某高層建筑地基不均勻沉降原因分析

段海斌

(中國有色金屬工業西安勘察設計研究院，陜西西安 710054)

0 引言

近年來，高層建筑在各大城市已屢見不鮮。然而由于設計單位在設計前對地基情況了解不夠，以及設計人員技術水平、經驗的差異等因素，使得建筑物施工后出現各種工程問題，如地基不均勻沉降造成建筑物傾斜問題。

文章通過對某高層建筑不均勻沉降原因的分析，為地基基礎設計者提供一些實踐經驗。

1 工程概況

某高層住宅樓地上33層，建筑高度96．2 m，剪力墻結構，梁板式筏形基礎，基坑開挖深度約7．0m，設計基底壓力550 kPa。筏板基礎下部為素混凝土樁復合地基，樁徑350，樁長13 m～15 m，等邊三角形布樁，樁間距1 600 mm，樁排距1 385 mm。樁端持力層位于⑤層，⑦層粉質粘土及⑥層中粗砂層。

建筑物北臨3層會所，南側東段為2層商業，南側西段及西側均為2層地下車庫，東側為規劃道路。會所及地下車庫均采用梁板式筏形基礎，天然地基。北側3層會所與主樓基礎斷開并相隔約1．8 m，主樓與地下車庫之間設置沉降后澆帶，后澆帶寬度0．8 m。 ±0．0 標高390．80m，室外地面標高390．00m，主樓基礎底面標高382．90 m，會所、商業及地下車庫基礎底面標高383．30 m。主樓筏板厚度800mm，梁高1 200 mm，梁寬600 mm;會所、商業及地下車庫筏板厚500 mm，梁高700 mm。基礎混凝土強度等級為C30。建筑物平面分布圖見圖1。

圖1 建筑物平面圖

該樓于2011年5月建成封頂，2011年11月施工單位安裝電梯時，發現主樓向北側傾斜。2011年12月20日傾斜測量結果表明該樓主體傾斜率最大為2．33‰，平均主體傾斜率為2．21‰，接近規范規定的2．5‰要求。

2 場地工程地質條件

2．1 地形、地貌

場地地貌單元屬浐河一級階地，室外地坪高程介于389．20 m～389．35 m，地下室底面標高為 384．4 m。

2．2 地層

①-1房芯回填土:上部15 cm為地下室混凝土板，下部以粘性土為主，中密，層厚0．70 m。②混凝土筏板基礎:層厚1．0 m，下部約0．2 m為砂石褥墊層。③粉質粘土:含有機質，偶含砂卵礫石，可塑，分布于北側筏板下部，層厚1．20 m～1．70 m。④卵石:主要為變質巖，粒徑為20 mm～80 mm，空隙間充填約40%粗礫砂，稍密 ～ 中密，層厚1．90 m ～5．40 m。④-1粗礫砂:稍密，層厚1．70 m～2．00 m。⑤粉質粘土:可塑 ～硬塑，層厚6．90 m ～13．00 m。⑥中粗砂:稍密 ～中密，層厚0．60 m ～3．70 m。⑦粉質粘土:硬塑，層厚0．50 m ～5．00 m。⑧中粗砂:中密，層厚 0．80 m ～3．90 m。⑧-1圓礫:主要為變質巖，粒徑為2 mm～15 mm，空隙間充填約40%粗礫砂，中密～密實，層厚1．60 m。⑨粉質粘土:可塑～硬塑，層厚12．50 m ～18．10 m。⑨-1粗砂:中密 ～ 密實，層厚1．70 m。⑩中粗砂:密實，層厚1．60 m ～5．40 m。?粉質粘土:硬塑，層厚5．30 m ～9．20 m。

2．3 地下水

地下水穩定水位深度在室外地坪以下約8．0 m，屬潛水類型，水位年變化幅度約2．0 m。

3 復合地基強度及沉降計算

3．1 下臥層強度驗算

根據場地地層條件及建筑物地基處理情況，該樓素混凝土樁復合地基樁端下臥層為⑤層，⑦層粉質粘土及⑥層中粗砂，屬不均勻地基，強度驗算簡圖見圖2。

圖2 復合地基下臥層驗算簡圖

1)下臥層為⑤層及⑦層粉質粘土。

根據GB 50007-2011建筑地基基礎設計規范式5．2．7-3:

(式中符號意義詳見規范)。

計算下臥層為⑤層及⑦層粉質粘土時頂面處的附加壓力值。

其中，l=38 m;b=24 m;Pk=550 kPa;z=15 m;φ =24°;Pc=19 ×7=133 kPa。計算得 Pz=340．4 kPa。

根據GB 50007-2011建筑地基基礎設計規范式5．2．4:fa=fak+ηdγm(d-0．5)(式中符號意義詳見規范)。

計算下臥層為⑤層及⑦層粉質粘土時修正后的地基承載力特征值。

其中，fak=180 kPa;ηd=1．6;d=7+15-6=16．0 m(考慮地下室開挖卸載);dw=8．0 m;γm=［8×19+(7+15-8)×(19-10)］/22=12．6 kN/m3。計算得 fa=492．5 kPa。

下臥層頂面處土的自重壓力:

則 Pz+Pcz=340．4+278．0=618．4 kPa ＞ fa=492．5 kPa。

所以，當復合地基樁端位于⑤層及⑦層粉質粘土中時，下臥層強度不滿足規范要求。

2)下臥層為⑥層中粗砂。

fak=220 kPa，ηd=3．0，d=16．0 m(考慮地下室開挖卸載)，dw=8．0 m，γm=12．6 kN/m3。計算可得 fa=805．9 kPa。則 Pz+Pcz=618．4 kPa ＜ fa=805．9 kPa。

所以，當復合地基樁端位于⑥層中粗砂中時，下臥層強度滿足規范要求。

3．2 沉降變形計算

沉降變形計算主要在于復合土層壓縮模量Esp的確定，用兩種方法進行對比確定。

1)根據JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范式9．2．8-1確定:

其中，ζ=fspk/fak(式中符號意義詳見規范)。

計算第③層粉質粘土、④層圓礫及⑤層粉質粘土的復合地基的壓縮模量分別為 Esp③=11．5 MPa，Esp④=57．1 MPa，Esp⑤=14．6MPa。

2)采用經驗公式確定:

其中，Es為天然地基的壓縮模量，MPa;Ep為樁體壓縮模量，MPa，取樁體抗壓強度的100倍;m為面積置換率。

計算復合地基的壓縮模量為Esp≈2 700 MPa。

本工程素混凝土樁樁身強度為C25，其壓縮模量(2．8×104MPa)非常高，而樁間土的模量很小，兩種材料并聯受力，起主要作用的應是素混凝土樁，因此復合地基壓縮模量采用Esp=2 700．0 MPa進行評價，比較符合實際。

表1 材料基本參數

采用三維有限元法計算地基變形時，按地基土應力、應變分析的要求，各種材料計算參數值如表1所示。

模擬建筑物的實際工況，考慮基坑開挖、建筑加載及相鄰建筑影響等因素，采用三維有限元法對建筑物的地基變形進行計算，見圖3，圖4。

圖3 基礎沉降量等值線圖（Uy max=308.60mm）

圖4 A—A′剖面y方向應力分布等值線圖

據圖3可知:地基最大沉降量 308．6mm，最小沉降量237．1mm，平均沉降量為 272．9 mm，沉降量大于規范規定的200 mm要求，整體傾斜為0．297 9%，傾斜也大于規范規定的0．25%的要求。

據圖4，圖5可知，建筑物北側素混凝土樁樁端部位發生明顯的應力集中現象，最大剪應力達242．89 kPa，遠大于下臥層的抗剪強度，必然會在該部位發生剪切破壞。

圖5 A—A′剖面yz平面剪應力分布等值線圖

4 結語

根據上述理論計算分析可知，該建筑采用樁長為13 m～15 m的素混凝土樁復合地基進行地基處理，其地基下臥層承載力及變形均不能滿足規范規定的要求，且北側筏板基礎下部存在相對軟弱土層(可塑狀灰黑色粉質粘土)，素混凝土樁復合地基樁端地基持力層不均勻，因此建筑物在建成封頂后產生不均勻沉降也就在情理之中，必須對其采用相應的地基加固處理方案。

［1］JB 5007-2010，建筑地基基礎設計規范［S］．

［2］JGJ 79-2002，建筑地基處理技術規范［S］．

［3］陳希哲．土力學地基基礎［M］．第4版．北京:清華大學出版社，2004．

［4］常士驃，張蘇民．工程地質手冊［M］．第4版．北京:中國建筑工業出版社，2007．