遭遇較厚液化土層時的地基基礎設計型式比選

1、<p>　　遭遇較厚液化土層時的地基基礎設計型式比選</p><p>　　摘要:宿遷市洋河開發(fā)區(qū)地處江蘇省北部黃河沖積平原地貌，地層沉積年代新，液化土層較厚，當地在遭遇到此種情況如何來滿足建筑抗震設計規(guī)范（以下簡稱抗規(guī)）關于消除或減輕液化土影響的方面積累了豐富的設計和施工經驗，本文以一個具體工程為例，通過多種基礎型式在技術、工期和經濟上的對比分析，反映出在荷載分布比較均勻的規(guī)則多層建筑遇到類似的地基情況

2、下，最終選擇柱下條形基礎+局部換填一定深度的液化土層作為本案的基礎設計型式是可行的。 </p><p>　　關鍵詞:消除或減輕液化土的影響 震陷 柱下條形基礎 砂石換填 </p><p>　　中圖分類號：TU2文獻標識碼： A </p><p>　　1、工程概況及場地說明： </p><p>　　某工程位于江蘇省宿遷市洋河開發(fā)區(qū)，由多個4~5

3、層的單體建筑組成，建筑抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g，地震分組為第二組，均采用框架結構體系。 </p><p>　　工程所在場地地處平原區(qū)，地勢平坦，地層分布較穩(wěn)定，建筑場地類別為Ⅲ類，無崩塌、滑坡、泥石流等不良地質作用和地質災害存在，但存在較厚液化土層分布，地基液化等級為中等，屬對建筑抗震不利地段。場地地下水主要為潛水，淺層潛水主要賦存于第①~④層土層中，受大氣降水及地

4、表水入滲補給，穩(wěn)定水位埋深約為1.00米。具體土層主要物理力學性質表如下表一： </p><p><b>　　表一 </b></p><p>　　2、工程的特點及設計重點： </p><p>　　本工程的建筑單體上部結構均采用多層框架結構體系，柱網相對規(guī)整（某建筑單體一層平面圖如圖一所示），結構平面及豎向體型簡單、規(guī)則，荷載分布比較均勻，上部結

5、構設計為常規(guī)框架結構設計，但經過仔細分析本建設場地土層的分布情況，發(fā)現有以下兩個方面的問題在設計當中必須妥善解決，現將羅列如下： </p><p>　　本建設場地的土層分布中②、③、④、⑤-1層土均為可液化粉土，液化土層厚，液化等級為中等，根據《建筑抗震設計規(guī)范》（以下簡稱抗規(guī)）第4.3.6條中不宜將未經處理的液化土層作為天然地基持力層的要求，必須采取抗液化措施，因此如何消除或減輕液化土沉陷的影響，以及液化土層處

6、理的深度和地基基礎的選型就成為本項目設計需要解決的關鍵問題之一。 </p><p>　　從本項目的土層分布物理力學性質表中可以看出，在②、③層液化粉土中間夾有③-1層淤泥質粉質粘土，此土層厚平均為1.2米左右，土層層底標高為自然地坪下4.2米，這層土的承載力低，壓縮系數大，為高壓縮性土，③-1層土的特性及埋深將會對選擇淺埋的天然基礎的基礎選型及承載力計算造成影響，也是必須妥善解決的問題之一。 </p>

7、<p>　　3、分析抗規(guī)條文要求，初步確定設計方向，比選基礎設計方案。 </p><p>　　本項目的設防類別為丙類，抗震烈度為7度，根據抗規(guī)的4.3.6條的要求可知，本項目可以采用基礎和上部結構處理的減輕液化影響的措施，仔細分析抗規(guī)的4.3.6~4.3.9條的各項要求及條文說明初步得到以下認識：（1）對于液化等級為中等的場地，只要不是傾斜場地（坡度大于10度）和液化場地土層嚴重不均的情況，盡量多考

8、慮采用較易實施的基礎與上部結構處理的構造措施，不一定要加固處理液化土層；（2）加強基礎和上部結構的整體性和剛度，以及采用輕質建筑材料來減輕上部結構荷載對抗液化都是十分有利的；（3）液化的危害主要來自震陷，特別是不均勻震陷，根據抗規(guī)的4.3.6條條文說明提出的粉土液化平均震陷量的經驗算法公式：SE=0.44ξkS0（d12- d22）(0.01p)0.6/B,分層試算并相加可知本建筑單體的液化震陷量平均值SE>15cm，需要進行地基

9、處理，主要是因為液化土層厚造成的。但鑒于震陷量的評價方法目前還不成熟，計算誤差又很大，本計算結果僅作為不能忽視較厚液化土層影響的一種參考。 </p><p>　　基于抗規(guī)提出的減輕液化影響的概念，并參考天津地區(qū)根據實際震陷資料并考慮地震的偶發(fā)性而制定的 “軟土震陷量小于5cm者可不采取措施，8度區(qū)f ak>90 kpa及9度區(qū)f ak>100 kpa的軟土可不考慮震陷的影響”地方暫時規(guī)定，本項目建設場

10、地接近于不需要考慮震陷的邊界線，經過與建設當地的審圖專家反復溝通，并結合本項目層數不高并且建筑平面布置相對規(guī)則的特點，在充分尊重地方經驗的基礎上，現提出以下幾種基礎設計方案供比選： </p><p>　　3.1采用獨立基礎+地梁+局部換填處理液化土層（埋深1.5m） </p><p>　　抗規(guī)4.3.9條關于減輕液化影響的基礎和上部結構處理的措施中并未強制要求一定要進行地基處理，根據和地方

11、專家的溝通結果，設計上采用換填法，用滿足《建筑地基處理技術規(guī)范》4.2.1條要求的砂石換填2層液化粉土，換填深度為1.5米，從以下幾個方面考慮：（1）本案選擇不換填3-1層淤泥質粉質粘土，主要基于三個原因：①3-1層土的埋深為自然地坪下4.2米，相對較深，如全部換填將會使換填深度達到3米左右，接近規(guī)范要求的極限，造成施工難度大、造價高、質量不易掌控等缺點；②3-1層土層厚為1.2米左右，相對較薄，如果不換填處理，會對基礎沉降造成一定的影

12、響，但只要設計時采取一些措施還是可行的；③經過以下基礎承載力試算結果發(fā)現，以3-1層土作為軟弱下臥層，還是可以滿足基礎設計要求的。（2）本案選擇換填2層液化粉土，可以增加上覆非液化土層的厚度，適當減輕液化土層的影響，提高設計的可靠度；（3）砂石換填盡量不要擾動3-1層淤泥質粉質粘土，避免造成施工困難；（4）在獨立基礎之間加設地梁，地梁一方面可以承擔上部磚墻的荷載，另一方面主要可以加強整個基礎之間的整體性，來減輕液化土層的影響；（5）通過

13、砂石換填后，可以提</p><p>　?。?）根據《建筑地基基礎處理技術規(guī)范》4.2.2條可知砂石墊層的底寬度應滿足b’≥b+2ztanθ，且墊層頂面每邊超出基礎底邊緣不應小于300mm。（7）換填砂石墊層的承載力設計要求不小于150kpa，并應通過現場靜載荷實驗確定。 </p><p>　　以某框架柱的標準組合柱下荷載為FK=2654KN為例簡單介紹計算過程：①獨立基礎長、寬設為l=5.

14、4m,b=5.4m，z=1.5m，z/b=0.278，查《建筑地基處理技術規(guī)范》表4.2.2，采用內插法可以得出θ=21.12°；②基底以上土平均重度γm1=15.29KN/M3, 基底壓力PK=（FK+GK）/lb=116 kpa，基底處土的自重壓力值PC=22.94 kpa；③下臥層以上土平均重度γm2=12.15KN/M3，下臥層承載力faz=ηdγm2(d-0.5)=100.38 kpa；④下臥層頂面處的附加壓力值Pz

15、=lb(PK-Pc)/(b+2ztanθ)(l+2ztanθ)=63.08 kpa，下臥層頂面以上土的自重壓力值Pcz=36.45 kpa，所以Pz+Pcz=99.53<faz=100.38 kpa，滿足設計要求。 </p><p>　　3.2采用鋼筋混凝土交叉條形基礎（柱下條形基礎）+局部換填處理液化土層（埋深1.5m） </p><p>　　采用柱下條形基礎設計和以上獨立基礎的設

16、計思路基本一致，其換填要求同上，本條不再贅訴，但經仔細分析，可發(fā)現柱下條形基礎有以下幾個方面的優(yōu)勢：（1）柱下條形基礎比獨立基礎的整體性和剛度更強，更有利于減輕液化土層的影響；（2）從圖一可以看出，本項目建筑單體的柱網相對比較均勻，比較適合柱下條形基礎的設計，施工也較為方便；（3）從經濟方面看，本項目結合考慮換填砂石和基礎施工兩方面的總造價，發(fā)現兩種基礎型式的造價相當，可知采用柱下條形基礎型式并不增加總投資。 </p>&

17、lt;p>　　3.3采用天然筏板基礎+基礎下2米深度范圍水泥土加固液化層（埋深1.0m） </p><p>　　根據抗規(guī)4.3.6條條文說明中的案例分析，筏基、箱基等整體性好的基礎對抗液化十分有利，但由于本建設場地的液化土層厚（總厚度大于10米），為防止地震使房屋產生過大的震陷，設計中考慮適當加固處理局部深度的液化土層（參照抗規(guī)4.3.6條條文說明中案例2做法）。經過經濟分析比較，采用此法基礎總造價較前兩種

18、基礎型式有近10%的投資增加，并且地方審圖專家針對采用水泥土加固地基的做法，結合目前國內的一些經驗和教訓，對此法的施工質量控制提出質疑，最終建設單位和地方審圖專家一致建議不采納此設計方案。 </p><p>　　3.4 采用樁基礎+地梁（承臺底標高為-1.5m） </p><p>　　采用樁基礎設計是目前國內普遍使用的全部消除地基液化沉陷的措施之一，主要用于高層和體型不規(guī)則的建筑，經分析顧

19、曉魯等主編的《地基與基礎》第三版中關于液化土中的樁基震害特點，結合《建筑樁基技術規(guī)范》的5.3.12條具體要求，本項目選用樁基設計方案時，在樁基礎的選型和設計上需考慮以下幾點：（1）較厚的中等液化土層建議不要使用預應力管樁或方樁。如江蘇省的地方標準《預應力混凝土管樁基礎技術規(guī)程》的3.3節(jié)關于管樁的適用范圍中有明確規(guī)定；（2）應加強樁頂與承臺的連接做法，常規(guī)的樁頂嵌固方法不滿足嵌固要求，常發(fā)生連接破壞，錨筋拔出的現象；（3）為減少樁負擔

20、的水平荷載，應將承臺旁的填土盡量夯實；（4）必須保證樁伸入非液化下臥層的長度，避免由于懸在液化土中造成樁基下沉使樁基失效。（5）對于樁身周圍有液化土層的低承臺樁基，當承臺底面上下非液化土層厚度小于1.5m、1.0m時，土層液化影響折減系數ψl取0。（6）樁基承臺之間加設地梁，來增加基礎的整體性，有利于樁基的受力性能。 </p><p>　　綜合以上要求，本工程擬采用直徑600mm的鉆孔灌注樁，樁長16米，樁端伸入

21、6層含砂姜粘土層近4米，經試算單樁豎向承載力特征值為360KN，以前面獨基試算框架柱的標準組合柱下荷載為FK=2654KN為例，需要布設8根樁。（具體樁基承臺、獨立基礎示意圖如下） </p><p>　　從以上兩圖比較可以看出，采用樁基礎設計，光承臺的鋼筋混凝土用量也是非常大的，不容小覷，經過對比，采用樁基礎來消除液化土層影響比采用獨立基礎+地梁+局部換填砂石的方案基礎總造價增加約30%左右。 </p>

22、;<p>　　綜上所述，經過與建設單位以及當地審查專家的多次溝通，本著堅持因地制宜、保護環(huán)境、節(jié)約資源的設計原則，本案最終決定選擇柱下條形基礎+局部換填處理1.5m深液化土層的基礎設計方案。 </p><p><b>　　結束語 </b></p><p>　　在抗震設防烈度8度以下地區(qū)，遇到液化土層較厚且液化等級為中等或輕微的情況，只要不是傾斜場地（坡度

23、大于10度）和液化土層嚴重不均，針對于荷載分布比較規(guī)則且平面布置規(guī)則的多層丙類建筑，為了滿足抗規(guī)關于減輕液化影響的措施要求，選擇采用樁基礎型式固然是一種相對徹底的解決方案，但這種型式往往造價高且施工周期長，不易被建設單位接受，經過仔細分析抗規(guī)條文的要求，參考地方類似項目的設計經驗，從中可以發(fā)現樁基設計不是唯一有效的方法。本案最終選用柱下條基+局部砂石換填液化土層的基礎設計方案，在不增加總體造價的情況下，既有效加強了基礎的剛度和整體性，又

24、采取了相應的抗液化措施，可以滿足可靠度設計要求，是可行的基礎設計方案。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　GB50011-2010 建筑抗震設計規(guī)范 北京：中國建筑工業(yè)出版社 2010 </p><p>　　JGJ 79-2012 建筑地基處理技術規(guī)范 北京：中國建筑工業(yè)出版社 2013 </p>