某高速公路养护中心办公楼基础沉降情况分析

某高速公路养护中心办公楼基础沉降情况分析

谭毅强

广东省建科建筑设计院有限公司 广东广州 510000

摘要：房屋建筑是我们城乡建筑体系的重要组成部分，关系着人民的财产和生命安全。地基基础设计及施工质量是房屋建筑质量关键内容。很大部分建筑的倾斜、变形、裂缝等造成严重建筑质量问题的原因是由于房屋的地基基础不均匀沉降造成。因此，在房屋建筑基础设计和施工过程中，必须确保基础设计合理，确保施工质量，施工过程监管到位，避免质量事故发生。本文通过某高速公路养护中心办公楼基础沉降情况进行分析，阐述造成该建筑基础沉降的原因。

一、工程概况

该管理养护中心主办公楼总建筑面积15673.6㎡，建筑高度为29.7m，北侧为监控中心及会议中心，共三层，南侧为办公楼，四~七层。其中会议中心位于13-17轴交A-E轴，长31.2m，宽24.9m，单层面积约为665㎡。

本项目计划日期为2020年8月20日，合同计划交工日期为2022年12月20日。在本项目施工过程中管理养护中心主办公楼部分结构梁和楼板局部出现了不同程度结构裂缝，经对裂缝形态和基础沉降数据的分析，可判断出现裂缝的主要原因是由基础的不均匀沉降造成。

1、结构形式

主办公楼南侧办公楼为四~七层混凝土框架结构；监控中心为三层混凝土框架结构；会议中心共三层，首层为混凝土框架结构，二~三层为框架+钢网架屋面结构。

2、基础形式

主办公楼基础为预应力管桩基础，桩型PHC125AB，设计平均桩长约为50m，桩型为摩擦型，PHC管桩设计单桩竖向承载力特征值为1300KN，桩端持力层为中风化花岗岩层，共280根桩。

二、工程地质情况

根据《详勘报告》揭露，拟建场地按地层成因类别和岩土性质，场区内地层自上而下分为：第四系全新统人工填土（Q4me）、海相沉积（Q4 m）的淤泥、淤泥质土、淤泥质粉砂、细砂，残积层（Q4 el）砂质粘性土等，下伏基岩为燕山期花岗岩（γ53）。

主办公楼厂区内人工填土厚度为1~2m左右，淤泥、淤泥质土、淤泥质粉砂层平均厚度为38m左右。

《详勘报告》提供的场地岩土层桩端阻力、桩侧阻力特征值详见下表：

岩土层桩端阻力、桩侧阻力特征值qsa（kPa）

项目出现沉降裂缝质量问题后，为验证人工填土层填土质量、软基处理情况以及《详勘报告》进行对比，对办公楼场地进行了地质补勘。《补勘报告》揭示，堆载预压后，在孔深32m（标高约-27.63m 左右）以上淤泥与淤泥质土层，多数呈可塑状，局部软塑，基本未见堆载预压前软土的天然流塑状态，但在孔深30-34m（标高约在-23～-27m）以下，淤泥质土仍保持原有天然状态，标贯锤击数在3-5击，局部软土仍呈流塑状态。即软土处理的有效深度约32m左右，超出这个深度范围软土仍保持原来的状态。

《补勘报告》提到：由于场地软土、人工填土厚度大，软土地基处理时地面有较大堆载，且软土、人工填土欠固结，应考虑桩侧负摩阻力对桩承载力及沉降影响，将负摩阻力作为附加下拉荷载进行桩的承载力设计。

另外，《补勘报告》揭示，新近堆载预压填土厚度约7.5-10m，比《详勘报告》填土厚度增加约6.5-8m；软基处理的有效深度范围内的软弱土层经过压缩后，侧摩阻力特征值较《详勘报告》有所增大，以上因素均对桩侧的负摩阻力产生不利的影响。

三、计算复核

复核思路：按广东省标准《建筑地基基础设计规范》DBJ 15-31-2016和《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）的相关规定以及《静载试验》 结果算出单桩竖向承载力特征值；根据建筑和结构施工图对委托方提供的管理养护中心主办公楼计算模型结构布置和荷载进行复核，将结构基础施工图中基础布置平面图的基础布置输入到计算模型中，通过计算模型整体计算算出单桩反力；对比单桩竖向承载力特征值是否满足计算单桩反力。

1、管桩承载力分析

按广东省标准《建筑地基基础设计规范》DBJ 15-31-2016 第10.1.9条，单桩的竖向承载力特征值宜通过现场单桩竖向抗压静载试验确定。

本项目共选取3根桩进行单桩竖向抗压静载试验结果如下：

SZ1#桩：

当静载试验加载至2600kN时，桩头累计沉降量为10.53m，该试验Q-s曲线平缓，没有出现明显的陡降点；且该试验在任一级荷载下s-lgt曲线均较为平缓，没有出现曲线尾部向下弯曲的现象，根据《建筑地基基础检测规范》（广东省标准DJB15-60-2019）13.4.2-4之规定，即该单桩极限承载力Qu取值为大于等于2600kN。则该单桩的承载力特征值大于等于1300kN。

另2根桩SZ2#桩和SZ3#桩静载试验结果与SZ1#桩类似。

按单桩竖向抗压静载试验结果，静载试验过程的单桩竖向承载力特征值满足Ra1=1300kN的设计单桩竖向承载力特征值。

根据地质《详勘报告》和《补勘报告》均揭示，场地普遍存在人工填土、海淤泥、淤泥质土、淤泥质粉砂等软弱土层，深度约40米左右，且为欠固结状态。按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）第5.4：特殊条件下桩基竖向承载力验算，第5.4.3条:对于摩擦型基桩可取桩身计算中性点以上侧阻力为零，并可按下式验算基桩承载力：

Nk≤Ra

式中：Nk-荷载效应标准组合轴心竖向力作用下，基桩或复合基桩的平均竖向力；

Ra-基桩或复合基桩的竖向承载力特征值。

由于静载试验时桩侧土产生正向摩阻力，而桩基实际工况状态下，桩侧软弱土层的固结沉降产生负摩阻力，实际的单桩承载力应采用试验单桩承载力减去中性点以上的桩侧摩阻力。取补勘钻孔CBZK3计算，中性点以上的桩侧摩阻力计算如下：

=u*=3.14*0.5*（12*9.7+13*4.3+20*6.9+20*12.1）=870kN

自桩顶算起的中性点深度ln按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）表5.4.4-2选取，取ln/l0=0.8（其中l0为桩周软弱土层下限深度，钻孔CBZK3柱状图中淤泥质粉砂层的层底标高约为41.30m）。

则有效竖向承载力特征值为Ra=Ra1-=1300-870=430kN。

另外，按施工方提供数据，现场管桩施工压桩终压值为2900kN，用实际压桩终压值作为压桩过程的单桩竖向极限承载力计算管桩的有效单桩竖向承载力如下：Ra’=Ra2-=2900/2-870=580kN。

桩检结果分析：主办公楼预应力管桩施工完成后，对管桩进行桩基质量无损检测（低应变法），共检测桩数58根，检测比例占总桩数20.7%，Ⅰ类桩58根，合格率100%，检测结果均满足要求。

2、桩反力计算和复核

采用盈建科（YJK）计算软件对本建筑进行整体建模，由整体计算模型并按原设计施工图进行桩承台布置计算桩反力，荷载效应标准组合竖向力作用下（1.0恒载+1.0活荷载工况）的桩反力，桩反力大部分介于800kN~1300kN的区间，原设计按单桩承载力特征值为1300kN进行布桩。因项目在建的过程出现裂缝，大部分活荷载仍未加载，对整体计算模型各层活荷载输为0复核桩反力，计算恒载单工况竖向力下桩反力大部分介于700kN~1200kN的区间，桩反力大于上文复核的有效单桩竖向承载力特征值430kN和580kN，且部分桩的反力已超出单桩竖向承载力极限值2Ra（2Ra’）。

综上所述，桩基竖向承载力不足导致基桩发生较大的沉降。

3、桩基沉降量计算

按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5．5．14公式5.5.14-4：计算桩基的沉降量，取桩反力较大的F轴交10轴单桩承台计算，柱基沉降量约为83mm，沉降量满足《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5．5．4条高层建筑桩基础沉降量不大于200mm的限值。

桩基础沉降量满足规范限值要求。

4、桩基沉降差分析

施工单位以及第三方监测单位对主办公楼进行沉降观测，各观测点测得不同程度的沉降情况。

按沉降观测结果，取部分沉降观测点计算相邻柱基的沉降差：

观测点F9-F10沉降差=(40-15)*l/7800=0.0032l；

观测点H10-G10沉降差=(54-23)*l/7800=0.004l（l为相邻柱基的中心距离）,沉降差已超出《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008） 5.5.4条表5.5.4相邻柱基的沉降差限值0.002l的要求。

由以上计算分析，基础沉降差不满足规范限值要求，可判断结构裂缝是由于基础的不均匀沉降造成。

5、桩基础设计其它可能存在问题分析

原设计图纸《基础平面布置图》中要求，管桩桩尖应进入中风化花岗岩，管桩施工受传统施工设备及工艺水平限制，很难穿透较厚强风化层，满足设计进入中风化花岗岩的要求；而地质资料揭示，中风化花岗岩的上覆层存在约0~4米厚强风化层，当桩端支承在强风化层，而单桩承载力较低，不能满足柱底竖向力需求时，基桩容易发生较大的沉降。

本项目《地勘报告》揭示，本场地全、强风化花岗岩层遇水易软化崩解，按广东省标准《静压预制混凝土桩基础技术规程》DBJ／T 15-94-2013 第1.0.7条：下列地质条件不宜采用静压桩基础或应采取有效措施后方可采用：7.桩端持力层为扰动后易软化的风化岩层；第4.3.17条：当静压桩基础的桩端持力层为扰动后易软化的风化岩层时，设计应注意下列问题：2.桩尖的密封性问题：静压桩应采用封口型桩尖，焊缝应连续饱满不渗水，且宜在施压过程中往桩孔底部灌注高度为1．5m～2．0m的C30细石混凝土进行封底；原设计图纸未注明桩尖焊缝要求及施压过程中往桩孔底部灌注细石混凝土封底的要求，可能存在积水通过管桩桩芯渗入至桩底持力层，持力层遇水后软化，对管桩的承载力造成影响。

同时，广东省标准《建筑地基基础设计规范》DBJ 15-31-2016表10.2.3-1注5：当花岗岩地层中的泥浆护壁钻（冲、旋挖）孔灌注桩侧摩阻力按软塑黏性土（0.75＜IL≤1）取值。本项目桩基采用预应力管桩，但因本项目中强风化花岗岩上覆淤泥，在桩底未进行封底的情况下，易在桩周形成泥皮，大大的降低强风化层的侧阻力，从而对管桩承载力造成影响。

四、结论

综合以上分析，对造成本场地基础产生沉降情况的原因总结如下：

1、场地地质条件复杂，普遍存在约40米的软弱土层，软弱土层未完成沉降固结；软基处理分区域填筑堆载预压，主办公楼区域管桩施工时间段临近区域在进行软基处理堆载预压，软基处理堆载预压加速软弱土层的沉降固结，软弱土层固结沉降影响到临近场地的管桩基础，造成管桩桩身破坏；基岩岩面标高起伏较大，容易造成预应力管桩断桩。

2、桩基础由于以下原因导致承载力不足，导致基础产生较大的沉降差。

1）软弱土层固结过程中，对预应力管桩产较大的负摩阻力，导致预应力管桩的有效承载力产生较大的折减，桩基承载力不足。

2）受传统施工设备及工艺限制，预应力管桩桩端很难穿透较厚的强风化层，进入设计要求的中风化持力层，单桩有效承载力较低且桩端支承于强风化岩时，容易产生较大的沉降。

3）设计未要求对预应力管桩桩底灌注混凝土封底，可能导致桩芯积水通过桩尖渗入至桩底持力层，花岗岩持力层遇水后软化，对管桩的承载力造成不利影响。

参考文献：

[1]《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）

[2]广东省标准《建筑地基基础设计规范》DBJ 15-31-2016.

[3]盈建科建筑结构计算软件（2016版）用户手册[M]北京盈建科软件股份有限公司.