某多種基礎(chǔ)型式主裙樓建筑地基不均勻沉降計(jì)算分析

石金龍

（中國(guó)建筑科學(xué)研究院地基基礎(chǔ)研究所，北京 100013）

0 引 言

某主裙樓一體的高層建筑使用期間出現(xiàn)不同程度的裂縫，對(duì)不同階段測(cè)得的壓縮模量進(jìn)行地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)共同作用分析，找到裂縫出現(xiàn)的根本原因在于主裙樓相鄰柱基礎(chǔ)的差異沉降值超過了規(guī)范允許值。對(duì)于類似多種基礎(chǔ)型式的主裙樓一體建筑，必須嚴(yán)格控制差異沉降，才能保證工程的正常使用。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

主樓為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，平面為正方形，基礎(chǔ)尺寸為 28.2 m×28.2 m，基礎(chǔ)為整體筏板基礎(chǔ)，厚度為 2 m，地上 17 層（含頂層局部 2 層設(shè)備間），地下 1 層，總高度 66.4 m。裙房位于主樓西、南、東側(cè)，地上 3 層，地下 1 層，西側(cè)裙房基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)，筏板基礎(chǔ)厚度為 0.5 m，南側(cè)裙房基礎(chǔ)為獨(dú)立基礎(chǔ)，東側(cè)裙房基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)和獨(dú)立基礎(chǔ)。建筑面積 171 75.73 m2，抗震設(shè)防烈度為 7 度，屬Ⅰ類建筑。一層地面作為相對(duì)零點(diǎn)標(biāo)高，室外地面標(biāo)高為 -0.6 m。

主樓采用天然地基方案。主樓和裙房基礎(chǔ)底部標(biāo)高均為 -7.42 m，基底位于③層粉土上。（在詳細(xì)勘察階段［1996.03］，第③層土定義為“粉砂”，但“土工試驗(yàn)報(bào)告表”中的第③層土為“粉土”。結(jié)合“補(bǔ)充勘察階段《巖土工程勘察報(bào)告》［2010.07］”中第③層土為“粉土”，因此，判定持力層第③層土為粉土。）

1.2 補(bǔ)充勘察階段工程地質(zhì)條件

為保證建筑的正常使用，補(bǔ)充勘察孔全部布置在建筑物外圍區(qū)域。按照文獻(xiàn)［1］規(guī)定進(jìn)行了鉆孔、取樣、試驗(yàn)、分析，得到了現(xiàn)狀條件下土質(zhì)參數(shù)和地下水位。

1.2.1 地形地貌

根據(jù)場(chǎng)區(qū)地層沉積年代、沉積環(huán)境、巖性、物理力學(xué)指標(biāo)，補(bǔ)充勘察將勘探揭露的地層劃分為 4 個(gè)工程地質(zhì)層。對(duì)于厚度＜ 50 cm 且呈透鏡狀分布的細(xì)小層未予劃分。各層土性狀如下。

①粉土。黃褐色，稍密，稍濕，見氧化鐵染、少量有機(jī)質(zhì)，局部見水泥塊，干強(qiáng)度、韌性中等，搖震反應(yīng)中等～迅速。層厚 0.00～1.00 m，平均層厚 1.00 m。層底埋深1.00～1.00 m，平均層底埋深 1.00 m。

②粉質(zhì)黏土。黃褐色，堅(jiān)硬～流塑，見氧化鐵染、少量有機(jī)質(zhì)，搖震反應(yīng)慢，干強(qiáng)度、韌性中等，捻面較光滑。層厚 5.50～7.50 m，平均層厚 6.28 m。層底埋深6.50～7.50 m，平均層底埋深 6.95 m。

③粉土。黃褐色，稍密～中密、稍濕～濕，見氧化鐵染、少量有機(jī)質(zhì)，搖震反應(yīng)慢，干強(qiáng)度、韌性中等，捻面稍光滑。層厚 2.80～3.50 m，平均層厚 3.07 m。層底埋深9.80～10.50 m，平均層底埋深 10.02 m。

④細(xì)砂。黃褐色，稍濕，稍密～密實(shí)，見云母片、少量氧化鐵染，主要成分石英，長(zhǎng)石，級(jí)配一般，夾有粉砂、中砂薄層。層厚4.90～11.65 m；層底埋深14.90～21.45 m。補(bǔ)充勘察未揭穿該層。

1.2.2 場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)及附近無(wú)地表水系。本區(qū)地下水類型為第四系孔隙潛水，主要受大氣降水及人類生活用水的入滲補(bǔ)給，排泄途徑主要為人工抽水及蒸發(fā)。

補(bǔ)充勘察所有鉆孔均在 10 m 左右塌孔，故未量測(cè)到地下水位埋深。根據(jù)附近已有勘察資料知，本區(qū)地下水位埋深＞ 22.0 m。由于政府對(duì)城市地下水用水的控制和調(diào)節(jié)，故近期場(chǎng)地的地下水位變化幅度不大。

根據(jù)區(qū)域水質(zhì)分析資料，該區(qū)土及地下水對(duì)混凝土無(wú)侵蝕性。

1.2.3 巖土工程地質(zhì)條件

1）本場(chǎng)區(qū)及其附近無(wú)斜坡地段、亦無(wú)活斷層和活動(dòng)地裂縫通過，未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流等不良地質(zhì)作用。

2）2010 年 7 月 21 日，當(dāng) ZK4#（西北部）鉆至15.50 m 時(shí)，護(hù)壁泥漿突然下降不能循環(huán)上返，當(dāng)時(shí)測(cè)量泥漿水位位置為自然地面以下 8.5～9.0 m 處。該處周邊疑有排水通道存在。

1.2.4 土層承載力及壓縮模量

土層承載力及壓縮模量值如表1 所示。

表1 土層承載力及壓縮模量表

2 建筑物傾斜及裂縫概況

2.1 建筑物傾斜概況

該樓建成于 1999 年，2000 年投入使用。2009 年 5 月重新安裝辦公樓主樓電梯時(shí)，發(fā)現(xiàn)電梯井傾斜，為查明建筑物傾斜情況，由當(dāng)?shù)亟ㄖこ藤|(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心站對(duì)主樓進(jìn)行了垂直度觀測(cè)，垂直度觀測(cè)數(shù)據(jù)如表2 所示。

2009 年 12 月 18 日—2010 年 10 月 12 日，當(dāng)?shù)亟ㄖこ藤|(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心站對(duì)主樓共進(jìn)行了 14 次沉降觀測(cè)，沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)整理結(jié)果如表3 所示。

垂直度測(cè)試結(jié)果如圖1 所示，沉降點(diǎn)布置如圖2 所示。

表2 垂直度觀測(cè)結(jié)果

表3 沉降觀測(cè)結(jié)果

由文獻(xiàn)［2］表5.3.4 可知，主樓的整體傾斜允許值為 0.0025。截止 2010 年 10 月 12 日，主樓的南北方向傾斜值為 0.001 08，東西方向?yàn)?0.001 05。2010 年 7 月 1 日～10 月 12 日的檢測(cè)結(jié)果表明：南北向傾斜值未有變化，東西向傾斜值略有增加。

圖1 垂直度測(cè)試結(jié)果（2010 年 10 月 12 日）

圖2 沉降點(diǎn)布置圖

由文獻(xiàn)［3］第 5.5.5 條可知，當(dāng)最后 100 d 的沉降速率小于 0.01～0.04 mm/d 時(shí)可認(rèn)為已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定階段。具體取值宜根據(jù)各地區(qū)地基土的壓縮性能確定。該樓沉降觀測(cè)最后 100 d（2010 年 7 月 1 日-2010 年 10 月 12 日）的平均沉降速率為 0.008 mm/d，＜ 0.01 mm/d。

圖3 為 2009 年 12 月 18 日-2010 年 10 月 12 日測(cè)試期間的沉降量-時(shí)間曲線，由圖可以看出，隨著時(shí)間的增加，沉降量不斷增大，但在最后 100 d 內(nèi)的沉降量曲線變得明顯平緩。3 #、4 #、7 #、8 # 點(diǎn)的沉降量明顯大于 1 #、2 #、5 #、6 # 點(diǎn)的沉降量。

圖3 沉降量-時(shí)間曲線

圖4 為 2009 年 12 月 18 日-2010 年 10 月 12 日測(cè)試期間的沉降速率曲線，由圖可以看出，第 1～7 次沉降速率變化無(wú)規(guī)律，第 8～11 次沉降速率呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，最后 100 d 各個(gè)測(cè)試點(diǎn)沉降速率呈現(xiàn)快速收斂趨勢(shì)。

2.2 建筑物裂縫概況

2.2.1 南立面

主樓：15 層弧形窗左下角裂縫由窗角部向左下延伸，東側(cè)裂縫由左上窗角部向右下延伸，兩側(cè)裂縫整體呈現(xiàn)對(duì)稱正“八”字形分布。4～14 層混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)裂縫，部分外部裝修瓷磚表面出現(xiàn)細(xì)微收縮裂縫。

裙房：3 層弧形窗西側(cè)角裂縫由右上窗角部向左下延伸，右下角裂縫由窗角部向右下延伸，兩側(cè)裂縫整體呈現(xiàn)對(duì)稱正“八”字形分布。2 層弧形窗與北側(cè)非弧形窗交界處玻璃出現(xiàn)“左下-右上”分布狀裂紋，與南側(cè)非弧形窗交界處的玻璃出現(xiàn)“左上-右下”分布狀裂紋，南北兩側(cè)裂紋整體呈現(xiàn)對(duì)稱正“八”字形分布。

2.2.2 北立面

主樓：15 層弧形窗左下角裂縫由窗角部向左下延伸，右下角裂縫由窗角部向右下延伸，兩側(cè)裂縫整體呈現(xiàn)對(duì)稱正“八”字形分布。4～14 層混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)裂縫，部分外部裝修瓷磚表面出現(xiàn)細(xì)微收縮裂縫。1 層門廳東側(cè)外墻表面出現(xiàn)“左下-右上”裂縫。

裙房：1～3 層?xùn)|側(cè)裙房多道裂縫呈現(xiàn)“左下-右上”分布，西側(cè)裙房多道裂縫呈現(xiàn)“左上-右下”分布。東西兩側(cè)裙房裂紋整體呈現(xiàn)對(duì)稱正“八”字形分布。西側(cè)裙房裂縫較南側(cè)裙房裂縫長(zhǎng)而貫通，東側(cè)裂縫呈現(xiàn)“短而密”的分布特征。

圖4 沉降速率曲線

2.2.3 東立面

主樓：15 層弧形窗左下角裂縫由窗角部向左下延伸，右下角裂縫由窗角部向右下延伸，兩側(cè)裂縫整體呈現(xiàn)對(duì)稱正“八”字形分布。4～14 層混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)裂縫，部分外部裝修瓷磚表面出現(xiàn)細(xì)微收縮裂縫。

裙房：無(wú)裂縫。

2.2.4 西立面

主樓：15 層弧形窗左下角裂縫由窗角部向左下延伸，右下角裂縫由窗角部向右下延伸，兩側(cè)裂縫整體呈現(xiàn)對(duì)稱正“八”字形分布。4～14 層混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)裂縫，部分外部裝修瓷磚表面出現(xiàn)細(xì)微收縮裂縫。

裙房：無(wú)裂縫。

3 主樓地基承載力及變形計(jì)算分析

3.1 承載力計(jì)算分析

根據(jù)建筑的實(shí)際情況建立上部結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，如圖5 所示。

圖5 上部結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

采用 PKPM、SATWE 結(jié)構(gòu)計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，考慮地震荷載及風(fēng)荷載，得到作用在主樓筏板基礎(chǔ)頂面的總荷載最大值為 187 706.3 kN，以主樓筏板形心為原點(diǎn)，荷載作用點(diǎn)坐標(biāo)為（0.186，-0.436）。

主樓柱網(wǎng)格尺寸為 7.8 m×7.8 m 和 9.0 m×9.0 m，筏板厚度為 2.0 m，因筏板基礎(chǔ)厚跨比＞1/6且相鄰柱荷載及柱間距的變化不超過 20 %，滿足文獻(xiàn)［2］中 8.4.14 條規(guī)定，基底反力可按直線分布進(jìn)行計(jì)算。筏板基礎(chǔ)尺寸為 28.2 m×28.2 m，埋深為 7.42 m，故主樓基底平均反力如下。

勘察報(bào)告提供的基底持力層-粉土層的地基承載力特征值：fak=180 kPa

按照文獻(xiàn)［2］公式 5.2.4 進(jìn)行修正，由于粘粒含量ρc≥10%，查規(guī)范表5.2.4，ηb=0.3，ηd=1.5，修正后的地基承載力特征值如下。

由于荷載為偏心荷載，由文獻(xiàn)［2］公式（5.2.1-2）可得：

由計(jì)算可得pkmax＜1.2fa，故地基承載力滿足要求。

各種荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下地基承載力計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

由表4 可以得出：基底均布反力pkmax=286.0 kPa＜fa，偏心荷載作用下基底邊緣反力最大值pkmax=369.4 kPa＜1.2fa。故地基承載力滿足規(guī)范要求和設(shè)計(jì)要求。

3.2 變形計(jì)算分析

采用PKPM、SATWE結(jié)構(gòu)計(jì)算程序?qū)ι喜拷Y(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，得到作用在主樓筏板基礎(chǔ)頂面的上部總荷載準(zhǔn)永久組合值為 175 149.4 kN。

3.2.1 采用詳細(xì)勘察報(bào)告（1996.03）提供的壓縮模量值計(jì)算

在詳細(xì)勘察報(bào)告中，沒有直接提供第③層粉土、第④層細(xì)砂的壓縮模量建議值，根據(jù)“土工試驗(yàn)報(bào)告表”得到第③層粉土的壓縮模量區(qū)間值為 7.9～13.4 MPa。第④層細(xì)砂的壓縮模量采用補(bǔ)充勘察報(bào)告中提供的建議值ES④=28.0 MPa。

1）壓縮模量（ES③=7.9 MPa，ES④=28.0 MPa）計(jì)算工況。

J-J軸、⑦-⑦ 軸沉降曲線如圖6 所示。

由J-J沉降曲線可以看出，主樓沉降量大，裙房沉降量小，整條曲線呈現(xiàn)“深盆形”分布，主裙樓交界處呈陡降狀態(tài)。主樓、裙房交界處差異沉降分別為 45.2 mm、24.2 mm，沉降差分別為 18.8 ‰、10.1 ‰，大于 GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的 2 ‰ 限值［4］。

由 ⑦-⑦ 軸沉降曲線同樣可以看出，主樓沉降量大，裙房沉降量小，主裙樓交界處呈現(xiàn)陡降狀態(tài)。主樓和裙房交界處差異沉降達(dá)到 35.1 mm，沉降差為 11.7 ‰，也大于規(guī)范允許值 2 ‰。

2）壓縮模量（ES③=13.4 MPa，ES④=28.0 MPa）計(jì)算工況

J-J軸、⑦-⑦軸沉降曲線如圖7 所示。

圖6 J-J 軸、⑦-⑦ 軸沉降曲線

表4 荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下地基承載力計(jì)算結(jié)果

由J-J沉降曲線可以看出，主樓沉降量大，裙房沉降量小，整條曲線呈現(xiàn)“深盆形”分布，主裙樓交界處呈陡降狀態(tài)。主樓、裙房交界處差異沉降分別為 25.1 mm、25.7 mm，沉降差分別為 10.5 ‰、10.7 ‰，大于 GB 50007-2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的 2 ‰限值。

圖7 J-J 軸、⑦-⑦ 軸沉降曲線

由 ⑦-⑦ 軸沉降曲線同樣可以看出，主樓沉降量大，裙房沉降量小，主裙樓交界處呈現(xiàn)陡降狀態(tài)。主樓和裙房交界處差異沉降達(dá)到 28.1 mm，沉降差為 9.4 ‰，也大于規(guī)范允許值 2 ‰。

3.2.2 采用補(bǔ)充勘察報(bào)告（2010.07）提供的壓縮模量值計(jì)算

采用補(bǔ)充勘察報(bào)告（2010.07）提供的壓縮模量值ES③=18.0 MPa，ES④=28.0 MPa 進(jìn)行計(jì)算，J-J軸、⑦-⑦軸沉降曲線如圖8 所示。

圖8 J-J 軸、⑦-⑦ 軸沉降曲線

由J-J沉降曲線可以看出，主樓沉降量大，裙房沉降量小，整條曲線呈現(xiàn)“深盆形”分布，主裙樓交界處呈陡降狀態(tài)。主樓、裙房交界處差異沉降分別為17.9 mm、13.8 mm，沉降差分別為 7.4 ‰、5.8 ‰，大于GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的 2 ‰限值。

由 ⑦-⑦軸沉降曲線同樣可以看出，主樓沉降量大，裙房沉降量小，主裙樓交界處呈現(xiàn)陡降狀態(tài)。主樓和裙房交界處差異沉降達(dá)到 14.9 mm，沉降差為 5.0 ‰，也大于規(guī)范允許值 2 ‰。

3.2.3 三種壓縮模量值計(jì)算結(jié)果比較

圖9 為三種壓縮模量值計(jì)算結(jié)果匯總圖。由圖中可以看出，三條曲線按照壓縮模量值的大小自上而下順序排列，曲線形狀基本一致，均呈現(xiàn)“深盆形”分布。即主樓沉降值大，沉降曲線基本呈直線分布；裙房沉降值小，沉降曲線呈“靠近主樓的沉降值大，遠(yuǎn)離主樓的沉降值小”的斜線分布，這與東西兩側(cè)裙房“八字形”對(duì)稱裂縫分布形態(tài)、位置是相一致的。

圖9 J-J 軸、⑦-⑦軸沉降曲線

綜上所述，主樓基礎(chǔ)與裙房基礎(chǔ)之間存在著較大的沉降差，相鄰柱之間的傾斜值大于規(guī)范允許值，即主樓沉降量大于裙房沉降量，建筑物在使用過程中發(fā)生不均勻沉降，這是造成建筑物出現(xiàn)“八”字形對(duì)稱裂縫的主要原因。

3.3 建筑物不均勻沉降原因分析

由上述計(jì)算分析可知，在考慮各種荷載組合作用下，主樓地基承載力滿足規(guī)范要求和設(shè)計(jì)要求。

變形計(jì)算分析結(jié)果表明，在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，主樓沉降量大于裙房沉降量，在主樓與裙房交界處沉降值產(chǎn)生突變，變形曲線呈現(xiàn)“深盆形”分布。主樓與裙房之間相鄰柱的沉降差大于規(guī)范允許值，建筑物產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致裙房北側(cè)外墻面裝修出現(xiàn)對(duì)稱正“八”字裂縫。裂縫的位置和分布形態(tài)與計(jì)算結(jié)果相一致。

由建筑、結(jié)構(gòu)圖紙可知，裙房底板直接位于②層粉質(zhì)黏土上，而主樓基礎(chǔ)持力層為③層粉土，持力層壓縮性不同也是造成主裙樓差異沉降導(dǎo)致裂縫發(fā)生的直接原因。

由文獻(xiàn)［2］表5.3.4 可知，框架結(jié)構(gòu)相鄰柱基的沉降差為 2 ‰，而砌體墻填充的邊排柱沉降差為 0.7 ‰，砌體填充墻對(duì)于拉應(yīng)力更加敏感。由于裙房部分墻體直接位于底板上，而底板下與獨(dú)立基礎(chǔ)無(wú)連系梁連接，從而使得裙房墻體產(chǎn)生更大不均勻沉降，這是導(dǎo)致裙房結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生細(xì)微裂縫與墻體外裝修較多裂縫的內(nèi)在原因。

結(jié)合補(bǔ)充勘察階段在ZK4#（西北側(cè)）中出現(xiàn)護(hù)壁泥漿突然下降不能循環(huán)上返現(xiàn)象及現(xiàn)場(chǎng)洛陽(yáng)鏟勘察結(jié)果，地下水位的變化及周圍水暖管線長(zhǎng)期滲漏等外界因素可能造成局部地基土承載力降低，使得主樓下沉過程中產(chǎn)生傾斜。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過基底持力層不同勘察階段的壓縮模量值進(jìn)行共同作用計(jì)算，地基承載力滿足規(guī)范要求和設(shè)計(jì)要求，主樓與裙房之間相鄰柱基礎(chǔ)沉降差不滿足規(guī)范要求，差異沉降是導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生裂縫的主要原因。對(duì)于類似工程，基礎(chǔ)型式應(yīng)盡量保持統(tǒng)一，通過地基—基礎(chǔ)—上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行共同作用分析，優(yōu)化基礎(chǔ)板厚及設(shè)置后澆帶、沉降縫等技術(shù)措施，以避免建筑災(zāi)害的發(fā)生。