砂性土地區堆山工程地基承載力計算及沉降觀測

林 敏

（南通市市級政府投資項目建設中心，江蘇 南通 226000）

0 引言

隨著城市化進程的加快，城市居民對于綠化景觀需求加劇，而土方造型是園林綠化中重要的基礎，能體現園林整體構架。因此平原地區的堆山造景工程越來越多，規模越來越大，要求越來越高。

堆山工程中采用分層填筑，具有土方體積大、荷載分布廣、固結時間長等特點。因此地基會產生沉降和位移，如果處理不當，嚴重的可能產生地基塌陷、河道的河底部隆起等其他問題[1]。對于地基處理，根據不同的地質條件采用不同的施工工藝。其中排水固結法為處理地基最常用的方法，又細分為豎向排水及水平排水。如采用塑料排水板[2]、碎石樁[3]、砂井[4]、砂墊層[5]等，主要是加快地基排水，使得地基固結后強度增加，提高地基承載力，減少相應沉降。

本文以南通市中央創新區內景觀山體填筑為例，進行地基處理方案研究。通過地質條件分析及地基承載力計算，最終采用天然地基進行堆筑，并觀測三座山體周邊地基沉降及位移情況，為砂性土地區山體堆筑提供重要的參考價值。

1 工程概況

南通市中央創新區重點打造的紫瑯公園占地面積2.66 km2，其中紫瑯公園北區占地約23 萬m2，見圖1。周邊河道2 m 以下區域8 萬m2，河岸2 m 以上15 萬m2。該區域擬建三座山體，最高點高程（85 國家高程）分別為26.0 m、15.0 m 和13.0 m 三座山體。26.0 m 與15.0 m 山體之間的13.0 m 等高線內有12.8 m 建筑廣場。山體填筑采用南區湖體開挖出的砂土填筑，表層采用耕植土覆蓋。在4 m 等高線以上12 萬m2區域用近80 萬m3的土方堆筑三座山體，其中26 m 山體頂部離新開挖河駁岸區域（2 m 高程）的距離只有152 m，堆筑的坡度在1∶6.3。

圖1 工程平面圖及監測點布置圖

在山體四周為新開挖河道，河床底標高為-1.0 m，山體堆筑完成并待沉降穩定后進行河道開挖施工。河道的實施打破了地基原本的整體性，把堆筑區域與其他區域隔離出來，使得堆筑區域持力層受到破壞，使得堆筑難度系數增加、施工工期延長。

2 地質條件

在勘探范圍內，勘探深度之間可分為2 個工程地質層（11 個工程地質亞層，4 個透鏡體），除表層填土、淤泥外，其余屬第四紀長江沖積層，根據勘探資料得出場地和地基較為穩定。場地穩定潛水位一般位于（85 國家高程）2.3 m 左右，年地下水變化幅度1.0 m左右，近3～5 年最高地下水位約為2.5 m，本地區歷史最高地下水位約為3.0 m，地下水和土對鋼筋混凝土結構及鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有微腐蝕性。

場地處于同一地貌單元，地基基本均勻。現狀地形平均標高在4.0 m 左右，根據土工試驗成果，各土層平均厚度、巖土性質指標、強度參數、變形參數、地基承載力值見表1。

表1 各項巖土性質指標及有關參數建議使用值

3 地基土分析

本場地②-1層土工程特性差異不顯著，各處地基土壓縮性無較大差異，地基可評價為均勻地基。根據估算山體最大堆高22 m，土的容重按實驗室測得的壓縮后最大容重17 kN/m3計算，地基最大荷載約374 kPa。

3.1 地基承載力計算（26 m 處）

根據估算，受附加荷載作用，根據不同的堆土高度，主要為25～40 m 以淺土層所產生的變形量，除主山體（標高26 m）及其周邊區域外，影響土層主要位于25 m 以淺，以粉砂、粉土為主，一般為中等壓縮性，局部為中等偏高壓縮性，力學強度為一般～較高；約25～36 m 深度范圍內以粉土、粉質黏土為主，中等偏高壓縮性土，力學強度較低；其下40 m 以淺土層以粉砂為主，中～中偏低壓縮性土，力學強度較高。

本文以天然地基為基礎計算地基承載力。根據力的極限平衡為基礎計算，地基承載力與土的容重與強度指標（摩擦角、黏聚力）等有關。在小偏心下根據土體抗剪強度指標確定地基承載力設計值公式為[6]：

式中：Mb、Md、Mc為承載力系數；ck為基底下一倍短邊寬度的深度范圍內土的粘聚力標準值。

本工程ck取一倍短邊6 m 范圍內土層ck標準值，經計算ck為19.4，查表可得：Mb=0.49、Md=3.02、Mc=5.52，得fa=192.5 kPa。因此地基承載力極限值Pu1/4為385 kPa，大于374 kPa。

因式（1）按照太沙基及漢森理論進行計算，偏于保守，且26 m 堆載區域為中間局部，從土體深寬修正的理論出發，周邊土體回填于26 m 處起到一個反壓的作用，為有利因素。且堆山土體容重小于計算值。因此天然地基滿足地基承載力要求。

3.2 地基沉降計算

地基的沉降計算可按《建筑地基基礎設計規范》[7]中公式5.3.5 進行：

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）；φs為沉降計算經驗系數；p0為相應于作用的準永久組合時基礎底面處的附加壓力（kPa）；n 為樁基沉降計算深度范圍內所劃分的土層數；Esi為等效作用底面以下第i 層土的壓縮模量（MPa）；zi為樁端平面荷載至第i 層土、第i-1層土底面的距離（m）；αi為樁端平面荷載計算點至第i、i-1 層土底面深度范圍內平均附加應力系數。

若單獨考慮主山體20 m×20 m 范圍的堆土對地基的作用，等效作用面從②-1層黏質粉土層頂起算，山體填土重度為17 kN/m3，該范圍平均填筑高度取22 m，附加壓力為374 kN/m2，取每米計算沉降小于總計算沉降量的0.025 時停止計算，根據初步計算，止算深度為38 m。因此按照附加應力法計算得到各層土體沉降量見表2。計算38 m 深度范圍內的土體最終沉降量為398.5 mm。

表2 各層土體沉降量

4 沉降及位移觀測

經計算，本項目天然地基土承載力及沉降計算，均滿足要求。同時根據初步分析，剪切應力的影響一般在25 m 以淺，該范圍內土層抗剪強度中等，山體的設計坡比較緩，抗剪一般可穩定。同時，利用土體的自重固結和堆載對地基土的固結效應，結合排水措施將回填土中的孔隙水及地基土中的（超）孔隙水逐漸排水，并達到新的力學平衡。因此可以采用天然地基做為本堆山工程基礎。

在采用天然地基施工的過程中，需要同步觀測地基沉降及水平位移。因考慮山體填筑時監測點易受影響，因此山體填筑范圍內不布置監測點。本工程在堆山區域周邊代表性部位布設10 個地面沉降監測點（埋石點）及8 個深度達到15 m 的深層水平位移監測孔（測斜孔），以確定堆山過程中地基穩定及土體抗剪情況。本工程在堆山區域周邊代表性部位布設10 個地面沉降監測點（埋石點）及8 個深度達到15 m 的深層水平位移監測孔（測斜孔），以確定堆山過程中地基穩定及土體抗剪情況。

監測點平面布置見圖1，編號分別為D01-D10和TX1-TX8。水平位移監測孔可兼做地下水位觀測點。

三角高程測量采用南方NTS-341R10A 型全站儀（NO：157889）；垂直位移監測采用DS05 自動安平水準儀（NO：361475）及配套2 m 銦鋼條紋尺；深層水平位移監測采用CX-3C 基坑測斜儀（NO:5338）。

沉降觀測根據項目布設的3 個基準點，和地面沉降監測點構成閉合水準線路，經連續3 次觀測，3個基準點及所有監測點觀測值較穩定，取其平均值作為初始值。監測時，基準點與監測點處于同一高程系統。

水平位移觀測是將測斜儀的探頭導輪放置在測斜管內，高導輪對準山體變形方向（與山體等高線垂直）；導槽為正向，按1 m 間隔記錄，正反方向各測錄一次，通訊至電腦生成深層位移圖表。

采用一定的施工措施進行山體堆筑后，得到最終沉降數據見表3。最終水平位移數據見圖2（水平位移正數代表朝山體外側位移），過程沉降數據見圖3。

表3 各沉降監測點最終沉降量

根據圖2 及圖3 各觀測點的水平位移及沉降數據可知，TX5 及TX6 觀測點深度為1 m 處水平位移較大，分別為94.30 mm，92.18 mm，。DX6 最終沉降為201.7 mm。

圖2 各水平觀測點最終水平位移數據

圖3 各沉降觀測點沉降過程

因5# 點及6# 點處為整個堆山工程最危險區域，在山體堆筑完成后未沉降穩定后進行土方開挖導致該處地基出現滑移，經監測報警后采取土方回填。所以該處位移及沉降出現較大數值。

根據測斜報告12 月份完成全面堆山后，3 月份以后各點變化速率由0.08 mm/d 到6 月份逐漸趨近與0 mm/d，最大水平位移為TX1。根據沉降觀測報告，4 月份后沉降量最大為D01 點的0.8 mm/m 至6月份為0 mm/m。因山體主要以種植苗木為主，輔以園路及平臺，該沉降量在容許范圍內，可以認為沉降收斂，趨于穩定。

5 結論

本工程通過理論分析地質條件、地基承載力計算及實際監測周邊地面沉降、水平位移觀測結果相結合，分析得到以下認識：

（1）水平位移觀測點除TX5 及TX6外，平均值為22.35 mm。地基沉降除DX6外，平均值為39.7 mm。觀測點數據遠小于理論計算最終沉降量398.5 mm，滿足工程地基沉降要求。

（2）堆山工程荷載大，地基發生固結時間較長，應合理安排施工工序及施工周期，使地基充分固結后進行下一道工序，并結合工程地質特點，采用相關措施加速地基固結，提高地基承載力，縮短工期。

（3）通過后期綠化種植后長期觀測數據分析得出，周邊地面沉降均在容許沉降范圍內，因此砂性土地區堆山工程堆筑20 多米山體時可采用天然地基進行堆筑，可為相關砂性土地區堆山工程地基處理提供類似參考。