素混凝土作為換填墊層填料對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響

高德輝，劉楊，宋翠芳

（1.濟(jì)南四建（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250031；2.山東高速綠色生態(tài)發(fā)展有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

1 引言

對(duì)于門式剛架、排架、多層框架等建筑體型簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)單一的結(jié)構(gòu)，在其地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中，當(dāng)采用天然地基淺基礎(chǔ)時(shí)，常存在局部軟弱土、回填土的情況。針對(duì)這種情況，結(jié)構(gòu)工程師一般首選換填墊層方法。換填墊層方法具有施工方便，處理效果較好，綜合造價(jià)較低的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，大部分結(jié)構(gòu)工程師會(huì)依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）第4.2.1條優(yōu)先選擇土加石或砂加石作為換填的填料，控制壓實(shí)系數(shù)大于0.97（實(shí)際工程中達(dá)到0.97的壓實(shí)系數(shù)比較困難）[1]，而且要求對(duì)換填區(qū)域做淺層平板載荷實(shí)驗(yàn)來確定地基承載力，并達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在此情況下，經(jīng)常有項(xiàng)目施工方、監(jiān)理方甚至建設(shè)方會(huì)提出選用素混凝土代替土加石或砂加石作為換填墊層的填料，從而可以避免分層壓實(shí)分層驗(yàn)收的繁瑣施工工序及平板靜載荷實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的費(fèi)用。相關(guān)規(guī)范中對(duì)采用素混凝土作為換填填料的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確的規(guī)定，采用素混凝土作為換填墊層的填料是否合理，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)又有何影響。建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的三大核心問題分別是承載力計(jì)算、變形計(jì)算、穩(wěn)定性計(jì)算，本文將從這三個(gè)方面對(duì)上述問題進(jìn)行分析。

2 承載力問題

滿足地基承載力是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的首要問題。地基承載力的不足會(huì)給主體結(jié)構(gòu)帶來主體結(jié)構(gòu)沉降、甚至傾斜等諸多危害。如何進(jìn)行承載力計(jì)算，在《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）第5.2條中有明確的說明,基礎(chǔ)底面的壓力應(yīng)符合下列規(guī)定[2]：

①軸心荷載作用

pk≤fa

②偏心荷載作用

pknax≤1.2fa

式中：

pk——相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值（kPa）

pknax——相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面邊緣的最大壓力值（kPa）

fa——修正后的地基承載力特征值（kPa）

假設(shè)換填墊層的填料采用與基礎(chǔ)同強(qiáng)度等級(jí)的素混凝土，且換填厚度、換填墊層的寬度均滿足《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）的相關(guān)規(guī)定，此種情況下fak(地基承載力特征值)的取值可以依據(jù)地勘報(bào)告，采用素混凝土墊層下持力土層的fak，整個(gè)的素混凝土墊層為一個(gè)剛性體，類似于巖石層。在確定fa時(shí)建議參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）表5.2.4注1中其他狀態(tài)下的巖石考慮，不進(jìn)行寬度修正。

很明顯，如果選用素混凝土進(jìn)行換填，完全可以將換填部分當(dāng)作基礎(chǔ)的一個(gè)擴(kuò)大端，作為基礎(chǔ)的一部分，和目前的換填墊層方法（假定墊層是基礎(chǔ)的一部分）一致[3]。真正意義上的持力層仍是素混凝土下的土層，地基承載力能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且沒有必要去做平板靜載荷實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)遇到地基受力層范圍內(nèi)存在軟弱下臥層的情況時(shí)，同時(shí)采用了素混凝土進(jìn)行了一定深度換填，也應(yīng)按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）第5.2.7-1式進(jìn)行軟弱下臥層地基承載力的驗(yàn)算[2]：

pz+pcz≤faz

pz——相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，軟弱下臥層頂面處的附加壓力值（kPa）；

pcz——軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值（kPa）；

faz——軟弱下臥層頂面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值（kPa）。

此時(shí)在確定pz時(shí)，應(yīng)考慮換填厚度內(nèi)素混凝土的容重。軟弱下臥層的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中比較復(fù)雜的問題，尤其是存在兩個(gè)或以上軟弱下臥層時(shí)，應(yīng)正確區(qū)分軟弱下臥層。對(duì)于淺層軟土厚度不大的工程，應(yīng)置換掉全部軟土，當(dāng)軟弱土層厚度較大時(shí)，應(yīng)根據(jù)下臥層土的承載力合理確定墊層厚度[4]。

3 變形問題

對(duì)于淺基礎(chǔ)地基變形的計(jì)算，地基內(nèi)的應(yīng)力分布可采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論，其最終變形量考慮沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)按照分層總和法計(jì)算出的地基變形量[2]。換填墊層地基處理方法中地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的變形問題即基礎(chǔ)不均勻沉降問題。換填墊層的填料如果選用素混凝土，素混凝土本身的壓縮性極低，例如C15混凝土的彈性模量為2.2×104MPa，在換填厚度范圍內(nèi)基本不存在變形，而未換填區(qū)域相應(yīng)深度范圍內(nèi)為持力層土層，在上部結(jié)構(gòu)荷載下存在壓縮變形。如此會(huì)帶來換填部分和未換填部分的沉降差問題。用砂石換填，控制一定壓實(shí)系數(shù)，能夠很好地調(diào)節(jié)換填區(qū)域的沉降和未換填區(qū)域的沉降差值。當(dāng)持力層為土層時(shí)，尤其壓縮模量較小的土層，采用素混凝土換填，素混凝土墊層在基礎(chǔ)豎向荷載作用下，由于其高抗壓強(qiáng)度壓縮變形極小，與未換填區(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生沉降差，此沉降差將會(huì)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時(shí)可能對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖

現(xiàn)以某工程案例來講述實(shí)際設(shè)計(jì)中，當(dāng)采用素混凝土換填時(shí)，如何對(duì)因換填產(chǎn)生的沉降差進(jìn)行初步估算。某工業(yè)園區(qū)內(nèi)一棟研發(fā)樓，二層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)平面如圖1所示。上部結(jié)構(gòu)采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院通用有限元軟件satwe分析，基礎(chǔ)采用JCCAD進(jìn)行設(shè)計(jì)。本工程地勘報(bào)告反映的各土層土質(zhì)情況如圖2所示，各項(xiàng)土層性能指標(biāo)標(biāo)于圖中。以粘土層作為持力層采用獨(dú)立淺基礎(chǔ)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，A框架柱（1軸與D軸交匯處）基底持力層較深采用C15素混凝土進(jìn)行換填，按照其余基礎(chǔ)基底標(biāo)高，此處基槽需要換填1.5m深度。框架柱A和框架柱B基底下土層剖面情況詳見圖3所示。

圖2 地基巖土層物理力學(xué)指標(biāo)及設(shè)計(jì)參數(shù)

按照地勘報(bào)告建議的2層粘土的天然地基承載力特征值經(jīng)深寬修正后,確定的框架柱A基礎(chǔ)尺寸為2500mm×2500mm；框架柱B（1軸與B軸交匯處）基礎(chǔ)尺寸為3200mm×3200mm。

3.1 框架柱A基底沉降計(jì)算

在JCCAD中讀取準(zhǔn)永久組合工況下，框架柱A最大軸力，以此計(jì)算相應(yīng)于作用的準(zhǔn)永久組合時(shí)基礎(chǔ)底面處的附加壓力P0=53kPa,依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）第 5.3.6條及表5.3.5規(guī)定確定沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

圖3 框架柱A、B基底下土層分布

矩形面積上均布荷載作用下角點(diǎn)的平均附加應(yīng)力系數(shù)

矩形面積上均布荷載作用下角點(diǎn)的平均附加應(yīng)力系數(shù)

?

3.2 框架柱B基底沉降計(jì)算

在JCCAD中讀取準(zhǔn)永久組合工況下，框架柱A最大軸力，以此計(jì)算相應(yīng)于作用的準(zhǔn)永久組合時(shí)基礎(chǔ)底面處的附加壓力P0=65kPa,依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）第 5.3.6條及表5.3.5規(guī)定確定沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

3.3 沉降差值的判斷

依據(jù)本項(xiàng)目地質(zhì)勘察報(bào)告顯示2層黏土屬于中壓縮性土。《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）表 5.3.4中規(guī)定：當(dāng)?shù)鼗令悇e為中、低壓縮性土?xí)r，工業(yè)與民用建筑相鄰柱基的沉降差（框架結(jié)構(gòu)）應(yīng)控制在之內(nèi)，為相鄰柱基的中心距離（mm）。

綜上可以初步判斷此案例如果采用C15素混凝土進(jìn)行換填，相鄰柱基的沉降差值不能滿足規(guī)范要求，建議采用土夾石換填，并復(fù)合相鄰柱基沉降差、增設(shè)短柱加大A處基礎(chǔ)埋深。

實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，基底下土層地質(zhì)情況千變?nèi)f化。對(duì)于基底下持力層為土層時(shí)，尤其壓縮模量較低的土層，當(dāng)采用素混凝土換填時(shí)，一定要注意復(fù)核相鄰柱基之間的沉降差能否滿足規(guī)范要求。沉降差值的大小與換填深度、柱基之間的相鄰距離、基底下土層分布有著直接關(guān)系。當(dāng)換填深度較深、柱基之間的相鄰距離較小、基底下土層壓縮模量較小時(shí)，相鄰柱基之間的沉降差較難滿足規(guī)范要求。

對(duì)于基底下持力層為微風(fēng)化等巖石層時(shí)，建議直接采用素混凝土進(jìn)行換填。

4 穩(wěn)定性問題

當(dāng)遇到坡地建筑、山區(qū)建筑時(shí)，如果存在局部基礎(chǔ)持力層較深的情況，仍然采用換填墊層的地基處理方法，很容易破壞土體的整體性，從而改變圓弧滑動(dòng)面的位置，引起地基穩(wěn)定性的破壞。這時(shí)地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)不能忽略地基穩(wěn)定性的驗(yàn)算。

地基的穩(wěn)定性一般可采用圓弧滑動(dòng)面法進(jìn)行驗(yàn)算。對(duì)于位于穩(wěn)定土坡坡頂上的建筑，當(dāng)采用條形基礎(chǔ)或矩形基礎(chǔ)時(shí)應(yīng)滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）第5.4.2條的相關(guān)規(guī)定。所以對(duì)于位于邊坡邊緣的淺基礎(chǔ)，不建議采用換填墊層的地基處理方法，可以采用增設(shè)短柱加大基礎(chǔ)埋深達(dá)到基礎(chǔ)落在持力層上的目的,而且還更容易滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）第5.4.2條的相關(guān)規(guī)定，起到立竿見影的效果。

5 總結(jié)

從承載力、變形、穩(wěn)定性以上三個(gè)方面來看，采用素混凝土作為換填的填料在某些情況下是可行的。當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)丙級(jí)，換填區(qū)域較少，且持力層土層壓縮模量較大或?yàn)閹r石層時(shí)，可采用素混凝土換填，此時(shí)也沒必要要求做平板靜載荷實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)。

當(dāng)采用素混凝土換填量相對(duì)較大時(shí)，為節(jié)省造價(jià)，可以采用毛石混凝土。但在施工時(shí)，應(yīng)先澆筑混凝土，然后采用拋石法，避免常規(guī)施工方法由于毛石堆積，素混凝土無法澆筑密實(shí)而形成的空洞存在地基缺陷。

換填墊層的地基處理方法其核心還是變形問題，對(duì)于大面積換填，應(yīng)采用有限元方法進(jìn)行計(jì)算。