超厚软基拌和站复合基础设计及沉降计算

徐步齐

(中铁十二局集团第七工程有限公司, 湖南长沙 410004)

基础沉降过大容易引起不均匀沉降，影响结构的正常使用，甚至会导致结构的破坏。因此，在结构设计中，应计算结构建成后所产生的最终沉降量，并判断是否超出允许范围，以便在设计时，采取相应的工程措施以提高建筑物的安全性[1]。在进行地基基础设计时，不仅要满足强度要求，同时也要满足变形要求。对此，国内的许多专家、学者对其进行了深入的研究。孙超等人[2]应用FLAC3D软件，模拟出z向位移值随深度的变化曲线以及基底下的附加应力图，并和规范法进行比较分析，总结了FLAC3D在模拟基础沉降时的特点。文加奇[3]和王朝燕等人[4]分析了常见几类地基沉降的具体计算方式，并结合地基基础沉降的真实情况，分析了计算时需要注意的要点问题。还有一些学者们[5-8]分析了基础沉降的原因，并提出一些处理措施。

软土地基承载力低，加载后易变形且不均匀，变形速率大且不易满足建筑物地基设计要求，因此研究软土地基上结构的沉降是非常有意义的。Poulos[9]对不同情况下的桩筏基础沉降计算进行讨论。尹玉[10]应用岩土大型有限元软件PLAXIS，分析比较了刚性基础、筏板基础和桩筏基础这三种基础形式以及真空预压前后对建筑物沉降影响。肖俊华[11]根据上海环球金融中心的实测沉降结果，研究了深埋桩筏基础沉降随时间的变化规律，并运用不同的方法计算沉降并与实测沉降进行对比。

本文对黄圃拌和站进行基础沉降监测，并根据实测沉降结果，研究基础沉降随时间的变化规律；同时，采用分层总和法计算地基沉降并与实测沉降进行对比，从而更好地预测软土地区的基础沉降。

1 工程概况与地质条件

1.1 工程概况

黄圃拌和站用地位于中山市黄圃镇境内，新建南沙港铁路NSGZQ-4标段标尾DK47+500处，地块长约230 m，宽约160 m，东西走向，北面临近洪奇沥水道，东侧紧靠黄圃码头，地处河边开阔地带，面临台风考验。地块原地面标高在2.45～2.8 m之间，北侧平行于水道有河堤，堤顶标高在5 m左右。在现场实际施工过程中发现，地表覆盖有0.1～0.5 m腐殖土层，以下3 m范围内(挖机伸臂深度)为淤泥及砂层，且含水量大(图1)，并且经挖机、推土机等机械碾过后，地表有水流涌出(图2)。

黄圃拌和站主要由粉罐和主楼组成(图3)。其中，粉罐的总自重为1 200 kN(装满施工原材料)，主楼的总自重为500 kN。由于拌和站的地基为软土地基，为防止基础沉降过大，影响拌和站的正常使用，基础采用扩大基础，并采用φ500 mm的PHC管桩进行承载力加固处理，打入深度为24 m，构成复合基础形式。粉罐和主楼的基础参数如表1所示。

图1 地表以下3m内的土层情况

图2 机械碾过后的现场

图3 拌和站的整体布置

基础的位置扩大基础PHC管桩l×b/mH/m桩长L0/m桩径Φ/mm粉罐3.2×3.2124500主楼10.4×6.4124500基底标高(m)-0.8-24.8

1.2 地质条件

拌和站北面临近洪奇沥水道，东侧紧靠黄圃码头，地层主要由饱和的粉砂、淤泥质土和细圆砾土组成。场地含水量较大。各土层的参数指标情况如表2所示。

表2 地基各土层参数指标

2 沉降监测点的布置

为了研究拌和站的地基沉降，在现场设置了24个沉降监测点(图4)。从2016年11月12日开始进行沉降测点标高测量，于2017年7月31日结束，历时231 d。

图4 沉降监测点分布

3 基础沉降的理论与实验研究

3.1 现场实测结果分析

由于篇幅有限，本文只列出了部分监测结果(粉罐的监测点14、15、20、21以及主楼的监测点16、19)见图5。

(a)粉罐的沉降量

(b)主楼的沉降量图5 各监测点的积累沉降量

由图5可知：

(1)在70 d之前，监测点的积累沉降量随着监测天数的增长而迅速增大；监测天数超过70 d后，积累沉降量的变化很小，这说明拌和站的地基已沉降完全。

(2)当监测天数小于10 d时，部分监测点的积累沉降量为负值。这是因为此时地基沉降量较小，且在观测过程中有误差。

(3)当监测天数为100～150 d之间时，主楼监测点的积累沉降量有突变，这是由观测过程中的误差造成的。

3.2 理论分析

3.2.1 规范内容

根据GB 50007-2011《铁路桥涵地基与基础设计规范》[12]第3.2.2条，基础底面以下受压土层Zn压缩产生的总沉降量S可按式(1)计算：

(1)

式中：S为基础的总沉降量(m)；n为基底以下地基沉降计算深度范围内按压缩模量的土层分层数目；σz(0)为基础底面处的附加压应力(kPa)。

σz(0)=σh-γh

(2)

式中：σh为基底压应力(kPa)；b为基础的宽度(m)；γ为土的容重(kN/m3)；h为基底埋置深度(m)；z为基底至计算土层顶面的距离(m)；zi,zi-1为自基底至第i和第i-1薄层底面的距离(m)。

地基沉降计算总深度zn的确定应符合下列要求：

(3)

式中：ΔSi为计算深度范围内第i薄层土的沉降量；Sn为深度zn处向上取厚度为Δz的土层的沉降值；Esi为基础底面以下受压土层内第i薄层的压缩模量，根据压缩曲线按实际压力范围取值(kPa)；Ci,Ci-1为基础底面至第i薄层地面范围内和至第i-1薄层地面范围内的平均附加应力系数(图6)；ms为沉降经验修正系数，根据地区沉降观测资料及经验确定，对于软土地基ms不得小于1.3。

图6 平均附加应力系数

(4)

式中：φ1，φ2，…，φn为厚度l1，l2，…，ln各土层的内摩擦角，l0为桩位于土中的深度(图7)。

图7 实体基础的支撑面积计算示意

3.2.2 计算内容

3.2.2.1 复合基础

由工程概况可知，在施工过程中，经挖机、推土机等机械碾过后，地表有水流涌出。为了简化计算，假设所有土层均在地下水以下，其重度均取浮重度。同时，因为将桩基视作实体基础，且外扩后实体基础中土体占比重较大，所以粉罐的实体基础的重度取17.5 kN/m3，主楼的实体基础的重度取18 kN/m3。由此可得粉罐的基础底面附加应力为σz(0)=27.17 kPa，主楼的基础底面附加应力为σz(0)=12.65 kPa。

此外，因为拌和站的地基为软土地基，所以取ms=1.3，利用式(1)求解粉罐和主楼的最终沉降量，计算结果见表3、表4。

表3 计算粉罐的地基最终沉降

表4 主楼的地基最终沉降

3.2.2.2 扩大基础(无打入桩)

假设拌和站的基础为扩大基础(无打入桩)，并计算粉罐和主楼的基础沉降。此时，粉罐的基础尺寸为3.2 m×3.2 m，主楼的基础尺寸为10.4 m×6.4 m。

由工程概况可知，在施工过程中，经挖机、推土机等机械碾过后，地表有水流涌出。为了简化计算，假设所有土层均在地下水以下，其重度均取浮重度，则粉罐的基础底面附加应力为σz(0)=124.02 kPa，主楼的基础底面附加应力为σz(0)=14.35 kPa。

此外，因为拌和站的地基为软土地基，所以取ms=1.3，利用公式(1)求解粉罐和主楼的最终沉降量，计算结果见表5、表6。

表5 粉罐的地基最终沉降

表6 主楼的地基最终沉降

3.3 实测值与计算值的对比

由于上述计算中，假设粉罐中装满了施工材料，而监测点14和监测点15处的粉罐为备用粉罐(自重未知)，因此只对比监测点20和监测点21处粉罐的地基沉降的实测值与计算值以及监测点16和监测点19处主楼的地基沉降的实测值与计算值，对比结果如图8所示。

(a)粉罐

(b)主楼图8 实测值与理论值的对比

由图8可知：

(1)当粉罐和主楼的基础均采用复合基础时，基础沉降的实测值均小于其计算值，且实测值与计算值的差值在4～6 mm之间。这说明基础沉降的实测结果与计算结果较为吻合。

(2)当粉罐的基础采用扩大基础(无打入桩)，基础沉降的计算值是实测值的两倍多。这说明粉罐在软土地基上不适合使用扩大基础(无打入桩)，原因是粉罐的自重大而基础底面小。

(3)当主楼的基础采用扩大基础(无打入桩)，基础沉降的计算值与实测值相差3～7 mm，实测结果与计算结果较为吻合。这说明主楼在软土地基上可以使用扩大基础(无打入桩)，原因是主楼的自重小而基础底面面积大。

4 结论

(1)在70 d之前，监测点的积累沉降量随着监测天数的增长而迅速增大；监测天数超过70 d后，积累沉降量的变化很小，这说明拌和站的地基已沉降完全。

(2)当粉罐和主楼的基础均采用复合基础时，沉降量的实测值均小于其计算值，且实测值与计算值的差值在4～6 mm之间；基础沉降的计算结果与实测结果较为吻合。

(3)当粉罐的基础采用扩大基础(无打入桩)，基础沉降的计算值是实测值的两倍多。这说明粉罐在软土地基上不适合使用扩大基础(无打入桩)。

(4)当主楼的基础采用扩大基础(无打入桩)，基础沉降的计算值与实测值相差3～7 mm，实测结果与计算结果较为吻合。这说明主楼在软土地基上可以使用扩大基础(无打入桩)。

[1] 赵明华,俞晓. 土力学与基础工程[M]. 武汉: 武汉理工大学出版社, 2010.

[2] 孙超,邵艳红,周艳生. 基础沉降规范法与数值模拟比较研究[J]. 吉林建筑大学学报, 2015,32(5): 27-30.

[3] 文加奇. 常见地基基础沉降计算及注意问题[J]. 建材与装饰,2016.

[4] 王朝燕,唐树名,徐宏武. 浅析基础沉降计算方法[J]. 北方交通,2014(8):69-71.

[5] 封荣华. 混凝土结构基础沉降原因与处理措施分析[J]. 建材与装饰,2015.

[6] 黄佳骆. 建筑工程结构基础沉降原因与处理措施[J]. 绿色环保建材,2017(6):165.

[7] 杨雪. 建筑工程结构基础沉降原因与处理措施探讨[J]. 门窗,2014(10):199.

[8] 白双有. 建筑工程结构基础沉降原因与处理措施探讨[J]. 中华民居(下旬刊),2013(10):120-121.

[9] Poulos H. G. Piled raft foundations: Design and applications[J]. Geotechnique, 2001, 51(2): 95-113.

[10] 尹玉,尹长权. 深厚软土地基上建筑物沉降控制方法[J]. 中国港湾建设,2016,36(4):39-42.

[11] 肖俊华,赵锡宏. 软土地区深埋桩筏基础沉降实测与反分析[J]. 岩土力学,2016,37(6):1680-1688.

[12] 中华人民共和国铁道部. GB 50007-2011铁路桥涵地基与基础设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社，2011.