高填方工程的地基沉降變形分析及控制技術(shù)

陳鵬飛

上?？辈煸O(shè)計研究院（集團）有限公司 上海 200093

在高填土狀態(tài)下，大面積堆載將在鄰近一定范圍內(nèi)引起土體和建筑物的沉降與水平位移，同時由于不同位置點產(chǎn)生的沉降量存在較大差異，故可能引起建（構(gòu)）筑物的傾斜或管線拉斷。此外，高填方在軟弱地基上產(chǎn)生的水平位移或水平力會在建筑物樁基上產(chǎn)生較大的水平剪力或彎矩，對建筑物的樁基穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響。

因此，在大面積堆土工程中，為保證建筑物的穩(wěn)定性并能如期投入正常使用，需要對高填土引起的豎向和水平變形進行估算分析，并實施有效的控制措施。楊石飛[1]通過收集并分析多項實測資料，并結(jié)合工程實際，總結(jié)了大面積堆載變形的一般規(guī)律，發(fā)現(xiàn)與小面積堆載相比，大面積堆載具有變形量大、影響范圍廣、固結(jié)時間較長等特點。唐燕蕾等[2]采用有限元計算方法分析了大面積堆載引起的沉降和水平位移發(fā)展規(guī)律，以及各影響因素對變形量空間分布的影響，并通過與實測資料對比，獲得了大面積堆載對周邊環(huán)境影響的定量分析方法。羅國權(quán)[3]對某重工業(yè)廠房由于大面積堆載所造成的最終變形量進行測算，提出地基整體加固法的事故治理方案，給出了采用深層攪拌樁對地基進行加固處理的原理及實施方案。

本文以上海市臨港地區(qū)南匯新城星空之境海綿公園DBO項目為背景，闡述了不采取任何措施下的堆土變形。然后在不同地基處理方法下對堆土的沉降和水平位移進行估算分析，并進行同期變形量比較，最后總結(jié)了2種處理方法的優(yōu)、缺點，可為同類工程提供參考。

1 工程概況

擬建南匯新城星空之境海綿公園DBO項目實施用地面積約為574 658 m2，其中綠地面積約為413 230 m2，水域面積為161 428 m2。本工程地理位置如圖1所示。

圖1 工程地理位置

本工程共有5處較大的堆土區(qū)域，分別為律動星球（最大堆高10.0 m）、星動廣場（最大堆高9.0 m）、觀天之丘（最大堆高6.0 m）、星際迷宮（最大堆高6.0 m）以及活力之丘（最大堆高5.0 m）。其中，律動星球堆土區(qū)域中建有環(huán)形建筑（2層）。除以上區(qū)域，場地內(nèi)還分布有其他零星堆土區(qū)，但最大堆高均小于3.0 m。另外，場地內(nèi)有1處挖方區(qū)域（星海蕩漾），挖深約2.5 m。本項目的堆土與挖方區(qū)域位置及高度如圖2所示。

圖2 項目堆土與挖方區(qū)域位置及高度

2 場地工程地質(zhì)條件

經(jīng)勘察揭露，在深度76.30 m范圍內(nèi)地基土主要由黏性土、粉性土和砂土組成，分布較穩(wěn)定，一般具有成層分布的特點。按其沉積年代、成因類型及物理力學(xué)性質(zhì)的差異，依據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范DG J08-37—2012《巖土工程勘察規(guī)范》相關(guān)條款，可劃分為7個主要層次。

3 豎向和水平變形分析

3.1 不采取任何措施下的堆土變形量

根據(jù)上海地區(qū)工程經(jīng)驗，在與本工程相似的地質(zhì)條件下，如果不采取任何加固措施：堆載高度4～5 m時，堆載中心將產(chǎn)生50～70 cm的最終地面沉降；堆載高度8～10 m時，堆載中心將產(chǎn)生120 cm以上的最終地面沉降；當堆載高度達到10 m以上時，堆載中心將產(chǎn)生150 cm以上的最終地面沉降；堆載施工結(jié)束時土體的固結(jié)度大概為70%，工后殘余變形較大。

此外，堆載還將引起周圍鄰近區(qū)域內(nèi)土體的水平位移。根據(jù)上海地區(qū)工程經(jīng)驗和實測資料，若不采取地基處理措施而僅通過施工控制加以調(diào)節(jié)，堆載高度在4～5 m時，堆體邊坡處地面將產(chǎn)生20 cm左右的水平位移；堆載高度在8～10 m時，堆體邊坡處地面將產(chǎn)生40 cm左右的水平位移；堆載高度達到10 m以上時，堆體邊坡處地面將產(chǎn)生50 cm以上的水平位移；堆載對周邊環(huán)境的影響范圍一般為30～50 m，超出此范圍，堆載的影響并不顯著。

3.2 不同地基處理方案的提出

為有效控制堆土變形，以保障鄰近堆載區(qū)域擬建建筑物的安全，根據(jù)場地地基土分布規(guī)律、周圍環(huán)境條件和已有工程經(jīng)驗，本工程地基處理可能選用的幾種方案如下：

1）采取合理的堆載施工控制措施，讓不利于周邊環(huán)境的土體變形盡早發(fā)生，以盡量減少工后變形，從而減少堆載對建筑物的不利影響?？刹捎梅旨壖虞d的方式，即每級加載后記錄監(jiān)測沉降量、水平位移、超孔隙壓力等數(shù)據(jù)，待穩(wěn)定后再加下級荷載。

2）采取復(fù)合地基處理措施，即采用樁基進行加固，在地基中設(shè)置預(yù)制樁等豎向增強體，樁身穿越深厚的軟黏性土層，樁端位于第⑥層或第⑦層，可有效減少地基變形。

3.2.1 分級加載方案

采用分級加載可提高地基承載力，控制總沉降量。以本項目純堆土區(qū)域（最高9 m）為例，建議可分三級加載，每級堆載時間及估算沉降量如表1所示。

表1 分級堆載時間及估算沉降量

堆土期間對豎向變形、水平位移及孔隙水壓力進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果控制堆土速度。豎向變形每天不宜超過10～15 mm，水平位移每天不宜超過4～7 mm，孔隙水壓力系數(shù)不宜大于0.6。

設(shè)置豎向排水通道，如插入塑料排水板，以加快土體固結(jié)速度，縮短工期。塑料排水板施工應(yīng)進行專項設(shè)計。擬建場地淺部分布有土性較佳的第②3層粉土、砂土層，厚度較大，應(yīng)選用適宜的插板機。

由于淺部第②3層粉土、砂土為良好的透水層，有利于土體的固結(jié)和孔隙水壓力消散，因此在工期允許的情況下，也可不設(shè)置豎向排水通道。

堆載結(jié)束后休止2個月以上，使土體變形大部分發(fā)生，保證地基土穩(wěn)定，控制工后殘余變形，之后開始擬建建（構(gòu)）筑物施工，施工過程中主要考慮對樁基的保護和對建筑物差異沉降的控制。

3.2.2 樁基加固方案

采用樁基進行加固，對于淺部地基，樁型可采用（200 mm×200 mm）～（250 mm×250 mm）的預(yù)制方樁，布樁間距為（2 m×2 m）～（2.5 m×2.5 m），樁端位于第②3層，其地基強度一般可加固至設(shè)計要求。對于覆土建筑或高堆土區(qū)域（6.0～10.0 m），可結(jié)合擬建建筑物樁型，采用φ400～φ500 mm的PHC管樁，布樁間距為（3 m×3 m）～（4 m×4 m），樁身穿過較弱的第④、⑤層黏性土，樁端位于第⑥層或第⑦1層，可顯著提高地基承載力及減少沉降。

3.3 2種方案變形量的估算分析比較

根據(jù)本次詳勘揭露地層資料，結(jié)合類似工程經(jīng)驗，以上2種地基處理方法的部分典型區(qū)域堆土估算變形量如表2所示。

從表2可以看出：若采用預(yù)制樁復(fù)合地基法，可有效減少堆土變形40%～70%（樁越長效果越好），且土體工后殘余變形小，有利于降低堆土對周邊擬建建（構(gòu)）筑物的影響，缺點是造價高，且預(yù)制樁施工時有明顯的擠土效應(yīng)。

表2 不同地基處理方法的估算變形量

4 結(jié)語

1）高填土?xí)卩徑欢ǚ秶鷥?nèi)引起堆土和建（構(gòu)）筑物的沉降和水平位移，目前的主要變形控制方案有分級加載和復(fù)合地基處理法。前者是為了讓不利變形盡早發(fā)生，以減少工后變形，保證建筑物的穩(wěn)定性，后者是設(shè)置預(yù)制樁等豎向增強體來直接減少地基變形。

2）分級加載方案具有價格較低、消耗材料較少的特點，但施工周期較長，總沉降量和水平位移均較大，可能會對環(huán)境造成一定的影響。預(yù)制樁加固方案的地基處理深度可根據(jù)設(shè)計要求確定，施工快捷，加固效果佳，且加固范圍可大可小，但加固費用較高，施工期間對環(huán)境有一定的影響（沉樁擠土）。

3）經(jīng)變形量估算分析，采用預(yù)制樁復(fù)合地基法的變形控制效果更好，且在同等條件下，樁越長變形量越小，且殘余變形小，但是造價相對較高。設(shè)計時應(yīng)綜合考慮變形控制、工期、造價等多種因素，選擇適宜的地基處理方法。