蘇州某廠房沉降原因分析與設計建議

王肖巍 汪 旭 王志美

(重慶大學城市科技學院土木工程學院，重慶 402160)

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蘇州某廠房沉降原因分析與設計建議

王肖巍 汪 旭 王志美

(重慶大學城市科技學院土木工程學院，重慶 402160)

通過現場勘查，采取隨機取樣和樁—土結構有限元模擬等方法，從地質條件、結構設計、施工質量和氣候影響等多方面因素分析了蘇州某廠房在軟土地基下常年發生不均勻沉降的原因，并提出了軟土地基下廠房設計的一些意見。

不均勻沉降，軟土地基，有限元分析

1 工程概況

該工程建成于2007年，由辦公區和生產廠房組成，總長度126 m，總寬度124.2 m，總高度12 m，占地面積16 193.3 m2。

辦公區為三層鋼筋混凝土結構，基礎采用柱下獨立承臺加高強預應力混凝土管樁。生產廠房為3跨～5跨單層鋼結構排架，最大跨度33 m；基礎采用鋼柱下獨立承臺加高強預應力混凝土管樁；廠房地坪下地基采用水泥土攪拌樁進行加固，水泥樁直徑500 mm，長度分為8 m和12 m兩種，間距1 100 mm～1 300 mm，8 m樁單樁承載能力83 kN，12 m樁單樁承載能力123.8 kN，全場地分布，加固后復合地基承載力特征值為57 kPa。

該工程于2007年1月16日竣工投入使用至今，在生產過程中該廠房⑥軸～⑧軸/軸～軸地坪局部出現明顯不均勻沉降現象，柱腳附近地面以及防火墻均存在開裂情況，地坪經多次維修加固后仍存在不均勻沉降現象。

2 工程地質條件與基礎對不均勻沉降的影響

2.1 工程地質條件對不均勻沉降的影響

根據地質勘察資料，廠區場地一般地面標高為2.19 m～2.93 m，相對高差為0.74 m，場地較平坦。場地及其附近不存在采空區、危巖、滑坡等影響工程穩定性的不良地質作用。場地地基主要由粘土、粉土組成，按其工程特性從上到下分為14個層次。該廠區土層復雜，其具體表現如下：

1)地面以下第③層土為淤泥質粉質粘土，厚度較大(平均4.8 m)，且分布不均勻(1.5 m～7.5 m不等)，該土層呈流塑狀，且壓縮模量較低，對基礎的不均勻沉降將帶來不利影響；2)整個基礎下臥層土層含水量和孔隙比均高，且平均壓縮模量很低(為5 MPa左右)，均對不均勻沉降帶來不利影響；3)地下水位淺，穩定水位0.80 m～0.90 m，標高1.60 m～1.93 m，地下水位變化也會引起地面不均勻沉降。

因此不利的地質條件是廠房地面發生不均勻沉降的先天條件。

2.2 不同基礎對不均勻沉降的影響

廠房主體結構鋼柱采用承臺+預制混凝土管樁獨立基礎。承臺采用C30混凝土，矩形，每個承臺下設置兩根預制混凝土管樁；預制混凝土管樁采用C30混凝土，直徑500 mm，長度23 m，獨立基礎承臺平面廠房地坪下地基采用水泥土攪拌樁進行加固，水泥樁直徑500 mm，長度分為8 m和12 m兩種，間距1 100 mm～1 300 mm，全場地分布。

因廠房主體鋼柱采用承臺+鋼筋混凝土管樁，而地坪僅用水泥攪拌樁復合基礎，在豎向作用下兩種基礎下的地基變形不一致。當兩種基礎間未設置沉降縫時，可能導致廠房地面的不均勻沉降。

2.3 有限元計算分析

在⑤軸承臺處施加上部結構傳下來的集中荷載標準值，在地坪處施加均布荷載，分析地面受設計均布荷載作用下的不均勻沉降值，地坪水泥攪拌樁長度考慮12 m，9 m，6 m，3 m，1.5 m和無水泥樁6種情況，分析水泥攪拌樁長度對地面不均勻沉降的影響，其ANSYS分析模型如圖1所示。

均布荷載下水泥攪拌樁長度分別取12 m，9 m，6 m，3 m，1.5 m和無水泥樁時⑤軸～⑧軸間地面沉降量曲線如圖2所示(圖中軸線⑤處承臺為橫坐標21點，⑥處承臺為橫坐標61點，軸線⑦處承臺為橫坐標127點，軸線⑧處承臺為橫坐標193點)。

表1 主要節點最大沉降量統計表

位置最大沉降量/mm無樁樁長1.5m樁長3m樁長6m樁長9m樁長12m⑤軸承臺18.0518.5018.7518.8018.8019.95⑥軸承臺31.5532.6032.9533.0632.0532.65⑦軸承臺36.1037.4038.4038.8537.7538.01⑧軸承臺19.3120.0120.8020.0220.2521.25⑤軸^⑥軸地坪59.8555.5050.1441.6935.8135.43⑥軸^⑦軸地坪74.9174.3069.9758.7549.5647.28⑦軸^⑧軸地坪73.1372.3667.9656.4446.5844.25

主要節點處沉降量數據統計表如表1所示。

從圖2與表1可以看出：

1)在均布荷載下，地坪的沉降量大于承臺的沉降量，產生了不均勻沉降，最大不均勻沉降發生在⑦軸、⑧軸承臺與地坪之間；

2)⑤軸和⑧軸承臺沉降量僅為⑥軸、⑦軸沉降量的一半左右，造成了主體結構的不均勻沉降；

3)無論地基處理深度多少，廠房地面均有沉降發生；主體結構地基沉降受地坪地基處理深度的影響不大，但對地坪沉降影響大。

通過以上分析，得出以下幾點結論：

1)樁長攪拌樁地基處理深度越大，地面沉降量越??；

2)廠房主體結構基礎為承臺+混凝土預制管樁，廠房地坪為水泥攪拌樁加固的復合基礎，這兩者不同類型的基礎，使得地坪沉降量大于承臺沉降量，造成了不均勻沉降；

3)水泥攪拌樁地基處理深度增加，有利于減少廠房地面的沉降量，有利于減小主體結構基礎與地坪基礎類型不同引起的地面沉降差；

4)廠房主體結構柱所受豎向荷載不同(如邊柱⑧軸所受豎向荷載為中柱⑦軸的一半左右)使得主體結構基礎的沉降不同，也加大了地面不均勻沉降。

3 施工質量對不均勻沉降的影響

廠房地坪下地基采用水泥土攪拌樁進行加固，水泥樁直徑500 mm，間距1 100 mm～1 300 mm，樁長有8 m和12 m兩種。

2008年廠房地面發生不均勻沉降后，委托方委托第三方檢測單位對廠房沉降較大區域⑥軸～⑧軸/軸～軸的地坪及水泥攪拌樁進行了施工質量抽樣檢測，檢測內容和結果如下：

1)地坪面層混凝土厚度、強度，檢測結果表明均符合設計要求。

2)檢測結果表明鋼筋直徑符合設計要求，鋼筋網實測間距略大于設計值。鋼筋網只起混凝土地坪抗裂作用，所以不會對不均勻沉降造成不利影響。

3)水泥攪拌樁質量檢測，其具體檢測結果如下(選?、掭S～⑧軸間沉降比較大地坪處3根編號為584號，2 772號和3 035號的水泥攪拌樁作質量檢測)：

從3根水泥攪拌樁的檢測報告中可以看出，水泥攪拌樁僅在584號樁端0.8 m以上、2 772號樁端1.2 m以上、3 035號樁端1.3 m以上，發現數段柱狀水泥土，其余部分均為散狀土，其完整性較差。

故水泥攪拌樁的地基處理深度可能會影響廠房地面的不均勻沉降程度。

4 氣候與地面沉降的關系分析

該廠房位于蘇州工業園區，地下水位平均埋深為0.8 m～0.9 m，年變幅為1 m～2 m。根據蘇州市的氣象資料，蘇州全市1956年—2009年平均雨量分配如圖3所示。

從圖3中可以看出，蘇州地區降水各月份分配不均，降水集中在夏秋季，春冬兩季易發生干旱，易造成地下水位線的下降，地下水位線下降則容易引起地基土孔隙比增加，壓縮模量急劇降低，如水泥攪拌樁處理不當，很容易加大地基沉降。

根據《蘇州市統計年鑒》統計得到蘇州市2006年—2011年年降水量柱狀圖，如圖4所示。

1)2007年年降水量低于平均降水量，其冬季和2008年春季降水量明顯偏少，故可能會加大廠房地坪的沉降量，該廠房2008年夏發現不均勻沉降嚴重，故時間點比較吻合；2)2008年10月～2009年3月，蘇州發生30年一遇冬春連旱，一部分航道水位降至50年最低，故此期間廠房下地基地下水位線會明顯下降，可能會加大地基沉降量；3)2010年8月～2011年5月19日，蘇州降水總量不足常年同期的一半，為蘇州60年一遇特大旱災，可能是造成2010年年底廠房再次發生不均勻沉降的原因之一。

綜上所述，每當正值干旱或特大旱災，廠房的沉降量會急劇增加，正常的廠房沉降曲線應該是先快后慢，然后趨于平穩，而本工程廠房的沉降曲線隨氣候變化有多次波動，每當旱季沉降增加，雨季又趨于平緩，說明廠房的沉降可能和氣候因素有很大的關系，且水泥攪拌樁復合地基的處理質量對在地下水位線下降過程中的地面沉降有較大影響。

5 軟土地基下廠房設計建議

綜上所述，在軟土地基下工程地質情況、廠房設計、施工及氣候條件均可能成為造成廠房不均勻沉降的因素，故在此提出設計建議如下：

1)主體結構基礎下應做鋼筋混凝土樁，樁長應穿過軟土層并放到堅硬土層或基巖上，確保主體結構不發生不均勻沉降。

2)在生產廠房主體結構基礎和廠房地坪基礎間設置沉降縫，減少不同基礎類型所引起的廠房地基不均勻沉降量。

3)當設備荷載較大時，宜設置單獨的基礎，并按相關規范設置沉降縫與地坪基礎斷開。

4)軟土地基應做地基加固措施時，加固深度應大于地下水最大深度，防止地下水深度變化引起地基沉降。

5)在實際使用中應該按照設計均布合作的承載能力堆放設備和原材料等，盡量避免局部設備或原材料過重導致該處地坪超過設計均布承載能力的荷載，造成不均勻沉降。

[1]折學森.軟土地基沉降計算.北京：人民交通出版社,1998.

[2]王春明.多層磚混住宅水泥攪拌樁復合地基沉降觀測與分析.天津：天津大學碩士學位論文,2003.

[3]侯學淵,楊 敏.軟土地基變形控制設計理論和工程實踐.上海：同濟大學出版社，1996.

[4]于曉曦.沉降預測的三種方法.建筑技術開發,2004，31(5)：118-119.

[5]黃紹銘,高大釗.軟土地基與地下工程.第2版.北京:中國建筑工業出版社,2005.

The causes of uneven settlement long-term of certain factory building in Suzhou and reference suggestion of design

Wang Xiaowei Wang Xu Wang Zhimei

(CivilEngineeringCollegeofCityCollegeofScienceandTechnologyofChongqingUniversity，Chongqing402160,China)

The causes of uneven settlement long-term of certain factory building which was on soft foundation in Suzhou from geological conditions, structure design, construction quality, climate impact and so on were analysised by scene investigation, random sampling and finite element analysis in this paper. Reference suggestion of design of factory building which was on soft-soil foundation was proposed in this paper.

uneven settlement， soft-soil foundation， finite element analysis

1009-6825(2015)21-0068-03

2015-05-12

王肖巍(1984- )，男，助教

TU471.8

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