山区不均匀地基上的基础设计
赵建永
摘要：所谓不均匀地基,是指单体建筑物不同区段地基的工程性质变化极大且规律性又不明显的情况,常规的方法是按照最软弱区段的地基条件确定基础包括地基处理措施,将导致基础造价大大提高。本文结合某山区办公楼所处的不均匀地基条件,进行几种基础方案比较,并通过基础沉降计算来设计基础,从而确定一种经济可行的基础形式。
关键词：地基理论；不均匀；建筑物
1 工程概况及水文地质条件
1.1 工程概况
本工程为拟建五层框架结构办公楼,位于浙江新昌附近某山区,其中主楼南北方向长度为10m~20m,东西方向长度70m,因建筑立面需要,中间不设沉降缝,设后浇带一道。
1.2 水文地质条件
场地原地貌单元属残丘地带,建筑物基底地形复杂,岩层起伏较大。根据地质勘察报告,建筑物从西到东方向的三个勘察钻孔的土层分布基本情况如下(由上至下):①钻孔8,素填土,厚度0.8m;可塑状粉质粘土,厚度3.1m;淤泥质土,厚度2.1 m;硬塑状粉质粘土,厚度1.8m;强风化泥质粉砂岩,厚度1.1m;②钻孔9,素填土,厚度1m;硬塑状粉质粘土,厚度3m;强风化泥质粉砂岩,厚度1.6m;③钻孔14,素填土,厚度0.4m;强风化泥质粉砂岩,厚度0.7m;中风化泥质粉砂岩,厚度0.7m。场地孔隙含水砂层不发育,粘性土层透水微弱,属弱透水层,含水贫乏。
2 基础方案比较
考虑天然地基。以坡积土层、风化残积土层,强风化岩层及中风化岩层埋藏浅的地段结合作为拟建建筑物天然地基上的浅基础持力层。可塑状粉质粘土层、硬塑状粉质粘土层的地基承载力特征值分别为286 kPa,303 kPa。但建筑物东侧部分地基为风化岩层,基础沉降很小,东、西侧地质条件不同,容易造成不均匀沉降。
钻(冲)孔灌注桩。以强风化岩及中风化岩结合作为桩基持力层,采用钻(冲)孔灌注桩,可以尽可能避免基础沉降不均匀的问题。场地地基都具有深浅不一的岩层,强风化、中风化泥质粉砂岩桩端端阻力特征值分别为800 kPa~850 kPa,1 500 kPa~1 600 kPa,按公式:Ra= up∑qsiali+qpaAp计算桩承载力特征值可以满足建筑物地基承载力的需要。但从经济性的角度来看,建筑物西侧部分估计桩长达8 m,而且场地其他部分拟建建筑物的地基与此类似,总的造价比较大,而且施工周期比较长。
静压预制桩。同一建筑物宜采用同一种基础形式。部分岩层埋藏较浅不适宜整个场地都使用预制桩基础。
基础方案的选取。根据地基承载力的概念,在保证地基稳定的条件下,使建筑物的沉降量不超过允许值的地基承载力称为地基承载力特征值。也就是说地基承载力在使建筑物的强度安全储备足够的前提下,也要使地基变形不超过允许值。所以本工程经过综合考虑造价、施工等各方面因素,通过地基变形的计算,在不超过允许值的前提下,符合地基承载力的要求,可以选用天然地基上的浅基础。
3 地基变形计算
地基的变形特征可分为沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜,由于建筑地基不均匀、荷载差异很大、体形复杂等因素引起的地基变形,对于砌体承重结构应由局部倾斜值控制;对于框架结构和单层排架结构应由相邻柱基的沉降差控制;对于多层或高层建筑和高耸结构应由倾斜值控制;必要时尚应控制平均沉降量。在中、低压缩性土上的工业与民用建筑相邻柱基的沉降差对于框架结构为0.002L,多层和高层建筑的整体倾斜在Hg≤24 m时为0.004,其中L为相邻柱基的中心距离,Hg为自室外地面起算的建筑物高度。
地基变形采用规范的方法进行计算。基础沉降量与地基变形计算深度有关,对于基础宽度b在1 m~30 m之间的建筑物基础,在没有相邻基础时基础中点地基变形计算深度z可按以下简化公式计算:Zn=b(2.5-0.41nb)。
计算深度在土层分界面附近时,如下层土较硬,可取土层分界面的深度为计算深度;如下层土较软,宜适当加大计算深度;在计算深度范围内有基岩时,Z即取至主基岩表面。关于相邻基础的影响,对于单独基础,当基础净距大于相邻基础宽度时,可按集中荷载计算;对于条形基础,当基础的净距大于4倍相邻基础宽度时,可按线荷载计算;在一般情况下,相邻基础的净距大于10 m时,可略去影响。
4 结构构造措施
为了减少相邻柱间的沉降差,本工程部分基础采用换填法。地基存在淤泥质土时挖去软土,换填比例为3∶7的砂石,且增大基础面积,减小沉降量;地基为岩层时换填1 m厚中粗砂,增大沉降量。然后在满足地基强度的前提下进行地基变形验算,调整基础大小以满足变形条件。同时,为了减少建筑物的不均匀沉降,还需利用地基、基础和上部结构的相互作用。增大上部结构刚度,将减小基础挠曲和内力。研究表明,框架结构的刚度随层数增加而增加,但增加的速度逐渐减缓,到达一定层数后便趋于稳定。由此可见,在框架结构中下部一定数量的楼层结构起着调整不均匀沉降、削减基础整体弯曲的作用,同时自身也将出现较大的次应力,且层次位置愈低, 其作用也愈大。在相互作用中起主导作用的是地基,其次是基础,而上部结构则是在压缩性地基上基础整体刚度有限时起重要作用的因素。所以在不均匀地基上的基础设计中,重点是要处理好地基和基础,但上部结构的刚度也要做适当加强。根据上述原理所采取的构造措施主要有:增大地梁截面,降低地梁标高,薄弱部位加大梁截面和配筋,楼板面筋拉通等。
结语
在地基不均匀的情况下,首先应当考虑建筑体形力求简单,设置沉降缝将建筑物分成若干个独立的单元,通过设置沉降缝调整不均匀沉降。当建筑不可以设缝或者形体复杂时同一建筑物宜采用同一种基础形式,并取相同的埋深,持力层也相同。有时由于持力层土质不均匀或者上部结构荷重分布差别较大,为了使地基均匀沉降,可以根据计算,有意识地通过调整基础面积大小以达到调整基底压力使沉降均匀的目的。
同时,建筑物的刚度越大,调整不均匀沉降的能力越大;强度越高,抵抗附加应力的能力越强。因此必须同时考虑提高结构的刚度与强度。
参考文献
[1]GB 50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].
[2]莫海鸿,杨小平.基础工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.44-45.
