成都卵石土天然地基高层建筑沉降偏大原因分析

（同济大学，上海 200092）

成都地区卵石土层主要分布于岷江水系一级、二级阶地，分布分为广，厚度10～50m以上不等，特别是成都西部地区，卵石层厚度大，最厚地段该层厚度达100m以上。

一级阶地卵石土层时代为第四系全新统冲积层（Q4al），卵石多为灰～褐灰色，混有20～40%砂、砾石及少量粘性土，常有薄层砂透镜体及极个别地段的淤泥、淤泥质土、腐木等夹层，卵石成分以岩浆岩及变质岩为主，卵石以弱风化为主，个别强风化，磨圆度佳。

二级阶地卵石土层时代为第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl），卵石多为黄～黄灰色，混砂、砾石及粘性土，有薄层砂透镜体及极个别地段的淤泥、淤泥质土、腐木等夹层，卵石成分以岩浆岩及变质岩为主，个别卵石已达强风化，磨圆度佳。

两个阶地卵石土层除沉积时代、成因、颜色及充填物略有差别外，其物理力学指标等相差不大。根据《成都地区建筑地基基础设计规范》（DB51/T5026－2001）及成都地区工程经验，将该层细划分为松散卵石、稍密卵石、中密卵石和密实卵石四个亚层。

成都地区高层建筑越来越多，高层建筑多设1～3层地下室，而该深度范围往往为卵石土层，作为具有承载力高、压缩变形小等特点的卵石土层，常作为天然地基基础持力层。而通过大量的工程实例表明，卵石土地基高层建筑（以30层为例）封顶后1～2年的总沉降量多为20～30mm左右，个别沉降小的在15mm左右，正常的沉降量一般不超过40mm。这与《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）第5.3.4条及表5.3.4建筑物地基变形允许值200mm还相差甚大。但也有个别建筑沉降量偏大，甚至达到60mm以上。针对该情况，笔者在接触的范围内，从以下几个方面，试图对沉降偏大的原因进行分析探讨，以求更好的总结及指导今后的工作。

1 卵石土密实度差异及夹层对沉降的影响

1.1 卵石土密实度差异对沉降的影响

卵石土地基承载力的确定有许多方法手段，如载荷试验，野外原位（主要为N120超重型动力触探）测试查表，理论计算，当地经验等等。在确定地基承载力时，有时需要几种方法综合确定，从成都地区勘察经验及相关测试成果，成都地区卵石土承载力及压缩模量等与密实度关系很大。一般卵石土（包括砂夹层等）物理力学指标如表1所示。

表1 卵石土主要物理力学指标

对具体高层建筑（以30层为例）而言，采用天然地基，筏板基础，按规范《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）第5.3.5条的沉降计算公式

分别计算以稍密、中密及密实卵石作基础持力层计算地基最终沉 降量计算值s。上述公式各数据按如下取值：p0=600KPa ，稍密卵石Eo=24，中密卵石Eo=32，密实卵石Eo=45，计算深度Zn按高层建筑岩土工程勘察规程》（JGJ72—2004）附录B第B.0.2条，Zn= （Zm+ξβ）。

基础宽度、长度比按常规的1～4.5取值，计算Zn=6～9米，取最大值9米。

计算结果如下：

稍密卵石作基础持力层s’=56.25mm，中密卵石作基础持力层s’=42.08mm，密实卵石作基础持力层s’=29.92mm。

按规范要求，沉降计算经验系数ψs取0.2，则：

稍密卵石作基础持力层s=11.25mm，中密卵石作基础持力层s=8.42mm，密实卵石作基础持力层s=5.98mm。

该计算结果与成都地区实测结果有一定差异，笔者收集了20个工程的沉降资料，结果表明沉降计算经验系数ψs取0.2偏小，计算结果与实际相比较，ψs取0.5～0.6较为合适。如ψs取0.5，则最终沉降量为：

稍密卵石作基础持力层s=28.13mm，中密卵石作基础持力层s=21.04mm，密实卵石作基础持力层s=14.96mm。该计算结果与实际观测结果较为一致。

上述计算表明，在承载力满足要求的情况下（承载力经深宽修正后满足要求），以稍密、中密及密实卵石作基础持力层，计算得出的最终沉降量差别不大。

1.2 卵石土内夹层对沉降的影响

成都地区卵石土内多分布有砂层透镜体及层状砂层，甚至局部地段有古河道分布，淤泥质土、淤泥及腐木等也在勘察过程中有发现。软弱夹层对高层建筑沉降具一定影响。

仍以上述计算公式，计算软弱夹层对最终沉降量的影响。

p0=600KPa ，淤泥及淤泥质土Eo=2，砂土Eo=9，松散卵石Eo=15，稍密卵石Eo=24，中密卵石Eo=32，密实卵石Eo=45，计算深度Zn=9米

根据成都地区施工经验，卵石层施工时须进行现场钎探工作，钎探深度一般为1.5米左右，钎探深度过深，下部击数失真严重；过浅，不能有效判别持力层深度内卵石土密实度。本次计算按持力层中密卵石下1.5米深度下夹层厚度1.0米，其下仍为中密卵石层，计算结果如下：

夹 层 为 砂 层，s’=54.13mm，Es=24.93，按规范，ψs取0.2，s =10.83mm

夹层为松散卵石，s’=47.47mm，Es=28.41，按规范，ψs取0.2，s =9.49mm

夹层为淤泥及淤泥质土，s’=112.41mm，Es=12.00，按规范，ψs取0.63，s =70.24mm

通过以上计算，卵石层内夹淤泥及淤泥质土对沉降影响巨大。而局部砂层及松散夹层对沉降影响相对较小。

考虑夹层为淤泥及淤泥质土，计算夹层厚度0.5米及下卧层3.0米以下两种情况：

如1.5米深度下淤泥及淤泥质土夹层为0.5米，则s’ =77.26mm，Es=17.46，按规范，ψs取0.30，s =23.30mm

如3.0米深度下淤泥及淤泥质土夹 层 为 1.0米， 则 s’ =112.90mm，Es=11.95， 按 规 范，ψs取 0.30，s=71.04mm

通过以上计算，如淤泥及淤泥质土厚度为0.5米，其对沉降影响不大；如淤泥及淤泥质土厚度大于1.0米，即使埋深相对较深，其对沉降影响仍然很大。

以上计算结果，通过大量的工程实例，得到了验证。

2 基坑降水对沉降的影响

成都卵石层为主要含水层，卵石层渗透系数大，一般渗透系数在15～40左右，含水层厚度大，地下水（主要为孔隙水和孔隙潜水）丰富， 水位较浅，一般水位埋深在卵石层顶面，埋深为3～6米左右。成都地区高层建筑一般设地下室1～3层，天然地基基础施工须对地下水（孔隙水及孔隙潜水）采用降水措施，成都地区针对卵石层降水通常采用管井法。

基坑降水降深一般较深，出水量大，降水施工造成两个后果。一为降水引起的附加沉降，一为降水措施不得当，往往造成卵石层内充填的细小颗粒被带走，从而造成充填物流失，卵石层压缩变形大。

2.1 降水引起的附加沉降

在降水作用下，随着地下水位的降低，卵石土层浮力减小，等于增加了附加荷重，有效应力增加，引起固结沉降[1]。由于地下水水头降低产生的沉降可用分层总和法进行计算：

考虑到卵石层渗透系数大，固结时间短，沉降发生快，对单一卵石层，上式可简化为：

考虑降深5米，卵石层厚度5米，卵石层为稍密卵石，压缩模量Es取24，计算结果为：

s =10.42mm

尽管基坑降水引起卵石层固结时间短，沉降发生快，降水施工前期、基础施工前已引起了附加沉降，但由于卵石层渗透系数大，地表水（包括雨水及施工用水）大量补给，基础及主体施工时仍然沉降地下水的快速抽降变化，故基础施工后期及主体施工阶段仍然存在降水引起的附加沉降。大量观测结果表明，由于基坑降水引起的附加沉降在5～10mm左右，与上述计算结果一致。

2.2 降水对卵石密实度影响

基坑降水形成的水力坡度大于临界水力坡度时，在渗流应力作用下将卵石层充填的细颗粒带走、掏空，形成机械潜蚀。在上部荷载作用下，卵石层粗颗粒重新排列、压密而引起地面沉降。这种情况在降水施工时经常发生。降水施工阶段由于措施不得当，出砂量不能很好的控制，卵石层内充填物的流失常常使卵石层变为“光卵石”，从而使卵石层密实度大幅度降低，卵石骨架重新排列，引起幅度较大的沉降。

某建筑为地上33层，一个单元为地下1层，一个单元为地下2层，由于降水井设置于筏板基础外侧仅距筏板基础边缘4米左右，且降水井设置不规范，在建筑主体结束后靠降水井最近的沉降观测点反应的该处沉降量已达60mm以上且沉降不断加大，在筏板基础上开孔进行取芯表明卵石层内充填物流失严重，筏板基础下1～4米内基本“光卵石”。基于这种情况，立即进行了地基加固工作，加固结束后沉降得到了抑制。

实例表明，由于机械潜蚀造成的沉降量很大，地基的不均匀沉降现象明显。

3 施工的不规范性引起的沉降

3.1 施工阶段人为原因引起的沉降

高层建筑建筑电梯井、积水坑等位置往往挖深较深，有些高层建筑两个单元高差不同而采用放坡处理，基础施工时上述地段侧壁往往回填不密实，在荷载作用下，该处沉降往往较大，引起建筑的不均匀沉降，甚至有些时候引起电梯井、放坡处的开裂，更有甚者影响电梯等的使用功能。

某高层建筑地上30层，地下2层，由于电梯井施工时侧壁未能回填密实，主体结束后电梯井处沉降一直未能稳定，工程竣工4年后，该处沉降才基本满足规范要求，而该处沉降量已达52mm，与该建筑的其它沉降观测点的平均沉降量28mm相差很大。

3.2 施工未按设计图纸进行引起的沉降

高层建筑一般荷载较大，往往要求地基土反力不少于500KPa，而作为基础持力层的稍密卵石，承载力特征值仅为300～350KPa，基础设计首先进行地基土深宽修正：fa=fak+ηbr（b-3）+ηdrm（d-0.5）

以稍密卵石为例，承载力特征值 fak=350，r=11.0kN/m3，b大 于 6米取b=6.0，ηb=3.0，ηd=4.4，考虑一层地下室，d=5.5m，rm=13.0 kN/m3，则：fa=635>600KPa。

上述计算是基于地基土周边形成约束的前提下进行的修正。要求施工阶段保证建筑物修建至一定高度后须进行地下室周边的基坑回填工作。但有些施工单位未能按设计要求的情况进行回填，加之基坑周边往往采用放坡处理，从而使建筑物周边约束降低，地基土不能按规范公式进行修正，承载力不能满足设计要求。基坑在地基土剪切破坏推力作用下首先进行垮塌，进而造成建筑物向基坑侧的不均匀沉降，造成倾斜。

结论

（1）成都卵石土天然地基高层建筑沉降偏大原因很多，影响因素很多。影响最大的因素是卵石层内夹具一定厚度（1.0米以上）的淤泥及淤泥质土以及由于基坑降水过程中出砂量未能有效控制从而造成的机械潜蚀作用，其它如卵石层内夹砂层、施工不规范等也具一定影响。这就要求勘察阶段须准确探明地基土持力层分布情况，基坑降水阶段严格按照《建筑与市政降水工程技术规范》（JGJ/T111-98）执行，基础施工阶段严格按设计图纸及相关施工规范执行，设计阶段应明确基坑回填时期及回填材料及要求。

（2）在《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中，其最终沉降量计算公式中的沉降计算经验修正系数ψs的变化范围从0.2～1.4，其对最终沉降的影响是很大的。目前，各地对修正系数的数值是不同的。如上海地基规范则规定其值随附加压力p0的增大可以从0.7变化到1.3;天津地基规范的修正系数值为基础底面平均压力p 与地基承载力设计值f 之间的比值;深圳地基规范则又不同。因此，各地应该建立在沉降实测基础上的本地经验修正系数，不能完全照搬国标《建筑地基基础设计规范》的规定。在基础的沉降计算中，沉降经验修正系数ψs应该在沉降实测的基础上建立当地的修正标准。笔者认为，根据成都地区大量工程经验，卵石土天然地基在Es>20的情况下沉降经验修正系数ψs取值应该在0.5～0.6之间较为合适。

（3）针对卵石层分布有软弱夹层及因降水引起卵石层内充填物流失现象，及时进行压浆及旋喷桩处理，能有效地改善及抑制建筑物的沉降。

[1]陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学[M].北京：清华大学出版社，1994.

[2]华南理工大学，等.地基及基础[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.