1、遭遇较厚液化土层时的地基基础设计型式比选摘要:宿迁市洋河开发区地处江苏省北部黄河冲积平原地貌，地层沉积年代新，液化土层较厚，当地在遭遇到此种情况如何来满足建筑抗震设计规范（以下简称抗规）关于消除或减轻液化土影响的方面积累了丰富的设计和施工经验，本文以一个具体工程为例，通过多种基础型式在技术、工期和经济上的对比分析，反映出在荷载分布比较均匀的规则多层建筑遇到类似的地基情况下，最终选择柱下条形基础+局部换填一定深度的液化土层作为本案的基础设计型式是可行的。 关键词:消除或减轻液化土的影响 震陷 柱下条形基础 砂石换填 中图分类号：TU2 文献标识码： A 1、工程概况及场地说明： 某工程位于江苏省
2、宿迁市洋河开发区，由多个 45 层的单体建筑组成，建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0.15g，地震分组为第二组，均采用框架结构体系。 工程所在场地地处平原区，地势平坦，地层分布较稳定，建筑场地类别为类，无崩塌、滑坡、泥石流等不良地质作用和地质灾害存在，但存在较厚液化土层分布，地基液化等级为中等，属对建筑抗震不利地段。场地地下水主要为潜水，浅层潜水主要赋存于第层土层中，受大气降水及地表水入渗补给，稳定水位埋深约为 1.00 米。具体土层主要物理力学性质表如下表一： 表一 2、工程的特点及设计重点： 本工程的建筑单体上部结构均采用多层框架结构体系，柱网相对规
3、整（某建筑单体一层平面图如图一所示） ，结构平面及竖向体型简单、规则，荷载分布比较均匀，上部结构设计为常规框架结构设计，但经过仔细分析本建设场地土层的分布情况，发现有以下两个方面的问题在设计当中必须妥善解决，现将罗列如下： 本建设场地的土层分布中、-1 层土均为可液化粉土，液化土层厚，液化等级为中等，根据建筑抗震设计规范 （以下简称抗规）第 4.3.6 条中不宜将未经处理的液化土层作为天然地基持力层的要求，必须采取抗液化措施，因此如何消除或减轻液化土沉陷的影响，以及液化土层处理的深度和地基基础的选型就成为本项目设计需要解决的关键问题之一。 从本项目的土层分布物理力学性质表中可以看出，在、层液化
4、粉土中间夹有-1 层淤泥质粉质粘土，此土层厚平均为 1.2 米左右，土层层底标高为自然地坪下 4.2 米，这层土的承载力低，压缩系数大，为高压缩性土，-1 层土的特性及埋深将会对选择浅埋的天然基础的基础选型及承载力计算造成影响，也是必须妥善解决的问题之一。 3、分析抗规条文要求，初步确定设计方向，比选基础设计方案。 本项目的设防类别为丙类，抗震烈度为 7 度，根据抗规的 4.3.6 条的要求可知，本项目可以采用基础和上部结构处理的减轻液化影响的措施，仔细分析抗规的 4.3.64.3.9 条的各项要求及条文说明初步得到以下认识：（1）对于液化等级为中等的场地，只要不是倾斜场地（坡度大于 10 度
5、）和液化场地土层严重不均的情况，尽量多考虑采用较易实施的基础与上部结构处理的构造措施，不一定要加固处理液化土层；（2）加强基础和上部结构的整体性和刚度，以及采用轻质建筑材料来减轻上部结构荷载对抗液化都是十分有利的；（3）液化的危害主要来自震陷，特别是不均匀震陷，根据抗规的 4.3.6 条条文说明提出的粉土液化平均震陷量的经验算法公式：SE=0.44kS0（d12- d22）(0.01p)0.6/B,分层试算并相加可知本建筑单体的液化震陷量平均值 SE15cm，需要进行地基处理，主要是因为液化土层厚造成的。但鉴于震陷量的评价方法目前还不成熟，计算误差又很大，本计算结果仅作为不能忽视较厚液化土层影
6、响的一种参考。 基于抗规提出的减轻液化影响的概念，并参考天津地区根据实际震陷资料并考虑地震的偶发性而制定的 “软土震陷量小于 5cm 者可不采取措施，8 度区 f ak90 kpa 及 9 度区 f ak100 kpa 的软土可不考虑震陷的影响”地方暂时规定，本项目建设场地接近于不需要考虑震陷的边界线，经过与建设当地的审图专家反复沟通，并结合本项目层数不高并且建筑平面布置相对规则的特点，在充分尊重地方经验的基础上，现提出以下几种基础设计方案供比选： 3.1 采用独立基础+地梁+局部换填处理液化土层（埋深 1.5m） 抗规 4.3.9 条关于减轻液化影响的基础和上部结构处理的措施中并未强制要求一
7、定要进行地基处理，根据和地方专家的沟通结果，设计上采用换填法，用满足建筑地基处理技术规范4.2.1 条要求的砂石换填2 层液化粉土，换填深度为 1.5 米，从以下几个方面考虑：（1）本案选择不换填 3-1 层淤泥质粉质粘土，主要基于三个原因：3-1 层土的埋深为自然地坪下 4.2 米，相对较深，如全部换填将会使换填深度达到 3 米左右，接近规范要求的极限，造成施工难度大、造价高、质量不易掌控等缺点；3-1 层土层厚为 1.2 米左右，相对较薄，如果不换填处理，会对基础沉降造成一定的影响，但只要设计时采取一些措施还是可行的；经过以下基础承载力试算结果发现，以 3-1 层土作为软弱下卧层，还是可以
8、满足基础设计要求的。 （2）本案选择换填 2 层液化粉土，可以增加上覆非液化土层的厚度，适当减轻液化土层的影响，提高设计的可靠度；（3）砂石换填尽量不要扰动 3-1 层淤泥质粉质粘土，避免造成施工困难；（4）在独立基础之间加设地梁，地梁一方面可以承担上部砖墙的荷载，另一方面主要可以加强整个基础之间的整体性，来减轻液化土层的影响；（5）通过砂石换填后，可以提高基础下紧贴土层的地基承载力和压力扩散角，有利于软弱下卧层（3-1 层淤泥质粉质粘土）的承载力验算。 （6）根据建筑地基基础处理技术规范4.2.2 条可知砂石垫层的底宽度应满足 bb+2ztan，且垫层顶面每边超出基础底边缘不应小于 300m
9、m。 （7）换填砂石垫层的承载力设计要求不小于 150kpa，并应通过现场静载荷实验确定。 以某框架柱的标准组合柱下荷载为 FK=2654KN 为例简单介绍计算过程：独立基础长、宽设为 l=5.4m,b=5.4m，z=1.5m，z/b=0.278，查建筑地基处理技术规范表 4.2.2，采用内插法可以得出 =21.12；基底以上土平均重度 m1=15.29KN/M3, 基底压力 PK=（FK+GK）/lb=116 kpa，基底处土的自重压力值 PC=22.94 kpa；下卧层以上土平均重度 m2=12.15KN/M3，下卧层承载力 faz=dm2(d-0.5)=100.38 kpa；下卧层顶面处
10、的附加压力值 Pz=lb(PK-Pc)/(b+2ztan)(l+2ztan)=63.08 kpa，下卧层顶面以上土的自重压力值 Pcz=36.45 kpa，所以 Pz+Pcz=99.53faz=100.38 kpa，满足设计要求。 3.2 采用钢筋混凝土交叉条形基础（柱下条形基础）+局部换填处理液化土层（埋深 1.5m） 采用柱下条形基础设计和以上独立基础的设计思路基本一致，其换填要求同上，本条不再赘诉，但经仔细分析，可发现柱下条形基础有以下几个方面的优势：（1）柱下条形基础比独立基础的整体性和刚度更强，更有利于减轻液化土层的影响；（2）从图一可以看出，本项目建筑单体的柱网相对比较均匀，比较适
11、合柱下条形基础的设计，施工也较为方便；（3）从经济方面看，本项目结合考虑换填砂石和基础施工两方面的总造价，发现两种基础型式的造价相当，可知采用柱下条形基础型式并不增加总投资。 3.3 采用天然筏板基础+基础下 2 米深度范围水泥土加固液化层（埋深 1.0m） 根据抗规 4.3.6 条条文说明中的案例分析，筏基、箱基等整体性好的基础对抗液化十分有利，但由于本建设场地的液化土层厚（总厚度大于 10 米） ，为防止地震使房屋产生过大的震陷，设计中考虑适当加固处理局部深度的液化土层（参照抗规 4.3.6 条条文说明中案例 2 做法） 。经过经济分析比较，采用此法基础总造价较前两种基础型式有近 10%的
12、投资增加，并且地方审图专家针对采用水泥土加固地基的做法，结合目前国内的一些经验和教训，对此法的施工质量控制提出质疑，最终建设单位和地方审图专家一致建议不采纳此设计方案。 3.4 采用桩基础+地梁（承台底标高为-1.5m） 采用桩基础设计是目前国内普遍使用的全部消除地基液化沉陷的措施之一，主要用于高层和体型不规则的建筑，经分析顾晓鲁等主编的地基与基础第三版中关于液化土中的桩基震害特点，结合建筑桩基技术规范的 5.3.12 条具体要求，本项目选用桩基设计方案时，在桩基础的选型和设计上需考虑以下几点：（1）较厚的中等液化土层建议不要使用预应力管桩或方桩。如江苏省的地方标准预应力混凝土管桩基础技术规程
13、的 3.3 节关于管桩的适用范围中有明确规定；（2）应加强桩顶与承台的连接做法，常规的桩顶嵌固方法不满足嵌固要求，常发生连接破坏，锚筋拔出的现象；（3）为减少桩负担的水平荷载，应将承台旁的填土尽量夯实；（4）必须保证桩伸入非液化下卧层的长度，避免由于悬在液化土中造成桩基下沉使桩基失效。 （5）对于桩身周围有液化土层的低承台桩基，当承台底面上下非液化土层厚度小于 1.5m、1.0m 时，土层液化影响折减系数 l 取 0。 （6）桩基承台之间加设地梁，来增加基础的整体性，有利于桩基的受力性能。 综合以上要求，本工程拟采用直径 600mm 的钻孔灌注桩，桩长 16米，桩端伸入 6 层含砂姜粘土层近
14、4 米，经试算单桩竖向承载力特征值为 360KN，以前面独基试算框架柱的标准组合柱下荷载为 FK=2654KN 为例，需要布设 8 根桩。 （具体桩基承台、独立基础示意图如下） 从以上两图比较可以看出，采用桩基础设计，光承台的钢筋混凝土用量也是非常大的，不容小觑，经过对比，采用桩基础来消除液化土层影响比采用独立基础+地梁+局部换填砂石的方案基础总造价增加约 30%左右。 综上所述，经过与建设单位以及当地审查专家的多次沟通，本着坚持因地制宜、保护环境、节约资源的设计原则，本案最终决定选择柱下条形基础+局部换填处理 1.5m 深液化土层的基础设计方案。 结束语 在抗震设防烈度 8 度以下地区，遇到
15、液化土层较厚且液化等级为中等或轻微的情况，只要不是倾斜场地（坡度大于 10 度）和液化土层严重不均，针对于荷载分布比较规则且平面布置规则的多层丙类建筑，为了满足抗规关于减轻液化影响的措施要求，选择采用桩基础型式固然是一种相对彻底的解决方案，但这种型式往往造价高且施工周期长，不易被建设单位接受，经过仔细分析抗规条文的要求，参考地方类似项目的设计经验，从中可以发现桩基设计不是唯一有效的方法。本案最终选用柱下条基+局部砂石换填液化土层的基础设计方案，在不增加总体造价的情况下，既有效加强了基础的刚度和整体性，又采取了相应的抗液化措施，可以满足可靠度设计要求，是可行的基础设计方案。 参考文献： GB50011-2010 建筑抗震设计规范 北京：中国建筑工业出版社 2010 JGJ 79-2012 建筑地基处理技术规范 北京：中国建筑工业出版社 2013 JGJ 94-2008 建筑桩基技术规范 北京：中国建筑工业出版社 2008 顾晓鲁 钱鸿缙 刘惠珊 汪时敏 地基与基础 北京：中国建筑工业出版社 2003 朱炳寅 建筑抗震设计规范应用与分析 北京：中国建筑工业出版社 2011
