基底注浆对减小厂房浅基础沉降的效果分析

孙浩，郭立辉，刘金龙

(1.安徽水安建设集团股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.合肥学院城市建设与交通学院，安徽 合肥 230022)

1 引言

在工业厂房中，通常根据使用需要在厂房内部不同区域堆放不同的物料，不同物料的使用进度不尽相同，造成厂房地面存在局部堆载过高、局部空载的不均匀分布情况。堆载属于活荷载，设计时荷载取值与实际工况不一定吻合，且作用时间与位置经常发生变化，无规律可循，其对厂房基础的影响存在不确定性[1-3]。

当厂房采用桩基础时，堆载对桩基础产生一定的负摩阻力与侧压力，若桩基础承载力安全储备较大，能够抵抗、承担堆载产生的不利影响，堆载对桩基础的影响就非常有限。但堆载过大时，其对桩基础也将产生较大影响。如周勇等[4]采用现场试验和数值分析比较的方法研究表明，堆载预压时间对桩基负摩阻力的发生发展起到关键影响，当堆载超过3个月，桩基负摩阻力已不明显。潘晓东等[5]以杭州绕城高速上发生垮塌的斜交桥梁为案例，考察了土体的物理参数、堆载高度和斜交角对桥梁结构的影响，结果表明土体的弹性模量、堆土高度对桥梁在堆载作用下的横向位移和内力有很大影响。贺志勇等[6]基于某高速公路匝道桥桥侧堆载案例研究表明，桥侧大面积堆土后，匝道桥基础弯矩增加177.7%，基础轴力增加27.3%，主墩及上部结构内力无明显变化。其它学者也就堆载对桩基础的影响开展了深入研究[7-11]。

事实上，堆载对浅基础的影响可能更大。某些厂房，由于使用性质（如临时建构筑物）和节约造价的要求，采用了浅基础型式，堆载可能使浅基础底部产生较大的附加应力，诱发较大的变形与倾斜，影响使用功能。本文以某独立基础的搅拌站厂房为例，探讨堆载对浅基础的影响，并对注浆加固的效果进行分析，为类似工程提供参考。

2 厂房工程概况

某搅拌站厂房长约107.4m，宽约67.1m，占地面积约 7311.6m2，厂房顶部采用网架设计。厂房主要用途为砂石骨料堆场大棚，建筑层数为轻钢一层。厂房采用柱下独立基础，共设26根柱子，边柱尺寸为600×600，中柱尺寸600×800。采用钢筋混凝土独立基础，基础埋深约2.0m，基础尺寸东、西侧边柱为 4.0m×4.0m，其余为 3.6m×3.6m。柱、梁、基础混凝土强度等级为C30，垫层混凝土强度等级为C15。厂房平面布置如图1所示，实景图如图2所示。

图1 厂房结构平面布置图

图2 厂房内部实况

图1与图2所示的挡土墙为钢筋混凝土结构，墙厚0.50m，墙高3.0m，墙下设置钢筋混凝土条形基础，基础宽度3.70m，埋深 0.50m。内部挡土墙主要起到分隔料仓的作用，不同位置的料仓堆放不同的骨料。

屋盖采用四角锥网架结构，网架高度1.9m～3.2m，支承形式：柱点，由下部框架柱支承。根据工程地勘报告，自上而下土层分别为（如图3所示）。

图3 地质剖面图

①杂填土（Q4ml）：层厚1.10m～1.50m，灰褐、褐黄色，稍湿，稍密～中密状态，主要由碎砖、碎石子、黏性土组成。

②粉质黏土（Q4al+pl）：层厚2.36m～6.44m，层底标高 1.96m～6.12m。灰褐、褐黄色，软塑～可塑状态，含氧化铁等，局部夹有薄层粉土。摇振反应无，切面稍光滑，干强度中等，韧性中等。该层单桥静力触探试验端阻力Ps平均值为0.91MPa，标贯试验实测击数N值一般为3击/30cm～4击/30cm，平均值为3.5击/30cm。此层属中等偏高压缩性土。

③淤泥质粉质黏土（Q4al+pl）：层厚10.66m～15.34m，层底标高-9.37m～-8.36m。青灰色，流塑状态，局部软塑，含大量有机质及贝壳碎屑等，有腥臭味，局部夹有松散状态的粉砂。切面粗糙，干强度低，韧性低。该层单桥静力触探试验端阻力Ps平均值为0.63MPa，标贯试验实测击数N值一般为1击/30cm～3击/30cm，平均值为1.90击/30cm。此层属高压缩性土。

④粉质黏土（Q4al+pl）：层厚5.50m～6.50m，层底标高-15.37m～-14.56m。灰褐、褐黄色，软塑～可塑状态，含氧化铁等，局部夹有薄层粉土、粉细砂。摇振反应无，切面稍光滑，干强度中等，韧性中等。该层单桥静力触探试验端阻力Ps平均值为2.04MPa，标贯试验实测击数N值一般为5击/30cm～6击/30cm，平均值为5.70击/30cm。此层属中等偏高压缩性土。

⑤粉细砂（Q4al+pl）：此层未揭穿，揭露厚度0.10m～5.80m，揭露层底标高-18.32m～-20.56m。灰色、灰黄色，饱和，中密状态，含云母、石英及方解石等矿物。局部夹薄层可塑状态粉质黏土、稍密状态粉土。摇振反应迅速，切面粗糙，干强度低，韧性低。标贯试验实测击数 N值一般为 16击/30cm～28击/30cm，平均值为21.2击/30cm。此层土属中等压缩性土。

土层的物理力学参数如表1与表2所示。厂房地下水类型主要是上层滞水和承压水。其中上层滞水主要分布于①层填土中。地下水埋藏浅，易蒸发，接受大气降水、地表水补给，其水位、流量随季节有明显变化。

各土层强度参数 表1

各土层压缩模量 表2

3 厂房变形与地基加固方案

3.1 厂房变形情况

厂房投入使用后，多个柱子发生下沉，网架杆件发生变形。其中③轴交轴、Ⓒ轴柱顶标高沉降超过-0.40m，该位置为料仓填料区，填料高度约为3m～4m；⑦轴交轴、轴轴柱顶标高分别沉降0.28m 和 0.354m，该位置为料仓空仓区。2019年12月26日各柱顶沉降监测值见表3所示，相应沉降等值线分布如图4所示。

各混凝土柱柱顶沉降值(单位:m,2019.12.26数据) 表3

图4 柱顶沉降等值线分布图(单位:m,2019.12.26数据)

厂房开始投入使用时，各料仓不均匀堆载，中间料仓堆载较大，这是导致厂房的不均匀沉降的主要原因。厂房柱子呈现中柱沉降大、边柱沉降小的规律，间接改变了网架(连续梁超静定结构)的受力状态，现场发现③轴交轴柱顶端网架已经与柱端脱离。对部分沉降较大的柱顶，已通过及时释放柱顶螺栓、采用钢质楔形垫板垫高支点等措施，防止下沉的基础将网架拉坏。

当厂房的料仓堆载消除后，部分柱顶回升，说明地基土体在卸载状态下产生了较大的回弹。结合土层深度及参数可知②粉质黏土、③淤泥质粉质黏土厚度较大，在堆载、卸载作用回弹效应主要发生在这两层土体中。

3.2 地基加固方案

根据厂房混凝土柱变形情况，一方面除了对柱顶与网架连接处进行垫高处理、释放不均匀沉降对网架产生的附加应力外，另一方面应对混凝土柱基础进行加固，减小堆载诱发柱基产生的不均匀沉降。

经过综合对比，采用袖阀管对柱基一定范围的土体进行注浆加固，施工方便，综合费用较低，加固效果能满足相关要求。注浆参数如下：注浆钻孔开孔直径φ110，袖阀注浆管直径φ50，注浆孔距离独立基础外轮廓1.0m，注浆孔间距2.0m，浆液水灰比0.6:1，注浆速度5 L/min～30 L/min，注浆压力0.5MPa～1.0MPa，最终使注浆加固土体宽度超过基础外轮廓2.0m、深度不小于3.0m。

以中柱基础尺寸3.6m×3.6m为例，注浆加固设计如图5与图6所示。注浆需在基础周边较大范围内无堆载时进行，若基础周边存在堆载，则不宜进行注浆加固施工。需等注浆体硬化达到设计强度后，注浆加固的基础周边方可进行堆载作业。

图5 袖阀管注浆加固剖面示意图

图6 袖阀管注浆加固平面布置图

4 注浆加固效果分析

现基于有限元方法，探讨袖阀管注浆体对减小独立基础沉降的效果。各土层参数根据工程勘察报告确定。注浆体可按弹性材料考虑，参考相关文献数据[12-15]，注浆体弹性模量 E=20.0MPa、泊松比v=0.25。所探讨问题等效为平面应变问题，采用15节点三角形单元进行划分，有限元建模如图7所示。

图7 有限元数值建模

数值计算考虑的工况为：厂房料仓空仓时，对独立基础底部土体进行袖阀管注浆加固，加固结束后，对料仓地表施加堆载，考察堆载作用下土体的竖向沉降分布特征。

图8给出了2.0m高石料堆载作用下，未注浆加固情况下混凝土柱周边地基土体的竖向沉降等值线分布图。计算表明该情况下独立基础发生的最大竖向沉降为-12.2cm左右，与现场相同堆载情况下柱基的沉降监测值较接近。

图8 未加固时堆载导致土体产生的竖向沉降等值线分布图(单位:cm)

图9给出了注浆体厚度3.0m情况下，2.0m高石料堆载作用下地基土体的竖向沉降等值线分布图。可见，注浆加固后，混凝土柱基底加固区域内的竖向沉降所有减小，加固体内的沉降分布较均匀。

图9 注浆厚度3m后堆载导致土体产生的竖向沉降等值线分布图(单位:cm)

图10进一步给出了注浆(厚度3.0m)前后独立基础底部水平断面的竖向沉降分布情况。可见，未注浆时，堆载使独立基础产生的竖向沉降为-12.16cm；设置厚度3.0m的注浆体后，堆载使独立基础产生的竖向沉降为-10.75cm。袖阀管注浆使独立基础竖向沉降减小了11.60%。

图10 注浆(厚度3m)前后基底水平断面竖向沉降对比分析

分析地质条件可知，基底存在厚度较大的淤泥质粉质黏土层，堆载作用下的土体沉降主要由其产生。若注浆体厚度增大，可能对减小基础竖向沉降更有利。图11给出了柱基竖向沉降与注浆体厚度之间的相互关系，如注浆体厚度为6m、8m时，柱基竖向沉降分别为-9.91cm、-9.18cm。图12给出了注浆体厚度6.0m情况下地基土体的竖向沉降等值线分布图。

图11 基础竖向沉降与注浆体厚度之间的相互关系

图12 注浆厚度6m后堆载导致土体产生的竖向沉降等值线分布图(单位:cm)

总体上看，与传统工程的注浆加固相比，本工程的注浆效果并不明显。如设置厚度8.0m的注浆体后，注浆使独立基础竖向沉降减小了24.51%。这是由于③淤泥质粉质黏土层厚度较大的缘故，该土层属于高压缩性土，如注浆体未透过该土层，注浆体仍会与周边软弱土层一起发生较大的变形。对于该类工程地质条件，如果为永久性建（构）筑物，采用桩基础更合适。

由于本工程早已建成并投入使用，采用袖阀管注浆进行地基补强加固，施工简便，造价相对较低，对减小基础继续恶化变形具有一定帮助。且所提搅拌站厂房属于临时性建（构）筑物，在所服务的周边工程建设竣工后，厂房将不再提供混凝土搅拌服务，后续将进行拆除处理。故对于所提搅拌站厂房来说，采用袖阀管注浆加固地基仍为性价比较高的措施之一。

5 结论

以某厂房独立基础为例，介绍了堆载使混凝土柱产生的不均匀沉降情况，并对袖阀管注浆加固的处治措施进行了分析，对比分析表明：

①厂房地基土体中存在厚度较大的淤泥质粉质黏土层，在各料仓较大的不均匀堆载作用下，厂房产生了较大的不均匀沉降。当厂房的料仓堆载消除后，部分柱顶回升，说明地基土体在卸载状态下产生了较大的回弹。

②厂房独立基础底部设置厚度3.0m的注浆体后，独立基础竖向沉降减小了11.60%。注浆效果并不明显，这是由于淤泥质粉质黏土层厚度较大且属于高压缩性土，如注浆体未透过该土层，注浆体仍会与周边软弱土层一起发生较大的变形。

③所提工程早已建成并投入使用，采用袖阀管注浆进行地基补强加固，施工简便，造价相对较低，对减小基础继续恶化变形具有一定帮助。所提搅拌站厂房属于临时性建（构）筑物，采用袖阀管注浆加固地基仍为性价比较高的措施之一。