独立基础与地坪不均匀沉降预控措施

□□ 蔡春龙,何嘉齐,龚 虎,周召龙,彭日红

(中建五局土木工程有限公司,湖北 随州441300)

引言

回填地基沉降是填土的固有工程特性,其沉降形式对建筑物基础及上部结构的应力状态有着重要影响,关系着建筑物的整体性和耐久性。建筑在压实填土地基上的沉降可以分三部分[1]:填土下天然土层的固结沉降、回填土的自重固结沉降和填土在基础荷载下的固结沉降。因此,要控制建筑地基及基础的不均沉降,应从地基沉降的三个部分采取对应措施。谭亚伟[2]结合工程实例分析得出,地层岩性、设计及施工不规范是引起地基沉降的主要原因,并提出上部结构加固、桩基础补强和设计筏板等沉降控制措施。颜子奇等[3]通过沉降监测数据分析得出,大跨重要建筑长期沉降监测,可对结构的安全性和使用性进行分析评估,也是结构使用及维护的重要措施。张旭毅[4]研究表明,大型建筑地坪采用钢纤维混凝土,并结合分仓浇筑施工工艺对控制大面积地坪防裂与沉降有良好效果。林光[5]通过工程实例分析得出,在软土地区通过地面压力注浆加固技术,在处置大型地基沉降方面具有良好的效果。冯兴培等[6]结合工程实例得出,加强天然地基防泡水措施及地坪增设钢筋等措施,可有效处理建筑独立基础不均匀沉降问题。

建筑物独立基础与地坪不均匀沉降控制的关键在于地基土回填的施工质量控制,其次是地坪自身沉降特性的改良。基于造成独立基础与地坪不均匀沉降的影响因素,采取针对性预控措施,对有效减少独立基础与地坪不均匀沉降具有重要意义。

1 工程概况

湖北省随州市随州南站客运枢纽综合楼是一栋大型单体建筑,综合楼长为136 m,宽为33.6 m,占地面积为4 569.6 m2;建筑为三层混凝土框架结构,总高度为22.3 m,地上建筑面积为12 176.15 m2。根据场地岩土工程勘察报告可知,场地浅表层岩土主要为碎石土、中风化千枚岩及弱风化千枚岩,综合楼基础持力层为不同风化程度的千枚岩,基础形式为柱下独立基础。

根据施工现场条件及施工设计图纸要求,综合楼地坪构造从下而上依次为600 mm厚的素填土、150 mm厚的C15素混凝土地坪、调平层、防水层及玻化地砖。在综合楼主体结构施工时,混凝土地坪兼作模板支撑架基础。

2 独立基础与地坪不均匀沉降原因分析

独立基础与地坪产生不均匀沉降的后果主要表征为地坪起拱、开裂、独立基础与混凝土地坪交界部位错台、建筑物墙体开裂及建筑地面装饰材料开裂等质量病害。其发生不均匀沉降的关键取决于回填地基施工质量以及独立基础与地坪的不协调沉降。

2.1 回填地基施工质量的影响

回填地基施工质量是独立基础与地坪产生不均匀沉降的首要影响因素。建筑物独立基础对地基承载力有较高要求,而回填地基土具有欠固结、可压缩和水稳定性差等不良工程特性。

在一般情况下,回填地基的地基承载力与压实度呈正相关关系,压实度越大,地基承载力越大。压实度作为地基回填土施工质量主控项目,是影响地基承载力、导致独立基础与地坪不均匀沉降的关键因素。

2.2 独立基础与地坪的不协调沉降

独立基础采用天然的中风化千枚岩层作为地基,具有较大的地基承载力,在施工荷载及建筑结构荷载共同作用下,天然地基及独立基础的沉降相比回填地基较小。综合楼独立基础之间由系梁来增大基础的整体刚度,因而具有抵抗不均匀沉降的特性。独立基础可视为刚性基础,具有较大的刚度、强度和稳定性。然而,综合楼内各建筑功能区室内地坪以下为回填地基,回填地基土可视为半刚性材料,其刚度、强度、稳定性与独立基础存在一定差异。混凝土地坪的施工荷载和建筑结构荷载传递至回填地基土后,将因独立基础和回填地基的刚度差异导致沉降的不协调,最终混凝土地坪将在刚度差异较大的交界部位产生竖向拉应力,进而出现开裂、错台等病害现象,其示意图如图1所示,其不均匀沉降的产生见式(1):

S=S1-S2

(1)

式中:S——独立基础上部地坪与室内回填地基上部地坪由于不均匀沉降产生的错台量;

S1——室内回填地基上部地坪由于施工荷载作用产生的沉降量;

S2——独立基础上部地坪由于上部结构荷载作用产生的沉降量。

3 不均匀沉降预控措施

基于导致沉降不均匀的原因,结合独立基础与地坪的结构设计特点,针对性采取有效措施,以预防并控制独立基础与地坪的不均匀沉降。

3.1 回填地基施工质量控制

压实度是表征回填地基施工质量的主要指标,影响回填地基压实度的内在因素主要是含水量和土的性质,外在因素有压实效果、工具以及方法等。

在回填地基施工前,应做好回填土料的选择与检测,该项目采用的回填土料为弱风化千枚岩粉碎碎石土和素填土。根据施工设计图纸以及规范要求,对回填材料进行筛选,并掺配一定比例的中粗砂,调整回填土料的含水量,改良回填土料的颗粒级配。通过筛分试验和压实度检测试验探究中粗砂掺配比例、含水量对压实度的影响。试验结果表明,当中粗砂掺配比例为15%时,回填材料的不均匀系数Cu为6.5,颗粒级配曲线曲率系数Cc为1.7,回填土料的颗粒级配可达到不均匀状态。通过击实试验得出回填土料的最佳含水量为8.3%,施工期间回填土料的含水量按照7%～9%进行控制。

在回填地基施工时,严格控制土料分层厚度(≯20 cm),确保每层回填土压实度达到要求。根据独立基础在地基中的分布情况,使用12 t胶轮压路机,配合3 kW立式冲夯机对回填地基进行分区压实,其分区示意图如图2所示。

图2 回填地基分区碾压示意图

在回填土碾压时,为了防止大型碾压机械损坏独立基础承台和系梁边角,距离承台和系梁50 cm范围内使用手扶立式冲夯机进行碾压,其他区域使用胶轮压路机碾压,确保碾压充分密实。

通过控制回填土料颗粒级配和含水量,优化回填地基碾压方法,最终回填地基压实度检测平均值达到94.1%,表明施工质量控制具有良好效果。

3.2 独立基础与地坪协同沉降控制技术

为了控制独立基础与地坪的不均匀沉降,通过设置铠装缝,将混凝土地坪进行分区,铠装缝同时兼作沉降缝、温度伸缩缝,铠装缝设置的位置分布如图3所示。

图3 独立基础与地坪协同沉降分区示意图

根据独立基础与地坪的施工及建筑荷载分布特点,在独立基础承台边缘外扩0.3 m处以及系梁平面投影的位置设置铠装缝,将混凝土地坪分为独立基础沉降区和地基地坪沉降区。在施工过程中,铠装缝可起到分仓缝的作用。大面积混凝土地坪采用分仓浇筑,可有效防止温度裂缝产生,避免地坪翘曲和开裂。铠装缝以及填充密封胶作为一种柔性传力辅助结构,可分担独立基础沉降区和地基地坪沉降区因不均匀沉降而产生的水平应力差和竖向应力差,并表征为铠装缝的变形,从而有效控制独立基础与地坪不均匀沉降的问题。

3.3 地坪整体刚度优化设计

素混凝土地坪是一种刚性地坪,其抵抗变形的能力较差,对地基回填施工质量有较高的要求。从优化设计的角度考虑,在地坪中使用C12HRB400进行地坪配筋,配筋间距为200 mm,其配筋示意图如图4所示。通过增强地坪的整体刚度,对其不均匀沉降与开裂具有较好地预防和控制效果。

图4 混凝土地坪配筋补强刚度示意图

4 结语

大型建筑独立基础与地坪不均匀沉降通常在施工荷载以及建筑荷载共同作用下持续发生,因而预先采取控制措施至关重要。结合工程实例从施工技术和施工成本两方面对独立基础与地坪不均匀沉降进行预控及效果评价可知:

(1)改良回填土料的颗粒级配,将回填土料的含水量控制在最佳含水量且适用施工的范围内,可有效提高回填地基的压实度;采用分区分机械碾压施工方法,控制碾压施工质量,可有效提高回填地基的压实度,从而预控不均匀沉降的产生。

(2)通过设置铠装缝,将地坪分为独立基础沉降区和地基地坪沉降区,通过铠装缝的协调变形作用,使独立基础与地坪的沉降协调发生,从而预控独立基础与地坪不均匀沉降。

(3)通过增设地坪配筋,有效增大地坪整体刚度,对预防地坪的不均匀沉降具有良好效果。

在综合楼地基回填及地坪施工过程中,优先考虑施工简便与节省成本,严格控制了回填地基施工质量,并采用了独立基础与地坪协同沉降控制技术,在后期施工荷载作用下,地坪未发生明显不均匀沉降与开裂。当地基地质情况不良或回填地基施工质量控制不佳时,宜采取成本较高的地坪配筋措施,对独立基础与地坪的不均匀沉降进行控制。