欢迎来到『东合南岩土』官方网站!

岩土研究院

工程实例-软弱地基基础的设计教训及处理措施

378 2022-01-06 09:11:16

3.3.1 工程概要

上海漕河泾地区某研究所试验楼为五层装配整体式钢筋混凝土框架结构,采用筏板基础。沿房屋纵向南侧布置了单层砖混结构,用作空调机房,此披屋采用条形基础。房屋平面及剖面简图分别见图3-4和图 3-5。

该工程于 1981年 11月开工,翌年1月筏板基础完工后,当回填土填到约占一层平面的3/4时停工一年零四个月,西段部分基础外露。1983年5月复工,同年 12月12日土建工程竣工。1983年 10月 25 日当框架填充墙砌筑完发现主楼沉降很快,沉降速率达1.908mr/d,12 月7日又发现主楼北侧女儿墙顶向北位移约70~125mm,且基础沉降不均匀。1984 年1月发现单层披屋 A、B轴纵墙基础差异沉降约160mm,已超过规范允许值,A轴有六根砖壁柱根部内侧断裂,B轴纵向承重墙水平开裂,3轴、11轴、12轴的横向承重墙斜向裂缝、最大缝宽达 20mm。必须采取措施进行处理。

image.png

3.3.2 原 因分析一、建筑方案不合理

该工程初步设计是在1978年 11月在无工程地质勘察资料情况下完成的。当时设计人员不了解漕河泾是上海地质条件最差的地区之一,软土层厚且不均匀。

设计将五层框架与单层披屋紧靠布置,二者基础间只有 50mm 的沉降缝,不符合《上海市地基基础设计规范》(1975年版)的要求。因为主楼和披屋的高度和荷载相差很大,未拉开适当距离,虽然披屋屋盖梁悬挑2.19m.但与主楼框架柱间的缝宽仅 60mm,基础难免受主楼较大沉降的影响。

二、基础选型不当

初步设计时,五层主楼采用柱下条形基础,并按640kN/m 荷载提出勘察任务书,因此钻探深度仅 26m。施工图设计时,计算发现条形基础方案的地基承载力明显不够,改作筏板基础,基础埋深一2.45m,且周边均挑出 2m。这一设计方案使地基变形计算深度达到32m。室内外筏板上覆土 2m,增加了约32kPa的附加应力。在 B轴~C轴间筏板有约40m 长的通风地沟,与E轴室外悬挑筏板上的填土形成不对称荷载。见图3-5。

.三、结构造型不合理

披屋采用带壁柱的纵墙承重,屋盖为单跨带悬臂的预制钢筋混凝土梁和空心屋面板,墙下采用刚性条形基础。长达 66m 的房屋除端部有三道隔墙外,在 48m 范围内无隔墙。按《上海市地基基础设计规范》规定,横墙间距应不大于1.5倍技屋宽度(即 12nx应设一道楠嵩)。这种空旷的砌体结构体系对不均匀沉降极为敏感。B 轴条形基础随主楼筏基下沉较多、A轴沉降却很小.因此,A 轴砖壁柱室内一侧根部受偏压局部破坏。三道横墙和东山墙均产生 45°斜裂缝。因披屋与主楼之间沉降缝很小。披屋屋盖在水平方向推压主楼、这也是主楼向北倾斜的原因之一,见图3-6。同时,主楼对披屋屋盖的竖向摩阻力,通过披屋屋面梁梁底预埋件与B轴墙顶梁垫预埋件的焊缝约束,使 B轴墙体不能自由下沉.因而在 4.5m 高处出现通长水平裂缝。

五层主楼采用两跨横向框架,而中间走廊纵墙的重心偏向北侧;B 轴一C轴间的通风地沟与北侧筏基悬挑板上的填土均构成对基础偏向北侧的偏心荷载,因而加重了建筑物向北倾斜的不均匀沉降。

image.png

四、忽视软土地基变形

设计仅按一般地基计算承载力,而未计算地基变形。由于勘察报告未提供下卧层的容许承载力,因此也未验算软弱下卧层的承载力。根据勘察报告,建设场地地基土的物理力学性指标如表3-4所示。

image.png

第 2层褐黄色粘十的容许承载力为100kPa。经计算静载作用下的地基应力为89kPa。全部荷载作用的地基应力为104kPa。略大于持力层(第2层)的容许承载力。第 3层软弱下卧层顶面的应力为121kPa,参考附近其他工程地质勘察资料及按《工业 与民用建筑地基基础设计规范》TJ 7一74计算,其容许承载力为75kPa,修正后的容许承载力为93.5kPa。软弱下卧层顶面的应力超过容许承载力约 30%。在出现快速沉降后计算基础的最终沉降量为 93cm,大大超过了《上海市地基基础设计规范》DBJ08-11-89 的容许沉降量20~30cm(现行 DBJ08-11-1999已改为15~20cm)。忽视了软土地基应以变形控制承载力的原则。

五、施工程序不合理

在软土地基上建造高度与荷载均相差悬殊的两个房屋单元,本应在五层主楼承重结构基本完工后再施工单层披屋。这样既不影响总的进度。又可避免因沉降差异影响上部结构。而实际情况却恰相反,在吊装主楼三层构件时,披屋的砖墙及屋盖已经施工吊装完。所以在整个建筑物沉降过程中,披屋的条形基础和上部结构被主楼的筏形基础拉着下沉。在64 天内吊装完主楼框架和各层楼板构件,并在7个月之内,主楼全部施工完毕。这样的快速加载使土层来不及排水固结.因此在 1983年11 月 30 日竣工时,出现了最大沉降速率达2.889mm/d。

在主楼东北距筏基边缘4.29m处有一个化粪池,平面为2.5m×2.5m,深-4.19m。正当主楼快速沉降时,于1983年 12月24 日开始人工挖槽,因地下水位距地面仅Im,边开挖,边降水,边塌方,连续抽水 7d仍无法继续施工,在一个月后才不得不提高化粪池底标高.缩小其平面尺寸,将一个化粪池改为两个化粪池。这种在软土地基上的局部范围抽地下水的施工方法,必然加重建筑物东北部向北倾斜的不均匀下沉。

筏形基础施工时,采用机械开挖基槽,在泥浆中挖 十.使基底下地表十的天然结构被扰动,因软土的灵敏度很高,必然降低其强度,这也是早期下沉较大的原因之一。此外,在筏形基础施工完毕后,西部有2~3个柱距未及时回填土,裸露一年又四个月,地基长期泡水也影响地基的均匀性。

六、地基持力层的容许承载力偏高

根据本工程勘察报告提供的c和φ值,按《上海市地基基础设计规范》公式估算持力层的容许承载力为67kPa,比本工程勘察报告提供的持力层容许承载力要小 33%。

根据《工业与民用建筑地基基础设计规范》1 7—74 第 14条表9.按本工程勘察报告提供的天然含水量确定下卧层的容许承载力,则第 3层灰色淤泥质粉土的容许承载力为75kPa,相对于持力层的容许承载力 100kPa来说,很明显,这是软弱下卧层,但勘察报告并未提供这层土的承载力。

3.3.3 处理措施

一、减小偏心荷载和地基附加应力

在1984 年沉降高峰期,为制止不均匀沉降,决定将筏基北侧悬挑板上的填土控除,改为局部空心基础,见图3-7。这一措施卸载约 2200kN,同时还可减小筏基的偏心弯矩 18000 kN·m。卸载后实测证明,主楼倾斜开始稳定。

image.png

1989年3月因温度应力作用,顶层的填充墙产生裂缝,决定拆除空心砖内隔墙改为轻质隔断,同时结合屋面翻修将上人屋面的240mm厚女儿墙改为钢栏杆,借此减小主楼的静荷载。

二、加固披屋承重墙

1986年初,经过多次调研,决定采用钢丝网水泥砂浆加固严重裂缝的内隔墙和山墙,同时在披屋内增加两道横向砖隔墙。采用外包钢筋混凝土加固砖壁柱。凿除披屋屋盖北边的局部混凝土,以消除对主楼的水平推力。在披屋上局部增加玻璃钢轻质屋面,以解决因 B 轴基础下沉造成的排水反坡,见图3-6。

因当时沉降远未终结,预计加固后的砖墙还会出现新的裂缝。但为了满足急于使用的要求,又要确保结构安全,采取了以上临时措施。拟待沉降稳定后,再作进一步处理。九年后发现加固后的砖墙确实又出现少量相同性质的裂缝,今后可结合空调机的改造更新,改集中式空调为分散式空调,这样就可以拆除作为空调机房的披屋。

在研究处理措施过程中,曾考虑过挖除筏基上的全部回填土改为空心基础,采用旋喷桩加固等多种方案。经过多次论证,终因这些方案投资太大,费工费时,防水困难等不利因素而放弃。其中最主要的原因还是基于下述对地基稳定性的认识,而未采取大规模的加固或卸载处理。

3.3.4 地基稳定性分析

在最初的快速沉降后,虽然沉降速率略有收敛,但沉降仍在继续,因此对地基的稳定性如何评价是一个关系到建筑物安全的问题。

一、软弱下卧层的地基应力未达到极限荷载

地基土的承载力主要决定于土的抗剪强度指标,与内摩擦角和粘聚力有关。本工程场地的第3层和第 4层为软弱下卧层,均为淤泥质土,孔隙比在1~1.5之间天然含水量大于液限,土处于流动状态。因此内摩擦角、粘聚力和土的容许承载力都很小。

《上海市地基基础设汁规范》(1975年版)是按临塑荷载公式计算土的容许承载力。临塑荷载是指地基中即将出现塑性前切变形的临界荷载。-般地基在应 力达到临塑荷载以后,如继续加载,则塑性区从基础边缘逐渐扩大加深,直至发展成连续贯通的滑动面,地基濒临失稳破坏的临界值即为极限荷载,除以等于或大于2的安全系数即是容许承载力。而上海软土的基底应力超过临塑荷载后、虽不出现明显的滑动面.但基础将发生竖向下沉的刺入式剪切变形直至破坏。本工程的沉降正是这种刺入式变形。根据上海的实际经验,取临塑荷载作为容许承载力,其安全系数的平均值约为 1.5。而本工程软弱下卧层的地基计算应力与容许承载力的比值约为1.3。

综合考虑上述情况,本工程软土地基的附加应力虽超过软十的天然结构强度,但尚未达到极限荷载,且随着地基不断排水固结,容许承载力将会有所提高。

二、沉降逐趋稳定,不均匀沉降未继续发展

本工程土的压缩模量很小,因此基础沉降量很大。根据 1983年6 月7日框架结构构件开始吊装时所作的沉降观测数据,沉降量最大的筏基北侧中点的沉降-时间曲线如图 3-8所示,图3-9为沉降速率-时间曲线。

image.png

从图3-9可知,在1983年10月25日框架填充墙砌筑完以后的36天中,该点沉降速率达到高峰值2.889mm./d。此后速率明显减小,至 1986年8月 20日(观测沉降第1170天)沉降速率降至0.097mm1/d,沉降基本趋向稳定。由于及时采取了减小筏形基础偏心荷载的措施,此后未发现房屋倾斜增加。

据上海经验,均匀沉降并不可怕,但沉降过大且伴随不均匀下沉,则容易遭至失稳破坏。本工程的沉降量虽大大超过规范容许值,但随着十体不断固结。沉降逐渐收敛,且不均匀沉降不再发展,因此可以认为地基是稳定的。

三、沉降最终稳定的时间还很长,应继续观测建筑物的基础沉降

根据观测资料,至 1990年4 月沉降速率降为0.008654mm/d。以1994年7月至1995 年3月间,进一步降为0.007355mm/d。根据1989 年 4 月以前的观测资料.累计沉降量的最大值为763.0mm最小值为641.9mm.平均值为714.6mm。据此推算至 1996年6月累计平均沉降量将为736.8mm。因此在今后若干年内房屋还将继续下沉。但只要上部荷载、地下水和周围环境无不利的变化,则不会发生地基失稳,为确保建筑物的安全使用,尚应继续观测基础的沉降。