延安新區(qū)大厚度壓實(shí)填土地基均勻性評價(jià)

張瑞松 唐 輝 高建中

(1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710043；2.延安市新區(qū)管理委員會(huì)，陜西延安 716000)

0 引言

地基土的不均勻性是造成地基變形最主要的原因之一[1-2]，因此地基均勻性評價(jià)是地基按變形控制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是巖土工程勘察中非常重要的一項(xiàng)工作。一般巖土工程勘察報(bào)告重視地基承載力、基礎(chǔ)持力層及地基基礎(chǔ)方案的分析評價(jià)，而對地基的均勻性評價(jià)往往一筆帶過，難以給建(構(gòu))筑物地基處理及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供必要的依據(jù)。

近年來，許多城市通過“平山造地”工程增加城市建設(shè)用地。延安新區(qū)巖土工程自2012年4月開工建設(shè)，2013年9月一期各標(biāo)段陸續(xù)完工，填方區(qū)面積約為1230公頃，占總造地面積的54%，填筑體工后固結(jié)沉降至今已近6年。填方區(qū)除了規(guī)劃建設(shè)公園、廣場等大型公共建筑設(shè)施之外，還有低層和多層商業(yè)及住宅樓，一般荷載較小，壓實(shí)填土地基承載力特征值一般可滿足上部結(jié)構(gòu)荷載要求，因此控制建筑物不均勻沉降以保證建筑物的正常使用是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。填方區(qū)建筑物不均勻沉降一方面是由于填筑體本身固結(jié)沉降差異引起的，但主要還是由于基底范圍原始黃土丘陵溝壑地形起伏陡緩導(dǎo)致填筑體厚度不同而造成的。對延安新區(qū)大厚度壓實(shí)填土場地而言，影響地基均勻性的因素眾多，較為復(fù)雜，對巖土工程師而言，壓實(shí)填土地基均勻性評價(jià)無從下手，難以合理地進(jìn)行定性判定。

本文在研究了壓實(shí)填土的工程性質(zhì)和差異沉降影響因素的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出壓實(shí)填土地基差異沉降敏感度概念，并給出具體的地基均勻性判定方法，便于進(jìn)行壓實(shí)填土地基均勻性評價(jià)，為建筑物總平面布置、地基處理及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 地基均勻性評價(jià)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)行《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001，2009版)[3]中4.1.11條將分析和評價(jià)地基的均勻性作為強(qiáng)制性條文，現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[4]中3.0.1—3.0.3條也將地基的均勻性作為重要分析評價(jià)內(nèi)容，但上述規(guī)范均無具體的評價(jià)依據(jù)和判定準(zhǔn)則，往往巖土工程師對此理解出入較大，難以統(tǒng)一[5]，評價(jià)內(nèi)容多以地層均勻性評價(jià)作為地基均勻性評價(jià)，與規(guī)范的要求不符[6]。

《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 72—2017)[7]中8.2.3條對天然地基的均勻性判定準(zhǔn)則進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，若地基持力層跨越不同地貌單元或工程地質(zhì)單元，工程性質(zhì)差異顯著，或地基持力層雖屬于同一地貌單元或工程地質(zhì)單元，但持力層底面或相鄰基底高程的坡度大于10%，或持力層及其下臥層在基礎(chǔ)寬度方向上的厚度差值大于0.05b(b為基礎(chǔ)寬度)，或各處地基土的壓縮性有較大差異，應(yīng)判定為不均勻地基。上述規(guī)定其實(shí)質(zhì)是將建(構(gòu))筑物基底以下的可壓縮深度范圍內(nèi)地層水平向分布和各土層的壓縮模量作為評價(jià)條件，強(qiáng)調(diào)持力層底面坡度及壓縮層厚度變化。

對延安新區(qū)大厚度壓實(shí)填土場地而言，地基持力層均為中等偏低壓縮性的壓實(shí)填土，通常情況下，填筑體壓實(shí)填土施工質(zhì)量控制基本一致，與下伏的黃土原土體土性同源，故《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 72—2017)地基均勻性評價(jià)方法并不適用。

2 延安新區(qū)壓實(shí)填土物理力學(xué)性質(zhì)

延安新區(qū)大厚度壓實(shí)填土是經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，通過機(jī)械分層碾壓或強(qiáng)夯夯實(shí)形成，填筑過程及質(zhì)量受控，一般不具濕陷性，不同于素填土。往往有人因?yàn)椴涣私馓钔列纬蛇^程而錯(cuò)誤地將其定義為素填土，造成一定的分析判斷偏差，影響工程建設(shè)。天然狀態(tài)下壓實(shí)填土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，與Q3黃土相比較，一般干重度較大，孔隙比較小，壓縮性較低，工程性質(zhì)較好。

表1 天然狀態(tài)下壓實(shí)填土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)工程實(shí)例調(diào)查研究，延安新區(qū)大厚度壓實(shí)填土在深度方向上主要表現(xiàn)為兩種趨勢：(1)大部分取土孔表現(xiàn)為從上到下土樣的干重度、孔隙比等指標(biāo)整體趨好，這符合填筑過程和固結(jié)沉降規(guī)律，如圖1(a)、(b)所示；(2)個(gè)別取土孔表現(xiàn)為上部和下部土樣的干重度較大，孔隙比較小，而中間局部土樣的干重度較小、孔隙比較大，如圖1(c)、(d)所示，表明填筑體中部工程性質(zhì)較差，可稱為“夾心餅”現(xiàn)象，這與填筑季節(jié)、土源性質(zhì)、過程控制等有關(guān)。

為了解壓實(shí)填土物理力學(xué)性質(zhì)在深度方向上的變化趨勢，本次將5個(gè)大厚度填方區(qū)場地的20個(gè)取樣孔(深度約為70～80 m)共計(jì)610個(gè)土樣從上到下以5 m為間隔劃分深度區(qū)段，對每個(gè)區(qū)段內(nèi)的土樣干重度和孔隙比先分別求平均值，再將符合上述兩種趨勢的孔分為兩類，然后將同類不同孔同一深度區(qū)段的平均值再取平均，作為該深度區(qū)段中點(diǎn)深度(2.50+5i米，i為區(qū)段數(shù))的代表值，壓實(shí)填土干重度和孔隙比在深度方向上變化趨勢如圖1所示。

3 壓實(shí)填土地基差異沉降敏感度

地基均勻性應(yīng)從水平方向和深度方向上綜合考慮。大厚度壓實(shí)填土在水平方向上差別較小，深度方向上由于填筑體厚度、原始地形坡度的不同，所以綜合來看地質(zhì)條件差異性較大。由于填筑過程中填筑體壓實(shí)度經(jīng)過嚴(yán)格控制，填筑質(zhì)量檢測結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)要求，在建筑物有限的基底面積范圍之內(nèi)，對差異沉降產(chǎn)生影響的因素主要為填方厚度和原始地形坡度，容易進(jìn)行評判。故提出壓實(shí)填土地基差異沉降敏感度概念，以定性評價(jià)壓實(shí)填土地基發(fā)生不均勻沉降的程度。

延安新區(qū)實(shí)體模型試驗(yàn)樓的研究(1)延安新區(qū)科研實(shí)體模型試驗(yàn)樓沉降觀測成果報(bào)告[R].2014—2019.表明，填壓實(shí)填土厚度在20 m以內(nèi)的差異沉降較大，40 m以上的差異沉降較小，且厚度越大，差異沉降明顯減小，故將影響壓實(shí)填土地基差異沉降敏感度的填方厚度因子按20 m、40 m分隔。

圖1 干重度、孔隙比隨深度變化曲線

原始地形直接影響填筑體厚度并對施工質(zhì)量控制起著一定的制約作用。原始地形坡度較緩區(qū)域，填筑體厚度差異就小，不均勻沉降一般較小，反之，其坡度較陡或起伏較大區(qū)域，填筑體厚度差異就大，不均勻沉降一般也隨之較大。綜合研究了15個(gè)實(shí)際填方區(qū)工程場地，將原始地形坡度因子按8°、15°、30°、45°、60°分隔是比較有代表性的。

總體分析可知，填方厚度越大，地基差異沉降敏感度就會(huì)越弱；原始地形坡度越大，地基差異沉降敏感度就會(huì)越強(qiáng)。為便于評價(jià)，一般將壓實(shí)填土地基差異沉降敏感度分為較弱、弱、較強(qiáng)、強(qiáng)、很強(qiáng)、劇烈六個(gè)等級(jí)，必要時(shí)可表述為弱—較弱、較強(qiáng)—弱、強(qiáng)—較強(qiáng)、很強(qiáng)—強(qiáng)等，見表2。

表2 壓實(shí)填土地基差異沉降敏感度

4 大厚度壓實(shí)填土地基均勻性評價(jià)方法

建(構(gòu))筑物在大厚度壓實(shí)填土區(qū)進(jìn)行地基均勻性評價(jià)應(yīng)首先查明基礎(chǔ)底面以下填土厚度和原始地形坡度。若通過勘察發(fā)現(xiàn)與原始地形圖無明顯差異，可根據(jù)表2對壓實(shí)填土地基差異沉降敏感度做出判定，然后可按以下原則進(jìn)行地基均勻性評價(jià)：

(1)地基差異沉降敏感度介于較弱—弱，地基均勻性可認(rèn)為較好；

(2)地基差異沉降敏感度介于弱—較強(qiáng)，地基均勻性可認(rèn)為一般；

(3)地基差異沉降敏感度介于較強(qiáng)—強(qiáng)，地基均勻性可認(rèn)為較差；

(4)地基差異沉降敏感度介于強(qiáng)—?jiǎng)×遥鼗鶆蛐钥烧J(rèn)為差；

特殊的是，若填方區(qū)建(構(gòu))筑物地基平面投影以下原始地形為“中間高，兩側(cè)低”的山脊或“中間低，兩側(cè)高”的溝谷，即存在“反坡”且程度較大時(shí)，表明原始地形起伏大，填筑體厚度和填筑質(zhì)量差異大，地基均勻性可直接評價(jià)為差。一般情況下，當(dāng)?shù)鼗鶆蛐栽u價(jià)為一般—較好可視為均勻地基，較差—差可視為不均勻地基。評價(jià)方法簡單易行，過程清晰，可為建筑總平面布置、地基處理及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供較為合理、可靠的依據(jù)。

5 大厚度壓實(shí)填土不均勻地基處理及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取的結(jié)構(gòu)措施

5.1 地基處理

大厚度壓實(shí)填土不均勻地基主要位于填方厚度較薄地段或原始地形起伏較大區(qū)域，該區(qū)域產(chǎn)生不均勻沉降的可能性和程度會(huì)比較顯著，應(yīng)采取一定的地基處理(增強(qiáng))措施，如灰土或水泥土擠密樁、CFG樁復(fù)合地基方案等以提高地基剛度，必要時(shí)采用樁基方案，具體應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、荷載大小及使用要求，結(jié)合地基土濕陷性、環(huán)境情況和對鄰近建筑物的影響等因素進(jìn)行綜合分析后選擇一種或兩種結(jié)合的地基處理方案。此外，為避免地表水入滲特別是防止地表水沿挖填交界面入滲形成局部上層滯水對建筑物產(chǎn)生不利影響，建筑物基底應(yīng)采取防滲措施，具體可采用灰土墊層方案，外放尺寸在有關(guān)規(guī)范規(guī)定的基礎(chǔ)上建議適當(dāng)加大。

5.2 結(jié)構(gòu)措施

不均勻地基的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)若不采取某些結(jié)構(gòu)措施易給建筑物埋下安全隱患[8]。在延安新區(qū)大厚度壓實(shí)填土不均勻地基進(jìn)行建設(shè)，建筑總平面布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合原地形地貌綜合考慮，基礎(chǔ)形式建議采用筏板基礎(chǔ)或梁式筏基。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度、合理設(shè)置沉降縫是防止不均勻沉降的有效措施，防止建筑物開裂、合理控制各獨(dú)立沉降結(jié)構(gòu)單元傾斜是性能目標(biāo)，長期進(jìn)行建筑物沉降觀測是保障建筑物正常使用的必要措施。

6 結(jié)論及建議

(1)延安新區(qū)大厚度壓實(shí)填土是經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，通過機(jī)械分層碾壓或強(qiáng)夯夯實(shí)形成，填筑過程及質(zhì)量受控，一般不具濕陷性，不同于素填土，填筑體工后固結(jié)沉降至今已近6年，工程性質(zhì)較好。

(2)通過對5個(gè)不同場地的20個(gè)取樣孔(深度約為70～80 m)共計(jì)610個(gè)土樣統(tǒng)計(jì)分析，延安新區(qū)大厚度壓實(shí)填土在深度方向上主要表現(xiàn)為兩種趨勢：①大部分孔從上到下土樣的干重度、孔隙比等指標(biāo)整體趨好，這符合填筑過程和固結(jié)沉降規(guī)律；②個(gè)別孔上部和下部土樣的干重度較大，孔隙比較小，而中間局部土樣的干重度較小、孔隙比較大，表明填筑體中部工程性質(zhì)較差，可稱為“夾心餅”現(xiàn)象，這與填筑季節(jié)、土源性質(zhì)、過程控制等有關(guān)。

(3)根據(jù)工程實(shí)例分析，壓實(shí)填土差異沉降產(chǎn)生影響的因素主要為填方厚度和原始地形坡度，創(chuàng)新性地提出壓實(shí)填土地基差異沉降敏感度概念，以定性評價(jià)壓實(shí)填土地基發(fā)生不均勻沉降的程度，并以此提出壓實(shí)填土地基均勻性評價(jià)方法，可為建筑總平面布置、地基處理及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供較為合理、可靠的依據(jù)。

(4)大厚度壓實(shí)填土不均勻地基應(yīng)采取一定的地基處理(增強(qiáng))措施和防水入浸措施，加強(qiáng)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)剛度、合理設(shè)置沉降縫并應(yīng)長期進(jìn)行沉降觀測。

(5)由于填筑體工后時(shí)間還不夠長，工程經(jīng)驗(yàn)積累有限，建議繼續(xù)深入開展大厚度壓實(shí)填土地基均勻性評價(jià)等研究工作。