粗粒混合土既有建（構）筑物地基沉降原因分析實例

劉學軍，周海明

（新疆建筑科學研究院<有限責任公司>工程勘察測繪院，新疆烏魯木齊830002）

粗粒混合土既有建（構）筑物地基沉降原因分析實例

劉學軍*，周海明

（新疆建筑科學研究院<有限責任公司>工程勘察測繪院，新疆烏魯木齊830002）

粗粒混合土具有特殊的物理力學性質，其穩定性往往較差。通過對建筑于粗粒混合土之上的某工程發生地基破壞的原因進行分析，對粗粒混合土地基沉降的主要原因進行了初步探討，提出了粗粒混合土滲透變形是地基不均勻沉降的主要原因。并對造成事故的勘察、設計、施工中人為原因進行了初步分析，提出了類似工程實施過程中的注意事項，對工程后續治理提供了較準確的依據。

既有建筑；粗粒混合土；地基沉降；原因分析；滲透變形

某選礦廠位于天山中部，經過4年建設，于2014年7月完工，但僅試運行4h，即發生地基下陷，主廠房內球磨機、水池及其它設施在短時間內出現大范圍下沉和位移，導致設備嚴重變形受損，生產停滯，造成選礦廠投產時間推遲1年半以上，后期地基處理花費3000萬元以上，給業主造成巨大損失。

確定地基破壞原因，成為對選礦廠進行后期處理，恢復生產的關鍵因素。

1　工程概況

選礦廠包括磨礦倉、主廠房、鐵精礦倉鋅精礦倉、鋅精礦濃縮池、?16m尾礦濃縮、環水泵站、加藥間、煤場、鍋爐間、過濾間、油品間、化驗室、綜合修理間、員工宿舍、綜合樓、食堂及浴池及皮帶通廊支架等項目設施。

已建設施安全等級均為二級，采用框架或排架結構，對差異沉降敏感程度敏感。除磨礦倉、主廠房、鐵精礦倉鋅精礦倉、礦槽及鍋爐間高度在25～35m外，其它設施高度在3～15m。設計采用天然地基，鋼筋混凝土矩形基礎。基礎擬埋置深度一般在-2.0～-3.5m，地下構筑物總砂泵站基礎埋深達-6.0m。

1.1勘察設計及施工情況

①根據勘察報告，擬建場地位于山前沖洪積扇，海拔高程在2870～2890m之間，場地土由沖填土和角礫構成。角礫為良好的地基持力層，承載力fak=200kPa。

②廠房建筑采用框架或排架結構，獨立柱基，擴大基礎，基礎埋深為-2.5m，以角礫為地基持力層。

③設備基礎采用擴大基礎，埋深-2.5m，以角礫為地基持力層。

④考慮到選礦廠運行時使用大量水，在廠房內設置了排水槽和非防水地坪。

1.2施工情況

因選礦廠所在位置海拔較高，氣溫較低，冬季漫長，夏季短暫，造成每年施工期極短，僅有4～5個月。廠房施工和設備安裝共計歷時4年。

根據施工資料反映，在基坑開挖時，主廠房基坑范圍內，先后出現4處塌陷坑，面積最大的約5～6m2，深度1.0～3.0m左右，經勘察單位現場地基驗槽，判斷為勘察時探井塌陷，采用素混凝土回填處理。

因設計文件未提出水槽和地坪的防水要求，因此施工時僅按一般要求進行防水處理，且水槽及地坪施工質量較差，開裂情況較普遍。

1.3事故情況

在設備安裝調試完成后，于2014年7月進行了試生產，開機試運行4h，因管路系統發生問題，致使大量水滲入地下，發現地基下陷，10h后，主廠房內球磨機、水池及其它設施出現大范圍下沉和位移，導致設備嚴重變形受損，其中1#球磨機東南角下沉60mm，2#球磨機東北角下沉80mm，無法繼續生產。

2　初步確定的地基破壞原因

根據工程所在場地位置、海拔、地形、地貌及巖土工程條件，初步判斷發生地基破壞的可能原因為：

①工程所在地區海拔高、氣溫低，可能存在多年凍土，受水浸泡，多年凍土融化，造成地基突然沉降；

②地基土可能具濕（溶）陷性，受水浸泡后，地基土發生沉降；

③基礎施工完成后，肥槽填土未按設計要求碾壓合格，受水浸泡發生沉降，帶動基礎發生不均勻沉降。

按照以上分析，對工程進行了地基調查工作。

3　地基調查

3.1地基調查工作內容

地基調查主要進行了以下現場工作：

①地質及工程地質調查測繪：進入現場后，發現原勘察報告對場地地形地貌判斷有誤，首先進行了工程場地的地質及工程地質調查測繪工作；

②人工探井：為地基調查的主要手段，沿建（構）筑物及設備基礎周邊開挖探井，目的是直接觀察基礎下地層情況，了解地基沉降原因；

③鉆孔：為了解深層地基土的變化及進行必要的原位測試工作，在有鉆孔施工條件的區域，布設了鉆孔作為地基調查手段；

④原位測試：地基調查時主要進行了地基土浸水載荷試驗和動力觸探，目的是查明地基土的濕（溶）陷性和地基土密實程度；

⑤現場試驗：開挖試坑至已建建（構）筑物基礎埋深部位，進行現場試坑浸水試驗，觀測地基土在無附加荷載條件下受水浸泡后的沉降變形特征；

⑥取樣試驗及現場測試：在探井內進行含水量及地溫測量，同時采取土試樣進行顆粒分析及土化學分析；對分布在粗粒混合土中的細粒土夾層或透鏡體，人工采取Ⅰ級原狀試樣進行土常規及黃土濕陷性試驗。

3.2地基調查結果

在地基調查工作中，發現的主要問題：①場地地貌并非沖洪積扇，而是屬于山前坡積裙；②地基溫度測定結果表明，已建場地地表4m下地基土溫度均在0°C以上，不存在多年凍土。

③地基持力層土層并非勘察報告提出的角礫，而是粗粒混合土。地基調查時，共計采取51組試樣帶回土工實驗室。經室內研磨及水洗篩分，角礫、礫砂中粒徑小于0.075mm的細粒土質量超過總質量的12.1%～52.8%，有82.1%的粗粒土試樣中粒徑小于0.075mm的細粒土質量超過總質量的25%。

④粗粒混合土中存在大量天然土洞。在調查過程中，約50%的勘探點在不同位置、不同深度內發現有天然土洞，其分布在平面及空間上無規律。已揭露土洞一般呈“紡錘”狀或錐形體，長約0.6～1.8m，寬0.3～1.2m，高度在2.2～3.6m，部分土洞被頂部塌落的松散土體充填。

⑤粗粒混合土在天然含水狀態下有較高的強度，承載力特征值達到200～300kPa，但受水浸潤后，其強度迅速降低，變形加劇，在200～250kPa荷載下即產生破壞。該土在200kPa壓力下浸水載荷試驗的附加濕陷量ΔFs=2.15～3.52cm，其濕陷程度輕微—中等，計算濕陷啟始壓力為137～186kPa。綜合判定場地為非自重濕陷場地，Ⅲ級（嚴重）濕陷地基。

4　地基沉降原因分析

根據場地巖土工程條件和地基調查結果，綜合分析本工程發生地基沉降的原因為：

①工程場地主要地層為洪坡積的粗粒混合土，顆粒級配不連續，缺失中間粒徑，在地下水滲流情況下，易發生管涌。而在較長的地質年代，因為降水和春季融雪造成粗粒混合土中存在地下水滲流，致使細粒土被帶走，但粗粒土形成的骨架尚能支撐，滲漏量加大但沒有發生破壞，在土體滲流通道中形成天然土洞。

②場地為高原草甸，地表具植被保護層，地形天然坡度大，有淺沖溝分布，地表徑流條件良好，滲入土中水量較少。選礦廠建廠施工過程中，對場地進行大填大挖式的整平，將原來自然坡度平整成5個平臺。地表植被保護層被破壞，地表徑流成為平臺上的緩流，致使滲入地層水量加大，進一步加劇了粗粒混合土的滲透破壞。

③在滲流條件下形成的天然土洞，有部分處于極限平衡狀態，當改變其上覆土壓力或進一步滲流，即可能造成土洞坍塌，形成地表土體沉陷，產生塌陷坑。在施工驗槽時基坑內出現的塌陷坑即是此原因造成，理應引起重視，但勘察單位驗槽時僅進行了簡單判斷，失去了避免發生工程事故的一次最好機會。

④選礦廠廠房建設和設備安裝，增加了基礎下伏粗粒混合土的附加應力，使更多天然土洞形成的自然壓力拱處于或接近于極限平衡狀態，廠房及設備均處于失穩前的較危險狀態。只要附加應力或滲流條件發生變化，極有可能造成地基沉降。

⑤選礦廠廠房內地坪及排水水槽未進行防水處理或防水處理施工質量較差，試生產時大量水體滲入粗粒混合土中，土洞上部粗粒混合土進入飽和狀態，自重應力大幅增加，隨即產生新的滲流破壞及土洞天然壓力拱失穩塌陷，致使地基短時期內發生較大不均勻沉降，造成事故發生。

⑥粗粒混合土具非自重濕陷性，為Ⅲ級（嚴重）濕陷地基，由土的自重壓力及上部結構荷載產生的附加應力超出地基土的濕陷啟始壓力，在大量水滲入地下后，地基產生濕陷變形，加劇了地基沉降，使事故進一步惡化。

5　結論

①在巖土工程勘察過程中，對工程所處地貌單元的判定十分重要。不同地貌單元由于沉積環境不同，地層物理力學性質差異較大，所帶來的巖土工程問題也不同。對于本工程，所處場地為坡積裙，有巨厚的粗粒混合土分布十分正常，粗粒混合土的特殊性質，自然成為本工程的主要巖土工程問題。而勘察時判斷場地所處地貌為沖洪積扇，十分自然地將粗粒混合土判定為力學性質優良的沖洪積角礫，為本次事故的主要原因。

②在巖土工程勘察工作中，對場地地層的定名，應在現場觀察的基礎上結合適當的土工試驗進行。本工程在勘察過程中，僅僅依靠野外觀察和現場常規篩分試驗，將主要地層定名為角礫，未進行室內水洗篩分試驗，致使地層定名錯誤，將粗粒混合土定名為角礫，錯失了粗粒混合土帶來的一系列工程問題。

③在近山區進行工程建設時，應盡量避免大填大挖，如必須進行大范圍的場地整平，應采取措施確保場地原有水流通道暢通，或先行建設排水通道，避免地表水流大量滲入地下，帶來新的工程問題。

④地基驗槽是檢驗勘察成果準確性的關鍵步驟，應引起足夠重視。在驗槽過程中，發現特殊情況應小心處置，不能輕易下結論。處理方案應切合實際，抓住工程主要問題。在本工程中，施工驗槽時，發現基底出現4處塌陷坑，未引起足夠重視，卻輕率的下結論為勘察時探井垮塌，實際上，只需對探井位置和塌陷坑位置坐標進行簡單對比分析，即可發現問題。但輕率的判斷卻使工程錯過了最后一次發現問題的機會。

⑤對于類似選礦廠這樣生產時需大量用水的工業廠房，在設計施工時，應有必要的地表防水措施，防止生產用水短時期內大量滲入地下，帶來工程隱患。本工程中，廠房地坪不防水，水槽等排水措施施工質量差，致使試生產時大量生產用水滲入地下，是本工程出現問題的重要誘因。

6　結語

確定地基發生沉降事故的真實原因，對事故的后期處理十分重要，本工程確定了地基沉降原因后，有的放矢地采取了標本兼治的處理方案，取得了良好效果。而地基處理時的大量工作，進一步驗證了最初對沉降原因分析的準確性。

［1］GB5047-2008水利水電工程地質勘察規范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［2］李廣信.高等土力學［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［3］李廣信.巖土工程50講——巖壇漫話［M］.2版.北京：人民交通出版社，2010.

［4］顧寶和.巖土工程典型案例述評［M］.北京：中國建筑工業出版社，2015.

［5］高大釗.實用土力學［M］.北京：人民交通出版社股份有限公司，2014.

TU433

A

1004-5716（2016）02-0026-03

2015-10-09

劉學軍（1970-），男（漢族），新疆烏魯木齊人，高級工程師，現從事巖土工程方面的生產和科研工作。