[科普中国]-沉降差

沉降差过大事故处理0 引言

随着经济的发展和社会的需求，高层和超高层建筑不断涌现。目前，我国拥有高 492 m 的上海环球金融中心，高 632 m 的上海中心大厦和高约 597 m 的天津 117 大厦正在建造中，我国土木工作者积累了高层和超高层设计和建设的成功经验。然而，低层建筑、单层厂房、粮食仓库等建筑因其上部荷载较小，结构简单往往不能引起设计和施工人员的足够重视，反而引发了一些工程事故，继而也积累了一些处理桩基事故的成功经验。本文选取同一建筑采用刚柔不同桩基础而引起两种不同桩型沉降差过大的典型案例，详细分析了单层粮库刚柔两种桩沉降不协调的原因，并提出了具体解决方法。笔者希望此工程案例能引起广大土木工作者的注意，在设计和施工过程中避免此类事件再次发生。

1 工程概况和场地地质条件温州某粮食储备仓库共有 6 幢，粮库屋面为人字梁结构，屋架部分的有效高度为 6.8 m，设计储粮高度为 6.5 m，实际储粮部分的地面面积为 12.26 m×30.52 m，单幢粮库设计总仓储为 331 万斤，室内地面设计堆粮荷载约为 35.75 kPa。

该场地位于温州软土地区。粮库的主体结构部分基础设计采用预应力管桩双桩承台梁式基础，预应力管桩直径为 400（60）mm，其有效桩长约为 26 m，设计要求管桩单桩竖向抗压承载力特征值为 400 kN，单幢粮库主体结构部分共布置预应力管桩 60 根（具体布置方式可参见 4.2 节中的图 5）。粮库室内堆粮地面设计采用水泥搅拌桩进行加固，水泥搅拌桩设计桩径为 500 mm，设计有效桩长≥10 m，水泥掺入量为 15%。设计要求水泥搅拌桩 90 d 龄期的无侧限抗压强度为 1.5 MPa，复合地基承载力特征值为 100 kPa。开挖结果显示，实际施工过程中，水泥搅拌桩顶上覆盖有厚约 1.65 m 的杂填土，杂填土上为厚约 10 cm 的素混凝土层，素混凝土上直接堆放粮食。需要说明的是，勘探单位提供的本工程地质剖面图显示，在 6 个粮食储备仓库场地上勘探深度都不足（勘探孔深 15.0～20.2 m），没有一个勘探孔打穿淤泥层，这显然是不合理的。图 2 中淤泥的厚度是参照相邻工地的数据得到的，而表 1 中带*的参数也是相邻工地土层的参数。

2 粮库室内地面沉降观测6幢仓库中的#6 粮食仓库为空仓库，#1～#5 粮库均储有粮食。2010 年 1 月份发现粮库仓储地面（水泥搅拌桩基础）储粮后出现了过大的沉降，最大约为 40 cm 且沉降还有不断增大的趋势，已严重影响了粮库的正常使用。但采用预应力管桩的粮库主体结构部分基础沉降很小，粮库的外立面基本完好，采用刚性预应力管桩基础的主体结构与采用柔性水泥桩基础的室内地面沉降差过大。同时对还未储粮的#6 仓库现场观测发现，#6 空粮库室内地面出现了不同程度的沉降裂缝，粮库地面混凝土横梁被拉裂，见图 3。为弄清储粮地面的具体沉降情况，有必要对储粮地面进行现场实测。为配合测量，建设单位对#4 粮库的粮食进行了腾空。笔者利用水准仪对腾空后的#4 粮食仓库地面进行了详细的沉降观测。观测时共在#4 粮食仓库地面上设置沉降观测点 54 个，以东面门口地梁作为基准点来测试各个沉降观测点的相对沉降。

4 粮库粮食卸载后地面沉降最大值出现在粮库的中心位置，沉降呈“锅底形”。北面至室内地面中心点的沉降差约为350 mm，其倾斜率约为2.15%；西面至室内地面中心点的沉降差约为360 mm，其倾斜率约为5.05 %。测试结果表明4 粮库的累计中心沉降量和倾斜值均超过了设计和使用要求。需要说明的是，图4 中的沉降数据是粮食卸载后（地面会产生回弹）的实测沉降数据，粮食堆满时的室内地面实际沉降值肯定要比图4 中数据大。1～5 粮库储粮后室内地面沉降情况也与4 粮库类似，同时6 空粮库室内地面也发现了自重固结引起的沉降裂缝，这说明6 幢粮库均属于建筑桩基事故，且这6 幢粮食仓库均不能正常使用，如果继续使用有可能会出现储粮地面整体滑移破坏而导致整幢粮库倾覆，必须采取有效措施进行加固处理。

3 两种桩基础沉降差过大原因分析为了弄清该粮库刚性桩与柔性桩基础沉降差过大的原因，有必要从多个方面进行详细分析。

3.1 粮库室内水泥搅拌桩取芯检测结果

经水泥搅拌桩处理后的粮库室内地面沉降过大，有必要对水泥搅拌桩的桩长和桩身质量进行检测。为此，甲方委托第三方对6 空粮库地面下7 根水泥搅拌桩进行了钻探取芯检验。钻探取芯检测结果表明，水泥搅拌桩桩长的严重不足，水泥土强度的参差不齐。7 根水泥搅拌桩实际桩长只有3.2～4.7 m，均未达到设计要求的10 m 有效桩长。水泥土芯样的抗压强度为0.51～7.63 MPa，实测强度差异很大，且有两根桩的芯样无侧限抗压强度未达到1.5 MPa。

3.2 粮库室内水泥搅拌桩复合地基静载试验结果

甲方委托第三方对6 空粮库地面3 个不同的地点进行了复合地基平板载荷试验。试验结果显示，2 个地点的复合地基承载力特征值约为110 kPa，满足复合地基承载力特征值为100 kPa 的设计要求。1 个地点的复合地基承载力特征值约为90 kPa，略低于复合地基承载力特征值为100 kPa 的设计要求。

3.3 粮库室内地面沉降理论计算

笔者根据浙江省标准建筑地基基础设计规范（DB 33/1001—2003）对陶山粮库地面沉降进行了理论计算。计算中取设计地面堆粮荷载为35.75 kPa，搅拌桩上的回填土和素混凝土垫层厚度按照6 粮库的开挖结果取为1.75 m，即回填土的荷载约为35.0 kPa。计算分为4 种情况，取水泥搅拌桩总桩数为226 根（实际施工水泥搅拌桩桩数）和244 根（设计水泥搅拌桩桩数）分别计算。同时沉降计算时又分设计10 m 长水泥搅拌桩和实际约4 m 水泥搅拌桩（根据钻探取芯结果取值）两种情况分别进行计算。需要说明的是，回填土计算时考虑了设计地面堆粮荷载引起的压缩沉降但没有考虑回填土对水泥搅拌桩的负摩阻力和回填土自重作用下的固结沉降（回填土参数不足）。由于6 幢粮库场地勘探孔勘探深度不足（最大勘探深度约20 m），没有20 m 以下土层的物理力学参数，故计算水泥搅拌桩桩端下沉降时只考虑现有勘探深度范围内桩端下淤泥层的压缩量。其桩端沉降计算结果会比按照相关规范确定的桩端下压缩层范围内压缩量的计算结果要小。

可以看出：

（1）在堆粮和回填土荷载作用下，设计10 m 长水泥搅拌桩室内地面理论沉降计算值约为299.0 mm （设计244 根水泥搅拌桩）和301.9 mm （实际施工226根水泥搅拌桩），因水泥搅拌桩的下卧层为淤泥，其压缩量大。

（2）在堆粮和回填土荷载作用下，4 m 长水泥搅拌桩室内地面理论沉降计算值达374.4 mm（设计244 根水泥搅拌桩）和375.4 mm（实际施工226 根水泥搅拌桩），这说明桩长缩短后更严重地加大了室内地面的累计沉降量。同时，由于实际水泥搅拌桩取芯结果桩长为3.2～4.7 m 不等，且桩身强度为0.51～7.63 MPa 参差不齐，更加严重地导致了粮库室内地面的不均匀沉降。

（3）表3 中的计算结果只是按浙江省标准建筑地基基础设计规范（DB 33/1001-2003）进行的理论沉降计算结果且粮库桩端下土的压缩变形计算时只考虑勘探深度内淤泥层的压缩，它与实际沉降会有一定的误差。粮库室内地面理论沉降计算值只能作为分析参考。

（4）粮库主体结构采用26 m 的刚性预应力管桩桩基础沉降很小，现场观测沉降不足1 mm。

3.4 粮库室内地面过大沉降原因分析

本工程粮库室内地面过大沉降原因总结如下：

（1）由于本工程粮库所在场地具有深厚淤泥层，设计粮库室内地面下水泥搅拌桩的有效桩长只有10 m，柔性搅拌桩桩长不足导致下卧淤泥层的压缩沉降过大；而粮库主体结构采用26 m 的刚性预应力管桩桩基础沉降很小（现场观测沉降不足1 mm），导致同一粮库主体结构刚性基础与室内仓储地面柔性基础差异沉降过大。该设计方法欠合理。

（2）施工单位偷工减料，水泥搅拌桩实际桩长远小于设计有效桩长且强度参差不齐，是造成粮库室内地面沉降过大的一个重要原因。

（3）粮库水泥搅拌桩顶上实际回填有厚约1.65 m 的回填土及厚约0.1 m 的素混凝土垫层。现粮库中的粮食直接堆放在这层素混凝土垫层面上（原设计先分级堆载预压，待沉降稳定后再做永久性粮库地面）。回填土不仅加大了地面荷载，而且回填不密实带来了自身的固结沉降，同时也给水泥搅拌桩带来了负摩阻力，这都会加大粮库室内地面沉降。

（4）设计要求地面仓储粮食堆载要分级堆载预压，而在使用过程中采用一次性堆载，造成沉降速率加快。

4 两种桩沉降差过大事故加固方法本工程加固方案设计中要考虑以下几个方面：

（1）主体结构的室内净高为6.8 m，加固方案设计中要考虑施工机械的操作高度。

（2）粮库现室内仓储地面约有0.1 m 厚的素砼和1.65 m 厚的回填土，回填土中有大小不等的石块和泥土，要考虑施工机械的施工可行性。

（3）加固设计中要考虑今后粮库仓储地面加固后的沉降应与已建粮库主体结构基础的沉降协调问题。观测表明，采用长26 m 预应力管桩的主体结构部分基础沉降很小且外立面基本完好，粮库主体结构部分现在是基本安全的，不需要加固（只需要局部内墙裂缝修补）。所以，主要加固室内仓储地面的过大沉降，为了变形协调，加固也采用刚性桩方案较好。

（4）由于粮食仓库勘探孔深度不够，所以施工图加固设计前必须进行补充勘探，勘探孔的深度要钻至好的土层。

4.1 加固方案的种类及选择

针对上述情况粮库室内地面加固方案无疑都要采用桩基础，具体有以下几个方案可供选择：

（1）补打旋喷桩的加固方案。优点是成本略低，但缺点是回填土要挖除或部分挖除。本场地有厚约20m的淤泥土层，若施工桩长不够还是会带来仓储地面的过大沉降，同时由于旋喷桩属柔性桩，所以采用该方案加固，仓储地面沉降与主体结构基础的沉降协调仍无法保证。

（2）树根桩的加固方案。在本场地厚约20 m 的泥层中施工树根桩时施工质量无法保证，若桩身质量存在问题还是会带来室内仓储地面的过大沉降。

（3）采用直径500 mm 的钻孔灌注桩（桩长约为27m，持力层为砾砂，桩顶标高约为-0.70 m）加梁板筏式基础的加固方案。施工可采用地质勘察的小钻机成孔或简易取土钻成孔，该方案可以保证桩穿越回填土层和深厚淤泥土层且成桩质量基本有保证，同时钻孔灌注桩和预应力管桩同是刚性桩且打到同一持力层，这样储粮仓库地面基础与粮库主体结构部分的基础沉降都较小且能协调，是较合理的加固设计方案。

4.2 钻孔灌注桩加固方案中的平面布桩方式

加固方案采用钻孔灌注桩加梁板的基础型式。加固设计时单幢粮库室内地面堆粮的设计荷载按原设计取为35.75 kPa，堆粮的总荷载331 万斤，即1665 t，加固梁板自重荷载约为398 t，即总荷载约为2061 t。由于架空梁板做在回填土上，所以不需要考虑回填土荷载。加固设计钻孔桩单桩抗压承载力特征值取为400kN，考虑到室内粮库储粮过程中人员和运输机械等荷载作用以及堆粮局部偏载作用（考虑偏心荷载作用时，桩的数量约增加20%），单幢粮食仓库室内地面加固需要布置的平面总桩数取为65 根。需要注意的是，根据笔者对4 粮库的沉降观测资料，发现仓储地面沉降规律是中间大四周小。因此，平面布桩时粮库地面中间桩应稍密一些，外围略稀一些。同时钻孔灌注桩布桩时要避开粮库原主体结构承台的预应力管桩。

5 结语以同一建筑刚性桩与柔性桩基础沉降差过大的事故为例，详细分析了单层厂房刚柔两种桩基础沉降差过大事故的原因，并提出了具体加固方案。分析表明，对于要特别注意刚性桩与柔性桩变形协调的问题。笔者认为在此类场地中采用刚柔桩复合桩基时两种桩型要选择同一较好的持力层，以使得两种桩型沉降协调。实际工程中可采用变桩径、变桩距的设计方法，不宜采用变桩长的设计思想。对于该工程中同一建筑刚性桩与柔性桩基础沉降差过大的事故，可采用钻孔灌注桩加梁板筏式基础的加固方案。该加固方案可保证粮库地面沉降较小且粮库主体结构部分与粮库地面沉降差较小。1