的极限摩阻力平均值为20kPa,桩身的摩擦力为:该栋建筑物总重为:原基础设计方案为ϕ480mm垂直灌注桩,先布设161根桩,每根桩的平均受力为:单桩最大受力为411kN。由以上计算可知,即使对于受最大荷载的桩,若没有桩负摩擦力,其桩顶荷载远小于桩身摩擦力,所以淤泥层厚度小于5m区域的桩是安全的。对于淤泥较厚处(厚度约为11m),4年后该区域内淤泥的固结已完成75%,应考虑淤泥对桩造成的负摩擦。取淤泥极限摩阻力标准值为10kPa,吹填砂及细粒质细砂的极限摩阻力平均值为15kPa,含砂粉质粘土的极限摩阻力平均值为20kPa,考虑淤泥层顶层以下4m为桩受负摩擦力的范围,桩身的摩擦力:在这种情况下,以桩的平均受力N=268kN计算分析,桩底的受力Nb为:若以桩的最大受力计算,其桩底的受力Nb为351kN。对于淤泥厚度在11m左右的桩,其桩底应力为:对此部位桩,其桩底持力层的安全度K为:K=Pλ=1/σ=1000/1316=0.76,此时,桩底持力层已经破坏。1.4.2地下桩身计算截面积由文献,1995年建筑物建成后,桩的沉降可按下式计算:式中:s为桩顶沉降,P为桩顶荷载,Pf为桩身摩阻力,A为桩身截面积,L为桩长,Ec为桩身混凝土弹性模量,d为桩径,μ为桩底持力层泊松比,ω为桩身形状系数,Es为桩端持力层变形模量,h为沉渣厚度,Er为沉渣的压缩模量。由于本工程场地内东南侧淤泥层较厚,约为11m;而西北侧淤泥层较薄,约为5m。桩施工完毕后东南角与西北角之间在填土引起的负摩擦及结构荷载作用下产生约46cm㎝的沉降差,从而造成该栋楼房的倾斜。1.4.3桩身力与变形由于目前淤泥层的固结已完成96%,其后的压缩量只有约4cm㎝。受周围土体的下沉影响,桩身还将受到一定的负摩擦力的作用。桩底安全度计算如下:随着淤泥固结沉降逐步完成,负摩擦中性点逐步上移,因此取淤泥层顶面以下1m为负摩擦中性点,桩身摩擦力为:考虑到该部分区域已经施工旋喷桩进行加固,在淤泥层较厚处桩顶荷载有部分被旋喷桩分担,桩顶荷载将<268kN,目前桩底持力层安全度已足够。由前节计算可知,等到淤泥层的固结全部完成,桩身所受的负摩擦也逐渐消失,桩身周围土体起正摩擦力作用,由前述可得摩擦力P约为540kN。桩顶的最大荷载为411kN,小于桩身的摩擦力,桩底应力为0,桩底持力层安全度足够。2顶升及顶升设计纠偏采用断柱顶升法。考虑到该楼倾斜较大,为不影响使用,故拟对西北角3根柱不截断,其余柱均截断。断柱后,根据各柱的实际沉降量,采用同步顶升纠偏法进行纠偏,纠偏施工的步骤如下:(1)按图5、6浇筑混凝土支墩,以承担断柱后上部结构的荷载。(2)按图6浇筑混凝土牛腿,牛腿的作用是在断柱后将柱荷载传递到支墩上,牛腿与支墩应垫2cm㎝厚钢板。(3)将西北角3根柱外的其余柱截断,在上、下用高强度等级水泥砂浆抹平,并垫2cm㎝厚钢板。(4)安装千斤顶(见图5),根据计算得到的各柱荷载,选用200t千斤顶。(5)确定顶升量,计算沉降值,确定各柱的总顶升量及分级顶升量。(6)分级顶升至要求高度。(7)复原