郜寶田

(寧夏建投設(shè)計研究總院有限公司， 銀川 750001)

0 前言

地基不均勻沉降是一種常見的典型工程質(zhì)量事故，嚴重威脅著上部結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和舒適度。合理的地基加固處理方法能夠有效緩解和解除地基沉降的不利影響。

針對地基不均勻沉降問題，國內(nèi)外學者展開了大量研究，俞建霖等[1]建立了復(fù)合地基沉降理論模型，通過與數(shù)值模擬對比驗證了該模型的可靠性并確定了影響地基沉降的主要因素。杜永峰等[2]研究發(fā)現(xiàn)地基不均勻沉降將導(dǎo)致隔震建筑上部結(jié)構(gòu)破壞風險增大。郭昭勝[3]采用壓力注漿法對由于未勘明潛伏沖溝造成磚混結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沉降的地基進行加固。Bao等[4-5]研究了在地基不均勻沉降條件下上部結(jié)構(gòu)地震易損性和損傷分布情況，并對比分析了沉降量、沉降位置及地震對結(jié)構(gòu)損傷的影響情況。田昱峰[6]針對某采煤沉陷區(qū)安置住宅的沉降問題，提出聯(lián)合使用堆載與掏土的方法，有效降低了差異沉降量。勝利等[7]采用多種基床系數(shù)對筏板基礎(chǔ)進行包絡(luò)設(shè)計，所得沉降實測值與經(jīng)驗值具有較好吻合度。盧淑雯等[8]針對發(fā)生地基不均勻沉降的超靜定框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力場的還原問題，給出了基于結(jié)構(gòu)力學矩陣位移法還原超靜定框架結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力場的計算原理。周漢香等[9]提出采用補樁方法解決原樁基承載力不足的問題，從而將結(jié)構(gòu)沉降量控制在可接受范圍。針對大厚度濕陷性黃土地基沉降問題，王鼎等[10]提出內(nèi)外套管組合沉管夯擴法來消除黃土濕陷性帶來的不利影響。陳軍良[11]結(jié)合位于深厚自重濕陷性場地的高層建筑旋挖灌注樁基礎(chǔ)工程設(shè)計實例，詳細探討了深厚自重濕陷性場地基礎(chǔ)問題及解決辦法。王逢睿等[12]以濕陷性黃土區(qū)某實際工程為案例，系統(tǒng)研究了錨桿靜壓樁的加固效果。然而，建筑結(jié)構(gòu)場地特征及沉降誘因迥異，所采取的相應(yīng)加固處理方法不盡相同，需要具體問題具體分析。

本文針對一棟坐落在深厚濕陷性黃土填土地基上的4層框架結(jié)構(gòu)辦公樓地基沉降問題展開研究，詳細探討沉降原因；通過對比分析，對不同加固方案進行優(yōu)選。

1 工程概況

1.1 辦公樓結(jié)構(gòu)特征

本工程為4層辦公樓，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總長為58.8m，總寬為19.8m，平面布置如圖1所示；底層層高4.2m，標準層層高3.4m?？蚣苤孛娉叽?00mm×600mm，框架梁截面尺寸300mm×600mm，框架柱和框架梁分別采用C35和C30混凝土。基礎(chǔ)為柱下獨立基礎(chǔ)，埋深2.0m，采用淺基礎(chǔ)強夯處理。該工程建成時間已近10年，現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)外框架梁柱節(jié)點附近出現(xiàn)裂縫，部分裂縫大于5mm，基礎(chǔ)累計最大沉降量已超過200mm。因?qū)?0m、深16m的沖溝位于建筑物地基的中下部，中部柱下獨立基礎(chǔ)沉降大，兩邊柱下獨立基礎(chǔ)沉降小，差異沉降最大值為70mm。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 建筑場地

建筑場地處于濕陷性黃土工程地質(zhì)分區(qū)Ⅱ區(qū)，即隴東-陜北-晉西地區(qū)。屬中溫帶干旱大陸性高原氣候區(qū)，氣候干燥，雨雪稀少，日照充分，蒸發(fā)強烈，夏季炎熱，冬季寒冷，冷熱變化急劇，季節(jié)溫差大，為典型的大陸性氣候。七月至九月為雨季，年均降雨量為231.3mm，年最大降雨量為491.8mm，標準凍土深度為1.37m。

1.3 地形地貌

地貌單元屬河流沖洪積平原的二級階地，河谷沖洪積平原沿河流兩側(cè)展布，地勢平坦，發(fā)育有三級沖洪積階地，一級階地窄小而不連續(xù)，分布于河床兩側(cè)，二級階地是河谷平原的主要組成部分，不連續(xù)，界限較明確，往往形成高出河床10～25m的陡坎，陡坎近直立，寬2～3km。場地原為荒地，溝壑發(fā)育。本工程坐落在近南北走向?qū)捈s40m、深約16m的沖溝上。

1.4 場區(qū)地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)地質(zhì)勘探報告，本場地地層為淺層填土，上部以沖洪積及風積的黃土狀粉土、黃土狀粉質(zhì)黏土為主，下部為粉土、粉質(zhì)黏土、礫砂及角礫等，土層性狀如表1所示。

土層性狀 表1

1.5 水文地質(zhì)條件

場區(qū)附近500m范圍內(nèi)無地表水系，勘探深度范圍內(nèi)未見穩(wěn)定的地下水，場區(qū)黃土狀粉質(zhì)黏土為相對隔水層，大氣降水及綠化用水可在黃土狀粉質(zhì)黏土的阻隔下向下滲透，形成水力梯度很小的局部滲流，從而形成上層滯水。

1.6 濕陷性評價

依據(jù)野外勘察及室內(nèi)土工試驗，場區(qū)素填土、黃土狀粉土、粉質(zhì)黏土性土具有濕陷性，屬輕微～中等濕陷性，濕陷系數(shù)δs為0.015～0.042，計算的總濕陷量Δs為0～46.0mm；自重濕陷系數(shù)δzs為0.015～0.022，計算自重濕陷量Δzs為0～42.0mm。綜合分析確定場區(qū)濕陷等級為Ⅰ級非自重濕陷。

2 結(jié)構(gòu)沉降分析

2.1 地基持力層承載力計算

依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)[13](簡稱地基基礎(chǔ)規(guī)范)，地基持力層選用②壓實填土，采用YJKS3.0進行上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)計算。選取中柱的聯(lián)合基礎(chǔ)DJ-22(圖1(b))進行計算，基礎(chǔ)寬度b=2.6m，基礎(chǔ)長度l=5.6m。其總荷載∑(F+G)為1 985.2kN(其中F為上部荷載準永久組合時，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力；G為基礎(chǔ)自重+覆土重)，柱下獨立基礎(chǔ)底面面積A為14.6m2，基底上土自重壓力Pc為16.5kPa。計算得到的地基持力層承載力及基底壓力如表2所示。從表2數(shù)據(jù)可以看出，地基持力層承載力滿足基底壓力要求，但仍需對其地基變形進行驗算。

地基持力層承載力及基底壓力 表2

2.2 軟弱下臥層承載力驗算

以基礎(chǔ)DJ-22為研究對象，選取壓縮模量較小的④黃土狀粉土和⑤2黃土狀粉質(zhì)黏土兩個土層進行驗算：

(1)地面至軟弱下臥層頂面總深度d=6.0m，軟弱下臥層上面的土層自上而下分布為1.0m厚填土、1.50m厚壓實填土、3.0m厚素填土、0.5m厚黃土狀粉土，下臥層承載力特征值取130kPa。

軟弱下臥層頂面處經(jīng)深度修正后地基承載力特征值faz為：

faz=fak+ηdγm(d-0.5)=280.58kPa

式中：fak為地基承載力特征值；ηd為基礎(chǔ)埋置深度的地基承載力修正系數(shù)；γm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度。

基礎(chǔ)底面處平均壓力值Pk為：

Pk=Fk/bl+γdh=176.33kPa

式中：Fk為相應(yīng)于作用的標準組合時，結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力值；γd為土層加權(quán)重度；h為土層計算深度。

基礎(chǔ)底面處土的自重壓力值Pc為：

Pc=∑γiti=36.13kPa

式中γi和ti分別為計算深度范圍內(nèi)第i層土的重度和厚度。

地基壓力擴散角θ計算：上層土壓縮模量Es1=10.0MPa，下層土壓縮模量Es2=2.0MPa，Es1/Es2=5，z/b=1.538，其中，z為基礎(chǔ)底面至計算土層的距離。由地基基礎(chǔ)規(guī)范表5.2.7查得，地基壓力擴散角θ=25°。

相應(yīng)于荷載效應(yīng)標準組合時，軟弱下臥層頂面處附加壓力Pz為：

軟弱下臥層頂面處土自重壓力Pcz為：

Pcz=∑γiti=109.73kPa

Pz+Pcz=144.29kPa

(2)地面至軟弱下臥層頂面總深度d=13.5m時，軟弱下臥層上面的土層自上至下分布1.35m厚素填土、0.60m厚壓實填土、4.05m厚素填土、1.50m厚黃土狀粉土、1.0m厚黃土狀粉質(zhì)黏土、5.0m厚黃土狀粉質(zhì)黏土。計算土層總厚度13.50m。同理計算可得：

Pz+Pcz=258.41kPa

綜上，按照地基基礎(chǔ)規(guī)范計算，地基持力層、軟弱下臥層的承載力均滿足要求。

2.3 沉降量計算

根據(jù)地基基礎(chǔ)規(guī)范第5.3.5條，采用分層疊加法進行沉降量計算：

本工程恒載為51 040.6kN/m2，活載為8 140.4kN/m2；覆土恒載為5 553.0kN/m2，采用準永久荷載組合進行沉降計算。

選取基礎(chǔ)DJ-22進行沉降計算，總荷載∑(F+G)=1 985.2kN；獨立基礎(chǔ)底面積A為14.6m2；基底上土自重壓力Pc=16.5kPa；基底附加壓力P0=92.10kPa；沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψ=0.606；計算土層厚度ΔZ=1.0m；計算深度Zn=40.15m；壓縮模量Es1-2見表3，壓縮模量當量E′為9.51；地基各層土承載力特征值見表1。經(jīng)計算分層壓縮量之和∑s為119.93mm, 地基最終變形量s為72.72mm。

一般情況下，天然地基的承載力是基礎(chǔ)下面淺層土體被壓縮而提供的反力，只有在淺層形成連續(xù)剪切面才會導(dǎo)致地基失效。不同于淺層填土，深厚填土地基的關(guān)鍵控制條件為地基沉降；地基中出現(xiàn)的局部塑性變形通常是建筑物不均勻沉降的開端，隨著變形累積最終將導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)開裂。與上部結(jié)構(gòu)的精確設(shè)計模型不同，地基設(shè)計實踐性更強，其最大難點是基礎(chǔ)基底反力與地基變形關(guān)系的確定。

2.4 沉降因素分析

通過現(xiàn)場實地勘查，確定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沉降的原因主要來自如下七個方面：

(1)場地原為荒地，溝壑發(fā)育。辦公樓地基中分布有寬約40m、深約16m的沖溝，沖溝近南北向分布，平整場地時，大面積填土，沖溝部位填土不密實。

(2)地基持力層為淺層土，雖經(jīng)強夯，但影響深度未達到9m設(shè)計值，經(jīng)鉆孔取樣試驗，影響深度為4.0～5.0m。

(3)場區(qū)濕陷等級為Ⅰ級非自重濕陷，由于地基長期浸水，具備濕陷沉降特征。

(4)大厚度填土引起沖溝底土層固結(jié)沉降。填土在自重壓力下將產(chǎn)生固結(jié)沉降，厚度越大，其自重應(yīng)力越大，自重應(yīng)力作用下的固結(jié)沉降幅度也越大。

(5)上部結(jié)構(gòu)自重壓力形成壓縮沉降。

(6)大面積回填時場地內(nèi)各層土含水量較低，交付使用后，降雨、管道滲漏、綠化用水造成地基長期浸水，地基承載力和壓縮模量顯著下降，地基的自重應(yīng)力增加，造成地基產(chǎn)生附加固結(jié)沉降。

(7)原淺基礎(chǔ)設(shè)計方案不合理。經(jīng)計算，雖然原淺基礎(chǔ)地基持力層、軟弱下臥層的承載力均滿足地基基礎(chǔ)規(guī)范要求，但未進行沉降計算，且未考慮建筑運行環(huán)境對地基的影響，尤其是深層沖溝浸水的影響。

綜上所述，沖溝內(nèi)地基的固結(jié)沉降和壓縮沉降為主要因素。自沖溝底部向溝壁坡頂方向，場區(qū)填土的分布厚度較大，特別是陡坎處填土厚度差異化加大，加之浸水方向、浸水路徑、浸濕程度的不同，場地產(chǎn)生不均勻沉降是必然的。

3 加固方案的選擇及分析

為了取得較好的加固效果，針對本工程地基情況，提出如下五種地基加固法并對其進行分析。

(1)高壓旋噴樁復(fù)合地基加固法：加固后地基性能好，但由于設(shè)備無法進入室內(nèi)進行操作，故未選用。

(2)靜壓鋼管樁法：基礎(chǔ)下或獨立基礎(chǔ)邊設(shè)樁，傳力直接，但樁端持力層在基礎(chǔ)下27m處，靜壓條件下小直徑鋼管容易發(fā)生側(cè)向變形，而大直徑鋼管靜壓需要大型液壓設(shè)備，同樣無法實現(xiàn)，故未采用。

(3)人工挖孔樁法：由于當?shù)丶夹g(shù)標準已禁止本施工法，且安全隱患大，故棄用。

(4)外圍鉆孔樁與加固地基梁結(jié)合法：本工程沉降源于底部沖溝長期浸水，本方法并不能有效解決，故未采用。

(5)鋼管高壓注漿法：鋼管高壓注漿法采用分層注漿，可有效解決地基沉降問題，且操作性強，易于實現(xiàn)，故選用該方法。

本項目采用鋼管高壓注漿法，注漿管采用φ48×2.7mm熱軋鋼管，注漿孔以間距1.5m×1.5m呈梅花形布置。實施過程中，需要首先進行沖溝底部注漿，對注漿孔布置加以優(yōu)化，以“先外圍，后內(nèi)部”的方式間隔布置。待注漿試孔達標并取得相應(yīng)地層條件下的鉆進、注漿參數(shù)后，正式開始施工注漿，應(yīng)循環(huán)注漿。第一排注漿孔深度設(shè)置在基礎(chǔ)下16.5m處，注漿孔施工間距不小于5m，注漿層上下間距不大于2m，循環(huán)注漿，避免局部漿液集中造成二次浸水，可二次補強。此外，場區(qū)地面應(yīng)做好室內(nèi)外排水檢查工作，檢查管道、雨水井是否滲漏，考慮綠化用水對地基土的影響，建議植被土層1 500mm下設(shè)置隔水層。

4 加固效果

施工過程中設(shè)置了6個沉降觀測點C1～C6，其中，測點C1～C4設(shè)置在建筑物4個角點，測點C5，C6設(shè)置在外縱軸中部。每15d觀察記錄1次，共計11次。平均累計沉降量為1.43mm，平均累計沉降速率為0.013mm/d，施工期間累計沉降量和沉降速率均未達到報警值，符合《工程測量規(guī)范》(GB 50026—2020)[14]要求。

5 結(jié)論及建議

(1)針對深厚埋土地基，不宜設(shè)計淺層地基基礎(chǔ)方案，而應(yīng)釆用深層地基處理方案，更加安全。

(2)高壓注漿法適用于濕陷性黃土地基加固，在注漿過程中釆取二次注漿補強可顯著提升注漿效果。

(3)在基礎(chǔ)設(shè)計時必須全面考慮地質(zhì)因素，以及后期建筑運行環(huán)境對地基安全性的影響，加強對濕陷、液化、沉降等不利因素的控制。