素混凝土作为换填垫层填料对基础设计的影响

高德辉，刘杨，宋翠芳

（1.济南四建（集团）有限责任公司，山东 济南 250031；2.山东高速绿色生态发展有限公司，山东 济南 250014）

1 引言

对于门式刚架、排架、多层框架等建筑体型简单、结构特点单一的结构，在其地基基础的设计中，当采用天然地基浅基础时，常存在局部软弱土、回填土的情况。针对这种情况，结构工程师一般首选换填垫层方法。换填垫层方法具有施工方便，处理效果较好，综合造价较低的优点。在实际工程设计中，大部分结构工程师会依据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）第4.2.1条优先选择土加石或砂加石作为换填的填料，控制压实系数大于0.97（实际工程中达到0.97的压实系数比较困难）[1]，而且要求对换填区域做浅层平板载荷实验来确定地基承载力，并达到设计要求。在此情况下，经常有项目施工方、监理方甚至建设方会提出选用素混凝土代替土加石或砂加石作为换填垫层的填料，从而可以避免分层压实分层验收的繁琐施工工序及平板静载荷实验产生的费用。相关规范中对采用素混凝土作为换填填料的相关技术标准并没有明确的规定，采用素混凝土作为换填垫层的填料是否合理，对基础设计又有何影响。建筑地基基础设计的三大核心问题分别是承载力计算、变形计算、稳定性计算，本文将从这三个方面对上述问题进行分析。

2 承载力问题

满足地基承载力是基础设计的首要问题。地基承载力的不足会给主体结构带来主体结构沉降、甚至倾斜等诸多危害。如何进行承载力计算，在《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）第5.2条中有明确的说明,基础底面的压力应符合下列规定[2]：

①轴心荷载作用

pk≤fa

②偏心荷载作用

pknax≤1.2fa

式中：

pk——相应于作用的标准组合时，基础底面处的平均压力值（kPa）

pknax——相应于作用的标准组合时，基础底面边缘的最大压力值（kPa）

fa——修正后的地基承载力特征值（kPa）

假设换填垫层的填料采用与基础同强度等级的素混凝土，且换填厚度、换填垫层的宽度均满足《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）的相关规定，此种情况下fak(地基承载力特征值)的取值可以依据地勘报告，采用素混凝土垫层下持力土层的fak，整个的素混凝土垫层为一个刚性体，类似于岩石层。在确定fa时建议参考《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）表5.2.4注1中其他状态下的岩石考虑，不进行宽度修正。

很明显，如果选用素混凝土进行换填，完全可以将换填部分当作基础的一个扩大端，作为基础的一部分，和目前的换填垫层方法（假定垫层是基础的一部分）一致[3]。真正意义上的持力层仍是素混凝土下的土层，地基承载力能够达到设计要求，且没有必要去做平板静载荷实验。

当遇到地基受力层范围内存在软弱下卧层的情况时，同时采用了素混凝土进行了一定深度换填，也应按照《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）第5.2.7-1式进行软弱下卧层地基承载力的验算[2]：

pz+pcz≤faz

pz——相应于作用的标准组合时，软弱下卧层顶面处的附加压力值（kPa）；

pcz——软弱下卧层顶面处土的自重压力值（kPa）；

faz——软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）。

此时在确定pz时，应考虑换填厚度内素混凝土的容重。软弱下卧层的基础设计是浅基础设计中比较复杂的问题，尤其是存在两个或以上软弱下卧层时，应正确区分软弱下卧层。对于浅层软土厚度不大的工程，应置换掉全部软土，当软弱土层厚度较大时，应根据下卧层土的承载力合理确定垫层厚度[4]。

3 变形问题

对于浅基础地基变形的计算，地基内的应力分布可采用各向同性均质线性变形体理论，其最终变形量考虑沉降经验系数按照分层总和法计算出的地基变形量[2]。换填垫层地基处理方法中地基基础设计的变形问题即基础不均匀沉降问题。换填垫层的填料如果选用素混凝土，素混凝土本身的压缩性极低，例如C15混凝土的弹性模量为2.2×104MPa，在换填厚度范围内基本不存在变形，而未换填区域相应深度范围内为持力层土层，在上部结构荷载下存在压缩变形。如此会带来换填部分和未换填部分的沉降差问题。用砂石换填，控制一定压实系数，能够很好地调节换填区域的沉降和未换填区域的沉降差值。当持力层为土层时，尤其压缩模量较小的土层，采用素混凝土换填，素混凝土垫层在基础竖向荷载作用下，由于其高抗压强度压缩变形极小，与未换填区域将会产生沉降差，此沉降差将会对基础产生不利影响，严重时可能对上部结构产生破坏。

图1 结构平面布置图

现以某工程案例来讲述实际设计中，当采用素混凝土换填时，如何对因换填产生的沉降差进行初步估算。某工业园区内一栋研发楼，二层钢筋混凝土框架结构，建筑结构平面如图1所示。上部结构采用中国建筑科学研究院通用有限元软件satwe分析，基础采用JCCAD进行设计。本工程地勘报告反映的各土层土质情况如图2所示，各项土层性能指标标于图中。以粘土层作为持力层采用独立浅基础进行基础设计时，A框架柱（1轴与D轴交汇处）基底持力层较深采用C15素混凝土进行换填，按照其余基础基底标高，此处基槽需要换填1.5m深度。框架柱A和框架柱B基底下土层剖面情况详见图3所示。

图2 地基岩土层物理力学指标及设计参数

按照地勘报告建议的2层粘土的天然地基承载力特征值经深宽修正后,确定的框架柱A基础尺寸为2500mm×2500mm；框架柱B（1轴与B轴交汇处）基础尺寸为3200mm×3200mm。

3.1 框架柱A基底沉降计算

在JCCAD中读取准永久组合工况下，框架柱A最大轴力，以此计算相应于作用的准永久组合时基础底面处的附加压力P0=53kPa,依据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）第 5.3.6条及表5.3.5规定确定沉降计算经验系数。

图3 框架柱A、B基底下土层分布

矩形面积上均布荷载作用下角点的平均附加应力系数

矩形面积上均布荷载作用下角点的平均附加应力系数

?

3.2 框架柱B基底沉降计算

在JCCAD中读取准永久组合工况下，框架柱A最大轴力，以此计算相应于作用的准永久组合时基础底面处的附加压力P0=65kPa,依据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）第 5.3.6条及表5.3.5规定确定沉降计算经验系数。

3.3 沉降差值的判断

依据本项目地质勘察报告显示2层黏土属于中压缩性土。《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）表 5.3.4中规定：当地基土类别为中、低压缩性土时，工业与民用建筑相邻柱基的沉降差（框架结构）应控制在之内，为相邻柱基的中心距离（mm）。

综上可以初步判断此案例如果采用C15素混凝土进行换填，相邻柱基的沉降差值不能满足规范要求，建议采用土夹石换填，并复合相邻柱基沉降差、增设短柱加大A处基础埋深。

实际设计工作中，基底下土层地质情况千变万化。对于基底下持力层为土层时，尤其压缩模量较低的土层，当采用素混凝土换填时，一定要注意复核相邻柱基之间的沉降差能否满足规范要求。沉降差值的大小与换填深度、柱基之间的相邻距离、基底下土层分布有着直接关系。当换填深度较深、柱基之间的相邻距离较小、基底下土层压缩模量较小时，相邻柱基之间的沉降差较难满足规范要求。

对于基底下持力层为微风化等岩石层时，建议直接采用素混凝土进行换填。

4 稳定性问题

当遇到坡地建筑、山区建筑时，如果存在局部基础持力层较深的情况，仍然采用换填垫层的地基处理方法，很容易破坏土体的整体性，从而改变圆弧滑动面的位置，引起地基稳定性的破坏。这时地基基础的设计不能忽略地基稳定性的验算。

地基的稳定性一般可采用圆弧滑动面法进行验算。对于位于稳定土坡坡顶上的建筑，当采用条形基础或矩形基础时应满足《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）第5.4.2条的相关规定。所以对于位于边坡边缘的浅基础，不建议采用换填垫层的地基处理方法，可以采用增设短柱加大基础埋深达到基础落在持力层上的目的,而且还更容易满足《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）第5.4.2条的相关规定，起到立竿见影的效果。

5 总结

从承载力、变形、稳定性以上三个方面来看，采用素混凝土作为换填的填料在某些情况下是可行的。当地基基础设计等级丙级，换填区域较少，且持力层土层压缩模量较大或为岩石层时，可采用素混凝土换填，此时也没必要要求做平板静载荷实验进行检测。

当采用素混凝土换填量相对较大时，为节省造价，可以采用毛石混凝土。但在施工时，应先浇筑混凝土，然后采用抛石法，避免常规施工方法由于毛石堆积，素混凝土无法浇筑密实而形成的空洞存在地基缺陷。

换填垫层的地基处理方法其核心还是变形问题，对于大面积换填，应采用有限元方法进行计算。