工程师手记之十七  局部暗塘处理经验与教训

      工程常会遇到大小、深浅不等的暗塘、明浜等不良地基现象，在这种情况下设计天然浅基础，一般的方法就是换填垫层法，采用砂、石等作垫层，或采用毛石混凝土等加厚垫层。采用换填垫层法后，常遇到建筑物发生不均匀沉降的现象。关键在于根据实际情况选择合理可靠的地基处理方案。

                            一、浙东某1~3层建筑群

      浙东地区某石油储运基地，建有1~3层的砖混结构建筑物8幢，其中有3幢位于暗塘内。该场地淤泥质土厚约23m，以下黏土层厚约9m，暗塘淤泥深度为1~3m。

      地基土物理力学性质指标见表1。

                            地基土的物理力学性质指标及承载力表              表1  

      设计人员对于1~3层砖混结构均采用条形基础，暗塘采用换填垫层法处理，回填1.0~3.0m深的碎石土作为基础持力层。

      暗塘位置示意见图1。

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                                   图1    暗塘位置示意

      1993年1月竣工后，这8幢建筑物均产生不同程度的沉降。其中，位于暗塘碎石土垫层上的3幢建筑物，沉降较为严重, 最大沉降约1300mm，最小沉降约600mm，最大倾斜率为2%；墙面、楼面梁可见贯穿斜裂缝，裂缝宽度最大达20mm以上；门窗严重变形，难以关闭，危及结构安全。

      而后，针对此案例的3幢建筑物进行了数年的沉降观测。其中时间-沉降曲线见图2。

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                              图2    时间-沉降曲线

      建筑物均向暗塘中心倾斜, 靠近暗塘中心建筑物的沉降明显高于远离暗塘中心建筑物量的沉降。

      沉降速率随时间减小。到1997年，沉降速率明显减小, 车库沉降速率从开始的0.718mm/d减小到0.084~0.176mm/d，沉降已基本稳定，实测推算最终沉降量为1240 mm; 办公楼沉降速率从开始的1.330~1.500mm/天减小到0.134~0.168mm/d，沉降已趋于稳定，实测推算最终沉降量为1076 mm; 宿舍楼沉降速率从开始的0.754~1.123mm/d减小到0.067~0.437mm/d，预计沉降也将趋于稳定，实测推算最终沉降量为1146 mm。这3幢建筑物的实测推算最终沉降量均达到1000 mm以上。

      本工程失误的原因是没有考虑回填碎石土的影响，1.0~3.0m厚的回填碎石土增加了18~34kN/㎡的附加荷载，原1~3层楼荷载相当于3~5层楼的荷载。

      根据地质勘察报告提供的数据，本案例计算沉降不可能达到1000mm以上。但暗塘采用1.0~3.0m厚的碎石土回填，由于碎石土垫层未达到分皮夯实的要求，致使沉降偏大。

      设计者对大面积、大深度暗塘采用碎石土进行换填垫层法处理的施工困难认识不足是原因之一。

                                 二、上海某单层仓库

      上海某单层仓库，与仓库相连的综合楼为三层，共3000㎡，平面尺寸为57m×47m。该仓库地面荷载为25kN/㎡，且要求仓库地面比室外地坪高1.2m。

      该场地地基土的特点：一是地面2m以下存在一层厚11m、压缩模量为6～8MPa的浅埋粉性土；二是三层综合楼的位置处有一片深达2～3m的暗塘。

      地基土的物理力学性质指标见表2。

                              地基土的物理力学性质指标及承载力表      表2

      该工程地质勘察报告建议采用天然地基，对暗塘挖除淤泥，采用砂石垫层处理。

      该工程虽是单层仓库，但地面荷载25 kN/㎡，相当于两层仓库的结构自重。室内地坪又高出室外1.2m。仓库建成后未投入使用时，三层综合楼部分的基底压力最大；使用时则转为仓库部分基底压力最大。加之整幢建筑长达47m，对沉降差控制的要求较严格，因而其基础形式的选择与暗塘的处理相当重要。

      设计者曾考虑室内地坪采用砂石料垫至1.2m高程的措施。为解决高回填砂石料自重与25 kN/㎡地面荷载造成的附加沉降，地坪以下采用水泥搅拌桩复合地基加固，约需1600根水泥搅拌桩。同时为避免大面积地面荷载引起仓库框架基础不均匀沉降，柱下采用30m长桩，同时也可减轻大面积地面荷载导致桩负摩阻力引起的桩身附加沉降。但仅水泥搅拌桩造价就高达60余万元，折合每平方米建筑面积约200元。在浅埋粉性土区建造单层仓库就采用30m长桩与水泥搅拌桩，造价太高，理所当然地被业主否决了。

      根据地质勘察报告建议采用天然地基，室内地坪由400mm高的预应力槽形板（可承受25 kN/㎡活载）架设在地垄墙上，单层仓库与三层综合楼采用筏形基础连成一体，不设沉降缝。暗塘部位采用挖除淤泥回填砂石料的方法处理。

      基础平面图见图3。

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                          图3   基础平面图

      1996年仓库竣工后尚未投入使用，单层库区室内地坪的面层已出现少量裂缝，其中单层库区与三层综合楼连接处地面裂缝较多，裂缝最宽处已达10mm，且单层库区与三层综合楼连接处的地面裂缝有继续发展的趋势并向墙体延伸。

      在工程尚未满载时，单层库区地面即出现裂缝，说明该工程基础虽然处于浅埋粉性土区，但仍存在一定的沉降量;同时 47m长的单层建筑长高比过大，从而不可避免地将产生较大的沉降差;现场发现暗塘区挖土换填的施工也存在质量问题，造成三层综合楼部分的附加沉降明显加大,形成高低层连接处的较大裂缝。

                              三、讨论

      1 . 超过1.5m深的暗塘除非面积较小，否则采用换填垫层法一直存在着较大风险，原因是施工时很难控制分层夯实的质量。若必须换填垫层，可采用毛石混凝土垫层，方便控制施工质量，且仍须认真考虑暗塘下的软土的情况。

      2 . 上海某单层仓库的粉质黏土硬壳层下存在着10m厚的浅埋粉性土，是上海地区难得的良好土层，多层建筑采用天然地基的实际沉降远小于计算值，因此地质勘察报告建议采用天然地基是合理的。但是浅埋粉性土上面2m左右较为疏松，使得采用天然地基仍存在一定的沉降，对于长达47m的单层仓库仍应考虑沉降差的影响。

      对于2～3m深的大暗塘处理方法，地质勘察报告的结论与建议并不合适。由于厚度4m的第3-2层砂质粉土位于地面以下约9m，上海某单层仓库较合适的基础方案为：室内地坪同样采用架设在地垄墙上的槽形板，地垄墙下沿轴线布置单排200mm×200mm×8000mm短桩，或布置双排水泥搅拌桩，桩端持力层为砂质粉土；三层综合楼部分采用8m短桩或水泥搅拌桩复合地基。

      这是个较为可靠与经济的基础方案，造价略低于筏形基础。参照上海地区浅埋粉性土地区短桩工程的成功经验，可满足本工程使用要求。

      一般来说，天然地基的造价较低，施工方便。但浅埋硬土区的短桩基础造价可能略低于天然地基，或两者基本持平，但处理效果更可靠,尤其是存在暗塘的浅埋粉性土地区更是如此。