超厚軟基拌和站復合基礎設計及沉降計算

徐步齊

(中鐵十二局集團第七工程有限公司, 湖南長沙 410004)

基礎沉降過大容易引起不均勻沉降，影響結構的正常使用，甚至會導致結構的破壞。因此，在結構設計中，應計算結構建成后所產生的最終沉降量，并判斷是否超出允許范圍，以便在設計時，采取相應的工程措施以提高建筑物的安全性[1]。在進行地基基礎設計時，不僅要滿足強度要求，同時也要滿足變形要求。對此，國內的許多專家、學者對其進行了深入的研究。孫超等人[2]應用FLAC3D軟件，模擬出z向位移值隨深度的變化曲線以及基底下的附加應力圖，并和規(guī)范法進行比較分析，總結了FLAC3D在模擬基礎沉降時的特點。文加奇[3]和王朝燕等人[4]分析了常見幾類地基沉降的具體計算方式，并結合地基基礎沉降的真實情況，分析了計算時需要注意的要點問題。還有一些學者們[5-8]分析了基礎沉降的原因，并提出一些處理措施。

軟土地基承載力低，加載后易變形且不均勻，變形速率大且不易滿足建筑物地基設計要求，因此研究軟土地基上結構的沉降是非常有意義的。Poulos[9]對不同情況下的樁筏基礎沉降計算進行討論。尹玉[10]應用巖土大型有限元軟件PLAXIS，分析比較了剛性基礎、筏板基礎和樁筏基礎這三種基礎形式以及真空預壓前后對建筑物沉降影響。肖俊華[11]根據上海環(huán)球金融中心的實測沉降結果，研究了深埋樁筏基礎沉降隨時間的變化規(guī)律，并運用不同的方法計算沉降并與實測沉降進行對比。

本文對黃圃拌和站進行基礎沉降監(jiān)測，并根據實測沉降結果，研究基礎沉降隨時間的變化規(guī)律；同時，采用分層總和法計算地基沉降并與實測沉降進行對比，從而更好地預測軟土地區(qū)的基礎沉降。

1 工程概況與地質條件

1.1 工程概況

黃圃拌和站用地位于中山市黃圃鎮(zhèn)境內，新建南沙港鐵路NSGZQ-4標段標尾DK47+500處，地塊長約230 m，寬約160 m，東西走向，北面臨近洪奇瀝水道，東側緊靠黃圃碼頭，地處河邊開闊地帶，面臨臺風考驗。地塊原地面標高在2.45～2.8 m之間，北側平行于水道有河堤，堤頂標高在5 m左右。在現場實際施工過程中發(fā)現，地表覆蓋有0.1～0.5 m腐殖土層，以下3 m范圍內(挖機伸臂深度)為淤泥及砂層，且含水量大(圖1)，并且經挖機、推土機等機械碾過后，地表有水流涌出(圖2)。

黃圃拌和站主要由粉罐和主樓組成(圖3)。其中，粉罐的總自重為1 200 kN(裝滿施工原材料)，主樓的總自重為500 kN。由于拌和站的地基為軟土地基，為防止基礎沉降過大，影響拌和站的正常使用，基礎采用擴大基礎，并采用φ500 mm的PHC管樁進行承載力加固處理，打入深度為24 m，構成復合基礎形式。粉罐和主樓的基礎參數如表1所示。

圖1 地表以下3m內的土層情況

圖2 機械碾過后的現場

圖3 拌和站的整體布置

基礎的位置擴大基礎PHC管樁l×b/mH/m樁長L0/m樁徑Φ/mm粉罐3.2×3.2124500主樓10.4×6.4124500基底標高(m)-0.8-24.8

1.2 地質條件

拌和站北面臨近洪奇瀝水道，東側緊靠黃圃碼頭，地層主要由飽和的粉砂、淤泥質土和細圓礫土組成。場地含水量較大。各土層的參數指標情況如表2所示。

表2 地基各土層參數指標

2 沉降監(jiān)測點的布置

為了研究拌和站的地基沉降，在現場設置了24個沉降監(jiān)測點(圖4)。從2016年11月12日開始進行沉降測點標高測量，于2017年7月31日結束，歷時231 d。

圖4 沉降監(jiān)測點分布

3 基礎沉降的理論與實驗研究

3.1 現場實測結果分析

由于篇幅有限，本文只列出了部分監(jiān)測結果(粉罐的監(jiān)測點14、15、20、21以及主樓的監(jiān)測點16、19)見圖5。

(a)粉罐的沉降量

(b)主樓的沉降量圖5 各監(jiān)測點的積累沉降量

由圖5可知：

(1)在70 d之前，監(jiān)測點的積累沉降量隨著監(jiān)測天數的增長而迅速增大；監(jiān)測天數超過70 d后，積累沉降量的變化很小，這說明拌和站的地基已沉降完全。

(2)當監(jiān)測天數小于10 d時，部分監(jiān)測點的積累沉降量為負值。這是因為此時地基沉降量較小，且在觀測過程中有誤差。

(3)當監(jiān)測天數為100～150 d之間時，主樓監(jiān)測點的積累沉降量有突變，這是由觀測過程中的誤差造成的。

3.2 理論分析

3.2.1 規(guī)范內容

根據GB 50007-2011《鐵路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》[12]第3.2.2條，基礎底面以下受壓土層Zn壓縮產生的總沉降量S可按式(1)計算：

(1)

式中：S為基礎的總沉降量(m)；n為基底以下地基沉降計算深度范圍內按壓縮模量的土層分層數目；σz(0)為基礎底面處的附加壓應力(kPa)。

σz(0)=σh-γh

(2)

式中：σh為基底壓應力(kPa)；b為基礎的寬度(m)；γ為土的容重(kN/m3)；h為基底埋置深度(m)；z為基底至計算土層頂面的距離(m)；zi,zi-1為自基底至第i和第i-1薄層底面的距離(m)。

地基沉降計算總深度zn的確定應符合下列要求：

(3)

式中：ΔSi為計算深度范圍內第i薄層土的沉降量；Sn為深度zn處向上取厚度為Δz的土層的沉降值；Esi為基礎底面以下受壓土層內第i薄層的壓縮模量，根據壓縮曲線按實際壓力范圍取值(kPa)；Ci,Ci-1為基礎底面至第i薄層地面范圍內和至第i-1薄層地面范圍內的平均附加應力系數(圖6)；ms為沉降經驗修正系數，根據地區(qū)沉降觀測資料及經驗確定，對于軟土地基ms不得小于1.3。

圖6 平均附加應力系數

(4)

式中：φ1，φ2，…，φn為厚度l1，l2，…，ln各土層的內摩擦角，l0為樁位于土中的深度(圖7)。

圖7 實體基礎的支撐面積計算示意

3.2.2 計算內容

3.2.2.1 復合基礎

由工程概況可知，在施工過程中，經挖機、推土機等機械碾過后，地表有水流涌出。為了簡化計算，假設所有土層均在地下水以下，其重度均取浮重度。同時，因為將樁基視作實體基礎，且外擴后實體基礎中土體占比重較大，所以粉罐的實體基礎的重度取17.5 kN/m3，主樓的實體基礎的重度取18 kN/m3。由此可得粉罐的基礎底面附加應力為σz(0)=27.17 kPa，主樓的基礎底面附加應力為σz(0)=12.65 kPa。

此外，因為拌和站的地基為軟土地基，所以取ms=1.3，利用式(1)求解粉罐和主樓的最終沉降量，計算結果見表3、表4。

表3 計算粉罐的地基最終沉降

表4 主樓的地基最終沉降

3.2.2.2 擴大基礎(無打入樁)

假設拌和站的基礎為擴大基礎(無打入樁)，并計算粉罐和主樓的基礎沉降。此時，粉罐的基礎尺寸為3.2 m×3.2 m，主樓的基礎尺寸為10.4 m×6.4 m。

由工程概況可知，在施工過程中，經挖機、推土機等機械碾過后，地表有水流涌出。為了簡化計算，假設所有土層均在地下水以下，其重度均取浮重度，則粉罐的基礎底面附加應力為σz(0)=124.02 kPa，主樓的基礎底面附加應力為σz(0)=14.35 kPa。

此外，因為拌和站的地基為軟土地基，所以取ms=1.3，利用公式(1)求解粉罐和主樓的最終沉降量，計算結果見表5、表6。

表5 粉罐的地基最終沉降

表6 主樓的地基最終沉降

3.3 實測值與計算值的對比

由于上述計算中，假設粉罐中裝滿了施工材料，而監(jiān)測點14和監(jiān)測點15處的粉罐為備用粉罐(自重未知)，因此只對比監(jiān)測點20和監(jiān)測點21處粉罐的地基沉降的實測值與計算值以及監(jiān)測點16和監(jiān)測點19處主樓的地基沉降的實測值與計算值，對比結果如圖8所示。

(a)粉罐

(b)主樓圖8 實測值與理論值的對比

由圖8可知：

(1)當粉罐和主樓的基礎均采用復合基礎時，基礎沉降的實測值均小于其計算值，且實測值與計算值的差值在4～6 mm之間。這說明基礎沉降的實測結果與計算結果較為吻合。

(2)當粉罐的基礎采用擴大基礎(無打入樁)，基礎沉降的計算值是實測值的兩倍多。這說明粉罐在軟土地基上不適合使用擴大基礎(無打入樁)，原因是粉罐的自重大而基礎底面小。

(3)當主樓的基礎采用擴大基礎(無打入樁)，基礎沉降的計算值與實測值相差3～7 mm，實測結果與計算結果較為吻合。這說明主樓在軟土地基上可以使用擴大基礎(無打入樁)，原因是主樓的自重小而基礎底面面積大。

4 結論

(1)在70 d之前，監(jiān)測點的積累沉降量隨著監(jiān)測天數的增長而迅速增大；監(jiān)測天數超過70 d后，積累沉降量的變化很小，這說明拌和站的地基已沉降完全。

(2)當粉罐和主樓的基礎均采用復合基礎時，沉降量的實測值均小于其計算值，且實測值與計算值的差值在4～6 mm之間；基礎沉降的計算結果與實測結果較為吻合。

(3)當粉罐的基礎采用擴大基礎(無打入樁)，基礎沉降的計算值是實測值的兩倍多。這說明粉罐在軟土地基上不適合使用擴大基礎(無打入樁)。

(4)當主樓的基礎采用擴大基礎(無打入樁)，基礎沉降的計算值與實測值相差3～7 mm，實測結果與計算結果較為吻合。這說明主樓在軟土地基上可以使用擴大基礎(無打入樁)。

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