土巖組合地基沉降計算與變形控制措施

楊文強

（河南省建筑設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450014）

目前山區(qū)建設(shè)中土巖組合地基是最常見的一種復(fù)雜類型地基，土巖組合地基主要是在受力層范圍內(nèi)常有表面坡度較大的下臥基巖，其特點是不均勻變形。當(dāng)?shù)鼗芰Ψ秶鷥?nèi)存在剛性下臥層時，會使上覆土體中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而引起土層變形增大。因此，土巖組合地基往往變形較大，在實際工程中也頻繁出現(xiàn)建筑物因地基變形大而出現(xiàn)裂縫、傾斜等工程事故。

1 場地工程地質(zhì)條件

某擬建場地位于鄭州市西南部，地貌單元為（巖溶地貌）溶蝕侵蝕低山。場地地形起伏較大，整體呈南低北高，東低西高，擬建場地呈臺階狀分布，各擬建建筑隨坡就勢建造在各臺階上。建筑物約有百余棟，均為地上1～2層，結(jié)構(gòu)形式為異形柱，單樁荷載260kN，擬采用天然地基獨立基礎(chǔ)。本文僅以場地內(nèi)31號樓和35號樓為例論述。

1.1 場地地層情況和巖土物理性質(zhì)指標

根據(jù)野外鉆探，該場地地層描述及承載力特征值如下：Q4al粉質(zhì)黏土層（第②層），層底標高為557．4～587．8m，褐黃 ～黃褐色，堅硬 ～硬塑，無搖振反應(yīng)，稍有光澤，干強度中等，韌性中等。表層為厚約30cm的耕植土，含較多蟲孔和植物根孔，偶見植物根系腐殖質(zhì)，夾少量碎石。局部揭露有孤石。該層靜力觸探比貫入阻力 Ps＝1．30MPa，承載力特征值 fak＝130kPa；中 －高壓縮性，壓縮模量為5．1MPa。Q4al粉質(zhì)黏土層（第②層），層底標高為553．6～582．8m，黃褐色，硬塑 ～堅硬，無搖振反應(yīng)，稍有光澤，干強度中等，韌性中等。土顆粒較粗，含少量蟲孔和植物根孔。夾少量碎石。局部揭露有孤石。該層靜力觸探比貫入阻力 Ps＝2．67MPa，承載力特征值 fak＝160kPa；中壓縮性，壓縮模量為6．4MPa。R砂質(zhì)泥巖（第⑥層），層底標高為 554．9～578．6m，中 ～微風(fēng)化，淺黃色 ～褐紅色，較軟巖，巖體較完整～完整，基本質(zhì)量等級為Ⅳ級，錘擊聲不清脆，無回彈，較易擊碎，浸水后指甲可刻出劃痕，強度一般，巖層走向 294°，傾向 24°，傾角 19°，單向傾斜、巖面坡度大于10%。單軸抗壓強度 fr＝22．6MPa（干燥狀態(tài)）和 17．4MPa（飽和狀態(tài)），承載力特征值fak＝1300kPa，軟化系數(shù)為0．77。在土巖界面上不存在軟弱泥化帶。擬建場地在勘探深度范圍內(nèi)未見地下水。

1.2 場地土濕陷性分析

根據(jù)室內(nèi)濕陷性試驗結(jié)果，依據(jù) GB50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)濕陷試驗壓力為200kPa時場地內(nèi)第①層粉質(zhì)黏土局部具有濕陷性，最大自重濕陷系數(shù) δzs＜0．015，最大濕陷系數(shù)0．023，濕陷性為輕微，濕陷起始壓力為131kPa，本場地為Ⅰ（輕微）級非自重濕陷性場地。經(jīng)計算基底下最大濕陷量為34．5mm，小于50mm；根據(jù) GB 50025—2004第 5．1．3條和 6．1．5條的規(guī)定，綜合判定本場地擬建構(gòu)筑物可按一般地區(qū)的規(guī)定設(shè)計，但應(yīng)做好基本防水措施。

1.3 場地工程地質(zhì)剖面

31號樓和35號樓場地工程地質(zhì)剖面分別如圖1，2所示。

圖1 31號樓工程地質(zhì)剖面

圖2 35號樓工程地質(zhì)剖面

2 天然地基承載力驗算

31號樓平面尺寸 14．5m×17．8m，±0．000m標高為579．90m，基底標高578．40m，基底持力層為第①層和第⑥層；35號樓，平面尺寸14．5m×17．8m，±0．000m標高為 581．20m，基底標高 579．70m，基底持力層為第①層和第⑥層。

依據(jù) GB50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的承載力修正方法，對擬建建筑物天然地基承載力進行驗算。修正深度按目前孔口標高、設(shè)計室外標高（包括2倍基礎(chǔ)寬度范圍內(nèi)的相鄰建筑物）較小者計算，若2倍基礎(chǔ)寬度范圍內(nèi)孔口標高或相鄰建筑物正負標高低于本建筑基底標高時，不考慮深度修正。第①，②層的地基承載力修正系數(shù)ηb取 0．3、ηd取 1．6。驗算結(jié)果如表 1所示。

經(jīng)驗算，當(dāng)基礎(chǔ)尺寸不小于表1中數(shù)據(jù)時，建筑物采用天然地基獨立基礎(chǔ)時持力層承載力特征值滿足設(shè)計要求。

3 天然地基變形驗算

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》第5．3．5條和6．2．2條的規(guī)定，土巖組合地基變形計算原則為，先按一般土質(zhì)地基計算變形，然后按剛性下臥層時地基變形增大系數(shù)進行修正。現(xiàn)對建筑物進行地基變形計算。

式中，S為地基最終變形量（mm）；S′為按分層總和法計算出的地基變形量（mm）；ψs為沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，無地區(qū)經(jīng)驗時可根據(jù)變形計算深度范圍內(nèi)壓縮模量的當(dāng)量值、基底附加壓力按規(guī)范查表取值；n為地基變形計算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；po為對應(yīng)于荷載效應(yīng)準永久組合時的基礎(chǔ)底面處的附加壓力（kPa）；Esi為樁底面下第層土的壓縮模量（MPa）；Zi，Zi－1為樁底面至第 i層土、第 i－1層土底面的距離（m）；為樁底面計算點至第 i層土、第i－1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)；

式中，Sgz為具剛性下臥層時，地基土的變形計算值（mm）；βgz為剛性下臥層對上覆土層的變形增大系數(shù)；Sz為變形計算深度相當(dāng)于實際土層厚度時計算確定的地基最終變形值（mm）。

3.1 31號樓變形驗算

31號樓處的73，74號勘探孔處基底為第⑥砂質(zhì)泥巖，中 －微風(fēng)化，單軸抗壓強度 fr＝22．6MPa，按不產(chǎn)生壓縮變形考慮。76，77號勘探孔處地層沉降變形驗算如表2，3所示。

表1 天然地基承載力驗算

表2 76號勘探孔處地層沉降驗算

表3 77號勘探孔處地層沉降驗算

3.2 35號樓變形驗算

35號樓處的78號勘探孔處基底為第⑥層砂質(zhì)泥巖，按不產(chǎn)生壓縮變形考慮。79，90，91號勘探孔處地層沉降變形驗算結(jié)果如下。

4 建筑物變形分析及地基處理方案

4.1 31號樓變形分析及地基處理

73，74號勘探孔處基底為第⑥層中～微風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，可不考慮地基的變形。76號勘探孔處基底為第①層粉質(zhì)黏土，壓縮層厚度2．2m，達到該層底處，考慮第⑥層剛性下臥層的影響，最終變形量約為37．75mm。77號勘探點處基底為第①層粉質(zhì)黏土，基底下厚度約0．60m，其下為厚度4．60m第②層粉質(zhì)黏土，經(jīng)計算，壓縮層厚度為3．6m，最終變形量約為 30．69mm。

柱網(wǎng)間距按4．2m考慮，依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》表5．3．4，計算相鄰柱基沉降差，當(dāng) 2個相鄰柱基分別以土層、基巖為持力層時，以最不利情況考慮，則最大沉降差為37．75mm，大于0．003L＝12．6mm。從沉降分析，地基土為中 －高壓縮性土層，計算沉降量較大，考慮到基底附加壓力較小，地基土變形的壓縮層厚度也較小，該樓可采用換填墊層法對地基土處理，以提高壓縮土層的壓縮模量，減小沉降量。以3∶7灰土處理，處理后灰土的承載力特征值按200kPa，壓縮模量按25MPa，對于76號孔，處理深度 1．1m，地基最終變形量 Sgz＝8．58mm；77號孔，處理深度 1．5m，地基最終變形量 S＝5．74mm（壓縮層深度未達到基巖面）。相鄰柱基最大沉降差為8．58mm，滿足規(guī)范要求。因此采用換填墊層法地基處理可使建筑物變形得到有效控制。

4.2 35號樓變形分析及地基處理

78號勘探孔處基底為第⑥層中～微風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，可不考慮地基的變形。79，90，91號勘探孔處基底為第①層粉質(zhì)黏土，壓縮層厚度分別1．5，1．3，1．6m，達到該層底處，考慮第⑥層剛性下臥層的影響，最終變形量分別為 27．81，26．20，30．11mm。

柱網(wǎng)間距按4．2m考慮，依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》表5．3．4，計算相鄰柱基沉降差，則最大沉降差為 30．11mm，大于 0．003L＝12．6mm。從沉降分析，地基土為中－高壓縮性土層，計算沉降量較大，考慮到基底附加壓力較小，地基土變形的壓縮層厚度較小，該樓可采取基礎(chǔ)下落方式，以減小壓縮土層的厚度，減小沉降量。對于79號孔，基礎(chǔ)下落 1．0m，地基最終變形量 Sgz＝9．76mm；90號孔，基礎(chǔ)下落 0．5m，地基最終變形量 Sgz＝11．11mm；91號孔，基礎(chǔ)下落 1．0m，地基最終變形量 Sgz＝11．49mm。相鄰柱基最大沉降差為11．49mm，滿足規(guī)范要求，因此采用基礎(chǔ)下落法可使建筑物的變形得到有效控制。但是沉降差較大，設(shè)計時可采用漸變調(diào)節(jié)措施過渡，可將基底處基巖挖除一定深度，設(shè)置褥墊層，避免基礎(chǔ)與基巖直接接觸，以減小相鄰基礎(chǔ)的差異沉降。

5 其他注意事項

1）為控制差異沉降，單體建筑物基礎(chǔ)下土質(zhì)部分所占比例較小，宜對土質(zhì)部分進行處理，以適應(yīng)壓縮性較低的巖質(zhì)地基；巖質(zhì)部分所占的比例較小，宜改造巖質(zhì)部分。

2）應(yīng)考慮地基基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的共同作用，加強上部結(jié)構(gòu)的剛度來抵抗、調(diào)節(jié)不均勻變形。

3）設(shè)計時可采用漸變調(diào)節(jié)措施過渡，減少相鄰基礎(chǔ)的差異沉降。

4）要考慮擬建場地穩(wěn)定性，當(dāng)基礎(chǔ)附近有臨空面時，擬建建筑物穩(wěn)定性應(yīng)滿足要求，必要時應(yīng)采取抗傾覆、抗滑移措施。

6 結(jié)語

該項目百余棟建筑物，到目前竣工交付使用已超過2年，根據(jù)沉降觀測數(shù)據(jù)顯示，每棟樓的變形均滿足規(guī)范要求，未出現(xiàn)裂縫等不利情況，證明土巖組合地基采用本文所論述的處理方法可行。

1）土巖組合地基，地基土為中－高壓縮性土層時，由于變形深度大，可對基底下土層進行換填處理，提高地基土的壓縮模量，減小其沉降變形量，以減小土、巖地基的變形沉降差。

2）土巖組合地基，當(dāng)基底下土層厚度不大的情況下，可采取基礎(chǔ)下落形式，使地基變形深度達到下伏基巖面，減小其沉降變形量，以減小土、巖地基的變形沉降差。

3）下臥基巖作為剛性下臥層，地基變形增大系數(shù)不容被忽視。

4）為避免基礎(chǔ)與巖石面直接接觸，宜在基礎(chǔ)和巖石接觸的部位采用褥墊進行處理，以減小相鄰基礎(chǔ)的差異沉降。