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回填土地基沉降如何预防和处理?

401 2020-08-06 10:53:34




引言



脚踏“实”地——一个耳熟能详的成语,意思是脚踏在坚实的土地上,比喻人做事要踏实、认真。人如此,建筑更是如此。

建筑设计及施工过程中,部分项目因施工周期紧张、施工作业面局促,回填土填料进料困难,材料质量及施工质量不规范等各种因素,引起后期地面沉降(如基坑肥槽回填区域),造成地面道路、景观、门厅、台阶、散水、管道等位置持续下沉甚至开裂,影响小区及建筑物的正常使用。

回填土的沉降持续时间长、后期处理难度大、费用高,因此需要我们提前关注。本文研究回填土沉降的原因,从设计和施工两个角度入手,分析如何预防或减少回填土地面沉降及地面发生沉降后的处理措施,为解决回填土地面沉降问题提供参考。




图 1 回填土区域地基沉降问题



一、回填土沉降原因


解决回填土沉降,必须首先明确沉降的原因,找到原因才能按方抓药,有的放矢。回填土沉降主要有下述原因:


1.  土密实度不够


回填土沉降的最大原因就是回填土的密实度不够,施工过程中未对回填土进行分层夯实或未达到设计要求的压实系数。


图 2 土的三相组成


自然界的土是由土粒、土中水、土中气组成,自然状态下一般经历长期自沉压缩方可达到密实状态,经过开挖后其体积因松散而增加,在回填过程中,经过分层碾压、夯实,可最大限度的压缩松散土的体积,但夯实后的回填土体积虽接近但仍大于自然状态下的土体体积,这种现象称为土的可松性。


表 1 土方可松性系数


从上表可知,分层夯实的填土和松散的填土体积差20%左右,完全未夯实的填土地面最终沉降量将达到回填深度的20%左右,所以分层夯实能有效减少后期回填土的沉降量,也是最有效、最经济的控制回填土沉降的方法。


2.  回填土填料不符合质量要求

实际施工过程中回填土材料可能掺杂淤泥、耕土、冻土、膨胀土、湿陷性黄土及生活垃圾等,掺杂上述材料的回填土具有高压缩性,并具有高含水率、触变性、流变性、不均匀性等不利特性。湿陷性黄土受水浸湿后结构迅速破坏,强度降低,产生显著附加下沉。作为建筑地基的冻土,当土中水冻结时,其体积约增加原水体积的9%,这种膨胀作用会破坏地基土的稳定性,造成地基基础的不均匀沉降。而对于很软的土,尤其是土中含有一些有机质(如胶态腐殖质等),次固结沉降同样不可忽视。

回填土的填料应严格按照设计要求选用,禁止上述土质作为填料施工。



3.  回填土的固结沉降


地基的最终沉降量通常是由三个部分组成:瞬时沉降+固结沉降+次固结沉降。


饱和黏土在外荷载作用下,土体内部水、气缓慢地排出,体积逐渐减小,在土体自重作用下沉降趋于稳定,这一现象称为土体的固结。


干净砂土孔隙水挤出很快,且次固结现象不显著,所以沉降量几乎全在加载后即使发生。


一般建筑物在施工期间完成的土体固结沉降量与最终沉降量的关系,对于砂土地基基本相当,对于低压缩黏土地基已完成50%~80%,对于中压缩性黏土地基已完成20%~50%,对于高压缩性黏土已完成5%~20%。


对要求严格控制沉降的回填土区域,可采用砂土材料,避免固结沉降的影响。



二、回填土地基沉降的预防


地面沉降引起的结构下沉及开裂是建筑质量的硬伤,且后期处理起来难度大,因此需在设计和施工过程中充分考虑以避免地面沉降的不利影响,主要措施和建议如下:


1.主楼下回填土地基在设计及施工阶段一般比较重视,通常采用分层碾压、强夯、CFG桩、振冲碎石桩等地基处理措施,并现场实测处理后的回填土地基承载力,以满足设计要求;或采用桩基础,穿越回填土层,将回填土层下坚硬土层作为桩端持力层等措施。


2.基坑开挖后,肥槽回填土区域内的阳台、入口大堂、门廊、道路等建筑部位需格外引起注意。


1)基坑支护采用护坡桩等直立支护时,地下室外墙距离基坑边缘一般2m左右,肥槽回填土区域内的入口门廊、道路、台阶下可设置地面零层板的方式,零层板两端分别位于地下室外墙和支护桩之上,利用零层板避免回填土后期沉降带来的不利影响。


图 3 设置零层板避免后期地基沉降


2)基坑采用放坡开挖时,肥槽回填区域面积较大,两层地下室时,肥槽顶部宽度最大可达十几米。此时为避免肥槽内回填土后期沉降的影响,可采取下列措施:


图 4 基坑开挖肥槽回填示意


a)  靠近建筑外墙的台阶可采用从主体结构上向外悬挑梁、板支撑的方式。

b)  入口大堂、门廊部位在回填土区域内可利用门头柱在地面位置设置零层板。

c)  肥槽区域内的道路,建议同样设置零层板,板两端分别支撑于建筑主体和原状、坚硬持力层上,基坑肥槽顶部宽度建议不大于8m。

d)  对于大面积需严格控制地面沉降且马上投入使用,回填土无固结时间的肥槽区域,如售楼处前广场及景观位置,建议采用级配砂石分层碾压,级配砂石可采用中粗砂+碎石或砾石,分层碾压也可根据现场实际施工条件采用水撼法施工代替,水撼法施工同样需要分层,且每层需充分振捣并取样检测密实度。

e) 考虑经济因素,大面积回填也可就地取材,利用开山的碎、块石及爆破开采的岩石碎屑,但为保证夯、压密实,应限制其最大粒径,分层压实时其最大粒径不宜大于200mm,分层夯实时最大粒径不宜大于400mm,骨料含量大于70%,级配碎石颗粒级配不均匀系数Cu不小于15。


图 5 碎石土回填地基


f)  工期紧张时也可采用预拌流态固化土进行肥槽回填,预拌流态固化土每立方单价高于级配砂石,但施工工艺简单、工期短,相关设计及施工要求可参考《预拌流态固化土填筑工程技术标准》T/BGEA 001-2019。

g)  对后期回填土沉降控制要求不高的回填土区域,如绿地、景观等位置,可采用素土回填并分层压实,降低回填成本。


3)加强回填土的施工管理。回填土填料、碾压施工的质量对控制后期沉降非常关键,由土的可松性表可知,分层夯实的填土和松散的填土体积差20%左右,控制回填土沉降必须对填料和密实度进行严格控制,并及时现场取样检测,保证回填土施工满足设计要求。



三、回填土后期沉降的处理措施


回填土沉降的处理措施,目的是避免沉降的进一步发展,保证建筑物的正常使用,也算是亡羊补牢的做法。


地基处理方法的具体选用,应以地基条件、设计要求、处理指标及范围、工程费用、工程进度、材料来源和当地环境多方面综合考虑,基于经济合理、安全可靠的原则,对比分析选用。


主要处理方法如下:



1.  垫高沉降地面方案


项目完成后出现的回填土地面沉降,往往由于项目已投入使用,施工周期、施工场地、处理成本等约束因素,采用在已沉降的地面垫级配砂石并压实的处理措施,可根据已经沉降的时间,估算地基未来的沉降量,并将处理后的地面垫高,之后再做硬化地面,可采用小块的透水砖铺地,允许砖缝之间变形。


此方法处理简单,施工周期短,成本也低,需提前预估后期的地基沉降量,并随着地面继续沉降,可能需继续处理2~3次,直至地基沉降稳定。



2.  高压旋喷桩加固方案


高压旋喷桩加固方案就是在预定深度(桩径上部Φ600、下部Φ800、桩长8/12.5m),利用旋喷装置中注浆管产生的能量高度集中的高压喷射流,连续切割基底以下土体,尽可能置换出充分的土体,以提高地基的整体抗胀、抗陷的复合强度。基础间设钢筋混凝土梁以增加整体刚度,增强基础的变形协调能力。此方法的缺点是施工周期长、容易污染环境且成本高,优点为处理后无后期沉降,可处理深层地基、复杂地基,适用于砂土、粘性土、黄土及人工填土等。


图 6 高压旋喷桩示意图



3.  换土垫层法加固方案


换土垫层法是挖除浅层软土,用级配砂石、灰土等强度较高的土料代替,以提高持力层土的承载力,减少部分沉降的地基处理方法。根据所用土料的不同,垫层主要有级配砂石垫层、级配碎石垫层、灰土垫层(灰土比2:8或3:7)等类型。换土垫层法的施工步骤是:先挖运原软弱土,清净基坑水土,再回填砂石,并逐层振压碾实。该方法适用于处理浅层软弱土地基。



4.  微型桩+注浆加固方案


微型桩是一种用压浆方法成桩的小直径钻孔灌注桩,其直径通常为100~250mm,有时也采用300mm的桩径。桩体主要由压力灌注的水泥(砂)浆或细石无砂混凝土与加劲材组成,加劲材料可采用钢管或型钢等,其长度一般为6~20m。微型桩经过压力注浆后可与地基土紧密结合,浆液通过填充、渗进和挤密等方式,驱走裂缝、孔隙中的水分和气体,并填充其位置,硬化后将岩土胶结成一个整体,形成一个强度大、压缩性低、抗渗性高和稳定性良好的新的岩土体。具有承载力高、沉降量小、所需施工场地小、费用相对较低、桩孔直径小、施工噪音及引起震动小、适用不同的土质条件的特点。



5.  振冲碎石桩加固方案


振冲碎石桩加固砂层的原理:

1)依靠振冲器的强力震动使饱和砂层发生液化,砂土颗粒重新排列,空隙减少,密度增加;

2)依靠振冲器的水平振动力,使加固填料把砂层挤压加密。振冲碎石桩加固地基的主要机理是:挤密作用、排水减压作用、砂基预振效应。适用于松砂、杂填土、颗粒含量不多的粘性土。缺点为施工噪音较大,对邻近建筑物有一定影响。


图 7 振冲碎石桩法加固地基示意



6.  松木桩法加固


在原木比较丰富的地区,可采用松木桩法加固回填土地基。通过松木桩挤密并与回填土层共同承担荷载,要求最小处松木桩直径为100mm,长为4~5米,打桩时小头朝下,并保证桩身垂直。


如若回填层过厚,需加密桩间间距,间距500mm左右。


回填土层薄处可采取换土处理,如若采取松木桩法,最小处松木桩直径不小于80mm。


图 8 松木桩法加固地基



四、回填土地基预防及后期处理施工工期


在设计和施工阶段预防回填土地基沉降的措施可于项目整体施工工期内消化,对项目整体施工工期无影响。


表 2 沉降预防措施对工期的影响


回填土地基沉降发生后的局部处理施工工期可参考下表:


表 3 地基沉降处理施工参考工期



五、回填土地基处理成本


回填土地基各种处理措施成本可参考下列表4、表5,实际选择回填土地基处理方案时可结合工期综合考虑。


表 4 回填材料及处理成本单价表


两层地下室放坡开挖时,基坑深度约10m,基坑肥槽回填区域横截面积约为70m2,沿基坑周长方向每米回填或处理成本可参考表5:


表 5 基坑每延米回填或处理成本


表5回填项目中,素土回填并分层压实成本最低,当后期因为沉降原因需进行地基处理,增加的成本中地面垫高处理成本最低,但此处理方法有后期沉降,需持续几次处理,直至地面沉降稳定,其它相对经济的处理方法有设置零层板、水泥土搅拌桩和振冲碎石桩,其中设置零层板即可提前预防设置,也可后期设置。



五、结语


一个项目不可避免会出现回填土区域,如何避免后期使用过程中回填土的沉降,需要每一个工程技术人员去详细的剖析原因并在设计、施工中提前预防,最终实现完美的建筑作品。这也是我们工程技术人员所追求的,精益求精的匠人精神。

致谢:衷心感谢远洋北方营造赵捷、鞠俊、赵鑫对本文的支持和宝贵意见。