遭遇较厚液化土层时的地基基础设计型式比选

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

1、工程概况及场地说明：

某工程位于江苏省宿迁市洋河开发区，由多个4~5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Ⅲ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①~④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②、③、④、⑤-1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②、③层液化粉土中间夹有③-1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，③-1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4.3.6~4.3.9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）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=0.44ξkS0（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SE>15cm，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 ak>90 kpa及9度区f ak>100 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：①3-1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；②3-1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；③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b’≥b+2ztanθ，且垫层顶面每边超出基础底边缘不应小于300mm。（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：①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θ=21.12°；②基底以上土平均重度γm1=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；③下卧层以上土平均重度γm2=12.15KN/M3，下卧层承载力faz=ηdγm2(d-0.5)=100.38 kpa；④下卧层顶面处的附加压力值Pz=lb(PK-Pc)/(b+2ztanθ)(l+2ztanθ)=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=99.53

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）