某小区基建中的D1-4号别墅变形开裂治理设计

尹志兵 葛玉祥 马博恒

1 概述

山西省阳泉市某园林小区建于平定县东锁簧镇南后峪村西药林寺山的东南麓坡地，依山傍水，风光秀丽。D1-4号四联户别墅平面尺寸28 m×16 m，条形基础，砖混加构造柱和圈梁结构，高度为2.5层。由于地基所处原始地形的复杂性及其场地整平效应和地基内潜水含水层的不均一性，致使基建至1.5层时，已建墙体、地板严重变形开裂，局部基础断裂;前排明柱与地基脱开;临坡侧阶上明柱与基础变形开裂严重，若继续加载后患无穷。

基于别墅变形开裂规律，结合施工条件，经技术、经济对比分析，具体方法如下:1)别墅内地基沉降区域采用桩式托换;2)置换前排明柱地基和临坡阶上人工地基及其基础。采用该方案对基建中的别墅治理后，别墅成功封顶。投入运营三年来，地基与上部结构处于稳定状态，潜在的经济效益明显、社会效益广泛。

2 基建中的别墅变形开裂原因分析

别墅3个区虽变形规律不尽相同，但具有共性——均反映出地基不均匀沉降的特征，其变形开裂形式和程度具有较大差异，这是由于:1)①区一、二层所有结构除封顶外基本完成，负载较大，因此墙体地板变形开裂严重;2)②区除明柱外无其他荷载;3)③区明柱和小开间基础部分受荷较小，故变形程度差。

根据现场调查和已有资料的综合分析，地基不均匀沉降的原因:1)别墅纵跨两脊加一沟的原始地形之上，1号户、3号户和4号户分别建于冲沟两翼的山脊区域，2号户位于两脊间的原始冲沟区域。场地平整后，造成了回填土厚度的差异性，2号户区域回填厚度平均6.0 m，最大厚度6.9 m，而其余3户区域填土厚度1 m～2 m。因此，压缩层厚度差异是造成地基不均匀沉降的关键因素;2)经现场探井调查，2号户原始冲沟区域由于临空侧填土作用，大气降水入渗水主要汇集于该区域回填土与基岩接触带，滞水位高出基岩0.3 m～0.5 m，而其余3户区域地基土基本无水，地下水对地基土的软化作用和不均匀分布是地基土不均匀沉降的重要诱因;3)回填土未经有效处理，密实度差，在上部加载过程中的固结作用使地基土固结变形加剧，致使别墅基建尚未完成而被迫终止。

3 别墅综合治理设计

3.1 治理分区与治理方案

以别墅变形开裂规律分区作为治理分区，对别墅变形开裂按区进行治理设计，如此可做到有的放矢。在对地基结构、上部荷载及变形程度的综合分析的基础上，根据场地条件，各区采用的治理方案见表1。

表1 各区治理方案

3.2 治理设计

别墅治理设计的重点为①区，其他区域属常规治理，因篇幅所限仅重点叙述托换桩设计部分。

3.2.1 托换桩和地基土参数

采用人工挖孔桩，桩径为800 mm，桩长按嵌入中风化泥岩0.5 m，根据地基回填土的厚度和嵌岩长度，确定的托换桩桩长有6 m和8 m两种，桩间距 3.0 m，地基回填土平均重度 γ=17.5 kN/m3。泥岩天然湿度单轴抗压强度标准值 fsk=5 MPa。

3.2.2 需考虑的其他因素

1)由于地基土属欠固结土，设计时应考虑地基土在自重和上部荷载作用下，固结压密对桩基承载力的影响——负摩阻力的影响，该种影响按下列各式进行验算:

基桩下拉荷载:

其中，n为中性点以上土层数;li为中性点以上第i层土的厚度，m;ηn为负摩阻力群桩效应系数，取 1。

根据式(1)，式(2)得出两种桩长基桩下拉荷载验算结果(见表2)。

表2 基桩下拉荷载验算结果

2)地下水对地基土强度的软化。基于前述，地基内滞水仅局部存在，影响厚度较小，且非连续分布，因此，托换桩设计时不宜单独考虑，但在考虑基桩承载力安全系数时作适当考虑。

3.2.3 基桩承载力的验算

1)基桩承受上部荷载。取桩间距3 m，条形基础宽度1.0 m，基底压力 σ=200 kPa，据此基桩所受的荷载 Nk=200×3×1=600 kN。

2)桩基极限承载力的验算。按嵌岩桩考虑:

其中，Qsk，Qrk分别为总侧阻和嵌岩段总端阻，由于基岩面以上均为回填土，故Qsk=0;ζr为嵌岩段侧阻和端阻综合系数，按嵌岩深径比近似取0.6，则ζr=0.83，frk=5 MPa。

将这些参数代入式(4)，式(5)计算得基桩极限承载力 Quk=2 085 kN。

3)基桩设计承载力。

4)基桩需承担荷载。

桩长8 m时，R1=600+309=909 kN;

桩长6 m时，R1=600+166=766 kN。

Ra＞R1，满足设计要求。基桩设计承载力为实际承载力的1.15倍和1.36倍，此部分安全储备足以抵御地基含水的不利影响。

5)桩身强度验算。

其中，φc为工作条件系数，取 0.7;混凝土按 C20考虑，fc=9 600 kPa。

则R1=909 kN，766 kN＜0.42×3.14×0.7×9 600=3 376 kN，满足要求。

6)桩身结构。桩长6.0 m～8.0 m，具体桩长以嵌入中风化泥岩0.5 m为准，整个桩体采用C20素混凝土，为保证桩头的完整性和不被压碎，桩顶2.0 m配置钢筋笼(按0.3%构造配置)，桩身结构见图1，技术要求略。

7)桩孔施工。第一步，紧邻基础开挖竖导洞;第二步，待竖导洞挖至基底下1.7 m时，开凿平洞至基底之下(托换桩孔和基础中心应重合);第三步，开挖桩孔至基岩嵌岩深度，如孔壁坍塌或松散应采取护壁措施。

8)桩体浇筑。采用商品混凝土，待浇筑至距平洞底标高2.5 m时，应采取振捣措施，然后安设钢筋笼，平洞临孔侧进行支模或砌砖一次浇筑至距基底0.5 m停浇，间隔24 h后用钢板、工字钢支撑接顶，最后用与桩体同强度的干硬性混凝土将桩头与基础间剩余空间充填捣实，确保桩与基础密实接触。支撑结构见图2。

9)托换桩施工顺序。托换桩施工应分批次，前批施工完成后才能施工后批桩。

3.2.4 ②区和③区治理设计

治理方案见表1，治理设计和技术要求略。

4 结语

1)治理别墅场地原始地形复杂，地基是人工填土欠固结地基，多种不利因素的综合效应，导致了别墅变形开裂不均匀的复杂性和多样性，治理难度大。

2)依据别墅变形开裂规律和地基土结构的综合分析，确定了地基土不均匀固结变形是别墅变形开裂的关键因素。基于变形规律分区及其变形程度确定了桩式托换、地基土置换和重建基础的综合治理方案，通过综合治理，别墅按设计成功加载封顶，实践证明治理设计是可靠的。

3)别墅投入使用三年多来，地基与上部结构变形处于稳定状态，避免了因变形过大失去加载可能而被迫拆除所造成的经济损失，具有巨大潜在的经济效益和广泛的社会效益。

4)文中既有建筑物变形规律调查、分析方法和设计思路对今后同类工程具有一定的借鉴意义。