某高层建筑地基不均匀沉降原因分析

段海斌

(中国有色金属工业西安勘察设计研究院，陕西西安 710054)

0 引言

近年来，高层建筑在各大城市已屡见不鲜。然而由于设计单位在设计前对地基情况了解不够，以及设计人员技术水平、经验的差异等因素，使得建筑物施工后出现各种工程问题，如地基不均匀沉降造成建筑物倾斜问题。

文章通过对某高层建筑不均匀沉降原因的分析，为地基基础设计者提供一些实践经验。

1 工程概况

某高层住宅楼地上33层，建筑高度96．2 m，剪力墙结构，梁板式筏形基础，基坑开挖深度约7．0m，设计基底压力550 kPa。筏板基础下部为素混凝土桩复合地基，桩径350，桩长13 m～15 m，等边三角形布桩，桩间距1 600 mm，桩排距1 385 mm。桩端持力层位于⑤层，⑦层粉质粘土及⑥层中粗砂层。

建筑物北临3层会所，南侧东段为2层商业，南侧西段及西侧均为2层地下车库，东侧为规划道路。会所及地下车库均采用梁板式筏形基础，天然地基。北侧3层会所与主楼基础断开并相隔约1．8 m，主楼与地下车库之间设置沉降后浇带，后浇带宽度0．8 m。 ±0．0 标高390．80m，室外地面标高390．00m，主楼基础底面标高382．90 m，会所、商业及地下车库基础底面标高383．30 m。主楼筏板厚度800mm，梁高1 200 mm，梁宽600 mm;会所、商业及地下车库筏板厚500 mm，梁高700 mm。基础混凝土强度等级为C30。建筑物平面分布图见图1。

图1 建筑物平面图

该楼于2011年5月建成封顶，2011年11月施工单位安装电梯时，发现主楼向北侧倾斜。2011年12月20日倾斜测量结果表明该楼主体倾斜率最大为2．33‰，平均主体倾斜率为2．21‰，接近规范规定的2．5‰要求。

2 场地工程地质条件

2．1 地形、地貌

场地地貌单元属浐河一级阶地，室外地坪高程介于389．20 m～389．35 m，地下室底面标高为 384．4 m。

2．2 地层

①-1房芯回填土:上部15 cm为地下室混凝土板，下部以粘性土为主，中密，层厚0．70 m。②混凝土筏板基础:层厚1．0 m，下部约0．2 m为砂石褥垫层。③粉质粘土:含有机质，偶含砂卵砾石，可塑，分布于北侧筏板下部，层厚1．20 m～1．70 m。④卵石:主要为变质岩，粒径为20 mm～80 mm，空隙间充填约40%粗砾砂，稍密 ～ 中密，层厚1．90 m ～5．40 m。④-1粗砾砂:稍密，层厚1．70 m～2．00 m。⑤粉质粘土:可塑 ～硬塑，层厚6．90 m ～13．00 m。⑥中粗砂:稍密 ～中密，层厚0．60 m ～3．70 m。⑦粉质粘土:硬塑，层厚0．50 m ～5．00 m。⑧中粗砂:中密，层厚 0．80 m ～3．90 m。⑧-1圆砾:主要为变质岩，粒径为2 mm～15 mm，空隙间充填约40%粗砾砂，中密～密实，层厚1．60 m。⑨粉质粘土:可塑～硬塑，层厚12．50 m ～18．10 m。⑨-1粗砂:中密 ～ 密实，层厚1．70 m。⑩中粗砂:密实，层厚1．60 m ～5．40 m。⑪粉质粘土:硬塑，层厚5．30 m ～9．20 m。

2．3 地下水

地下水稳定水位深度在室外地坪以下约8．0 m，属潜水类型，水位年变化幅度约2．0 m。

3 复合地基强度及沉降计算

3．1 下卧层强度验算

根据场地地层条件及建筑物地基处理情况，该楼素混凝土桩复合地基桩端下卧层为⑤层，⑦层粉质粘土及⑥层中粗砂，属不均匀地基，强度验算简图见图2。

图2 复合地基下卧层验算简图

1)下卧层为⑤层及⑦层粉质粘土。

根据GB 50007-2011建筑地基基础设计规范式5．2．7-3:

(式中符号意义详见规范)。

计算下卧层为⑤层及⑦层粉质粘土时顶面处的附加压力值。

其中，l=38 m;b=24 m;Pk=550 kPa;z=15 m;φ =24°;Pc=19 ×7=133 kPa。计算得 Pz=340．4 kPa。

根据GB 50007-2011建筑地基基础设计规范式5．2．4:fa=fak+ηdγm(d-0．5)(式中符号意义详见规范)。

计算下卧层为⑤层及⑦层粉质粘土时修正后的地基承载力特征值。

其中，fak=180 kPa;ηd=1．6;d=7+15-6=16．0 m(考虑地下室开挖卸载);dw=8．0 m;γm=［8×19+(7+15-8)×(19-10)］/22=12．6 kN/m3。计算得 fa=492．5 kPa。

下卧层顶面处土的自重压力:

则 Pz+Pcz=340．4+278．0=618．4 kPa ＞ fa=492．5 kPa。

所以，当复合地基桩端位于⑤层及⑦层粉质粘土中时，下卧层强度不满足规范要求。

2)下卧层为⑥层中粗砂。

fak=220 kPa，ηd=3．0，d=16．0 m(考虑地下室开挖卸载)，dw=8．0 m，γm=12．6 kN/m3。计算可得 fa=805．9 kPa。则 Pz+Pcz=618．4 kPa ＜ fa=805．9 kPa。

所以，当复合地基桩端位于⑥层中粗砂中时，下卧层强度满足规范要求。

3．2 沉降变形计算

沉降变形计算主要在于复合土层压缩模量Esp的确定，用两种方法进行对比确定。

1)根据JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范式9．2．8-1确定:

其中，ζ=fspk/fak(式中符号意义详见规范)。

计算第③层粉质粘土、④层圆砾及⑤层粉质粘土的复合地基的压缩模量分别为 Esp③=11．5 MPa，Esp④=57．1 MPa，Esp⑤=14．6MPa。

2)采用经验公式确定:

其中，Es为天然地基的压缩模量，MPa;Ep为桩体压缩模量，MPa，取桩体抗压强度的100倍;m为面积置换率。

计算复合地基的压缩模量为Esp≈2 700 MPa。

本工程素混凝土桩桩身强度为C25，其压缩模量(2．8×104MPa)非常高，而桩间土的模量很小，两种材料并联受力，起主要作用的应是素混凝土桩，因此复合地基压缩模量采用Esp=2 700．0 MPa进行评价，比较符合实际。

表1 材料基本参数

采用三维有限元法计算地基变形时，按地基土应力、应变分析的要求，各种材料计算参数值如表1所示。

模拟建筑物的实际工况，考虑基坑开挖、建筑加载及相邻建筑影响等因素，采用三维有限元法对建筑物的地基变形进行计算，见图3，图4。

图3 基础沉降量等值线图（Uy max=308.60mm）

图4 A—A′剖面y方向应力分布等值线图

据图3可知:地基最大沉降量 308．6mm，最小沉降量237．1mm，平均沉降量为 272．9 mm，沉降量大于规范规定的200 mm要求，整体倾斜为0．297 9%，倾斜也大于规范规定的0．25%的要求。

据图4，图5可知，建筑物北侧素混凝土桩桩端部位发生明显的应力集中现象，最大剪应力达242．89 kPa，远大于下卧层的抗剪强度，必然会在该部位发生剪切破坏。

图5 A—A′剖面yz平面剪应力分布等值线图

4 结语

根据上述理论计算分析可知，该建筑采用桩长为13 m～15 m的素混凝土桩复合地基进行地基处理，其地基下卧层承载力及变形均不能满足规范规定的要求，且北侧筏板基础下部存在相对软弱土层(可塑状灰黑色粉质粘土)，素混凝土桩复合地基桩端地基持力层不均匀，因此建筑物在建成封顶后产生不均匀沉降也就在情理之中，必须对其采用相应的地基加固处理方案。

［1］JB 5007-2010，建筑地基基础设计规范［S］．

［2］JGJ 79-2002，建筑地基处理技术规范［S］．

［3］陈希哲．土力学地基基础［M］．第4版．北京:清华大学出版社，2004．

［4］常士骠，张苏民．工程地质手册［M］．第4版．北京:中国建筑工业出版社，2007．