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        砂性土地區(qū)堆山工程地基承載力計算及沉降觀測

        2023-02-21 16:18:08
        城市道橋與防洪 2023年1期
        關鍵詞:工程

        林 敏

        (南通市市級政府投資項目建設中心,江蘇 南通 226000)

        0 引言

        隨著城市化進程的加快,城市居民對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,能體現(xiàn)園林整體構架。因此平原地區(qū)的堆山造景工程越來越多,規(guī)模越來越大,要求越來越高。

        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)時間長等特點。因此地基會產(chǎn)生沉降和位移,如果處理不當,嚴重的可能產(chǎn)生地基塌陷、河道的河底部隆起等其他問題[1]。對于地基處理,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)后強度增加,提高地基承載力,減少相應沉降。

        本文以南通市中央創(chuàng)新區(qū)內(nèi)景觀山體填筑為例,進行地基處理方案研究。通過地質(zhì)條件分析及地基承載力計算,最終采用天然地基進行堆筑,并觀測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值。

        1 工程概況

        南通市中央創(chuàng)新區(qū)重點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m2,見圖1。周邊河道2 m 以下區(qū)域8 萬m2,河岸2 m 以上15 萬m2。該區(qū)域擬建三座山體,最高點高程(85 國家高程)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。山體填筑采用南區(qū)湖體開挖出的砂土填筑,表層采用耕植土覆蓋。在4 m 等高線以上12 萬m2區(qū)域用近80 萬m3的土方堆筑三座山體,其中26 m 山體頂部離新開挖河駁岸區(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)測點布置圖

        在山體四周為新開挖河道,河床底標高為-1.0 m,山體堆筑完成并待沉降穩(wěn)定后進行河道開挖施工。河道的實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,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。

        2 地質(zhì)條件

        在勘探范圍內(nèi),勘探深度之間可分為2 個工程地質(zhì)層(11 個工程地質(zhì)亞層,4 個透鏡體),除表層填土、淤泥外,其余屬第四紀長江沖積層,根據(jù)勘探資料得出場地和地基較為穩(wěn)定。場地穩(wěn)定潛水位一般位于(85 國家高程)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,地下水和土對鋼筋混凝土結(jié)構及鋼筋混凝土結(jié)構中的鋼筋具有微腐蝕性。

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

        表1 各項巖土性質(zhì)指標及有關參數(shù)建議使用值

        3 地基土分析

        本場地②-1層土工程特性差異不顯著,各處地基土壓縮性無較大差異,地基可評價為均勻地基。根據(jù)估算山體最大堆高22 m,土的容重按實驗室測得的壓縮后最大容重17 kN/m3計算,地基最大荷載約374 kPa。

        3.1 地基承載力計算(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,力學強度為一般~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,力學強度較低;其下40 m 以淺土層以粉砂為主,中~中偏低壓縮性土,力學強度較高。

        本文以天然地基為基礎計算地基承載力。根據(jù)力的極限平衡為基礎計算,地基承載力與土的容重與強度指標(摩擦角、黏聚力)等有關。在小偏心下根據(jù)土體抗剪強度指標確定地基承載力設計值公式為[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)土的粘聚力標準值。

        本工程ck取一倍短邊6 m 范圍內(nèi)土層ck標準值,經(jīng)計算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行計算,偏于保守,且26 m 堆載區(qū)域為中間局部,從土體深寬修正的理論出發(fā),周邊土體回填于26 m 處起到一個反壓的作用,為有利因素。且堆山土體容重小于計算值。因此天然地基滿足地基承載力要求。

        3.2 地基沉降計算

        地基的沉降計算可按《建筑地基基礎設計規(guī)范》[7]中公式5.3.5 進行:

        式中:s 為地基最終變形量(mm);s' 為按分層總和法計算出的地基變形量(mm);φs為沉降計算經(jīng)驗系數(shù);p0為相應于作用的準永久組合時基礎底面處的附加壓力(kPa);n 為樁基沉降計算深度范圍內(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為樁端平面荷載計算點至第i、i-1 層土底面深度范圍內(nèi)平均附加應力系數(shù)。

        若單獨考慮主山體20 m×20 m 范圍的堆土對地基的作用,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,取每米計算沉降小于總計算沉降量的0.025 時停止計算,根據(jù)初步計算,止算深度為38 m。因此按照附加應力法計算得到各層土體沉降量見表2。計算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

        經(jīng)計算,本項目天然地基土承載力及沉降計算,均滿足要求。同時根據(jù)初步分析,剪切應力的影響一般在25 m 以淺,該范圍內(nèi)土層抗剪強度中等,山體的設計坡比較緩,抗剪一般可穩(wěn)定。同時,利用土體的自重固結(jié)和堆載對地基土的固結(jié)效應,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,并達到新的力學平衡。因此可以采用天然地基做為本堆山工程基礎。

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

        監(jiān)測點平面布置見圖1,編號分別為D01-D10和TX1-TX8。水平位移監(jiān)測孔可兼做地下水位觀測點。

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

        沉降觀測根據(jù)項目布設的3 個基準點,和地面沉降監(jiān)測點構成閉合水準線路,經(jīng)連續(xù)3 次觀測,3個基準點及所有監(jiān)測點觀測值較穩(wěn)定,取其平均值作為初始值。監(jiān)測時,基準點與監(jiān)測點處于同一高程系統(tǒng)。

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

        采用一定的施工措施進行山體堆筑后,得到最終沉降數(shù)據(jù)見表3。最終水平位移數(shù)據(jù)見圖2(水平位移正數(shù)代表朝山體外側(cè)位移),過程沉降數(shù)據(jù)見圖3。

        表3 各沉降監(jiān)測點最終沉降量

        根據(jù)圖2 及圖3 各觀測點的水平位移及沉降數(shù)據(jù)可知,TX5 及TX6 觀測點深度為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 各水平觀測點最終水平位移數(shù)據(jù)

        圖3 各沉降觀測點沉降過程

        因5# 點及6# 點處為整個堆山工程最危險區(qū)域,在山體堆筑完成后未沉降穩(wěn)定后進行土方開挖導致該處地基出現(xiàn)滑移,經(jīng)監(jiān)測報警后采取土方回填。所以該處位移及沉降出現(xiàn)較大數(shù)值。

        根據(jù)測斜報告12 月份完成全面堆山后,3 月份以后各點變化速率由0.08 mm/d 到6 月份逐漸趨近與0 mm/d,最大水平位移為TX1。根據(jù)沉降觀測報告,4 月份后沉降量最大為D01 點的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,該沉降量在容許范圍內(nèi),可以認為沉降收斂,趨于穩(wěn)定。

        5 結(jié)論

        本工程通過理論分析地質(zhì)條件、地基承載力計算及實際監(jiān)測周邊地面沉降、水平位移觀測結(jié)果相結(jié)合,分析得到以下認識:

        (1)水平位移觀測點除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。觀測點數(shù)據(jù)遠小于理論計算最終沉降量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)時間較長,應合理安排施工工序及施工周期,使地基充分固結(jié)后進行下一道工序,并結(jié)合工程地質(zhì)特點,采用相關措施加速地基固結(jié),提高地基承載力,縮短工期。

        (3)通過后期綠化種植后長期觀測數(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 多米山體時可采用天然地基進行堆筑,可為相關砂性土地區(qū)堆山工程地基處理提供類似參考。

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