地基处理在已建别墅区沉降控制中的应用

吴进

核工业南京工程勘察院 江苏南京 211102

摘要：某已建别墅区，因场地下卧软土层的变形影响，造成地基沉降和房屋倾斜。通过分析沉降变形发生的原因，针对如何削减附加应力，隔离邻近荷载，避免软土蠕变等三大问题，提出注浆纠偏，浮托止沉，隔离减载的地基处理方案。

关键词：地基处理；沉降；下卧软土层；注浆纠偏

1. 引言

云南某3层木质结构别墅区建成之后，沉降观测发现其地基变形较大，小区道路附近房屋倾斜明显。经分析研究，决定采用地基处理的方法对房屋沉降与变形进行控制和纠偏。下面通过该案例，介绍地基处理在深厚软土层变形控制中的应用。

2. 场地条件

该别墅区建造前项目场地普遍分布水塘，北端局部区域无水塘分布,如图1所示。岩土工程勘察报告显示，场地下土层包括:（1）人工填土;（2）黏土;（3）泥炭质土;（4）淤泥质黏土;（5）黏土。土层基本沿水平方向分布，层厚较为均匀，土性参数如表1所示。泥炭质土及淤泥质黏土为软土（以下统称下卧软土层），其中以泥炭质土压缩性最高，性质最差。

（a）建造前场地卫星图 （b）现状卫星图

（c）土层分布

图1 场地条件

表1 土层性质

3. 沉降概况

   1. 沉降分布

图2为沉降观测点及监测所得沉降分布图。由图可知，沉降最大的区域在小区道路区域；整体而言，房屋沉降的同时向道路方向倾斜；建设前没有水塘的北端区域比有水塘的区域沉降小。当前监测的最大沉降34.0cm，平均沉降11.1cm，部分房屋倾斜超标。

（a）建筑物分布与测点布置

（b）沉降等值线图

图2 沉降分布

1. 2. 沉降发展

沉降随时间的发展关系可拟合为：

（1）

其中，S_t为t时刻的沉降，S为最终沉降，a为拟合参数。以既有监测数据拟合上式即可得到最终沉降S，拟合情况如图3所示。根据拟合参数a可计算土体固结度U_t:

（2）

根据监测数据计算得当前平均固结度为45.5%，预测未来稳定沉降最大88.8cm，平均沉降25.2cm。当前监测最大沉降34.0cm，平均沉降11.1cm；当前已发生的沉降尚不到最终沉降的一半。

图4给出了沉降随时间的发展预测。按当前数据反映的趋势，沉降稳定所需时间超过百年。这主要是因为下卧软土层（尤其是泥炭质土）压缩性非常高，且渗透系数低，沉降量大且发展缓慢。此外，软土层具有很强流变性，后期变形可能比预测值更大。

图3 沉降发展趋势拟合

图4 未来沉降预测

4. 原因分析

（1）整体沉降。场地中除浅部约2m厚人工填土和黏土外，下埋约11m厚泥炭质土和10m厚淤泥质黏土，二者都属于高压缩性软土；场地道路区回填厚度约1.8米，土体的荷载以及房屋荷载二者共同作用在下部高压缩性软土层中，相当于大面积堆载作用，进而导致整体沉降。此外，北端无水塘处沉降较小说明施工时回填水塘的土方荷载比更早时期水塘开挖移除的土荷载大，因此，水塘回填土方荷载也是引起下方土体沉降的一个原因。

（2）差异沉降。场地下方土体层面基本为水平面，平面内土性变化小，土性差异不是导致差异沉降的主要原因。道路堆填厚度1.8m，相当于36kPa荷载；而三层木结构房屋在基底形成的平均压力很小，以20kPa计。道路区荷载大于建筑区荷载使得道路区沉降大于建筑区（见图5），这是差异沉降的核心原因。

图5 荷载分析

5. 解决方案

   1. 方案分析

科学处理本项目深厚软土层上的房屋沉降问题，需考虑以下三方面关键问题：

（1）削减附加应力。由于下卧软土层压缩性非常高，渗透系数极低，导致沉降量大且发展极为缓慢。因此，首先需大幅减小下卧土层的附加应力才能削减最终沉降量；如需消除处理后的长期沉降，则应以最大幅度削减附加应力为处理目标。

（2）隔离邻近荷载。由于房屋基础紧邻道路回填区，回填土方荷载将在房屋下方引起很大的附加应力。当以房屋沉降治理为首要目标时，应隔离阻断道路填方荷载向房屋下方传递。

（3）避免软土蠕变。此外，值得重视的是，下卧软土层（尤其是泥炭质土）具有很强的流变性，荷载作用下可产生大幅蠕变沉降。若采用传统的托换方案，托换基础（如桩基）荷载传递到软土层仍可能产生较大沉降，进而引起房屋的后期沉降。因此，处理方案应避免软土蠕变效应。

基于上述三方面考虑，解决方案包括注浆纠偏，浮托止沉，隔离减载三项措施，如图6所示。

图6 沉降处理方案概念图

1. 2. 具体措施

（1）注浆纠偏

采用高压置换注浆，抬升建筑物标高，实现纠偏。首先在建筑物四周采用水泥土搅拌桩或旋喷桩施作封浆墙，隔离墙也兼做封浆墙。在由此形成的封闭空间中注浆将有效抬升建筑物标高；通过不同位置施加不同注浆压力实现差异化抬升，进而纠偏建筑物。

（2）浮托止沉

注浆材料置换部分原为泥炭质土体，在建筑物下方形成轻质且强度、刚度满足要求的整块轻质块体。一方面，轻质块体材料的压缩性比原位土体小得多，即降低土体压缩性；更为重要的是，块体密度比水小，在地下水作用下对上部建筑具有浮托作用，可消除下部高压缩土层附加应力，从根本上终止沉降发展，并避免了软土长期蠕变问题。

如图7所示受力分析，为消除工程建设导致的在轻质块体与下卧软土层界面处的附加应力，轻质块体的体积、质量满足以下关系即可：

G_土1+G_土2 >= F_房+G_土1*+G_轻块+F_路-F_浮 （3）

式中G_土1、G_土2为建设前软土层上部土柱的重量和处理范围内软土层土柱的重量（地下水位以下土体取浮重度，下同）；F_房为房屋荷载，G_土1*为施工压实后的软土层上方土柱的重量，G_轻块为轻质块体自重，F_路为邻近道路回填土传递过来的竖向荷载，F_浮为轻质块体受到的水浮力（轻质块体为封闭不透水实体）。

（a）处理前 （b）处理后

图7 受力分析

（3）隔离减载

在道路回填区与建筑区分界处采用水泥土搅拌桩或旋喷桩施作应力隔离墙，使得地表回填土的竖向附加应力不再传递到建筑物下方土体，即发挥减载作用，从而消除堆填土引起的建筑物下沉。

此处采用数值模拟方法分析隔离墙减载的效果（模拟中不考虑轻质材料的有利浮托作用）。如图8所示，数值模型范围水平向宽40m，竖向深30m，垂直平面方向厚度1延米；底面和左右侧面施加法向位移约束，垂直平面方向无位移（即平面应变问题）。因重在应力场分析，故采用弹性分析，以岩土工程勘察所得压缩模量E_s1-2作为弹性模量，泊松比为0.2。顶部施加36kPa、20kPa均布荷载分别模拟回填土荷载和房屋荷载的作用。

图8 数值分析模型（颜色用于区分土层）

首先在重力场下平衡，随后施加顶部分布荷载的45.5%（对应当前场地的固结度），由此形成对应于当前现场现状的有效应力场。随后在不考虑隔离墙和考虑隔离墙两种工况下，施加顶部剩余的54.5%的荷载。图9给出了场地中施加该剩余的54.5%荷载所产生的附加竖向应力与此前已形成的竖向应力的比值在模型空间的分布。可以看到，隔离墙有效地限制了建筑物下方土体的附加应力分布范围，说明隔离墙的减载作用有效。

图9 隔离墙对附加应力场的影响

6. 结语

已建建筑常因地质条件或周围环境的改变造成地基的沉降变形，从而影响建筑物的安全，地基处理的方法（如注浆加固、水泥土搅拌桩、旋喷桩等），因其施工、造价上独到的优势，被越来越多地应用在变形控制与建筑物纠偏中。本文对深厚软土层变形控制的方法介绍，只是起到抛砖引玉的作用，为以后同类工程提供参考。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑地基处理技术规范JGJ79-2012. 北京:中国建筑工业出版社,2013.

[2]中华人民共和国行业标准.既有建筑地基基础加固技术规范GJ123-2000.北京:中国建筑工业出版社,2000.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑地基基础设计规范GB50007-2011. 北京:中国建筑工业出版社,2012.

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