成都卵石土天然地基高層建筑沉降偏大原因分析

（同濟大學(xué)，上海 200092）

成都地區(qū)卵石土層主要分布于岷江水系一級、二級階地，分布分為廣，厚度10～50m以上不等，特別是成都西部地區(qū)，卵石層厚度大，最厚地段該層厚度達100m以上。

一級階地卵石土層時代為第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al），卵石多為灰～褐灰色，混有20～40%砂、礫石及少量粘性土，常有薄層砂透鏡體及極個別地段的淤泥、淤泥質(zhì)土、腐木等夾層，卵石成分以巖漿巖及變質(zhì)巖為主，卵石以弱風(fēng)化為主，個別強風(fēng)化，磨圓度佳。

二級階地卵石土層時代為第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl），卵石多為黃～黃灰色，混砂、礫石及粘性土，有薄層砂透鏡體及極個別地段的淤泥、淤泥質(zhì)土、腐木等夾層，卵石成分以巖漿巖及變質(zhì)巖為主，個別卵石已達強風(fēng)化，磨圓度佳。

兩個階地卵石土層除沉積時代、成因、顏色及充填物略有差別外，其物理力學(xué)指標(biāo)等相差不大。根據(jù)《成都地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（DB51/T5026－2001）及成都地區(qū)工程經(jīng)驗，將該層細(xì)劃分為松散卵石、稍密卵石、中密卵石和密實卵石四個亞層。

成都地區(qū)高層建筑越來越多，高層建筑多設(shè)1～3層地下室，而該深度范圍往往為卵石土層，作為具有承載力高、壓縮變形小等特點的卵石土層，常作為天然地基基礎(chǔ)持力層。而通過大量的工程實例表明，卵石土地基高層建筑（以30層為例）封頂后1～2年的總沉降量多為20～30mm左右，個別沉降小的在15mm左右，正常的沉降量一般不超過40mm。這與《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）第5.3.4條及表5.3.4建筑物地基變形允許值200mm還相差甚大。但也有個別建筑沉降量偏大，甚至達到60mm以上。針對該情況，筆者在接觸的范圍內(nèi)，從以下幾個方面，試圖對沉降偏大的原因進行分析探討，以求更好的總結(jié)及指導(dǎo)今后的工作。

1 卵石土密實度差異及夾層對沉降的影響

1.1 卵石土密實度差異對沉降的影響

卵石土地基承載力的確定有許多方法手段，如載荷試驗，野外原位（主要為N120超重型動力觸探）測試查表，理論計算，當(dāng)?shù)亟?jīng)驗等等。在確定地基承載力時，有時需要幾種方法綜合確定，從成都地區(qū)勘察經(jīng)驗及相關(guān)測試成果，成都地區(qū)卵石土承載力及壓縮模量等與密實度關(guān)系很大。一般卵石土（包括砂夾層等）物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 卵石土主要物理力學(xué)指標(biāo)

對具體高層建筑（以30層為例）而言，采用天然地基，筏板基礎(chǔ)，按規(guī)范《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）第5.3.5條的沉降計算公式

分別計算以稍密、中密及密實卵石作基礎(chǔ)持力層計算地基最終沉 降量計算值s。上述公式各數(shù)據(jù)按如下取值：p0=600KPa ，稍密卵石Eo=24，中密卵石Eo=32，密實卵石Eo=45，計算深度Zn按高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》（JGJ72—2004）附錄B第B.0.2條，Zn= （Zm+ξβ）。

基礎(chǔ)寬度、長度比按常規(guī)的1～4.5取值，計算Zn=6～9米，取最大值9米。

計算結(jié)果如下：

稍密卵石作基礎(chǔ)持力層s’=56.25mm，中密卵石作基礎(chǔ)持力層s’=42.08mm，密實卵石作基礎(chǔ)持力層s’=29.92mm。

按規(guī)范要求，沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψs取0.2，則：

稍密卵石作基礎(chǔ)持力層s=11.25mm，中密卵石作基礎(chǔ)持力層s=8.42mm，密實卵石作基礎(chǔ)持力層s=5.98mm。

該計算結(jié)果與成都地區(qū)實測結(jié)果有一定差異，筆者收集了20個工程的沉降資料，結(jié)果表明沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψs取0.2偏小，計算結(jié)果與實際相比較，ψs取0.5～0.6較為合適。如ψs取0.5，則最終沉降量為：

稍密卵石作基礎(chǔ)持力層s=28.13mm，中密卵石作基礎(chǔ)持力層s=21.04mm，密實卵石作基礎(chǔ)持力層s=14.96mm。該計算結(jié)果與實際觀測結(jié)果較為一致。

上述計算表明，在承載力滿足要求的情況下（承載力經(jīng)深寬修正后滿足要求），以稍密、中密及密實卵石作基礎(chǔ)持力層，計算得出的最終沉降量差別不大。

1.2 卵石土內(nèi)夾層對沉降的影響

成都地區(qū)卵石土內(nèi)多分布有砂層透鏡體及層狀砂層，甚至局部地段有古河道分布，淤泥質(zhì)土、淤泥及腐木等也在勘察過程中有發(fā)現(xiàn)。軟弱夾層對高層建筑沉降具一定影響。

仍以上述計算公式，計算軟弱夾層對最終沉降量的影響。

p0=600KPa ，淤泥及淤泥質(zhì)土Eo=2，砂土Eo=9，松散卵石Eo=15，稍密卵石Eo=24，中密卵石Eo=32，密實卵石Eo=45，計算深度Zn=9米

根據(jù)成都地區(qū)施工經(jīng)驗，卵石層施工時須進行現(xiàn)場釬探工作，釬探深度一般為1.5米左右，釬探深度過深，下部擊數(shù)失真嚴(yán)重；過淺，不能有效判別持力層深度內(nèi)卵石土密實度。本次計算按持力層中密卵石下1.5米深度下夾層厚度1.0米，其下仍為中密卵石層，計算結(jié)果如下：

夾 層 為 砂 層，s’=54.13mm，Es=24.93，按規(guī)范，ψs取0.2，s =10.83mm

夾層為松散卵石，s’=47.47mm，Es=28.41，按規(guī)范，ψs取0.2，s =9.49mm

夾層為淤泥及淤泥質(zhì)土，s’=112.41mm，Es=12.00，按規(guī)范，ψs取0.63，s =70.24mm

通過以上計算，卵石層內(nèi)夾淤泥及淤泥質(zhì)土對沉降影響巨大。而局部砂層及松散夾層對沉降影響相對較小。

考慮夾層為淤泥及淤泥質(zhì)土，計算夾層厚度0.5米及下臥層3.0米以下兩種情況：

如1.5米深度下淤泥及淤泥質(zhì)土夾層為0.5米，則s’ =77.26mm，Es=17.46，按規(guī)范，ψs取0.30，s =23.30mm

如3.0米深度下淤泥及淤泥質(zhì)土夾 層 為 1.0米， 則 s’ =112.90mm，Es=11.95， 按 規(guī) 范，ψs取 0.30，s=71.04mm

通過以上計算，如淤泥及淤泥質(zhì)土厚度為0.5米，其對沉降影響不大；如淤泥及淤泥質(zhì)土厚度大于1.0米，即使埋深相對較深，其對沉降影響仍然很大。

以上計算結(jié)果，通過大量的工程實例，得到了驗證。

2 基坑降水對沉降的影響

成都卵石層為主要含水層，卵石層滲透系數(shù)大，一般滲透系數(shù)在15～40左右，含水層厚度大，地下水（主要為孔隙水和孔隙潛水）豐富， 水位較淺，一般水位埋深在卵石層頂面，埋深為3～6米左右。成都地區(qū)高層建筑一般設(shè)地下室1～3層，天然地基基礎(chǔ)施工須對地下水（孔隙水及孔隙潛水）采用降水措施，成都地區(qū)針對卵石層降水通常采用管井法。

基坑降水降深一般較深，出水量大，降水施工造成兩個后果。一為降水引起的附加沉降，一為降水措施不得當(dāng)，往往造成卵石層內(nèi)充填的細(xì)小顆粒被帶走，從而造成充填物流失，卵石層壓縮變形大。

2.1 降水引起的附加沉降

在降水作用下，隨著地下水位的降低，卵石土層浮力減小，等于增加了附加荷重，有效應(yīng)力增加，引起固結(jié)沉降[1]。由于地下水水頭降低產(chǎn)生的沉降可用分層總和法進行計算：

考慮到卵石層滲透系數(shù)大，固結(jié)時間短，沉降發(fā)生快，對單一卵石層，上式可簡化為：

考慮降深5米，卵石層厚度5米，卵石層為稍密卵石，壓縮模量Es取24，計算結(jié)果為：

s =10.42mm

盡管基坑降水引起卵石層固結(jié)時間短，沉降發(fā)生快，降水施工前期、基礎(chǔ)施工前已引起了附加沉降，但由于卵石層滲透系數(shù)大，地表水（包括雨水及施工用水）大量補給，基礎(chǔ)及主體施工時仍然沉降地下水的快速抽降變化，故基礎(chǔ)施工后期及主體施工階段仍然存在降水引起的附加沉降。大量觀測結(jié)果表明，由于基坑降水引起的附加沉降在5～10mm左右，與上述計算結(jié)果一致。

2.2 降水對卵石密實度影響

基坑降水形成的水力坡度大于臨界水力坡度時，在滲流應(yīng)力作用下將卵石層充填的細(xì)顆粒帶走、掏空，形成機械潛蝕。在上部荷載作用下，卵石層粗顆粒重新排列、壓密而引起地面沉降。這種情況在降水施工時經(jīng)常發(fā)生。降水施工階段由于措施不得當(dāng)，出砂量不能很好的控制，卵石層內(nèi)充填物的流失常常使卵石層變?yōu)椤肮饴咽?，從而使卵石層密實度大幅度降低，卵石骨架重新排列，引起幅度較大的沉降。

某建筑為地上33層，一個單元為地下1層，一個單元為地下2層，由于降水井設(shè)置于筏板基礎(chǔ)外側(cè)僅距筏板基礎(chǔ)邊緣4米左右，且降水井設(shè)置不規(guī)范，在建筑主體結(jié)束后靠降水井最近的沉降觀測點反應(yīng)的該處沉降量已達60mm以上且沉降不斷加大，在筏板基礎(chǔ)上開孔進行取芯表明卵石層內(nèi)充填物流失嚴(yán)重，筏板基礎(chǔ)下1～4米內(nèi)基本“光卵石”?；谶@種情況，立即進行了地基加固工作，加固結(jié)束后沉降得到了抑制。

實例表明，由于機械潛蝕造成的沉降量很大，地基的不均勻沉降現(xiàn)象明顯。

3 施工的不規(guī)范性引起的沉降

3.1 施工階段人為原因引起的沉降

高層建筑建筑電梯井、積水坑等位置往往挖深較深，有些高層建筑兩個單元高差不同而采用放坡處理，基礎(chǔ)施工時上述地段側(cè)壁往往回填不密實，在荷載作用下，該處沉降往往較大，引起建筑的不均勻沉降，甚至有些時候引起電梯井、放坡處的開裂，更有甚者影響電梯等的使用功能。

某高層建筑地上30層，地下2層，由于電梯井施工時側(cè)壁未能回填密實，主體結(jié)束后電梯井處沉降一直未能穩(wěn)定，工程竣工4年后，該處沉降才基本滿足規(guī)范要求，而該處沉降量已達52mm，與該建筑的其它沉降觀測點的平均沉降量28mm相差很大。

3.2 施工未按設(shè)計圖紙進行引起的沉降

高層建筑一般荷載較大，往往要求地基土反力不少于500KPa，而作為基礎(chǔ)持力層的稍密卵石，承載力特征值僅為300～350KPa，基礎(chǔ)設(shè)計首先進行地基土深寬修正：fa=fak+ηbr（b-3）+ηdrm（d-0.5）

以稍密卵石為例，承載力特征值 fak=350，r=11.0kN/m3，b大 于 6米取b=6.0，ηb=3.0，ηd=4.4，考慮一層地下室，d=5.5m，rm=13.0 kN/m3，則：fa=635>600KPa。

上述計算是基于地基土周邊形成約束的前提下進行的修正。要求施工階段保證建筑物修建至一定高度后須進行地下室周邊的基坑回填工作。但有些施工單位未能按設(shè)計要求的情況進行回填，加之基坑周邊往往采用放坡處理，從而使建筑物周邊約束降低，地基土不能按規(guī)范公式進行修正，承載力不能滿足設(shè)計要求?；釉诘鼗良羟衅茐耐屏ψ饔孟率紫冗M行垮塌，進而造成建筑物向基坑側(cè)的不均勻沉降，造成傾斜。

結(jié)論

（1）成都卵石土天然地基高層建筑沉降偏大原因很多，影響因素很多。影響最大的因素是卵石層內(nèi)夾具一定厚度（1.0米以上）的淤泥及淤泥質(zhì)土以及由于基坑降水過程中出砂量未能有效控制從而造成的機械潛蝕作用，其它如卵石層內(nèi)夾砂層、施工不規(guī)范等也具一定影響。這就要求勘察階段須準(zhǔn)確探明地基土持力層分布情況，基坑降水階段嚴(yán)格按照《建筑與市政降水工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ/T111-98）執(zhí)行，基礎(chǔ)施工階段嚴(yán)格按設(shè)計圖紙及相關(guān)施工規(guī)范執(zhí)行，設(shè)計階段應(yīng)明確基坑回填時期及回填材料及要求。

（2）在《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）中，其最終沉降量計算公式中的沉降計算經(jīng)驗修正系數(shù)ψs的變化范圍從0.2～1.4，其對最終沉降的影響是很大的。目前，各地對修正系數(shù)的數(shù)值是不同的。如上海地基規(guī)范則規(guī)定其值隨附加壓力p0的增大可以從0.7變化到1.3;天津地基規(guī)范的修正系數(shù)值為基礎(chǔ)底面平均壓力p 與地基承載力設(shè)計值f 之間的比值;深圳地基規(guī)范則又不同。因此，各地應(yīng)該建立在沉降實測基礎(chǔ)上的本地經(jīng)驗修正系數(shù)，不能完全照搬國標(biāo)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定。在基礎(chǔ)的沉降計算中，沉降經(jīng)驗修正系數(shù)ψs應(yīng)該在沉降實測的基礎(chǔ)上建立當(dāng)?shù)氐男拚龢?biāo)準(zhǔn)。筆者認(rèn)為，根據(jù)成都地區(qū)大量工程經(jīng)驗，卵石土天然地基在Es>20的情況下沉降經(jīng)驗修正系數(shù)ψs取值應(yīng)該在0.5～0.6之間較為合適。

（3）針對卵石層分布有軟弱夾層及因降水引起卵石層內(nèi)充填物流失現(xiàn)象，及時進行壓漿及旋噴樁處理，能有效地改善及抑制建筑物的沉降。

[1]陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1994.

[2]華南理工大學(xué)，等.地基及基礎(chǔ)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.