軟弱地基上地面堆載設(shè)計與施工案例

[摘要]廠房或倉庫，往往有地面堆載（貨物）的問題；在軟土地基上興建的廠房或倉庫，其軟弱土地基必須做相應(yīng)加固處理。本文以廣東省湛江市（沿海軟弱土地區(qū)）某工程為例，介紹了軟弱土地基地面堆載的設(shè)計與施工。

[關(guān)鍵詞] 軟弱土地基 地面堆載 設(shè)計施工

一、 前言

工程中常遇見大面積地面堆載的地基處理問題。一類情況是地面堆載較輕，對地面平整度又不能完全忽視時的地基處理問題。

另一類情況是大噸位的大面積地面堆載，如100kN/㎡、200 kN/㎡，且對地面平整度不作過高要求。在這種情況下只要柱下采用樁基礎(chǔ)，則地面通常不用采取地基處理措施，至多要考慮地面堆載是否會導(dǎo)致柱下樁基礎(chǔ)的負(fù)摩阻力。

在實際設(shè)計與施工中，當(dāng)大面積地面堆載為10kN/㎡以下時，地面一般均可考慮采取地基處理措施；但當(dāng)大面積地面堆載達(dá)到30—40kN/㎡時，地面是否應(yīng)采取地基處理措施就是個難題。這個難題實際上并非技術(shù)問題，而是如何設(shè)計出既經(jīng)濟(jì)又安全的地基處理方案的問題。

二、工程實例

（一）.背景資料

1.工程概況：單層工業(yè)廠房，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，單柱軸力約800kN，跨度21m，柱距9m，設(shè)有20t行車，總面積約18000㎡。廠房內(nèi)地面大面積均布荷載30kN/㎡。

2.地質(zhì)報告： 擬建場地在35.0m深度范圍內(nèi)的地基土均屬第四紀(jì)全新世與上更新世沖積沉積物，粉質(zhì)黏土“硬殼層”埋層較深，土質(zhì)均勻，可塑一軟塑，中壓縮性；1.9m厚的粉質(zhì)黏土

“硬殼層”以下為15m厚的淤泥質(zhì)黏土，強度低，屬高壓縮性、高靈敏度、低強度地基土，工程性質(zhì)差，為天然地基的主要壓縮層；第5—2與5—3層土屬中等壓縮性土，工程性質(zhì)較好，可作為以摩擦為主的樁基持力層。該工程地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表一

地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo) 表一

（二）.地基基礎(chǔ)設(shè)計

該工程地質(zhì)勘察報告的“結(jié)論與建議”認(rèn)為，廠房柱下可采用預(yù)制樁，樁長65m，直徑400mm，單樁承載力特征值為500kN，以第5—2層土為樁

端持力層。對于廠區(qū)地面大面積均布荷載30kN/㎡，該工程地質(zhì)勘察報告認(rèn)為，由于第3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與第4層淤泥質(zhì)黏土的總厚度為15m，均為飽和、流塑、高壓縮性土，地基承載力特征值為55～60kPa，壓縮模量約為3.3MPa；而表層“硬殼層土厚度僅0.8m，地基承載力特征值為70kPa，壓縮模量為6MPa；大面積地面均布堆載30kN/㎡的沉降影響范圍及深度較大，因此對于大面積地面均布堆載采用天然地基不能滿足要求，建議采用復(fù)合地基進(jìn)行處理。

三種地基處理方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較 表二

該工程基礎(chǔ)的最大特點有二：第一，廠區(qū)地面有30kN/㎡的大面積均布堆載。第二，最大樁荷載僅750kN，但由于運行20t行車，故柱底水平荷載與彎矩均較大；

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，設(shè)計上對于廠區(qū)地面采用直徑500mm、長度16m的水泥攪拌樁進(jìn)行地基處理，間距1.3mXl.3m。廠房中柱下布置4根直徑500mm、長度26m

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁，邊柱下布置2根直徑500mm、長度26m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁，單樁承載力特征值為500kN。

（ 三）.問題的出現(xiàn)

業(yè)主認(rèn)為：首先，單層鋼結(jié)構(gòu)屋蓋工業(yè)廠房的柱底最大荷載僅750kN，卻布置了3—4根預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁，承載力高達(dá)1500～2000kN，為柱底最大荷載的2～3倍。總之，業(yè)主認(rèn)為整個廠房的基礎(chǔ)造價太高而且無法滿足施工工期的要求；其次，廠區(qū)地面若采用水泥攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行處理，僅水泥攪拌樁造價就高達(dá)50～60萬元，而且水泥攪拌樁的施工時間約需30d，其與預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁

的施工有一定沖突，因此極大地影響了整個工程的預(yù)定工期，這是業(yè)主完全不可能接受的。

（四）.方案優(yōu)化

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，業(yè)主方認(rèn)為該工程屬于柱底垂直荷載較小，水平荷載與柱底彎矩較大的情況，為平衡柱底較大彎矩，設(shè)計人員采用多樁承臺樁基礎(chǔ)是合適的。但可

以用承載力較小的沉管灌注樁或同樣樁長的小方樁來代替，并優(yōu)化布樁形式，預(yù)計可降低樁造價的1/3左右。樁基礎(chǔ)優(yōu)化方案如下：當(dāng)中柱柱底軸力標(biāo)準(zhǔn)1000kN，柱底彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為1400kN·m時，中柱下原布置4根直徑500mm，長25m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁，單樁承載力特征值為500kN，可改為中柱下布置3根直徑400mm，長25m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁，單樁承載力特征值為400kN，通過調(diào)整3樁之間的樁距來平衡柱底彎矩。

當(dāng)中柱柱底軸力標(biāo)準(zhǔn)1800kN，柱底彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為880kN·m時，中柱下原布置4根直徑500mm，長度25m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁，單樁承載力特征值為500kN，可改為中柱下布置3根直徑500mm，長30m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁，單樁承載力特征值為620kN，通過調(diào)整3樁之間的樁距來平衡柱底彎矩。

邊柱下布置2根直徑400mm，長25m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁，單樁承載力特征值為400kN，通過調(diào)整2樁之間的樁距來平衡柱底彎矩。樁距的調(diào)整參見圖一

軸單柱4樁，柱底軸力標(biāo)準(zhǔn)為1800KN，柱底彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為880km-m，單樁承載為特征值620Kn，改為單柱3樁。

圖一 兩組柱底軸力與柱底彎矩條件下的優(yōu)化布樁形式

軸單柱4樁，柱底軸力標(biāo)準(zhǔn)為1000KN，柱底彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為1400km-m，單樁承載為特征值620KN，改為單柱3樁。

對于場地大面積堆載的處理，《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施——結(jié)構(gòu)》第2章第2.9.3條指出：當(dāng)?shù)孛娑蚜陷^大時，應(yīng)考慮堆料對地基不均勻沉陷的影響。若地面等效均布荷載小于表的數(shù)值，可以不考慮堆料對地基不均勻沉陷的影響。

四、調(diào)整與處理

湛江地區(qū)的表層粉質(zhì)黏土“硬殼層”的厚度一般為2—3m，可塑一軟塑狀態(tài)，是淺基礎(chǔ)的良好持力層。設(shè)計基礎(chǔ)時保留硬殼層，可以有效地保護(hù)下臥軟土層免受擾動，減少建筑物的沉降變形。

根據(jù)十字板剪切強度與深度的關(guān)系判斷，地區(qū)表層粉質(zhì)黏土“硬殼層”屬超固結(jié)土，這種超固結(jié)狀態(tài)與粉質(zhì)黏土“硬殼層”曾是地面有關(guān)。而地區(qū)地面以下10m范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土層屬輕微超固結(jié)土層（平均超固結(jié)比OCR=1.10）。其超固結(jié)狀態(tài)可能是環(huán)境變化特別是氣候條件（如干燥、蒸發(fā)等）非超載因素所致。因此，根據(jù)地區(qū)多年工程實踐經(jīng)驗，即使是大面積堆載，只要不大于30kN/㎡，在土的前期固結(jié)壓力左右，此時作用在粉質(zhì)黏土“硬殼層”之下淤泥質(zhì)黏土上的附加壓力也未超過淤泥質(zhì)黏土的天然結(jié)構(gòu)強度，地面沉陷就不至于很大；而當(dāng)?shù)孛娲竺娣e堆載超過40kN/㎡左右時，應(yīng)考慮采取地基處理措施。

具體到本案例的具體情況，業(yè)主方建議補充進(jìn)行地面以下10m之內(nèi)的十字板剪切試驗，進(jìn)一步了解粉質(zhì)黏土“硬殼層”之下淤泥質(zhì)黏土的物理力學(xué)性質(zhì)，可由丌C。計算得到淤泥質(zhì)黏土的天然結(jié)構(gòu)強度C。為根據(jù)十字板剪切試驗求得的抗剪強度。

通過優(yōu)化設(shè)計，本案例的基礎(chǔ)共降低造價近100萬元，折合每平方米約50元。

此外，對于最大單柱軸力750kN的單層鋼結(jié)構(gòu)屋蓋廠房，提出了單樁承載力特征值達(dá)到500kN左右的樁型，也欠考慮，造價偏高；本案例還有20t行車，柱底水平荷載較大，選用單樁承載力較小的多樁承臺樁基礎(chǔ)較為合理。

【參考文獻(xiàn)】

1、 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GB50007-2011）

2、 建筑樁基技術(shù)規(guī)范 （JGJ 94-2008）

[作者簡介] 謝衍航，男，1976年生，現(xiàn)為建筑施工工程師，研究方向為房屋建筑工程施工與管理。