山西省阳泉市某园林小区基建中的D1-4#四联户别墅变形开裂治理设计(

山西省阳泉市某园林小区基建中的D1-4#四联户别墅变形开裂治理设计尹志兵1葛玉祥2马博恒2李森林2闫培龙2（1.太行房地产开发有限公司阳泉市2.中勘冶金勘察设计研究院有限责任公司保定市071069）摘要：阳泉市某园林小区D1-4#别墅在复杂的原始地形和地质结构背景下，于基建中变形开裂严重。深入分析了别墅变形规律，查明了失稳原因，治理设计有的放矢，达到了一次治理、彻底根除病害的目的。其分析方法和治理设计思路，为今后同类工程提供了极其有益的参考价值。关键词：别墅不均匀下沉桩式托换综合治理1．序言山西省阳泉市某园林小区建于平定县东锁簧镇南后峪村西药林寺山的东南麓坡地，依山傍水，风光秀丽。D1-4#四联户别墅平面尺寸28m×16m，条形基础，砖混加构造柱和圈梁结构，高度为2.5层。由于地基所处原始地形的复杂性及其场地整平效应和地基内潜水含水层的不均一性，致使基建至1.5层时，已建墙体、地板严重变形开裂，局部基础断裂；前排明柱与地基脱开；临坡侧阶上明柱与基础变形开裂严重，若继续加载后患无穷。基于别墅变形开裂规律，结合施工条件，经技术、经济对比分析，①别墅内地基沉降区域采用桩式托换；②置换前排明柱地基和临坡阶上人工地基及其基础。采用该方案对基建中的别墅治理后，别墅成功封顶。投入运营三年来，地基与上部结构处于稳定状态，潜在的经济效益明显、社会效益广泛。2.基建中的别墅变形开裂原因分析2.1变形开裂规律根据已有地基勘察资料和本次探井揭露及上部结构裂缝调查资料的综合分析，进行了别墅变形规律分区，见图1。说明：托换桩施工时，严格按以下四个批次进行；第一批次为Z1、Z3、Z6、Z11、Z15；第二批次为Z5、Z7、Z12、Z16、Z19；第三批次为Z2、Z4、Z8、Z14、Z18；第四批次为Z9、Z10、Z13和Z17。图例住户分区边界托换桩及编号施工导洞Z2Z13Z9Z19Z16Z18Z8Z10Z7Z17Z14Z51#户2#户3#户4#户Z1Z2Z3Z6Z11Z12Z15Z4AA`B`BC`D`DC裂缝剖面编号BB`最大沉降区域临空侧临坡侧123治理分区界限治理分区编号1构造柱弧形裂缝图1变形分区及治理设计平面图各区变形特征简述如下：①区别墅变形开裂主要表现为地基不均匀沉降，最大沉降区域位于2#户中间区域，见图1。基于该区变形开裂程度和特征，编制了4个裂缝分布立面图见图2，平面分布见图1。由图2知：①A-A'立面中，裂缝由近水平变为近垂直，基础为“八”字型左撇式斜裂缝，该模式是1#户和3#户与2#户相邻部分向2#户倾斜移动形成的挤压应力和2#户相应部分垂直下沉形成的垂直压应力造成的。据此，反映出2#户前墙区域的变形特征主要是地基沉降变形；②B-B'立面中一、二层楼均为斜裂缝，其中二楼裂缝为“八”字型组合，主要向2#户倾斜移动和自身下沉的结果；平台245°155°65°335°65°65°图2裂缝立面分布特征图③C-C'立面中，一、二层楼墙体主要近垂直锯齿状裂缝，且规模大，贯通性强，该部位基础断裂，附近地板为弧形裂缝。其变形组合规律说明该部位地基下沉量大（现场调查最大下沉量10cm）。在上部结构随地基下沉过程中，由于基础梁的约束，在上部荷载作用下形成的垂直压应力作用而诱发的水平拉应力所致；④D-D'立面裂缝为“八”字型右撇型斜裂缝，同样是1#户相应部分向2#户倾斜移动的结果。基于四立面变形开裂规律，其力学模型见图3。由图3知，1#户和3#户上部结构荷载强度σ1和σ3均小于地基反力σ'1和σ'3，由于2#户σ2大于地基反力σ'2，在不平衡σ1σ2σ3图32#户变形开裂的力学模式力场作用下，①2#户区域由于地基下沉量大，首先地梁与地基土脱开，其发生弯曲变形，受拉边拉应力超过砼的抗拉强度而断裂,如C-C立面区域基础断裂垂直裂缝；②随此种不平衡力场的延续作用（地基继续沉降），垂直裂缝向上发展，此阶段即形成了C-C'、A-A'的垂直裂缝，同时由于1#户和3#户区域地基沉降差异导致了前两者向后者区域倾斜移动。上述立面的斜裂缝就是这种倾斜移动变形的结果。②区：结构简单，主要是一层明柱，明柱本身完整，基本无裂缝，其变形表现为明柱基础与地基土脱开。③区：位于别墅临坡侧，阶上结构有明柱和小开间两种结构，见图1，其变形主要表现为明柱基础向不同方向倾斜，其次是小开间基础与地基土脱开，局部基础断裂。②区和③区的变形主要是地基的不均匀沉降引起。2.2别墅变形开裂的原因分析基于上述，别墅3个区虽变形规律不尽相同，但具有共性——均反映出地基不均匀沉降的特征，它们变形开裂型式和程度具有较大差异，这是由于：①区一、二层所有结构除封顶外基本完成，负载较大，因此墙体地板变形开裂严重；②区除明柱外无其它荷载；③区明柱和小开间基础部分受荷较小，故变形程度差。根据现场调查和已有资料的综合分析，地基不均匀沉降的原因：①别墅纵跨两脊加一沟的原始地形之上，1#户、3#户和4#户分别建于冲沟两翼的山脊区域，2#户位于两脊间的原始冲沟区域。场地平整后，造成了回填土厚度的差异性，2#户区域回填厚度平均6.0m，最大厚度6.9m，而其余3户区域填土厚度1～2m。因此，压缩层厚度差异是造成地基不均匀沉降的关键因素；②经现场探井调查，2#户原始冲沟区域由于临空侧填土作用，大气降水入渗水主要汇集于该区域回填土与基岩接触带，滞水位高出基岩0.3～0.5m，而其余3户区域地基土基本无水，地下水对地基土的软化作用和不均匀分布是地基土不均匀沉降的重要诱因；③回填土未经有效处理，密实度差，在上部加载过程中的固结作用使地基土固结变形加剧，致使别墅基建尚未完成而被迫终止。3.别墅综合治理设计3.1治理分区与治理方案2.1节按照别墅变形开裂规律进行了分区，并简述了各分区的变形特征，这些特征受地基变形特征及上部结构荷载等因素控制，因此以别墅变形开裂规律分区作为治理分区，对别墅变形开裂按区进行治理设计，如此可做到有的放矢。在对地基结构、上部荷载及变形程度的综合分析的基础上，根据场地条件，各区采用的治理方案见表3-1。各区治理方案表3-1治理分区地基结构特征设计基底压力（kPa）基础型式场地条件治理方案①区地基土主要由回填土构成，厚度平均6.0m，处理效果差，欠固结土，压缩性大。200条形基础沉降大的区域，不具备机械施工条件采用桩式托换，人工成孔。②区地基土主要由回填土构成，厚度中间大3.0～5.0m，两侧薄1.0～1.5m，处理效果差，临空侧限不佳。100独立基础施工条件较好明柱间用3：7灰土置换回填土，分层夯实，脱空部分采用水泥砂浆充填密实。③区地基土主要由回填土构成，厚度2.0～3.0m，松散，密实度差100独立和条基施工条件较好将已做基础全部拆除，将回填土全部清除至基岩面，用3：7灰土分层夯实至基础设计标高，重新按设计要求建造基础3.2治理设计别墅治理设计的重点为①区，其它区域属常规治理，因篇幅所限仅重点叙述托换桩设计部分。1）托换桩设计（1)托换桩和地基土参数采用人工挖孔桩，桩径d=800mm，桩长按嵌入中风化泥岩0.5m，根据地基回填土的厚度和嵌岩长度，确定的托换桩桩长有6m和8m两种，桩间距3.0m，地基回填土平均重度γ=17.5kN/m3。泥岩天然湿度单轴抗压强度标准值fsk=5MPa。（2）需考虑的其他因素①由于地基土属欠固结土，设计时应考虑地基土在自重和上部荷载作用下，固结压密对桩基承载力的影响——负摩阻力的影响，该种影响按下列各式进行验算：'nsiniiq（3-1）1'112iieeiiezz（3-2）式中：nsiq——第i层土桩侧负摩阻力标准值，kPa；ni——第i层土的负摩阻力系数，取0.25；ie、——分别为第i层土和其上e层土的重度，kN/m3；iezz、——分别为第i层土、第e层土的厚度，m；'i——桩周第i层土平均竖向有效应力，kPa。基桩下拉荷载：1nnngnsiiiQuql（3-3）式中：n——中性点以上土层数；il——中性点以上第i层土的厚度，m；n——负摩阻力群桩效应系数，取1。根据（1）和（2），两种桩长基桩下拉荷载验算结果见表3-2。基桩下拉荷载验算结果表3-2桩长（m）桩径（m）欠固结土层厚度（m）中性点深度确定回填土重度（kN/m3）基桩下拉荷载ngQ（kN）持力层类型深度（m）8.00.87.5基岩7.517.53096.00.85.5基岩5.517.5166②地下水对地基土强度的软化基于前述，地基内滞水仅局部存在，影响厚度较小，且非连续分布，因此，托换桩设计时不宜单独考虑，但在考虑基桩承载力安全系数时作适当考虑。（3）基桩承载力的验算①基桩承受上部荷载取桩间距3m，条形基础宽度1.0m，基底压力σ=200kPa，据此基桩所受的荷载Nk=200×3×1=600kN。②桩基极限承载力的验算按嵌岩桩考虑：ukskrkQQQ（3-4）rkrrkpQfA（3-5）式中：skrkQQ、——分别为总侧阻和嵌岩段总端阻，由于基岩面以上均为回填土，故skQ=0；r——嵌岩段侧阻和端阻综合系数，按嵌岩深径比近似取0.6，则r=0.83，rkf=5MPa。将这些参数代入式（3-4）和（3-5）计算得基桩极限承载力ukQ=2085kN。③基桩设计承载力/22085/21042aukRQkN④基桩需承担荷载1nkgRNQ（3-6）桩长8m时，R1=600+309=909kN；桩长6m时，R1=600+166=766kN。1aRR，满足设计要求。基桩设计承载力为实际承载力的1.15倍和1.36倍，此部分安全储备足以抵御地基含水的不利影响。⑤桩身强度验算1ccpRfA（3-7）式中：c——工作条件系数，取0.7，砼按C20考虑，fc=9600kPa。则1909766RkNkN、0.42×3.14×0.7×9600=3376kN满足要求。⑥桩身结构桩长6.0～8.0m，具体桩长以嵌入中风化泥岩0.5m为准，整个桩体采用C20素砼，为保证桩头的完整性和不被压碎，桩顶2.0m配置钢筋笼（按0.3%构造配置），桩身结构见图4，技术要求（略）。⑦桩孔施工第一步，紧临基础开挖竖导洞，第二步，待竖导洞挖至基底下1.7m时，开凿平洞至基底之下（托换桩孔和基础中心应重合），第三步开挖桩孔至基岩嵌岩深度，如孔壁坍塌或松散应采取护壁措施。111-1断面10?14纵筋2000?8@200螺旋筋800螺旋筋?8@200加强筋?14@2000托换桩导洞1000200110800图4托换桩结构图⑧桩体浇注采用商砼，待浇筑至距平洞底标高2.5m时，应采取振捣措施，然后安设钢筋笼，平洞临孔侧进行支模或砌砖一次浇筑至距基底0.5m停浇，间隔24小时后用钢板、工字钢支撑接顶，最后用与桩体同强度的干硬性砼将桩头与基础间剩余空间充填捣实，确保桩与基础密实接触。支撑结构见图5。导洞图5支撑结构图⑨托换桩施工顺序托换桩施工应分批次，前批施工完成后才能施工后批桩，具体施工顺序见图1。（4）②区和③区治理设计治理方案见表3-1，治理设计和技术要求略。4.结语4.1治理别墅场地原始地形复杂，地基是人工填土欠固结地基，多种不利因素的综合效应，导致了别墅变形开裂不均匀的复杂性和多样性，治理难度大。4.2依据别墅变形开裂规律和地基土结构的综合分析，确定了地基土不均匀固结变形是别墅变形开裂的关键因素。基于变形规律分区及其变形程度确定了桩式托换、地基土置换和重建基础的综合治理方案，通过综合施治，别墅按设计成功加载封顶，实践证明治理设计是可靠的。4.3别墅投入使用三年多来，地基与上部结构变形处于稳定状态，避免了因变形过大失去加载可能而被迫拆除所造成的经济损失，具有巨大潜在的经济效益和广泛的社会效益。4.4文中既有建筑物变形规律调查、分析方法和设计思路对今后同类工程具有一定的借鉴意义。