基于数值模拟的建筑物加固抬升方法

技术领域

本发明涉及建筑物地基加固纠偏技术领域，尤其涉及一种基于数值模拟的建筑物加固抬升方法。

背景技术

目前，城市高层建筑物的建设与日俱增，导致结构各种不均匀沉降等问题日益严峻。注浆纠偏技术因在纠偏效果、作业空间、环境因素等方面优势凸显，其中压密注浆技术能够有效引起地面抬升，具有经济、高效、环保等优势，广泛应用于建筑物倾斜纠偏工程。然而，由于注浆技术具有较强隐蔽性，目前建筑物纠偏的工程实践主要依靠相关经验，往往容易导致成本增加、环境影响以及安全问题等；现有方法大多基于理论与室内试验研究压密注浆的抬升效应，缺乏经济高效以及具备指导性的数值模拟方法。

发明内容

本发明的目的在于解决背景技术中的至少一个技术问题，提供一种基于数值模拟的建筑物加固抬升方法。

为实现上述目的，本发明提供一种基于数值模拟的建筑物加固抬升方法，包括：

基于Midas-gts数值建模系统，建立代表发生沉降的建筑物的初始建筑物模型，根据所述初始建筑物模型获取建筑物的初始沉降位移；

在初始建筑物模型的基础上，调整建筑物筏基下浅层地基参数，模拟加固浅层地基，形成浅层地基加固后模型；

在浅层地基加固后模型的基础上，调整建筑物筏基下深层地基参数，模拟加固深层地基，形成深层地基加固后模型；

在深层地基加固后模型的基础上，将位于深层地基和浅层地基之间的中间抬升层分成多个抬升区域，根据各区域的沉降位移进行对应模拟抬升，实现模拟抬升建筑物。

根据本发明的一个方面，建立代表发生沉降的建筑物的初始建筑物模型，包括：

基于Midas-gts数值建模系统，根据地勘资料参数、建筑施工图纸资料参数，建立土层几何模型和建筑物几何模型；

分别向土层几何模型和建筑物几何模型输入材料属性参数；

对土层几何模型和建筑物几何模型进行网格划分；

对划分网格后的土层几何模型和建筑物几何模型加载重力载荷和土体静力边界条件，形成初始建筑物模型；

其中，材料属性参数包括弹性模量、孔隙比、泊松比和容重。

根据本发明的一个方面，所述土层几何模型的边界大于所述建筑物几何模型的边界。

根据本发明的一个方面，所述地勘资料包括土层剖面图和地基设计参数表，所述土层几何模型采用所述土层剖面图和地基设计参数表进行构建。

根据本发明的一个方面，所述在初始建筑物模型的基础上，调整建筑物筏基下浅层地基参数，模拟加固浅层地基，形成浅层地基加固后模型为：

基于Midas-gts数值建模系统，在初始建筑物模型的基础上，增大浅层地基的土层的弹性模量、减小孔隙比，达到加固浅层地基的目的，形成浅层地基加固后模型。

根据本发明的一个方面，通过所述浅层地基加固后模型得到的建筑物筏基沉降位移与所述初始建筑物模型中建筑物筏基的沉降位移趋近或者相等。

根据本发明的一个方面，所述在浅层地基加固后模型的基础上，调整建筑物筏基下深层地基参数，模拟加固深层地基，形成深层地基加固后模型为：

基于Midas-gts数值建模系统，在浅层地基加固后模型的基础上，增大深层地基的土层的弹性模量、减小孔隙比，达到加固深层地基的目的，形成深层地基加固后模型。

根据本发明的一个方面，所述将位于深层地基和浅层地基之间的中间抬升层分成多个抬升区域，根据各区域的沉降位移进行对应模拟抬升，实现模拟抬升建筑物，包括：

将中间抬升层分成多个抬升区域；

根据各抬升区域的沉降情况，设置不同的体积膨胀系数；

根据各体积膨胀系数对各抬升区域进行模拟抬升，实现模拟注浆抬升建筑物。

根据本发明的一个方面，还包括：在初始建筑物模型中的建筑物几何模型周围布置多个模拟抬升监测点，当模拟抬升建筑物时，各模拟抬升监测点监测建筑物各点位的模拟抬升位移值。

根据本发明的一个方面，所述浅层地基、所述中间抬升层和所述深层地基的边界为建筑物筏基边界外扩3~5米的范围。

根据本发明的方案，本发明在中间抬升层土体不同沉降区域设置不同的体积膨胀系数，用体积膨胀系数来模拟注浆压力的作用，使得中间抬升层土体体积膨胀并挤压上覆土层，达到抬升上覆建筑物的目的，这样能够更直观、更清晰看出建筑物抬升变化情况，实现了模拟建筑物抬升效果与实际工程建筑物抬升效果的一致性；

根据本发明的方案，本发明通过各个监测点得到了抬升位移的模拟数据（即模拟抬升位移值），把抬升位移的模拟数据与现场工程监测数据进行对比分析，验证了实际压密注浆加固抬升建筑物施工方案的可行性；

在实际注浆过程中，不同的注浆设计方案所产生的抬升效果有很大差别，很多情况下，容易出现浆液浪费增大工程成本、注浆效果难以控制的问题，使得注浆工程存在安全隐患。本发明采用数值模拟的方法，对实际注浆纠偏工程案例进行优化设计，实现了工程经济性与安全性双成效。

附图说明

图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的基于数值模拟的建筑物加固抬升方法的流程图；

图2为实施例1的初始建筑物模型图；

图3为实施例1的初始建筑物模型南北向沉降图；

图4为实施例1的初始建筑物模型东西向沉降图；

图5为实施例1的建筑物加固抬升区域俯视图；

图6为实施例1的土层剖面浅层加固示意图

图7为实施例1的土层剖面深层加固示意图

图8为实施例1的土层剖面中间抬升层抬升示意图；

图9为实施例1的中间抬升层分区膨胀抬升示意图；

图10为实施例1抬升后的南北向建筑物模型图；

图11为实施例1抬升后的东西向建筑物模型图；

图12为实施例1的位移监测点示意图；

图13 为实施例1的西侧抬升位移模拟和监测数据图；

图14 为实施例1的东侧抬升位移模拟和监测数据图。

具体实施方式

现在将参照示例性实施例来论述本发明的内容。应当理解，论述的实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本发明的内容，而不是暗示对本发明的范围的任何限制。

如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施方式”和“一种实施方式”要被解读为“至少一个实施方式”。

图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的基于数值模拟的建筑物加固抬升方法的流程图。如图1所示，在本实施方式中，基于数值模拟的建筑物加固抬升方法，包括：

a.基于Midas-gts数值建模系统，建立代表发生沉降的建筑物的初始建筑物模型，根据所述初始建筑物模型获取建筑物的初始沉降位移；

b.在初始建筑物模型的基础上，调整建筑物筏基下浅层地基参数，模拟加固浅层地基，形成浅层地基加固后模型；

c.在浅层地基加固后模型的基础上，调整建筑物筏基下深层地基参数，模拟加固深层地基，形成深层地基加固后模型；

d.在深层地基加固后模型的基础上，将位于深层地基和浅层地基之间的中间抬升层分成多个抬升区域，根据各区域的沉降位移进行对应模拟抬升，实现模拟抬升建筑物。

进一步地，根据本发明的一种实施方式，在上述a步骤中，建立代表发生沉降的建筑物的初始建筑物模型，包括：

基于Midas-gts数值建模系统，根据地勘资料参数、建筑施工图纸资料参数，建立土层几何模型和建筑物几何模型；

分别向土层几何模型和建筑物几何模型输入材料属性参数；

对土层几何模型和建筑物几何模型进行网格划分；

对划分网格后的土层几何模型和建筑物几何模型加载重力载荷和土体静力边界条件，形成初始建筑物模型；

其中，材料属性参数包括弹性模量、孔隙比、泊松比和容重等多项参数。

在本实施方式中，根据地勘资料、建筑施工图纸等资料，建立土层几何模型和建筑物几何模型，并输入材料属性参数，加上荷载和边界条件，形成上述初始建筑物模型。初始建筑物模型计算出来之后，初始建筑物模型中包括应力图、应变图、沉降变形图、弯矩图、剪力图等，上述a步骤中的建筑物的初始沉降位移即可由沉降变形图中获取。下述的相关沉降位移的内容同样能够通过各个模型中相应的沉降变形图中获取，相关内容不再赘述。

在本实施方式中，土层几何模型的边界大于建筑物几何模型的边界。如此设置，减小了土层几何模型边界条件对模拟抬升（例如下述通过膨胀系数模拟注浆抬升）过程的影响。

在本实施方式中，地勘资料包括土层剖面图和地基设计参数表，土层几何模型采用土层剖面图和地基设计参数表进行构建。即建立土层几何模型时采用实际土层剖面参数。如此设置，能够更真实的反应地层沉降情况，能更准确的模拟出建筑物的不均匀沉降位移。

进一步地，根据本发明的一种实施方式，在上述b步骤中，在初始建筑物模型的基础上，调整建筑物筏基下浅层地基参数，模拟加固浅层地基，形成浅层地基加固后模型为：

基于Midas-gts数值建模系统，在初始建筑物模型的基础上，增大浅层地基的土层的弹性模量、减小孔隙比，达到加固浅层地基的目的，形成浅层地基加固后模型。如此设置，可以使得通过浅层地基的加固，能够提高该区域的强度和刚度，使基础底板受力协调，保证抬升效果的均匀性，避免由于局部过大的抬升量对建筑物造成二次倾斜或基础拉裂等隐患，更好的保证抬升效果。

在本实施方式中，通过浅层地基加固后模型得到的建筑物筏基沉降位移与初始建筑物模型中建筑物筏基的沉降位移趋近或者相等。即浅层地基加固后模型中的建筑物筏基在初始建筑物模型中建筑物筏基的基础上发生了较小沉降或者未发生沉降。如此设置，可以使得能够保证浅层地基得到充分加固，密实度达到要求，能够保证土体的二次回落控制在较小的范围内，或者保证土体不会发生二次回落。

进一步地，根据本发明的一种实施方式，在上述c步骤中，在浅层地基加固后模型的基础上，调整建筑物筏基下深层地基参数，模拟加固深层地基，形成深层地基加固后模型为：

基于Midas-gts数值建模系统，在浅层地基加固后模型的基础上，增大深层地基的土层的弹性模量、减小孔隙比，达到加固深层地基的目的，形成深层地基加固后模型。如此设置，可以使得通过深层地基的加固，形成一定范围和一定厚度的具有足够承载力的持力层，为中间抬升层抬升提供良好的支撑点。

进一步地，根据本发明的一种实施方式，在上述d步骤中，将位于深层地基和浅层地基之间的中间抬升层分成多个抬升区域，根据各区域的沉降位移进行对应模拟抬升，实现模拟抬升建筑物，包括：

将中间抬升层分成多个抬升区域；

根据各抬升区域的沉降情况，设置不同的体积膨胀系数；

根据各体积膨胀系数对各抬升区域进行模拟抬升，实现模拟抬升建筑物。如此设置，可以使得根据不同的体积膨胀系数模拟注浆压力的作用，实现体积膨胀并挤压上侧覆土层，达到抬升上覆建筑物的目的。而且，保证了模拟建筑物抬升效果与实际工程分区域注浆抬升建筑物抬升效果的一致性，通过不断调整体积膨胀系数，最终达到抬升建筑物，完成纠偏的效果。

进一步地，在本实施方式中，本发明还包括：在初始建筑物模型中的建筑物几何模型周围布置多个模拟抬升监测点，当模拟抬升建筑物时，各模拟抬升监测点监测建筑物各点位的模拟抬升位移值。如此设置，可以使得更清晰明了的监测各个监测点抬升位移的数据和趋势，更好的验证了实际压密注浆纠偏建筑物施工方案的可行性。

进一步地，在本实施方式中，浅层地基、中间抬升层和深层地基的边界为建筑物筏基边界外扩3~5米的范围。如此设置，可以使得基底压力的作用面更大，应力扩散角的范围加大，这样更能够抵抗上部荷载，减小地基的不均匀沉降。

根据本发明的上述方案，本发明在中间抬升层土体不同沉降区域设置不同的体积膨胀系数，用体积膨胀系数来模拟注浆压力的作用，使得中间抬升层土体体积膨胀并挤压上覆土层，达到抬升上覆建筑物的目的，这样能够更直观、更清晰看出建筑物抬升变化情况，实现了模拟建筑物抬升效果与实际工程建筑物抬升效果的一致性；

根据本发明的上述方案，本发明通过各个监测点得到了抬升位移的模拟数据（即模拟抬升位移值），把抬升位移的模拟数据与现场工程监测数据进行对比分析，验证了实际压密注浆加固抬升建筑物施工方案的可行性；

在实际注浆过程中，不同的注浆设计方案所产生的抬升效果有很大差别，很多情况下，容易出现浆液浪费增大工程成本、注浆效果难以控制的问题，使得注浆工程存在安全隐患。本发明采用数值模拟的方法，对实际注浆纠偏工程案例进行模拟优化设计，实现了工程经济性与安全性双成效。

基于本发明的上述方案，以下结合附图以一种具体实施例的方式详细说明本发明的方案。

实施例一

某住宅楼项目，建筑物地下1层，层高-5.7m，地上26层，首层层高5.050m，其余层高2.950m，筏基，基础落在卵石层上。持力层为卵石层，孔隙率大，以及持力层附近或以下存在不同厚度的可塑~软塑状的粉质黏土，地基承载力不足导致不均匀沉降。地勘中地基设计参数见下表1：

表1

针对典型的筏板基础形式建筑物进行Midas-gts建模分析，验证实际压密注浆纠偏抬升建筑物施工方案的可行性，为类似工程提供参考范例：

步骤1、形成初始建筑物模型，根据地勘资料、建筑施工图纸等资料，建立土层几何模型和建筑物几何模型，并输入材料属性参数，弹性模量取Es1-2的2倍，泊松比、容重等参数按表格数据选取，加上重力荷载和土体静力边界条件等，形成初始建筑物模型，并计算初始沉降位移，建筑物朝东南向倾斜，如图2、图3、图4。

步骤2、形成浅层地基加固后模型，如图5、图6，在初始建筑物模型的基础上，增大浅层地基的土层的弹性模量、减小孔隙比，达到加固浅层地基的目的，形成浅层地基加固后模型，并计算沉降位移，浅层地基的加固，能够提高该区域的强度和刚度，使基础底板受力协调，保证抬升效果的均匀性，避免由于局部过大的抬升量对建筑物造成二次倾斜或基础拉裂等隐患，更好的保证抬升效果。

步骤3、形成深层地基加固后模型，如图5、图7，在浅层地基加固后模型的基础上，增大深层地基的土层的弹性模量、减小孔隙比，达到加固深层地基的目的，形成深层地基加固后模型，并计算沉降位移。深层地基的加固，形成一定范围和一定厚度的具有足够承载力的持力层，为中间抬升层抬升提供良好的支撑点。

步骤4、中间抬升层抬升，如图5、图8、图9，在深层地基加固后模型的基础上，把中间土层分成六个区域，根据每个区域的沉降情况，设置不同的“体积膨胀系数ε”，ε1=12%、ε2=12%、ε3=14%、ε4=2.5%、ε5=2%、ε6=1.7%，模拟注浆压力作用，实现体积膨胀并挤压上覆土层，达到抬升上覆建筑物的目的，抬升后的建筑物模型如图10、图11。建筑物抬升完成后，把建筑物东、西侧1#~16#共16个监测点的抬升位移模拟值与现场工程监测数据进行对比分析，验证了实际压密注浆纠偏建筑物施工方案的可行性，如图12、图13、图14。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。