土巖組合地基沉降計算與變形控制措施

楊文強

（河南省建筑設計研究院有限公司，河南 鄭州 450014）

目前山區建設中土巖組合地基是最常見的一種復雜類型地基，土巖組合地基主要是在受力層范圍內常有表面坡度較大的下臥基巖，其特點是不均勻變形。當地基受力范圍內存在剛性下臥層時，會使上覆土體中出現應力集中現象，從而引起土層變形增大。因此，土巖組合地基往往變形較大，在實際工程中也頻繁出現建筑物因地基變形大而出現裂縫、傾斜等工程事故。

1 場地工程地質條件

某擬建場地位于鄭州市西南部，地貌單元為（巖溶地貌）溶蝕侵蝕低山。場地地形起伏較大，整體呈南低北高，東低西高，擬建場地呈臺階狀分布，各擬建建筑隨坡就勢建造在各臺階上。建筑物約有百余棟，均為地上1～2層，結構形式為異形柱，單樁荷載260kN，擬采用天然地基獨立基礎。本文僅以場地內31號樓和35號樓為例論述。

1.1 場地地層情況和巖土物理性質指標

根據野外鉆探，該場地地層描述及承載力特征值如下：Q4al粉質黏土層（第②層），層底標高為557．4～587．8m，褐黃 ～黃褐色，堅硬 ～硬塑，無搖振反應，稍有光澤，干強度中等，韌性中等。表層為厚約30cm的耕植土，含較多蟲孔和植物根孔，偶見植物根系腐殖質，夾少量碎石。局部揭露有孤石。該層靜力觸探比貫入阻力 Ps＝1．30MPa，承載力特征值 fak＝130kPa；中 －高壓縮性，壓縮模量為5．1MPa。Q4al粉質黏土層（第②層），層底標高為553．6～582．8m，黃褐色，硬塑 ～堅硬，無搖振反應，稍有光澤，干強度中等，韌性中等。土顆粒較粗，含少量蟲孔和植物根孔。夾少量碎石。局部揭露有孤石。該層靜力觸探比貫入阻力 Ps＝2．67MPa，承載力特征值 fak＝160kPa；中壓縮性，壓縮模量為6．4MPa。R砂質泥巖（第⑥層），層底標高為 554．9～578．6m，中 ～微風化，淺黃色 ～褐紅色，較軟巖，巖體較完整～完整，基本質量等級為Ⅳ級，錘擊聲不清脆，無回彈，較易擊碎，浸水后指甲可刻出劃痕，強度一般，巖層走向 294°，傾向 24°，傾角 19°，單向傾斜、巖面坡度大于10%。單軸抗壓強度 fr＝22．6MPa（干燥狀態）和 17．4MPa（飽和狀態），承載力特征值fak＝1300kPa，軟化系數為0．77。在土巖界面上不存在軟弱泥化帶。擬建場地在勘探深度范圍內未見地下水。

1.2 場地土濕陷性分析

根據室內濕陷性試驗結果，依據 GB50025—2004《濕陷性黃土地區建筑規范》規定，當濕陷試驗壓力為200kPa時場地內第①層粉質黏土局部具有濕陷性，最大自重濕陷系數 δzs＜0．015，最大濕陷系數0．023，濕陷性為輕微，濕陷起始壓力為131kPa，本場地為Ⅰ（輕微）級非自重濕陷性場地。經計算基底下最大濕陷量為34．5mm，小于50mm；根據 GB 50025—2004第 5．1．3條和 6．1．5條的規定，綜合判定本場地擬建構筑物可按一般地區的規定設計，但應做好基本防水措施。

1.3 場地工程地質剖面

31號樓和35號樓場地工程地質剖面分別如圖1，2所示。

圖1 31號樓工程地質剖面

圖2 35號樓工程地質剖面

2 天然地基承載力驗算

31號樓平面尺寸 14．5m×17．8m，±0．000m標高為579．90m，基底標高578．40m，基底持力層為第①層和第⑥層；35號樓，平面尺寸14．5m×17．8m，±0．000m標高為 581．20m，基底標高 579．70m，基底持力層為第①層和第⑥層。

依據 GB50007—2011《建筑地基基礎設計規范》規定的承載力修正方法，對擬建建筑物天然地基承載力進行驗算。修正深度按目前孔口標高、設計室外標高（包括2倍基礎寬度范圍內的相鄰建筑物）較小者計算，若2倍基礎寬度范圍內孔口標高或相鄰建筑物正負標高低于本建筑基底標高時，不考慮深度修正。第①，②層的地基承載力修正系數ηb取 0．3、ηd取 1．6。驗算結果如表 1所示。

經驗算，當基礎尺寸不小于表1中數據時，建筑物采用天然地基獨立基礎時持力層承載力特征值滿足設計要求。

3 天然地基變形驗算

根據《建筑地基基礎設計規范》第5．3．5條和6．2．2條的規定，土巖組合地基變形計算原則為，先按一般土質地基計算變形，然后按剛性下臥層時地基變形增大系數進行修正。現對建筑物進行地基變形計算。

式中，S為地基最終變形量（mm）；S′為按分層總和法計算出的地基變形量（mm）；ψs為沉降計算經驗系數，無地區經驗時可根據變形計算深度范圍內壓縮模量的當量值、基底附加壓力按規范查表取值；n為地基變形計算深度范圍內所劃分的土層數；po為對應于荷載效應準永久組合時的基礎底面處的附加壓力（kPa）；Esi為樁底面下第層土的壓縮模量（MPa）；Zi，Zi－1為樁底面至第 i層土、第 i－1層土底面的距離（m）；為樁底面計算點至第 i層土、第i－1層土底面范圍內平均附加應力系數；

式中，Sgz為具剛性下臥層時，地基土的變形計算值（mm）；βgz為剛性下臥層對上覆土層的變形增大系數；Sz為變形計算深度相當于實際土層厚度時計算確定的地基最終變形值（mm）。

3.1 31號樓變形驗算

31號樓處的73，74號勘探孔處基底為第⑥砂質泥巖，中 －微風化，單軸抗壓強度 fr＝22．6MPa，按不產生壓縮變形考慮。76，77號勘探孔處地層沉降變形驗算如表2，3所示。

表1 天然地基承載力驗算

表2 76號勘探孔處地層沉降驗算

表3 77號勘探孔處地層沉降驗算

3.2 35號樓變形驗算

35號樓處的78號勘探孔處基底為第⑥層砂質泥巖，按不產生壓縮變形考慮。79，90，91號勘探孔處地層沉降變形驗算結果如下。

4 建筑物變形分析及地基處理方案

4.1 31號樓變形分析及地基處理

73，74號勘探孔處基底為第⑥層中～微風化砂質泥巖，可不考慮地基的變形。76號勘探孔處基底為第①層粉質黏土，壓縮層厚度2．2m，達到該層底處，考慮第⑥層剛性下臥層的影響，最終變形量約為37．75mm。77號勘探點處基底為第①層粉質黏土，基底下厚度約0．60m，其下為厚度4．60m第②層粉質黏土，經計算，壓縮層厚度為3．6m，最終變形量約為 30．69mm。

柱網間距按4．2m考慮，依據《建筑地基基礎設計規范》表5．3．4，計算相鄰柱基沉降差，當 2個相鄰柱基分別以土層、基巖為持力層時，以最不利情況考慮，則最大沉降差為37．75mm，大于0．003L＝12．6mm。從沉降分析，地基土為中 －高壓縮性土層，計算沉降量較大，考慮到基底附加壓力較小，地基土變形的壓縮層厚度也較小，該樓可采用換填墊層法對地基土處理，以提高壓縮土層的壓縮模量，減小沉降量。以3∶7灰土處理，處理后灰土的承載力特征值按200kPa，壓縮模量按25MPa，對于76號孔，處理深度 1．1m，地基最終變形量 Sgz＝8．58mm；77號孔，處理深度 1．5m，地基最終變形量 S＝5．74mm（壓縮層深度未達到基巖面）。相鄰柱基最大沉降差為8．58mm，滿足規范要求。因此采用換填墊層法地基處理可使建筑物變形得到有效控制。

4.2 35號樓變形分析及地基處理

78號勘探孔處基底為第⑥層中～微風化砂質泥巖，可不考慮地基的變形。79，90，91號勘探孔處基底為第①層粉質黏土，壓縮層厚度分別1．5，1．3，1．6m，達到該層底處，考慮第⑥層剛性下臥層的影響，最終變形量分別為 27．81，26．20，30．11mm。

柱網間距按4．2m考慮，依據《建筑地基基礎設計規范》表5．3．4，計算相鄰柱基沉降差，則最大沉降差為 30．11mm，大于 0．003L＝12．6mm。從沉降分析，地基土為中－高壓縮性土層，計算沉降量較大，考慮到基底附加壓力較小，地基土變形的壓縮層厚度較小，該樓可采取基礎下落方式，以減小壓縮土層的厚度，減小沉降量。對于79號孔，基礎下落 1．0m，地基最終變形量 Sgz＝9．76mm；90號孔，基礎下落 0．5m，地基最終變形量 Sgz＝11．11mm；91號孔，基礎下落 1．0m，地基最終變形量 Sgz＝11．49mm。相鄰柱基最大沉降差為11．49mm，滿足規范要求，因此采用基礎下落法可使建筑物的變形得到有效控制。但是沉降差較大，設計時可采用漸變調節措施過渡，可將基底處基巖挖除一定深度，設置褥墊層，避免基礎與基巖直接接觸，以減小相鄰基礎的差異沉降。

5 其他注意事項

1）為控制差異沉降，單體建筑物基礎下土質部分所占比例較小，宜對土質部分進行處理，以適應壓縮性較低的巖質地基；巖質部分所占的比例較小，宜改造巖質部分。

2）應考慮地基基礎與上部結構的共同作用，加強上部結構的剛度來抵抗、調節不均勻變形。

3）設計時可采用漸變調節措施過渡，減少相鄰基礎的差異沉降。

4）要考慮擬建場地穩定性，當基礎附近有臨空面時，擬建建筑物穩定性應滿足要求，必要時應采取抗傾覆、抗滑移措施。

6 結語

該項目百余棟建筑物，到目前竣工交付使用已超過2年，根據沉降觀測數據顯示，每棟樓的變形均滿足規范要求，未出現裂縫等不利情況，證明土巖組合地基采用本文所論述的處理方法可行。

1）土巖組合地基，地基土為中－高壓縮性土層時，由于變形深度大，可對基底下土層進行換填處理，提高地基土的壓縮模量，減小其沉降變形量，以減小土、巖地基的變形沉降差。

2）土巖組合地基，當基底下土層厚度不大的情況下，可采取基礎下落形式，使地基變形深度達到下伏基巖面，減小其沉降變形量，以減小土、巖地基的變形沉降差。

3）下臥基巖作為剛性下臥層，地基變形增大系數不容被忽視。

4）為避免基礎與巖石面直接接觸，宜在基礎和巖石接觸的部位采用褥墊進行處理，以減小相鄰基礎的差異沉降。