非對稱分布地下室對建筑物不均勻沉降的影響分析*

付憲章，葉勝林，趙慶亮，武登輝

(1.山東建勘集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250031； 2.山東省基坑與邊坡工程研究中心，山東 濟(jì)南 250031)

0 引言

建筑主體下方及周邊通常設(shè)有地下室，地下室基礎(chǔ)能夠分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)的部分荷載，若主體結(jié)構(gòu)周邊的地下室不是對稱分布的，可能會引起主樓地基應(yīng)力分布不均勻，從而導(dǎo)致主樓發(fā)生不均勻沉降。結(jié)合具體工程實例，分析非對稱分布地下室對建筑物不均勻沉降的影響。

1 工程概況

山東某高層住宅樓為地下2層，地上34層，剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑總高度98.90m，采用天然地基筏板基礎(chǔ)，地基基礎(chǔ)設(shè)計為甲級，地基持力層為花崗閃長巖風(fēng)化層。筏板厚800mm，北側(cè)基礎(chǔ)外伸多為0.6m，南側(cè)基礎(chǔ)外伸為0.7m，墊層厚100mm，筏板墊層底標(biāo)高-7.150m；電梯井筏板墊層底標(biāo)高-8.750m，集水坑筏板墊層底標(biāo)高-10.050m。主樓北側(cè)設(shè)1層地下車庫，車庫底板與主樓底板相連，距主樓外墻1.90～3.15m處設(shè)有后澆帶，車庫采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為獨立基礎(chǔ)加防水板，防水板厚300mm，墊層厚100mm，墊層底標(biāo)高-6.650m；主樓南側(cè)不設(shè)車庫。

該住宅樓于2013年10月開始施工，施工范圍為后澆帶以南、以東區(qū)域，主體結(jié)構(gòu)于2015年5月完工，6月開始主體裝修；主樓北側(cè)、西側(cè)地下車庫于2014年10月開始施工，同年12月主體完工。2015年6月主樓周邊后澆帶封閉，8月主樓南側(cè)基坑肥槽局部回填，回填厚度約5.0m。

主樓施工至±0.000后開始沉降監(jiān)測，頻率為每層監(jiān)測1次。根據(jù)該工程的沉降觀測資料(觀測周期2014年3月—2015年10月)，該工程累計沉降量為40.03～97.90mm，其中北側(cè)累計沉降量為40.03～56.92mm，南側(cè)累計沉降量為81.32～97.90mm，累計沉降差為30.2～43.6mm，整體累計傾斜率為2.0‰～2.9‰，在主體加荷未完成的情況下傾斜率已超出規(guī)范要求，需查找原因，并采取糾偏措施。主樓累計沉降曲線如圖1所示。

圖1 地基沉降量時間曲線

2 傾斜原因分析

在對該建筑進(jìn)行不均勻沉降原因分析時，最初以為是地基的不均勻引起了建筑物的不均勻沉降，因為在風(fēng)化巖地區(qū)不均勻地基十分常見，因此首先對主樓建筑場地進(jìn)行了補(bǔ)充勘察以確定主樓的實際地層情況。

補(bǔ)充勘察分別在建筑南側(cè)、北側(cè)各布設(shè)7個勘探點，并在東、西兩單元電梯間各布設(shè)1個勘探點，共計16個勘探點。

通過鉆探揭示，在地基壓縮層范圍內(nèi)主要有3層巖土，分別為第②層全風(fēng)化花崗閃長巖、第③1層強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長巖和第③層強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長巖，以下為中～微風(fēng)化巖，按不可壓縮層考慮。

補(bǔ)充勘察結(jié)果顯示，場地地層確實呈不均勻分布，不過與預(yù)估剛好相反：主樓北側(cè)地層偏弱，全風(fēng)化層明顯較厚，但該側(cè)沉降量較小；主樓南側(cè)地層相對較好，但沉降量反而偏大。顯然，造成建筑物發(fā)生不均勻沉降的主因并不是地基的不均勻性，而是附加荷載的不均勻。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，造成荷載不均勻的原因可能有兩個，一是主樓自身結(jié)構(gòu)原因，二是主樓南側(cè)基坑回填，相當(dāng)于主樓周邊堆載。南側(cè)基坑于2015年8月剛部分回填，主樓傾斜早在之前已發(fā)生，因此主因并非主樓傾斜超限。因此，造成主樓不均勻沉降過大、傾斜超限的主因應(yīng)為建筑結(jié)構(gòu)自身。

3 非對稱分布地下室對主樓不均勻沉降影響分析

依據(jù)主樓不均勻沉降原因的初步分析結(jié)果，設(shè)計單位對主樓荷載重新建模核驗，主樓總豎向荷載作用點與主樓筏板基礎(chǔ)形心南北向偏心距e為0.268m。

依據(jù)JGJ6—2011《高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》第5.4.3條提供地基沉降量計算公式，對主樓地基沉降量s進(jìn)行估算，其中各層巖土變形模量E0是依據(jù)原位測試結(jié)果，并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗確定，如表1所示。

表1 各層巖土變形模量

計算時結(jié)合不同深度地基土所受自重應(yīng)力和附加應(yīng)力，對變形模量E0進(jìn)行分段調(diào)整。計算得主樓沉降量平均值為69.92mm，同實際監(jiān)測平均值69.49mm基本吻合，說明計算所取巖土參數(shù)基本合理。但南北兩側(cè)沉降差僅為15.59～21.99mm，遠(yuǎn)小于實測值30.2～43.6mm，說明主樓實際地基附加應(yīng)力分布的不均勻性遠(yuǎn)大于因主樓荷載偏心造成的應(yīng)力分布不均勻。

進(jìn)一步分析主樓結(jié)構(gòu)和其施工過程，發(fā)現(xiàn)主樓北側(cè)與地下車庫相連，雖然設(shè)有后澆帶分開，但后澆帶距主樓外墻1.90～3.15m，地下車庫底板厚度為300mm，后澆帶以南設(shè)有1排獨立柱，獨立柱基礎(chǔ)高度與主樓筏板厚度相同，為800mm，主樓與車庫獨立柱間在車庫底、頂板處設(shè)有連梁，可見后澆帶以南地下車庫結(jié)構(gòu)整體剛度還是較大的。后澆帶以南地下車庫與主樓同期施工，因其整體剛度較大，在地基變形引起結(jié)構(gòu)變形時有較好的傳力能力，相當(dāng)于加大了主樓基礎(chǔ)外伸，從而改變了主樓地基附加應(yīng)力分布，加大了主樓荷載偏心作用，導(dǎo)致主樓的不均勻沉降加劇。考慮北側(cè)地下車庫結(jié)構(gòu)對主樓基礎(chǔ)外伸增加0，0.25，0.5，0.75m 和至后澆帶等5情況分別估算主樓地基附加應(yīng)力和地基沉降量，估算結(jié)果如表2，3所示。

表2 沉降監(jiān)測點處附加應(yīng)力計算

主樓南北向監(jiān)測累計沉降差為30.2～43.6mm，平均值為37.18mm，最后1次監(jiān)測數(shù)據(jù)在主樓主體完工5個月后，裝修荷載已大部分添加，依據(jù)地區(qū)同類場地沉降監(jiān)測經(jīng)驗，此時主樓沉降量約為總沉降量的85%，反算在不進(jìn)行糾偏處理的前提下，主樓南北向最終沉降差約為43.74mm，稍大于基礎(chǔ)外伸增加0.75m時主樓沉降差估算值，相當(dāng)于該主樓北側(cè)地下車庫結(jié)構(gòu)對主樓基礎(chǔ)有0.75m以上的外伸增加作用，導(dǎo)致主樓的偏心作用十分明顯，引起主樓南北向沉降差異顯著，傾斜超標(biāo)。

4 主樓糾偏處理

2015年12月建設(shè)單位委托某建筑加固單位對主樓進(jìn)行了糾偏處理，首先自主樓北側(cè)筏板邊緣處將地下車庫與主樓切割分離，并挖除主樓南側(cè)基坑肥槽填土，后期結(jié)合主樓沉降監(jiān)測結(jié)果，北側(cè)局部采取了基礎(chǔ)下取土增沉措施，糾偏施工至2016年5月完工，主樓北側(cè)沉降增加50.71～63.42mm，平均值57.18mm，南側(cè)沉降增加15.61～33.42mm，平均26.58 mm，南北沉降差為5.43～12.15mm，2016年12月主樓沉降基本穩(wěn)定，對主樓北側(cè)地下車庫與主樓進(jìn)行了重新連接。2017年主樓投入使用，2018年4月沉降穩(wěn)定停止監(jiān)測，最終沉降量為107.65～133.42mm，最大沉降差16.57mm，最大傾斜值0.11%，滿足規(guī)范要求。

表3 沉降監(jiān)測點處沉降量估算 mm

5 結(jié)語

通過對造成高層住宅樓傾斜超標(biāo)的原因分析以及后續(xù)糾偏處理，得出以下結(jié)論。

1)天然地基塔樓周邊地下結(jié)構(gòu)可有效分擔(dān)塔樓荷載，周邊地下結(jié)構(gòu)剛度越大分擔(dān)作用越明顯。

2)塔樓周邊地下室非對稱分布，會導(dǎo)致地基附加荷載分布不均勻，甚至引起地基的不均勻沉降量過大，傾斜超標(biāo)，建筑設(shè)計時應(yīng)盡量對稱設(shè)置地下室。

3)非對稱布置地下室與塔樓間為減小建筑物不均勻沉降的后澆帶宜近塔樓基礎(chǔ)布置。

4)對于非對稱地下室布置造成不均勻沉降的塔樓，分離非對稱地下結(jié)構(gòu)與塔樓的連接是有效的糾偏方案，必要時可輔助掏土增沉措施。