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框架结构房屋地基基础不均匀沉降危害分析及对策研究

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  摘要:地基基础不均匀沉降将对框架结构房屋产生很大的危害,轻则引起房屋墙体开裂,重则引起房屋结构整体或局部倾斜甚至倒塌。因此,正确认识不均匀沉降对房屋结构造成的危害,深入分析事故发生的原因,并提出有效的对策,具有重要的实际工程意义。 
  关键词: 框架结构;不均匀沉降;对策 
   
  1 地基基础不均匀沉降对框架结构房屋的危害 
   
  由于地基基础不均匀沉降产生的工程质量事故,轻则影响建筑物的美观,破坏室内外装修,造成房屋使用者心理上的不安,重则造成墙体渗水和灌风,影响建筑物的使用功能,更严重的会引起墙倒屋塌,出现伤人事故和财产损失。因此有必要对这些事故原因进行深入的分析 
  从而提出科学可行的防止和治理措施。 
   
  2 原因分析 
   
  2.1 建筑结构倾斜的原因 
  造成框架结构房屋倾斜的原因是多方面的,其主要有:基础埋置深度不够,或重心不稳导致建筑物整体稳定性的削弱;地基承载力不够,在建筑物垂直荷载下发生不均匀沉降或局部沉降,使得建筑物随之沉降而倾斜;地下桩或基础发生破坏而使建筑物发生倾斜;上部结构受力不均产生扭矩。从而出现扭转倾斜;上部结构局部构件破坏导致倾斜;施工中构件定位偏移形成累计偏差导致重心偏移而发生倾斜;地基土质差或地下水位高等原因造成基底土蠕动而导致建筑倾斜等。 
  2.2 钢筋混凝土框架梁开裂的原因 
  地基下沉对上部结构的影响过程是一个复杂的应力重新调整的过程。不仅与地基的不均匀程度有关,而且与基础和上部结构的刚度关系密切。根据对一些算例进行分析,结果表明,地基下沉一般可影响到上部5至6层框架结构的应力状态,甚至可能出现正负应力反号现象,导致梁、柱出现严重的裂缝。其影响顺序是从基础逐步向上反应,影响程度逐渐衰减。当箱形基础或底层结构有较大的刚度时,对上层框架的影响显著减小,可以自动调整地基反力,逐步趋近均匀沉降。沉降引起斜裂缝一般情况下是比较难察觉的,它与热胀冷缩温度裂逢、受弯垂直裂逢不同,形态变化多端,通常根据梁受力特点,裂缝数量、走向、宽度、深度以及裂逢发生部位,来进行综合分析研究,综合大量的己发现沉降引起斜裂逢,其主要有下列几个方面的主要特征: 
  裂逢走向。一般裂缝的走向同主拉应力方向垂直,沉降引起斜裂缝也是遵循主拉应力迹线准则。通常情况下,裂逢往往由沉降小的一边向沉降较大一边倾斜延伸。如梁跨中沉降(挠曲)时,裂缝由梁底开始逐渐向梁面倾斜伸展,指向跨中沉降较大处。 
  裂缝变化。沉降引起裂缝,使裂缝多样化,表面看来缺乏一定规则,较难解释清楚,裂逢有时从梁面由上而下开展,有时从梁底由下往上开裂,有时也拌随着一些垂直裂缝,甚至梁腹中间也会开裂,同时有的斜裂缝发生在梁的受剪区(或弯剪区段)也有的发生在梁的弯拉区段。 
  裂缝数量。当主拉应力超过混凝土抗拉强度时。在梁支座附近或连续梁反弯点区段,容易出现贯通性斜裂缝,这些裂缝数量多少,一般与下列几个因素密切相关:不均匀沉降量多少;荷载大小与振动干扰影响;有否产生挠曲扭矩而引起附加剪应力大小;混凝土性能微裂缝现象及徐变大小。 
  斜裂缝出现时间。根据有关梁斜裂缝试验研究表明,由弯曲效应引起的垂直裂缝,出现时间对应的荷载为(0.14-0.16)Pu(Pu为极限荷载),而斜裂缝开始出现时间对应的荷载为(0.38-0.42)Pu,显然垂直裂缝出现比斜裂缝要早,但是沉降引起斜裂缝,没有经历垂直裂缝阶段,而在荷载较轻情况下,开始就出现斜裂缝,一般难以说得正确时间,只能大致把裂缝出现时间分为三个阶段:一是施工阶段出现裂缝,梁从浇捣混凝土开始,直到裂缝出现时间比较短,甚至短少到3-5天发现梁斜裂缝,这种情况往往是混凝土强度低时,受到不均匀沉降与施工荷载共同作用,影响比较严重:二是竣工阶段平时施工人员对梁斜裂缝不太注意,当工程进入粉刷竣工验收时,裂缝就明显暴露出来了。这种情况主要是梁内伤通过混凝土徐变逐渐反映出来了;三是使用阶段。有些框架结构大梁,经过半年多使用时间才发现斜裂缝,这种情况,主要是梁损伤较轻,虽然己经存在微裂缝,在较长时间沉降、徐变、温度、外荷载联合应力作用,慢慢地反映出来,裂缝趋于明朗化。 
   
  3 防治措施 
   
  3.1 地基处理 
  桩基础。采用爆扩桩、灌注桩,打入桩穿过软弱土层,将基础支撑在坚硬土(石)层上,使建筑物的沉降差满足设计要求。这种方法能同时取代或减少地基处理和开挖基坑的土方工程,可以节约人力和缩短工期,山区普遍采用此法。要使桩基础达到经济上合理,技术上安全可靠,必须做到精心设计和精心施工,否则,虽采用了桩基础也会发生问题;充分利用上覆土层,尽量采用浅基础。当地基上部土层的强度较高,并有一定的厚度,其下分别为软弱土后和硬土层时,应优先采用浅基础为经济合理;换土。换土有以硬换软或以软换硬两种方式。其目的都是为了获得整个建筑物的均匀沉降。一般来讲,在一个建筑场地内,硬地基少,软地基多,宜采用以软换硬的换土法(又叫褥垫);若软地基少,硬地基多,宜采用以硬换软的换土法;若软、硬地基各一半,宜采用设置沉降缝与局部换土相结合的方法。 
  3.2 基础加固 
  地基基础加固中,常采用加宽或加大基础底面积的方法,因其施工简单、所需设备少,常用于基础面积太小而产生过大沉降或不均匀沉降事故的处理,以及采用直接法加层时对地基础的补偿加固。这种加固方法基础直接加宽、外增独立基础加大两种。基础加深是将原基础下的软土、膨胀土、杂土等土层分段挖去,换成混凝土或砖墩(俗称墩式托换),使基础加深并置于较好士层上的一种加固方法。当基础发生裂缝、破损、侵蚀(如受酸、碱等有害物质的侵蚀)以及因加层而引起基础刚度不足时,应对基础进行加固,以满足其刚度及耐久性的要求。 
  基础直接加宽。基础直接加宽是对挖开原基础两侧的填土后浇筑新基础的方法。这种方法的优点是能使新旧基础很好结合、共同变形。 
  ①单面加宽:当基础承受的荷载偏心距较大或产生不均匀沉降时,应采用单面加宽的方法。新加部分应与原基础有很好的连接,应将原基础表面凿毛,每隔一定间距设置角钢挑梁,且用膨胀混凝土将其牢靠地锚固在原地基上。浇捣混凝土前,界面处应涂界面剂。②双面加宽:当基础承受过大的中心荷载或小偏心荷载时采用双面加宽方法。新旧基础的连接,采用掏挖原基础灰浆缝并在原基础上凿凹坑以形成剪刀键的办法。③四面加宽:对于独立基础,采用四面加宽的方法进行加固。当每边加宽不超过30cm时,采用素混凝土围磁;当每边加宽大于30cm时,则应在围套内配置钢筋。④增设筏板基础:在己有的基础间增设筏板,以增大基础底面积,减少地基反力,是一种非常有效的加大基础底面积的办法。它常用于稳定软土或回填土上建筑物的下沉或不均匀沉降。新增筏板基础不宜设在房屋基底,而应设在基底以上700-800mm处。板厚不宜小于200-250mm。为了增大筏板的刚度,应在板上浇筑次梁(高300-400mm)和主梁(高5OO-1000mm),次梁间距为2.5m,筏板、梁与基础墙之间应有可靠连接,板应嵌入墙中300-400mm。主次梁两端应按铰接考虑,筏板可视具体情况按单向板或双向板计算,并应注意构造钢筋的配置。 
  外增基础: ①抬梁法:抬梁法是在原基础两侧挖坑并做新基础,通过钢筋混凝土梁将墙体荷载部分转移到新做基础上的一种加大基底面积的方法。新加的抬墙梁应设置在原地基梁或圈梁的下部。这种加固方法具有对原基础扰动少、调协数量较为灵活的特点。采用抬梁法加大基底面积时,应注意抬梁的设置应避开底层的门、窗和洞口;抬梁的顶部须用钢板楔紧。对于外增独立基础,可用千斤顶将抬梁顶起,并打入钢楔,以减少新增基础的应力滞后。②斜撑法:斜撑法加大基底面积,与上述抬梁法不同之点,是抬梁改为斜撑,新加的独立基础不是位于原基础两侧,而是位于原基础之间。 
   
  基础加固: ①混凝土围套加固:混凝土围套加固是指在己开裂、破损或因加层而需要提高刚度的基础外面浇筑钢筋混凝土围套的一种基础加固方法。这种方法不仅可使基础底面面积增大,降低原基底的反力,而且可使原基础受到围套的约束,其刚度、抗剪、抗弯和抗冲切的能力得到提高。②加厚加固:这种加固方法是将原基础的肋加高、加宽。以减少基础底板的悬臂长度和降低悬臂弯矩,使原基础的刚度及承载力得到提高,尤其适合于旧房加层设计时的基础加固。③灌浆法加固:灌浆法加固是指用压送设备把水泥浆或环氧树脂浆压入原基础的裂缝内或破损处的一种加固方法。施工时先在基础中钻孔,孔径应比灌浆管直径(一般为25mm)大2-3mm,孔距取O.5-1.Om,孔数对于独立基础应 
  3.3 结构修复加固 
  对钢筋硅结构的加固方法很多,本论文只针对由于沉降而产生的问题进行的加固处理。一般是采用增大截面法进行加固处理。 
  钢筋混凝土梁修复加固。沉降对钢筋混凝土结构,不仅可能因承受过大弯曲拉应力和主拉应力而产生一段裂缝,有时还可能因突然受挤压、剪切而酥裂,甚至掉块。此时如仅靠“补给”。就很难使结构恢复“元气”。必须根据结构的具体受损情况,用钢筋混凝土对破损部位进行包套,才能达到复原、补强的目的。主要有以下方法:①梁端包套:梁裂缝和破损,一般多集中在主拉应力较大的梁端。然而,对绝大部分超静定结构的横梁来说,近梁端处不仅主拉应力大,而且上部弯曲拉应力亦大。因此梁近端上冀缘,加固补强时,不宜打开。欲保证梁上表面不破坏,那么只有采用梁下加腋包套的办法来恢复正截面和斜截面的承载能力。这类构件在加固的承载力计算,只能将新旧混凝土截面视为各自独立工作考虑,其承担的弯矩按新旧混凝土截面刚度进行分析。②梁柱包套:根据许多沉降工程实例表明,某些剧烈的差异沉降,其破坏往往反映在梁柱交会的节点附近。此时最好把梁柱包裹在一起,进行一次性加固。包套加固时,首先把被加固的结构表面打毛。每隔5OOmm左右沿梁两侧钻孔,以直径大于1Omm的半开口箍穿下,并与下半开口箍搭焊在一起。③型钢捆扎包裹法:钢材是强度高、塑性韧性都比较好的材料,用它来加固因沉降而破坏的砖石砌体、混凝土或钢筋混凝土构件,由于加固体和被加固体二者特性上的明显差异,捆扎后及易松弛、继续变形,钢材强度也不可能充分发挥。用型钢进行捆扎加固,操作简单、施工速度快。因此尽管存在上述缺点,目前在处理沉降事故中仍广泛采用。由于梁柱断面多为方形或长方形,因此用各类型钢加固其裂缝时,只能采用包箍的型式。不论采取什么样的包箍的方法,都必须通过拧紧螺栓对包箍件预加压力,以使它们和梁柱表面充分接触、密贴结合。对于单梁,可直接在梁上比较大的斜裂缝中部位置上设一道螺栓包箍。预先在梁两侧的楼板上钻孔,用U形螺栓自上穿下,固定在梁下表面的通常垫板上,这样可以保持梁顶比较平整。如梁上铺板或搁置其它构件,只须用高标号水泥砂浆抹面把钢箍覆盖起来即可。对于整体现浇钢筋混凝土框架结构,梁柱裂缝大多集中在节点附近,因此,梁拴的捆扎包箍在构造上应形成互相联系的整体。施工时,首先沿柱四角各打一穿过楼板的孔洞,四只包角角钢同时穿下,两端临时用钢夹板点焊固定。然后按预定位置,一对夹板配一对拉紧螺栓,逐次调整紧固后,再把各夹板的端部和包角角钢焊接在一起。梁头包箍,首先把下冀缘两只包角角钢,与已经固定在柱上的角钢托点焊固定,然后依次用U形螺栓,自下而上经梁两侧钻孔固定楼板面上。最后用细石混凝土和高强度水泥砂浆,将楼板上的全部孔洞填塞、抹平。 
   
  参考文献 
  [1]董军,地基不均匀沉降引起上部结构损坏的非线性全过程分析.土木工程学报,2000. 
  [2]吕鹏,多层砖混结构建筑物地基不均匀沉降的原因及防治措施.内蒙古科技与经济,2003. 
  [3]黄玲,对施工引起地基不均匀沉降的分析及处理.有色冶金设计与研究,2004. 
   
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