素混凝土作為換填墊層填料對基礎設計的影響

高德輝，劉楊，宋翠芳

（1.濟南四建（集團）有限責任公司，山東 濟南 250031；2.山東高速綠色生態發展有限公司，山東 濟南 250014）

1 引言

對于門式剛架、排架、多層框架等建筑體型簡單、結構特點單一的結構，在其地基基礎的設計中，當采用天然地基淺基礎時，常存在局部軟弱土、回填土的情況。針對這種情況，結構工程師一般首選換填墊層方法。換填墊層方法具有施工方便，處理效果較好，綜合造價較低的優點。在實際工程設計中，大部分結構工程師會依據《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2012）第4.2.1條優先選擇土加石或砂加石作為換填的填料，控制壓實系數大于0.97（實際工程中達到0.97的壓實系數比較困難）[1]，而且要求對換填區域做淺層平板載荷實驗來確定地基承載力，并達到設計要求。在此情況下，經常有項目施工方、監理方甚至建設方會提出選用素混凝土代替土加石或砂加石作為換填墊層的填料，從而可以避免分層壓實分層驗收的繁瑣施工工序及平板靜載荷實驗產生的費用。相關規范中對采用素混凝土作為換填填料的相關技術標準并沒有明確的規定，采用素混凝土作為換填墊層的填料是否合理，對基礎設計又有何影響。建筑地基基礎設計的三大核心問題分別是承載力計算、變形計算、穩定性計算，本文將從這三個方面對上述問題進行分析。

2 承載力問題

滿足地基承載力是基礎設計的首要問題。地基承載力的不足會給主體結構帶來主體結構沉降、甚至傾斜等諸多危害。如何進行承載力計算，在《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）第5.2條中有明確的說明,基礎底面的壓力應符合下列規定[2]：

①軸心荷載作用

pk≤fa

②偏心荷載作用

pknax≤1.2fa

式中：

pk——相應于作用的標準組合時，基礎底面處的平均壓力值（kPa）

pknax——相應于作用的標準組合時，基礎底面邊緣的最大壓力值（kPa）

fa——修正后的地基承載力特征值（kPa）

假設換填墊層的填料采用與基礎同強度等級的素混凝土，且換填厚度、換填墊層的寬度均滿足《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2012）的相關規定，此種情況下fak(地基承載力特征值)的取值可以依據地勘報告，采用素混凝土墊層下持力土層的fak，整個的素混凝土墊層為一個剛性體，類似于巖石層。在確定fa時建議參考《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）表5.2.4注1中其他狀態下的巖石考慮，不進行寬度修正。

很明顯，如果選用素混凝土進行換填，完全可以將換填部分當作基礎的一個擴大端，作為基礎的一部分，和目前的換填墊層方法（假定墊層是基礎的一部分）一致[3]。真正意義上的持力層仍是素混凝土下的土層，地基承載力能夠達到設計要求，且沒有必要去做平板靜載荷實驗。

當遇到地基受力層范圍內存在軟弱下臥層的情況時，同時采用了素混凝土進行了一定深度換填，也應按照《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）第5.2.7-1式進行軟弱下臥層地基承載力的驗算[2]：

pz+pcz≤faz

pz——相應于作用的標準組合時，軟弱下臥層頂面處的附加壓力值（kPa）；

pcz——軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值（kPa）；

faz——軟弱下臥層頂面處經深度修正后的地基承載力特征值（kPa）。

此時在確定pz時，應考慮換填厚度內素混凝土的容重。軟弱下臥層的基礎設計是淺基礎設計中比較復雜的問題，尤其是存在兩個或以上軟弱下臥層時，應正確區分軟弱下臥層。對于淺層軟土厚度不大的工程，應置換掉全部軟土，當軟弱土層厚度較大時，應根據下臥層土的承載力合理確定墊層厚度[4]。

3 變形問題

對于淺基礎地基變形的計算，地基內的應力分布可采用各向同性均質線性變形體理論，其最終變形量考慮沉降經驗系數按照分層總和法計算出的地基變形量[2]。換填墊層地基處理方法中地基基礎設計的變形問題即基礎不均勻沉降問題。換填墊層的填料如果選用素混凝土，素混凝土本身的壓縮性極低，例如C15混凝土的彈性模量為2.2×104MPa，在換填厚度范圍內基本不存在變形，而未換填區域相應深度范圍內為持力層土層，在上部結構荷載下存在壓縮變形。如此會帶來換填部分和未換填部分的沉降差問題。用砂石換填，控制一定壓實系數，能夠很好地調節換填區域的沉降和未換填區域的沉降差值。當持力層為土層時，尤其壓縮模量較小的土層，采用素混凝土換填，素混凝土墊層在基礎豎向荷載作用下，由于其高抗壓強度壓縮變形極小，與未換填區域將會產生沉降差，此沉降差將會對基礎產生不利影響，嚴重時可能對上部結構產生破壞。

圖1 結構平面布置圖

現以某工程案例來講述實際設計中，當采用素混凝土換填時，如何對因換填產生的沉降差進行初步估算。某工業園區內一棟研發樓，二層鋼筋混凝土框架結構，建筑結構平面如圖1所示。上部結構采用中國建筑科學研究院通用有限元軟件satwe分析，基礎采用JCCAD進行設計。本工程地勘報告反映的各土層土質情況如圖2所示，各項土層性能指標標于圖中。以粘土層作為持力層采用獨立淺基礎進行基礎設計時，A框架柱（1軸與D軸交匯處）基底持力層較深采用C15素混凝土進行換填，按照其余基礎基底標高，此處基槽需要換填1.5m深度。框架柱A和框架柱B基底下土層剖面情況詳見圖3所示。

圖2 地基巖土層物理力學指標及設計參數

按照地勘報告建議的2層粘土的天然地基承載力特征值經深寬修正后,確定的框架柱A基礎尺寸為2500mm×2500mm；框架柱B（1軸與B軸交匯處）基礎尺寸為3200mm×3200mm。

3.1 框架柱A基底沉降計算

在JCCAD中讀取準永久組合工況下，框架柱A最大軸力，以此計算相應于作用的準永久組合時基礎底面處的附加壓力P0=53kPa,依據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）第 5.3.6條及表5.3.5規定確定沉降計算經驗系數。

圖3 框架柱A、B基底下土層分布

矩形面積上均布荷載作用下角點的平均附加應力系數

矩形面積上均布荷載作用下角點的平均附加應力系數

?

3.2 框架柱B基底沉降計算

在JCCAD中讀取準永久組合工況下，框架柱A最大軸力，以此計算相應于作用的準永久組合時基礎底面處的附加壓力P0=65kPa,依據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）第 5.3.6條及表5.3.5規定確定沉降計算經驗系數。

3.3 沉降差值的判斷

依據本項目地質勘察報告顯示2層黏土屬于中壓縮性土。《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）表 5.3.4中規定：當地基土類別為中、低壓縮性土時，工業與民用建筑相鄰柱基的沉降差（框架結構）應控制在之內，為相鄰柱基的中心距離（mm）。

綜上可以初步判斷此案例如果采用C15素混凝土進行換填，相鄰柱基的沉降差值不能滿足規范要求，建議采用土夾石換填，并復合相鄰柱基沉降差、增設短柱加大A處基礎埋深。

實際設計工作中，基底下土層地質情況千變萬化。對于基底下持力層為土層時，尤其壓縮模量較低的土層，當采用素混凝土換填時，一定要注意復核相鄰柱基之間的沉降差能否滿足規范要求。沉降差值的大小與換填深度、柱基之間的相鄰距離、基底下土層分布有著直接關系。當換填深度較深、柱基之間的相鄰距離較小、基底下土層壓縮模量較小時，相鄰柱基之間的沉降差較難滿足規范要求。

對于基底下持力層為微風化等巖石層時，建議直接采用素混凝土進行換填。

4 穩定性問題

當遇到坡地建筑、山區建筑時，如果存在局部基礎持力層較深的情況，仍然采用換填墊層的地基處理方法，很容易破壞土體的整體性，從而改變圓弧滑動面的位置，引起地基穩定性的破壞。這時地基基礎的設計不能忽略地基穩定性的驗算。

地基的穩定性一般可采用圓弧滑動面法進行驗算。對于位于穩定土坡坡頂上的建筑，當采用條形基礎或矩形基礎時應滿足《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）第5.4.2條的相關規定。所以對于位于邊坡邊緣的淺基礎，不建議采用換填墊層的地基處理方法，可以采用增設短柱加大基礎埋深達到基礎落在持力層上的目的,而且還更容易滿足《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）第5.4.2條的相關規定，起到立竿見影的效果。

5 總結

從承載力、變形、穩定性以上三個方面來看，采用素混凝土作為換填的填料在某些情況下是可行的。當地基基礎設計等級丙級，換填區域較少，且持力層土層壓縮模量較大或為巖石層時，可采用素混凝土換填，此時也沒必要要求做平板靜載荷實驗進行檢測。

當采用素混凝土換填量相對較大時，為節省造價，可以采用毛石混凝土。但在施工時，應先澆筑混凝土，然后采用拋石法，避免常規施工方法由于毛石堆積，素混凝土無法澆筑密實而形成的空洞存在地基缺陷。

換填墊層的地基處理方法其核心還是變形問題，對于大面積換填，應采用有限元方法進行計算。