沉降差

沉降差，不同基礎或同一各點間的相對沉降量。相鄰獨立基礎沉降量之差，Δs=s1-s2。框架結構和地基不均勻、有相鄰荷載影響的高聳結構基礎，變形由沉降量控制。

基本介紹

• 中文名：沉降差
• 外文名：differential settlement
• 類型：相鄰獨立基礎沉降量之差
• 定義：不同基礎各點間的相對沉降量
• 控制：由沉降量控制
• 所屬類別：交通

沉降差過大事故處理

0 引言

隨著經濟的發展和社會的需求，高層和超高層建築不斷湧現。目前，我國擁有高 492 m 的上海環球金融中心，高 632 m 的上海中心大廈和高約 597 m 的天津 117 大廈正在建造中，我國土木工作者積累了高層和超高層設計和建設的成功經驗。然而，低層建築、單層廠房、糧食倉庫等建築因其上部荷載較小，結構簡單往往不能引起設計和施工人員的足夠重視，反而引發了一些工程事故，繼而也積累了一些處理樁基事故的成功經驗。本文選取同一建築採用剛柔不同樁基礎而引起兩種不同樁型沉降差過大的典型案例，詳細分析了單層糧庫剛柔兩種樁沉降不協調的原因，並提出了具體解決方法。筆者希望此工程案例能引起廣大土木工作者的注意，在設計和施工過程中避免此類事件再次發生。

1 工程概況和場地地質條件

溫州某糧食儲備倉庫共有 6 幢，糧庫屋面為人字梁結構，屋架部分的有效高度為 6.8 m，設計儲糧高度為 6.5 m，實際儲糧部分的地面面積為 12.26 m×30.52 m，單幢糧庫設計總倉儲為 331 萬斤，室內地面設計堆糧荷載約為 35.75 kPa。

該場地位於溫州軟土地區。糧庫的主體結構部分基礎設計採用預應力管樁雙樁承台梁式基礎，預應力管樁直徑為 400（60）mm，其有效樁長約為 26 m，設計要求管樁單樁豎向抗壓承載力特徵值為 400 kN，單幢糧庫主體結構部分共布置預應力管樁 60 根（具體布置方式可參見 4.2 節中的圖 5）。糧庫室內堆糧地面設計採用水泥攪拌樁進行加固，水泥攪拌樁設計樁徑為 500 mm，設計有效樁長≥10 m，水泥摻入量為 15%。設計要求水泥攪拌樁 90 d 齡期的無側限抗壓強度為 1.5 MPa，複合地基承載力特徵值為 100 kPa。開挖結果顯示，實際施工過程中，水泥攪拌樁頂上覆蓋有厚約 1.65 m 的雜填土，雜填土上為厚約 10 cm 的素混凝土層，素混凝土上直接堆放糧食。需要說明的是，勘探單位提供的本工程地質剖面圖顯示，在 6 個糧食儲備倉庫場地上勘探深度都不足（勘探孔深 15.0～20.2 m），沒有一個勘探孔打穿淤泥層，這顯然是不合理的。圖 2 中淤泥的厚度是參照相鄰工地的數據得到的，而表 1 中帶*的參數也是相鄰工地土層的參數。

2 糧庫室內地面沉降觀測

6幢倉庫中的#6 糧食倉庫為空倉庫，#1～#5 糧庫均儲有糧食。2010 年 1 月份發現糧庫倉儲地面（水泥攪拌樁基礎）儲糧後出現了過大的沉降，最大約為 40 cm 且沉降還有不斷增大的趨勢，已嚴重影響了糧庫的正常使用。但採用預應力管樁的糧庫主體結構部分基礎沉降很小，糧庫的外立面基本完好，採用剛性預應力管樁基礎的主體結構與採用柔性水泥樁基礎的室內地面沉降差過大。同時對還未儲糧的#6 倉庫現場觀測發現，#6 空糧庫室內地面出現了不同程度的沉降裂縫，糧庫地面混凝土橫樑被拉裂，見圖 3。為弄清儲糧地面的具體沉降情況，有必要對儲糧地面進行現場實測。為配合測量，建設單位對#4 糧庫的糧食進行了騰空。筆者利用水準儀對騰空後的#4 糧食倉庫地面進行了詳細的沉降觀測。觀測時共在#4 糧食倉庫地面上設定沉降觀測點 54 個，以東面門口地梁作為基準點來測試各個沉降觀測點的相對沉降。

4 糧庫糧食卸載後地面沉降最大值出現在糧庫的中心位置，沉降呈“鍋底形”。北面至室內地面中心點的沉降差約為350 mm，其傾斜率約為2.15%；西面至室內地面中心點的沉降差約為360 mm，其傾斜率約為5.05 %。測試結果表明4 糧庫的累計中心沉降量和傾斜值均超過了設計和使用要求。需要說明的是，圖4 中的沉降數據是糧食卸載後（地面會產生回彈）的實測沉降數據，糧食堆滿時的室內地面實際沉降值肯定要比圖4 中數據大。1～5 糧庫儲糧後室內地面沉降情況也與4 糧庫類似，同時6 空糧庫室內地面也發現了自重固結引起的沉降裂縫，這說明6 幢糧庫均屬於建築樁基事故，且這6 幢糧食倉庫均不能正常使用，如果繼續使用有可能會出現儲糧地面整體滑移破壞而導致整幢糧庫傾覆，必須採取有效措施進行加固處理。

3 兩種樁基礎沉降差過大原因分析

為了弄清該糧庫剛性樁與柔性樁基礎沉降差過大的原因，有必要從多個方面進行詳細分析。

3.1 糧庫室內水泥攪拌樁取芯檢測結果

經水泥攪拌樁處理後的糧庫室內地面沉降過大，有必要對水泥攪拌樁的樁長和樁身質量進行檢測。為此，甲方委託第三方對6 空糧庫地面下7 根水泥攪拌樁進行了鑽探取芯檢驗。鑽探取芯檢測結果表明，水泥攪拌樁樁長的嚴重不足，水泥土強度的參差不齊。7 根水泥攪拌樁實際樁長只有3.2～4.7 m，均未達到設計要求的10 m 有效樁長。水泥土芯樣的抗壓強度為0.51～7.63 MPa，實測強度差異很大，且有兩根樁的芯樣無側限抗壓強度未達到1.5 MPa。

3.2 糧庫室內水泥攪拌樁複合地基靜載試驗結果

甲方委託第三方對6 空糧庫地面3 個不同的地點進行了複合地基平板載荷試驗。試驗結果顯示，2 個地點的複合地基承載力特徵值約為110 kPa，滿足複合地基承載力特徵值為100 kPa 的設計要求。1 個地點的複合地基承載力特徵值約為90 kPa，略低於複合地基承載力特徵值為100 kPa 的設計要求。

3.3 糧庫室內地面沉降理論計算

筆者根據浙江省標準建築地基基礎設計規範（DB 33/1001—2003）對陶山糧庫地面沉降進行了理論計算。計算中取設計地面堆糧荷載為35.75 kPa，攪拌樁上的回填土和素混凝土墊層厚度按照6 糧庫的開挖結果取為1.75 m，即回填土的荷載約為35.0 kPa。計算分為4 種情況，取水泥攪拌樁總樁數為226 根（實際施工水泥攪拌樁樁數）和244 根（設計水泥攪拌樁樁數）分別計算。同時沉降計算時又分設計10 m 長水泥攪拌樁和實際約4 m 水泥攪拌樁（根據鑽探取芯結果取值）兩種情況分別進行計算。需要說明的是，回填土計算時考慮了設計地面堆糧荷載引起的壓縮沉降但沒有考慮回填土對水泥攪拌樁的負摩阻力和回填土自重作用下的固結沉降（回填土參數不足）。由於6 幢糧庫場地勘探孔勘探深度不足（最大勘探深度約20 m），沒有20 m 以下土層的物理力學參數，故計算水泥攪拌樁樁端下沉降時只考慮現有勘探深度範圍內樁端下淤泥層的壓縮量。其樁端沉降計算結果會比按照相關規範確定的樁端下壓縮層範圍內壓縮量的計算結果要小。

可以看出：

（1）在堆糧和回填土荷載作用下，設計10 m 長水泥攪拌樁室內地面理論沉降計算值約為299.0 mm （設計244 根水泥攪拌樁）和301.9 mm （實際施工226根水泥攪拌樁），因水泥攪拌樁的下臥層為淤泥，其壓縮量大。

（2）在堆糧和回填土荷載作用下，4 m 長水泥攪拌樁室內地面理論沉降計算值達374.4 mm（設計244 根水泥攪拌樁）和375.4 mm（實際施工226 根水泥攪拌樁），這說明樁長縮短後更嚴重地加大了室內地面的累計沉降量。同時，由於實際水泥攪拌樁取芯結果樁長為3.2～4.7 m 不等，且樁身強度為0.51～7.63 MPa 參差不齊，更加嚴重地導致了糧庫室內地面的不均勻沉降。

（3）表3 中的計算結果只是按浙江省標準建築地基基礎設計規範（DB 33/1001-2003）進行的理論沉降計算結果且糧庫樁端下土的壓縮變形計算時只考慮勘探深度內淤泥層的壓縮，它與實際沉降會有一定的誤差。糧庫室內地面理論沉降計算值只能作為分析參考。

（4）糧庫主體結構採用26 m 的剛性預應力管樁樁基礎沉降很小，現場觀測沉降不足1 mm。

3.4 糧庫室內地面過大沉降原因分析

本工程糧庫室內地面過大沉降原因總結如下：

（1）由於本工程糧庫所在場地具有深厚淤泥層，設計糧庫室內地面下水泥攪拌樁的有效樁長只有10 m，柔性攪拌樁樁長不足導致下臥淤泥層的壓縮沉降過大；而糧庫主體結構採用26 m 的剛性預應力管樁樁基礎沉降很小（現場觀測沉降不足1 mm），導致同一糧庫主體結構剛性基礎與室內倉儲地面柔性基礎差異沉降過大。該設計方法欠合理。

（2）施工單位偷工減料，水泥攪拌樁實際樁長遠小於設計有效樁長且強度參差不齊，是造成糧庫室內地面沉降過大的一個重要原因。

（3）糧庫水泥攪拌樁頂上實際回填有厚約1.65 m 的回填土及厚約0.1 m 的素混凝土墊層。現糧庫中的糧食直接堆放在這層素混凝土墊層面上（原設計先分級堆載預壓，待沉降穩定後再做永久性糧庫地面）。回填土不僅加大了地面荷載，而且回填不密實帶來了自身的固結沉降，同時也給水泥攪拌樁帶來了負摩阻力，這都會加大糧庫室內地面沉降。

（4）設計要求地面倉儲糧食堆載要分級堆載預壓，而在使用過程中採用一次性堆載，造成沉降速率加快。

4 兩種樁沉降差過大事故加固方法

本工程加固方案設計中要考慮以下幾個方面：

（1）主體結構的室內淨高為6.8 m，加固方案設計中要考慮施工機械的操作高度。

（2）糧庫現室內倉儲地面約有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塊和泥土，要考慮施工機械的施工可行性。

（3）加固設計中要考慮今後糧庫倉儲地面加固後的沉降應與已建糧庫主體結構基礎的沉降協調問題。觀測表明，採用長26 m 預應力管樁的主體結構部分基礎沉降很小且外立面基本完好，糧庫主體結構部分現在是基本安全的，不需要加固（只需要局部內牆裂縫修補）。所以，主要加固室內倉儲地面的過大沉降，為了變形協調，加固也採用剛性樁方案較好。

（4）由於糧食倉庫勘探孔深度不夠，所以施工圖加固設計前必須進行補充勘探，勘探孔的深度要鑽至好的土層。

4.1 加固方案的種類及選擇

針對上述情況糧庫室內地面加固方案無疑都要採用樁基礎，具體有以下幾個方案可供選擇：

（1）補打旋噴樁的加固方案。優點是成本略低，但缺點是回填土要挖除或部分挖除。本場地有厚約20m的淤泥土層，若施工樁長不夠還是會帶來倉儲地面的過大沉降，同時由於旋噴樁屬柔性樁，所以採用該方案加固，倉儲地面沉降與主體結構基礎的沉降協調仍無法保證。

（2）樹根樁的加固方案。在本場地厚約20 m 的泥層中施工樹根樁時施工質量無法保證，若樁身質量存在問題還是會帶來室內倉儲地面的過大沉降。

（3）採用直徑500 mm 的鑽孔灌注樁（樁長約為27m，持力層為礫砂，樁頂標高約為-0.70 m）加梁板筏式基礎的加固方案。施工可採用地質勘察的小鑽機成孔或簡易取土鑽成孔，該方案可以保證樁穿越回填土層和深厚淤泥土層且成樁質量基本有保證，同時鑽孔灌注樁和預應力管樁同是剛性樁且打到同一持力層，這樣儲糧倉庫地面基礎與糧庫主體結構部分的基礎沉降都較小且能協調，是較合理的加固設計方案。

4.2 鑽孔灌注樁加固方案中的平面布樁方式

加固方案採用鑽孔灌注樁加梁板的基礎型式。加固設計時單幢糧庫室內地面堆糧的設計荷載按原設計取為35.75 kPa，堆糧的總荷載331 萬斤，即1665 t，加固梁板自重荷載約為398 t，即總荷載約為2061 t。由於架空梁板做在回填土上，所以不需要考慮回填土荷載。加固設計鑽孔樁單樁抗壓承載力特徵值取為400kN，考慮到室內糧庫儲糧過程中人員和運輸機械等荷載作用以及堆糧局部偏載作用（考慮偏心荷載作用時，樁的數量約增加20%），單幢糧食倉庫室內地面加固需要布置的平面總樁數取為65 根。需要注意的是，根據筆者對4 糧庫的沉降觀測資料，發現倉儲地面沉降規律是中間大四周小。因此，平面布樁時糧庫地面中間樁應稍密一些，外圍略稀一些。同時鑽孔灌注樁布樁時要避開糧庫原主體結構承台的預應力管樁。

5 結語

以同一建築剛性樁與柔性樁基礎沉降差過大的事故為例，詳細分析了單層廠房剛柔兩種樁基礎沉降差過大事故的原因，並提出了具體加固方案。分析表明，對於要特別注意剛性樁與柔性樁變形協調的問題。筆者認為在此類場地中採用剛柔樁複合樁基時兩種樁型要選擇同一較好的持力層，以使得兩種樁型沉降協調。實際工程中可採用變樁徑、變樁距的設計方法，不宜採用變樁長的設計思想。對於該工程中同一建築剛性樁與柔性樁基礎沉降差過大的事故，可採用鑽孔灌注樁加梁板筏式基礎的加固方案。該加固方案可保證糧庫地面沉降較小且糧庫主體結構部分與糧庫地面沉降差較小。