砂性土地區(qū)堆山工程地基承載力計(jì)算及沉降觀測(cè)

林 敏

（南通市市級(jí)政府投資項(xiàng)目建設(shè)中心，江蘇 南通 226000）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市居民對(duì)于綠化景觀需求加劇，而土方造型是園林綠化中重要的基礎(chǔ)，能體現(xiàn)園林整體構(gòu)架。因此平原地區(qū)的堆山造景工程越來(lái)越多，規(guī)模越來(lái)越大，要求越來(lái)越高。

堆山工程中采用分層填筑，具有土方體積大、荷載分布廣、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。因此地基會(huì)產(chǎn)生沉降和位移，如果處理不當(dāng)，嚴(yán)重的可能產(chǎn)生地基塌陷、河道的河底部隆起等其他問(wèn)題[1]。對(duì)于地基處理，根據(jù)不同的地質(zhì)條件采用不同的施工工藝。其中排水固結(jié)法為處理地基最常用的方法，又細(xì)分為豎向排水及水平排水。如采用塑料排水板[2]、碎石樁[3]、砂井[4]、砂墊層[5]等，主要是加快地基排水，使得地基固結(jié)后強(qiáng)度增加，提高地基承載力，減少相應(yīng)沉降。

本文以南通市中央創(chuàng)新區(qū)內(nèi)景觀山體填筑為例，進(jìn)行地基處理方案研究。通過(guò)地質(zhì)條件分析及地基承載力計(jì)算，最終采用天然地基進(jìn)行堆筑，并觀測(cè)三座山體周邊地基沉降及位移情況，為砂性土地區(qū)山體堆筑提供重要的參考價(jià)值。

1 工程概況

南通市中央創(chuàng)新區(qū)重點(diǎn)打造的紫瑯公園占地面積2.66 km2，其中紫瑯公園北區(qū)占地約23 萬(wàn)m2，見(jiàn)圖1。周邊河道2 m 以下區(qū)域8 萬(wàn)m2，河岸2 m 以上15 萬(wàn)m2。該區(qū)域擬建三座山體，最高點(diǎn)高程（85 國(guó)家高程）分別為26.0 m、15.0 m 和13.0 m 三座山體。26.0 m 與15.0 m 山體之間的13.0 m 等高線內(nèi)有12.8 m 建筑廣場(chǎng)。山體填筑采用南區(qū)湖體開(kāi)挖出的砂土填筑，表層采用耕植土覆蓋。在4 m 等高線以上12 萬(wàn)m2區(qū)域用近80 萬(wàn)m3的土方堆筑三座山體，其中26 m 山體頂部離新開(kāi)挖河駁岸區(qū)域（2 m 高程）的距離只有152 m，堆筑的坡度在1∶6.3。

圖1 工程平面圖及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

在山體四周為新開(kāi)挖河道，河床底標(biāo)高為-1.0 m，山體堆筑完成并待沉降穩(wěn)定后進(jìn)行河道開(kāi)挖施工。河道的實(shí)施打破了地基原本的整體性，把堆筑區(qū)域與其他區(qū)域隔離出來(lái)，使得堆筑區(qū)域持力層受到破壞，使得堆筑難度系數(shù)增加、施工工期延長(zhǎng)。

2 地質(zhì)條件

在勘探范圍內(nèi)，勘探深度之間可分為2 個(gè)工程地質(zhì)層（11 個(gè)工程地質(zhì)亞層，4 個(gè)透鏡體），除表層填土、淤泥外，其余屬第四紀(jì)長(zhǎng)江沖積層，根據(jù)勘探資料得出場(chǎng)地和地基較為穩(wěn)定。場(chǎng)地穩(wěn)定潛水位一般位于（85 國(guó)家高程）2.3 m 左右，年地下水變化幅度1.0 m左右，近3～5 年最高地下水位約為2.5 m，本地區(qū)歷史最高地下水位約為3.0 m，地下水和土對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性。

場(chǎng)地處于同一地貌單元，地基基本均勻?，F(xiàn)狀地形平均標(biāo)高在4.0 m 左右，根據(jù)土工試驗(yàn)成果，各土層平均厚度、巖土性質(zhì)指標(biāo)、強(qiáng)度參數(shù)、變形參數(shù)、地基承載力值見(jiàn)表1。

表1 各項(xiàng)巖土性質(zhì)指標(biāo)及有關(guān)參數(shù)建議使用值

3 地基土分析

本場(chǎng)地②-1層土工程特性差異不顯著，各處地基土壓縮性無(wú)較大差異，地基可評(píng)價(jià)為均勻地基。根據(jù)估算山體最大堆高22 m，土的容重按實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的壓縮后最大容重17 kN/m3計(jì)算，地基最大荷載約374 kPa。

3.1 地基承載力計(jì)算（26 m 處）

根據(jù)估算，受附加荷載作用，根據(jù)不同的堆土高度，主要為25～40 m 以淺土層所產(chǎn)生的變形量，除主山體（標(biāo)高26 m）及其周邊區(qū)域外，影響土層主要位于25 m 以淺，以粉砂、粉土為主，一般為中等壓縮性，局部為中等偏高壓縮性，力學(xué)強(qiáng)度為一般～較高；約25～36 m 深度范圍內(nèi)以粉土、粉質(zhì)黏土為主，中等偏高壓縮性土，力學(xué)強(qiáng)度較低；其下40 m 以淺土層以粉砂為主，中～中偏低壓縮性土，力學(xué)強(qiáng)度較高。

本文以天然地基為基礎(chǔ)計(jì)算地基承載力。根據(jù)力的極限平衡為基礎(chǔ)計(jì)算，地基承載力與土的容重與強(qiáng)度指標(biāo)（摩擦角、黏聚力）等有關(guān)。在小偏心下根據(jù)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定地基承載力設(shè)計(jì)值公式為[6]：

式中：Mb、Md、Mc為承載力系數(shù)；ck為基底下一倍短邊寬度的深度范圍內(nèi)土的粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值。

本工程ck取一倍短邊6 m 范圍內(nèi)土層ck標(biāo)準(zhǔn)值，經(jīng)計(jì)算ck為19.4，查表可得：Mb=0.49、Md=3.02、Mc=5.52，得fa=192.5 kPa。因此地基承載力極限值Pu1/4為385 kPa，大于374 kPa。

因式（1）按照太沙基及漢森理論進(jìn)行計(jì)算，偏于保守，且26 m 堆載區(qū)域?yàn)橹虚g局部，從土體深寬修正的理論出發(fā)，周邊土體回填于26 m 處起到一個(gè)反壓的作用，為有利因素。且堆山土體容重小于計(jì)算值。因此天然地基滿足地基承載力要求。

3.2 地基沉降計(jì)算

地基的沉降計(jì)算可按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中公式5.3.5 進(jìn)行：

式中：s 為地基最終變形量（mm）；s' 為按分層總和法計(jì)算出的地基變形量（mm）；φs為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；p0為相應(yīng)于作用的準(zhǔn)永久組合時(shí)基礎(chǔ)底面處的附加壓力（kPa）；n 為樁基沉降計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；Esi為等效作用底面以下第i 層土的壓縮模量（MPa）；zi為樁端平面荷載至第i 層土、第i-1層土底面的距離（m）；αi為樁端平面荷載計(jì)算點(diǎn)至第i、i-1 層土底面深度范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。

若單獨(dú)考慮主山體20 m×20 m 范圍的堆土對(duì)地基的作用，等效作用面從②-1層黏質(zhì)粉土層頂起算，山體填土重度為17 kN/m3，該范圍平均填筑高度取22 m，附加壓力為374 kN/m2，取每米計(jì)算沉降小于總計(jì)算沉降量的0.025 時(shí)停止計(jì)算，根據(jù)初步計(jì)算，止算深度為38 m。因此按照附加應(yīng)力法計(jì)算得到各層土體沉降量見(jiàn)表2。計(jì)算38 m 深度范圍內(nèi)的土體最終沉降量為398.5 mm。

表2 各層土體沉降量

4 沉降及位移觀測(cè)

經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目天然地基土承載力及沉降計(jì)算，均滿足要求。同時(shí)根據(jù)初步分析，剪切應(yīng)力的影響一般在25 m 以淺，該范圍內(nèi)土層抗剪強(qiáng)度中等，山體的設(shè)計(jì)坡比較緩，抗剪一般可穩(wěn)定。同時(shí)，利用土體的自重固結(jié)和堆載對(duì)地基土的固結(jié)效應(yīng)，結(jié)合排水措施將回填土中的孔隙水及地基土中的（超）孔隙水逐漸排水，并達(dá)到新的力學(xué)平衡。因此可以采用天然地基做為本堆山工程基礎(chǔ)。

在采用天然地基施工的過(guò)程中，需要同步觀測(cè)地基沉降及水平位移。因考慮山體填筑時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)易受影響，因此山體填筑范圍內(nèi)不布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。本工程在堆山區(qū)域周邊代表性部位布設(shè)10 個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（埋石點(diǎn)）及8 個(gè)深度達(dá)到15 m 的深層水平位移監(jiān)測(cè)孔（測(cè)斜孔），以確定堆山過(guò)程中地基穩(wěn)定及土體抗剪情況。本工程在堆山區(qū)域周邊代表性部位布設(shè)10 個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（埋石點(diǎn)）及8 個(gè)深度達(dá)到15 m 的深層水平位移監(jiān)測(cè)孔（測(cè)斜孔），以確定堆山過(guò)程中地基穩(wěn)定及土體抗剪情況。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置見(jiàn)圖1，編號(hào)分別為D01-D10和TX1-TX8。水平位移監(jiān)測(cè)孔可兼做地下水位觀測(cè)點(diǎn)。

三角高程測(cè)量采用南方NTS-341R10A 型全站儀（NO：157889）；垂直位移監(jiān)測(cè)采用DS05 自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀（NO：361475）及配套2 m 銦鋼條紋尺；深層水平位移監(jiān)測(cè)采用CX-3C 基坑測(cè)斜儀（NO:5338）。

沉降觀測(cè)根據(jù)項(xiàng)目布設(shè)的3 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，和地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成閉合水準(zhǔn)線路，經(jīng)連續(xù)3 次觀測(cè)，3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)及所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)值較穩(wěn)定，取其平均值作為初始值。監(jiān)測(cè)時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于同一高程系統(tǒng)。

水平位移觀測(cè)是將測(cè)斜儀的探頭導(dǎo)輪放置在測(cè)斜管內(nèi)，高導(dǎo)輪對(duì)準(zhǔn)山體變形方向（與山體等高線垂直）；導(dǎo)槽為正向，按1 m 間隔記錄，正反方向各測(cè)錄一次，通訊至電腦生成深層位移圖表。

采用一定的施工措施進(jìn)行山體堆筑后，得到最終沉降數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。最終水平位移數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2（水平位移正數(shù)代表朝山體外側(cè)位移），過(guò)程沉降數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。

表3 各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終沉降量

根據(jù)圖2 及圖3 各觀測(cè)點(diǎn)的水平位移及沉降數(shù)據(jù)可知，TX5 及TX6 觀測(cè)點(diǎn)深度為1 m 處水平位移較大，分別為94.30 mm，92.18 mm，。DX6 最終沉降為201.7 mm。

圖2 各水平觀測(cè)點(diǎn)最終水平位移數(shù)據(jù)

圖3 各沉降觀測(cè)點(diǎn)沉降過(guò)程

因5# 點(diǎn)及6# 點(diǎn)處為整個(gè)堆山工程最危險(xiǎn)區(qū)域，在山體堆筑完成后未沉降穩(wěn)定后進(jìn)行土方開(kāi)挖導(dǎo)致該處地基出現(xiàn)滑移，經(jīng)監(jiān)測(cè)報(bào)警后采取土方回填。所以該處位移及沉降出現(xiàn)較大數(shù)值。

根據(jù)測(cè)斜報(bào)告12 月份完成全面堆山后，3 月份以后各點(diǎn)變化速率由0.08 mm/d 到6 月份逐漸趨近與0 mm/d，最大水平位移為T(mén)X1。根據(jù)沉降觀測(cè)報(bào)告，4 月份后沉降量最大為D01 點(diǎn)的0.8 mm/m 至6月份為0 mm/m。因山體主要以種植苗木為主，輔以園路及平臺(tái)，該沉降量在容許范圍內(nèi)，可以認(rèn)為沉降收斂，趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本工程通過(guò)理論分析地質(zhì)條件、地基承載力計(jì)算及實(shí)際監(jiān)測(cè)周邊地面沉降、水平位移觀測(cè)結(jié)果相結(jié)合，分析得到以下認(rèn)識(shí)：

（1）水平位移觀測(cè)點(diǎn)除TX5 及TX6外，平均值為22.35 mm。地基沉降除DX6外，平均值為39.7 mm。觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于理論計(jì)算最終沉降量398.5 mm，滿足工程地基沉降要求。

（2）堆山工程荷載大，地基發(fā)生固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)合理安排施工工序及施工周期，使地基充分固結(jié)后進(jìn)行下一道工序，并結(jié)合工程地質(zhì)特點(diǎn)，采用相關(guān)措施加速地基固結(jié)，提高地基承載力，縮短工期。

（3）通過(guò)后期綠化種植后長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得出，周邊地面沉降均在容許沉降范圍內(nèi)，因此砂性土地區(qū)堆山工程堆筑20 多米山體時(shí)可采用天然地基進(jìn)行堆筑，可為相關(guān)砂性土地區(qū)堆山工程地基處理提供類(lèi)似參考。