随着近年来高层建筑的增多, 高层建筑的纠倾问题逐渐浮出水面。为满足住房的安全和舒适性需求, 本着节省资金、减少拆除重建的施工工程量的原则, 需对倾斜不严重, 建筑内部受力构件损坏较少的建筑进行纠倾修复。目前纠倾技术主要依靠过去经验来指导工程实践, 以往的纠倾对象多为多层和低层建筑, 高层建筑纠倾尚未形成系统的理论和设计施工体系^[1,2,3,4]。本文以实际工程实例为背景, 采用ABAQUS软件模拟CFG桩复合地基高层建筑基础少倾侧开挖卸荷沟纠倾过程, 以期能为工程实践提供参考和指导。

　　 基础少倾侧开挖卸荷沟属于应力解除法的一种, 属于掏土法中基础外深层掏土。其基本原理为“五解除、二均化”。

　　 “五解除”的含义为:1) 解除孔周土的径向应力, 孔易被压扁成小规则椭圆形或蛋形, 直到挤瘪;2) 解除沿孔身总的竖向抗剪阻力, 有利于沿孔排外土中应力的解除;3) 局部解除原沉降较大一侧的基底压力, 使该处地基土处于卸载回弹状态;4) 有软泥夹层时, 解除深部软弱土层中靠沉降较小一侧的侧向应力, 便于挤淤和运土;5) 软弱层中两侧的土都有应力解除现象, 随之出现的翘翘板效应使中心部位软土竖向应力短暂提高, 沿水平方向土中心向四周的竖向应力梯度也增高, 促使软土的变形和位移都能较缓慢地产生, 有利于在纠倾过程中基础和建筑物结构的安全。

　　 “二均化”的含义为:1) 地基土变形模量的均化, 使原沉降较小一侧的土体产生剪切变形, 而切线变形模量有所降低, 使其与另一侧未受扰动软土的初始变形模量更接近, 从而使建筑物两侧地基土的变形模量都趋于均匀化;2) 纠倾过程使基底压力均匀化, 软侧卸载而硬侧加载^[5]。

　　 当卸荷沟中的土被取出后, 卸荷沟壁应力被解除, 基础以下的深层土朝卸荷沟内挤出, 带动基础下沉;解除开挖沟槽中土体的总竖向抗剪阻力, 有利于沿孔排轴线两侧产生竖向错移;由于取土是在沉降较小的一侧进行, 在纠偏过程中地基内的附加应力不断调整, 基础中心部位应力增大, 更有利于软土的侧向挤出;而随着纠偏的进行和荷载偏心的减小, 地基的变形模量趋于均化, 基地压力均化, 附加应力则更接近中心荷载下的值^[6,7]。

　　 本次有限元模型建立的工程背景为:某小区一栋高层住宅楼, 结构高度为79.7m, 地下1层, 层高3.2m;地上27层, 层高2.8m;结构形式为剪力墙结构, 基础形式为钢筋混凝土筏板基础, 筏板厚度为1m, 筏板下地基采用CFG复合地基, 该工程周边非人防地库基坑底标高为3.7m, 首层结构平面布置图如图1所示。2014年主体结构完工后发现该楼出现不均匀沉降, 西北角最大沉降量为114.6mm, 东南角最大沉降量为19.5mm, 经计算东西向、南北向倾斜均超出规范允许值。

　　 采用ABAQUS软件建立有限元模型, 见图2。计算土体模型的边界取地基实际尺寸5倍范围以外的土体, 故本工程模型的基础场地长、宽、高分别取133, 76, 144m。楼体和复合地基的尺寸按工程实际设定, 楼体高度为79.7m, 复合地基深度取CFG桩长25m。建筑上部模型向西倾斜8′。上部建筑采用刚性体, 按照表1～3设计参数建立有限元模型。基础采用刚性体, 土体采用弹性体^[8]。

　　 单元网格采用六面体单元, 网格整体划分, 大小为4m×4m。基础和下部土体接触设置为摩擦接触, 上部建筑和基础顶面接触为面面绑定接触。对模型土体下部边界X, Y向施加位移约束。在模型中添加geo, load, remove三个分析步, 其中geo步平衡地应力, 建筑这一部分保持关闭状态, load步激活建筑, remove步开挖卸荷沟;输出Z向的变化位移, 确定回倾角度^[9]。

　　 在建筑一侧地基的X轴正向开挖卸荷沟。本模型将CFG桩复合地基简化为复合地基, 地基模量采取复合模量^[10]。

　　 影响纠倾效果的卸荷区几何因素有:卸荷沟宽度D、卸荷沟距基础边缘距离S、卸荷沟厚度R、卸荷沟深度L, 卸荷沟示意图如图3所示。本文以回倾角度大小衡量建筑物纠倾效果, 规定建筑物轴线向X轴正方向偏转角度为回倾角度^[11]。为了研究以上几个因素对纠倾效果的影响规律, 选取建筑下部两点 (节点1和节点4) 作为研究对象, 其中节点1为基础底部X轴负向边缘上一点, 节点4为基础底部X轴正向边缘上对应于节点1的一点, 如图2所示。

　　 沉降量与卸荷沟深度L之间的关系曲线如图4所示。由图4可以看出, 节点1沉降量先是随着卸荷沟深度增加而减小, 在到达一定深度后, 节点1的沉降量反而随着卸荷沟深度增加而增大。节点4沉降量先随着卸荷沟深度增加而增大, 导致建筑物先向X轴正向倾斜, 而后出现随着卸荷沟深度增加而沉降量减小, 导致建筑物向X轴负向倾斜。

　　 因此受到卸荷沟开挖影响, 回倾角度随着开挖深度增加而增加, 在开挖深度达到一定值以后, 回倾角度随着开挖深度增加而减小 (图5) , 对于本工程, 卸荷沟最优深度为20～25m。

　　 在未达到最优深度前, 随着开挖深度增加回倾角度增大是因为卸荷沟中的土被取出, 卸荷沟壁应力被解除 (尤其是靠近建筑物一侧) , 基础以下的深层土朝卸荷沟内挤出, 带动基础下沉。由于取土是在沉降较小的一侧进行, 在纠偏过程中地基内的附加应力不断调整, 基础中心部位应力增大, 更有利于软土的侧向挤出。而随着纠偏的进行和荷载偏心的减小, 地基的变形模量趋于均化。

　　 开挖深度到达最优深度时, 回倾角度随着深度增加, 回倾效果增长缓慢甚至出现回倾角度有所减小的现象, 如图5所示。当开挖位置到达一定深度以后, 由于基础下部附加应力随深度增加而减小, 应力释放作用对基础下一定深度土体效果不明显。同时, 开挖过程中随着深度增加, 应注意基础下部土体扰动, 是否会减弱地基承载力导致土体产生整体破坏。在工程中, 一味地增加开挖深度也会导致经济和人力资源的浪费, 根据本次模拟结果建议开挖卸荷沟深度为20～25m。

　　 节点1与节点4的沉降量与卸荷沟厚度之间的关系曲线如图6所示。由图6可以看出, 节点1和节点4沉降量都随卸荷沟厚度增大而减小, 但是节点4沉降量增大速率大于节点1沉降量增大速率, 导致建筑物随卸荷沟厚度增大而向X轴负向倾斜。

　　 卸荷沟距基础边缘距离S为1m, 开挖深度L为15m, 卸荷沟宽度D为15.2m条件下, 卸荷沟厚度R分别为0.2, 2, 5m时的建筑及地基的位移云图和位移矢量图如图7～9所示。

　　 提取模拟结果绘制回倾角度与卸荷沟厚度R之间的关系曲线, 如图10所示。由图10并结合图7～9位移云图和位移矢量图可以看出, 卸荷沟厚度越小, 地基土体应力释放效果越明显。由于在应力释放的同时, 卸荷沟掏出土体会使余下土体卸荷, 产生土体回弹, 因此卸荷沟厚度大的情况下应力释放对建筑物底部土体影响与土体回弹作用相互抵消, 从而导致开挖厚度越大, 回倾效果越差, 根据本次模拟结果建议开挖卸荷沟厚度为0.2m。

　　 改变卸荷沟与基础边缘距离, 同样选取节点1和节点4作为研究对象, 模拟得出沉降量与卸荷沟距基础边缘距离S之间的关系曲线, 如图11所示。

　　 由图11可以看出, 节点1沉降量随着卸荷沟距基础边缘距离增加而增大, 节点4沉降量随着卸荷沟距基础边缘距离增加先增大, 增大到一定程度后减小。导致建筑物随卸荷沟距基础边缘距离增加而向X轴负向倾斜。

　　 卸荷沟厚度R为1m, 开挖深度L为20m, 卸荷沟宽度D为2m条件下, 卸荷沟距基础边缘距离S分别为0.2, 1, 5m时, 建筑及地基的位移云图和位移矢量图如图12～14所示。

　　 提取模拟结果绘制回倾角度与卸荷沟距基础边缘距离S之间的关系曲线, 如图15所示。回倾角度随着卸荷沟距基础边缘距离增加先增大, 到最佳距离以后回倾角度随着卸荷沟距基础边缘距离增加而减小, 出现一个最优距离。由图15并结合图12～14可以看出, 当卸荷沟距基础边缘距离大于一定值时, 开挖卸荷沟对基底附加应力影响较大, 使基底土体便于向卸荷沟流动, 带动基础回倾, 应力释放效果良好。当卸荷沟距基础边缘距离小于一定值时, 卸荷沟一侧应力未来得及释放, 软弱土体流动时, 基础浅部土体更易形成滑动面而使建筑物倾斜角度加剧, 而后减弱应力释放形成的建筑回倾角度, 因此卸荷沟距基础边缘距离存在一个最优值, 根据本次模拟结果, 建议卸荷沟距基础边缘距离为1m。

　　 改变卸载沟宽度, 研究其对回倾效果影响, 如图16所示。建筑沉降量随卸荷沟宽度D增大而增大, 卸荷沟宽度与回倾角度呈正比例关系。节点1沉降量随着卸荷沟宽度增加而减小, 节点4沉降量都随着卸荷沟宽度增加而增加。这是由于卸荷沟宽度增加, 影响的土体范围变大, 使得应力释放效果变得更加明显, 根据本次模拟结果, 建议开挖卸荷沟宽度为20m。

　　 卸荷沟厚度R为1m, 开挖深度L为20m, 卸荷沟距基础边缘距离S为1m条件下, 卸荷沟宽度D分别为5, 25, 40m时, 建筑及地基的位移云图和位移矢量图如图17～19所示。

　　 提取模拟结果绘制回倾角度与卸荷沟宽度L之间的关系曲线, 如图20所示。由图20并结合图17～19可以看出, 随着卸荷沟宽度的增加, 卸载沟开挖所产生的影响范围不断增大, 位移云图中数值增加, 建筑基础下部土体向卸载沟侧向挤出更加明显。建筑回倾角度不断增大, 回倾角度与卸荷沟宽度几乎呈现正相关关系。

　　 本文以某小区一栋高层住宅楼为实际工程背景, 采用ABAQUS软件模拟高层基础少倾侧开挖卸荷沟纠倾技术实施情况, 得出以下主要结论:

　　 (1) 回倾角度随着开挖深度增加而增加, 到卸荷沟最佳深度以后回倾角度随着开挖深度增加而减小, 出现一个最优深度。

　　 (2) 回倾角度随着卸荷沟距基础边缘距离S增加而增大, 到最佳距离以后回倾角度随着卸荷沟距基础边缘距离增加而减小, 出现一个最优深度。

　　 (3) 回倾角度随卸荷沟厚度增大而减小, 卸荷沟厚度与回倾角度呈线性反比例关系。

　　 (4) 模拟结果显示, 开挖卸荷沟最优深度为20～25m, 距建筑边缘最优距离为1m。建议本项目开挖卸荷沟厚度为0.2m, 距建筑边缘距离为1m, 开挖宽度为20m, 开挖深度为15m。回倾角度与卸荷沟宽度几乎呈现正相关关系, 不存在最优宽度。