湿陷性黄土场地厂房沉降原因分析及处理探讨

湿陷性黄土场地厂房沉降原因分析及处理探讨

岳芙蓉

岳芙蓉西安航天神舟建筑设计院710075

【摘要】本文通过对西安市某试验厂房各阶段沉降的现状及原因进行了详细的分析与评价，并提出了几种不同的处理方案。

【关键词】不均匀；沉降；裂缝；湿陷；方案

1工程概况

西安市某试验厂房由主厂房及附房组成，主厂房为单层砼排架结构，内设20t/3t双梁桥式吊车一台，轨顶标高9m，附房为单层砖混结构。主厂房基础采用钢筋砼杯口基础，附房采用墙下钢筋砼条形基础。杯口基础尺寸：3.0m×5.0m，条形基础宽900mm，基础埋深均为2.0m，基底压力设汁值为150～170kPa。

据原勘察报告，该场地东西跨黄土塬和三级阶地两个地貌单元，地基湿陷等级为Ⅲ级(严重)。该建筑场地原为一废弃砖厂，东侧为黄土塬坡底因砖厂取土形成南北向的10.0～15.0m深的取土沟槽，沟槽及场地低凹处上覆2.50～6.50m厚的填土，其主要由灰渣、砖渣和粘性土组成。因工程建设需要，厂房室内设计标高高出场地标高5~8m，在挖取一定的填土后，考虑到剩余填土已处于基底下5.0m以下，施工时未挖除剩余填土，仅进行了碾压处理，然后先用素土垫层，后用5.0m灰土垫层进行了处理。

2、地基沉降发展情况

该工程当灰土垫层施工至3.50m厚时，垫层西部开始出现北西～南东向裂缝，其方向与原地形等高线和地貌单元分界线基本一致，垫层东部边缘出现较南北向裂缝，其方向与原取土方向基本一致。经过专家讨论，采取了注浆加固，方案为在每个柱基下布置5个注浆孔，注浆材料采用水泥、粉煤灰，注浆终止压力0.5Mpa。注浆后通过抽芯、动触和标准贯入试验进行了检测。

1年后厂房上部结构施工基本完成，该厂房西部墙体出现裂缝和变形，1个月后明显增多，室内垫层也有开裂现象，其大部分裂缝呈北西～南东向分布，个别沿基础呈东西或南北向分布，裂缝宽度为1～3mm，个别达4mm。附房东部墙体也产生不同程度的裂缝。室外地表也生现裂缝，厂房南侧、东侧室外管沟发现有1～2cm裂缝，上宽下窄、局部管沟错断。

通过为期三个月共8次的沉降观测，其西南角累计沉降量为-12.84mm，西北角累计沉降量-10.34mm，东南角最小，为-0.34mm，最大差异沉降量为-12.5mm。结果表明：该建筑物沉降属不均匀沉降，沉降量自东向西逐渐加大,表现出明显的沉降趋势。

3、地层结构及地基岩土工程评价

3.1地层结构

据勘探揭露，场地地层自上而下分别为近期素填土(Q4m1)、灰土垫层(Q4m1)、人工填土(Q4m1)和第四系上更新统风积(Q32eol)黄土、残积(Q32e1)古土壤构成，具体如下：

①素填土(Q4m1)：褐黄色，主要由粘性土组成，含水量白色石灰渣及砖屑，可塑～坚硬。层厚1.60～1.80m。

②灰土(Q4m1)：白、黄褐花斑杂色，室内该层灰土拌和基本均匀。硬度～坚硬，层底局部有浸水现象。层厚4.80～5.00m。

③人工填土(Q4m1)：黄褐、棕红杂色，上部存在经碾压的素填土，厚度不一，下部主要为砖渣及粘性土组成杂填土。该层可见大量注浆水泥团块，分布不均。中～密实。层厚1.80～5.60m。

④黄土(Q32eol)：褐黄色，大孔结构，含少量白色钙质条纹，土质较均，具湿陷性。可塑。层厚0.70～3.70m。

⑤层古土壤(Q32e1)：红褐色，含少量钙质结核及白色条纹，土质较均，硬塑。该层未穿透。

3.2地基均匀性评价

根据勘察结果，②层灰土垫层为直接的持力层，其厚度基本可达5.0m的设计要求，密实程度和坚硬程度基本一致，故该层可视为均匀地基土层。但室外几个孔中垫层底部有浸水迹象，其含水量最高可达24％，说明该层受到地表水下渗入侵，对其整体均匀性造成了不利影响。灰土地层下的③层人工填土，土质不均，成分杂乱，厚度不一，其标准贯入试验击数N=15～40(击)，差异性很大，是该建筑物地基基础下主要的不均匀地层。

同时由于厂房地处地貌单元分界线上，西部④、⑤层地基土与东部黄土塬地层的地基土在层厚、压缩性、湿陷性等方面均有不同程度的差异。因此，该厂房的地基为不均匀地基。

3.3地基土含水量评价

根据勘察结果和原地基处理前勘察资料进行比较，对③、④、⑤层地基土及其相应地层含水量进行分析，情况如下：

1)原③层填土土质疏松不均，为较干的砖渣、砖坯及粘性土，现在含水量范围为18.9～24.1％，受雨水及地表水侵渗明显。

2)④层地基土与原报告中钻孔土样进行对比，在同样深度(即相当于标高451.6～456.0m深度范围)其含水量由原来的18.6～21.1％，增加到20.5～24.0％，表明也发生了不同程度的受水浸现象。

3)⑤层地基土含水量范围值为18.9～25.4％，原钻孔在同样深度(即相当于标高447.0～452.0m)深度范围，其含水量范围值18.9～25.4％，平均值由20.6％到23.2％，含水量也有所增加。

同时，在勘察过程中发现，室外钻孔中有明显渗水迹象表明，该厂房地基在处理及施工过程中遇两次雨季均有受水浸入现象，对地基土均匀性产生了不利的影响。

3.4地基土压缩性评价

土工试验结果表明：③层填土由于素填土与杂填土混杂，仅从其原状样指标看，其素填土和其下④、⑤层地基土均属中压缩性土，但其压缩性均不均匀。同时和原勘察报告中属厂房东部的同样深度土样相比，④、⑤层地基土压缩系数(a1-2)平均值分别为0.28、0.25，而原勘察报告中东部的同样深度的地基土压缩系数(a1-2)平均值分别为0.15、0.12。说明厂房东部地基土压缩性明显大于西部。

3.5黄土湿陷性差异性评价

与原勘察报告中同处厂房西部的钻孔中土样的湿陷性系数相比，其湿陷系数在同样深度范围内即基础埋深以下15.0m深度范围内④、⑤层地基土的湿陷系数，原钻孔中δs2.0分别为0.078、0.059、0.056、0.038、0.020、0.045，其平均值为0.049，本次勘察④、⑤层地基土湿陷系数δs2.0平均值为0.033，湿陷性明显变小，为地基土受水产生湿陷变形提供了佐证；同时和场地东部的原钻孔中仅有二个土样湿陷系数大于0．015相比，其西部地基湿陷性明显大于东部，且东西方向上差异很大。

4地基病害产生的原因及机理分析

4.1地基土不均匀是产生病害的根本原因

综合分析厂房西部产生的裂缝，其代表性的展布方向为北西～东南方向，与地貌单元分界线和原地形等高线方向一致，其③层地基土人工填土，压缩性差异较大，且厚度不一，成分较杂，虽经注浆加固，但因高厚填土和受水其地基均匀性提高效果受到损害，加之局部提高效果不大，因此，地基主要受力层的不均匀是产生裂缝和变形的主要原因。

4.2大面积灰土垫层对下卧填土层的影响

本场地填土厚度较大，场地整平标高远高于原有地面，填土层上设计有5.0m厚灰土垫层。在地基处理时，对填土层未进行全部换填处理，虽对剩余填土层进行了压实处理，但碾压效果和影响深度有限，虽然原场地为取土场地，但也忽视了5.0m厚灰土垫层本身自重带来的大面积附加荷载对下伏疏密不均的填土和黄土的影响，从而引起填土和下伏湿陷性黄土压缩变形，这也是导致沉降和开裂的重要因素。

4.3地基土受水浸渗产生的影响

由于地下水埋藏较深，场地原为砖厂取土场地，地势比周围低，其地基不均匀沉降开裂的另一个重要原因是降水入渗及地表水局部汇入导致黄土湿陷，即降水或其所成的地表水通过以砖渣、砖坯为主的填土渗入湿陷性黄土中，该场地为自重湿陷性黄土，其湿陷等级为Ⅲ级(严重)，遇水迅速发生湿陷变形，加之上覆填土厚度不一，最终导致地基下沉和产生裂缝。

4.4地基土物理力学性质指标差异性的影响

根据前述对地基土物理力学性质指标的评价结果，④、⑤层地基土在含水量、压缩性、湿陷性等方面均存在不同程度的沿水平和垂直方向上的差异，尤其由于地处不同地貌单元分界线两侧，东、西部地基土物理力学指标差异更大，对地基的不均匀沉降产生具有潜在的影响。

4.5场地周围高厚填土的附加荷载产生的影响

除地基处理采用的5.0m厚度灰土垫层外，由于室外整平同样远远高于原有地面，其场地周围地区同样为高填土区，且其高填土使建筑物西部与相邻场地形成4.0m左右的人工边坡。由于建筑物和周围大面积堆填的速率不一，回填材料和质量存在较大差异，因之产生的附加应力不同，相应地使地基土产生不均匀沉降和变形、开裂。由于室外堆填土方时高度不一，在建筑物西南侧形成了局部汇水的低凹地形，使雨水从垫层侧面向内浸水并进入③层及其以下地基土中。另一方面，室外填土高度不一，回填质量差别较大，使地基土产生差异沉降变形或蠕变。同时，在与垫层接触面沿线产生裂缝，也为地表水入渗提供了通道。

5、处理方案

通过对厂房地基调查，地基加固处理应从进一步提高地基均匀性，采取有效的防水措施，防止地表水渗入等方面入手，并选择适宜的地基处理加固方案。

5.1人工挖孔桩方案

由于地基处理时采用5.0m厚的灰土垫层，并对其下的③层填土进行过注浆加固处理，③层地基土多为砖渣、砖坯及水泥团块，采用人工挖孔桩方案存在施工困难，且易产生塌孔、成孔困难等问题，故不宜选用。

5.2静压桩托换方案

采用静压桩托换技术，进行托换加固处理，可直接使桩项作用于独立柱基础之下，地基处理效果明显，同时也可使建筑物局部裂缝得到弥合，也可起到顶升纠偏的作用。但由于灰土垫层其下的③层填土的存在，施工方案不易实施，且造价较高。

5.3托换墩方案

该方案是通过在独立柱基础之间的钢筋砼连梁下采用长2.0m、高1.50m、宽0.80～1.0m的砼托换墩进行托换，使托换墩置于灰土垫层之上，以有效分担高大墙体的荷载，减少建筑物荷载对独立柱基础的依赖，从而防止变形进一步发展，达到控制地基病害目的，此法简单可行，但仍以灰土垫层为持力层，不能从根本上解决垫层下的地层产生压缩变形和湿陷变形对建筑物的影响。此法应在确定建筑物沉降变形不大或基本趋于稳定的情况下采用。

6结语

1）该实验厂房产生沉降变形、开裂的根本原因在于地基受力层范围内存在填土地层、地基土不均匀；5.0m厚灰土垫层及高填方土引起地基附加沉降、雨季浸水引起地基变形是导致地基病害产生的重要因素。

2）采用托换墩方案，是较为经济可行的地基加固方案，但需继续观测，以确保沉降趋于稳定。

3)在对主厂房采取加固的同时，完成室外地面防水硬化及排水系统等工程，并采取相应防水措施，防止地表水再次入侵。

参考文献：

[1]《湿陷性黄土地区建筑规范》(GBJ25—2004)；

[2]《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2010)；

[3]《既有建筑物地基基础加固技术规范》(JGJl23—2000)；