浅析施工降水不当对基础沉降的影响及处理

王亚南

摘 要：在工业厂房中，常常存在主体结构柱下基础与设备基础相邻较近，但是基础形式不同、基础深度不同的情况，此时需应该做好施工组织设计，注意施工顺序的合理布置及有效的防护措施，减少后施工基础对已施工部分的影响，保证工程的安全，减少隐患。本文对一个实际工程案例中出现的沉降不均匀问题进行分析，探讨此类情况的处理。

关键词：基础；降水；沉降

中图分类号：TU753.66 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）09-0089-02

1 工程概况

本工程为新疆某铸造项目，厂房用于铝锭铸造，为单层钢结构厂房内含部分钢筋混凝土辅房（一层及部分二层），长144米，共两跨，跨度分别为27m+15m，厂房柱距8m，每跨内均设16吨+10吨A7工作制吊钩桥式铸造起重机。厂房钢柱、钢梁均为焊接H型钢，厂房在适当位置设置抗风柱。钢吊车梁采用焊接H型钢（Q345B）。厂房内按规范要求设置型钢柱间支撑。厂房墙屋面的围护采用热镀锌檩条及双层彩钢板。本工程采用CFG桩进行地基处理，桩端持力层为第2层粉质粘土层，处理后的复合地基承载力特征值≥200KPa，CFG桩采用长螺旋钻孔施工工艺，厂房基础在处理后的地基上采用柱下独立基础，基础下在CFG桩顶设300mm厚级配砂石褥垫层（中砂：碎石=3：7，碎石粒径10～30mm），基础底面标高-2.700m。

厂房内设有液压式铸造机、30吨保温炉组设备、中频炉设备、深床过滤设备、在线除气设备、流槽加热炉设备。

铸造机基础由倾翻地坑、主井、辅井（溢流井）三部分共同组成，设备平面尺寸4.32mx8.5m，主井内井底设备静载55吨，动载70吨。最大存水量115吨，主井底部设直径710mm油缸。主井及辅井底标高-10.77m，油缸底标高-26.200m，为深基坑工程。

30吨保温炉组设备中炉体主体平面尺寸5.9mx15.31m，基础上设备及设备运行重约430吨，基础底标高-3.200m。基础持力层为CFG复合地基，地基承载力标准值fak=200Kpa。

依该项目的地质勘察报告，本工程场地土层由上到下分布情况依次如下：杂填土①：厚度1.3～2.8m，灰色，以土为主，含少量砾石、垃极，上部可见植物根系，稍湿，稍密。粉质粘土①：埋深1.3～2.8m，厚度5.0～7.0m，黄褐色为主，局部呈红棕色，湿，软塑～流塑，该层土干强度较高，摇震反应较慢，切口断面略有光泽，韧性一般，局部为粉土。人工挖掘时该层土呈稀泥状，土体略具流动性，人工挖掘困难。为中高压缩性土。粉质粘土②：埋深5.7～8.6m，最大揭露深度11.5m，黄褐色，湿，可塑～硬塑，该层土干强度较高，摇震反应较慢，切口断面略有光泽，韧性一般，局部为粉土。本工程场地地下水地下水丰富，类型为潜水。水位在降水丰沛季节及绿地灌溉期间，可能有较大幅度的变化，变化幅度1.0～2.0m。抗浮设计水位为-0.8m。

2 施工现场问题及处理方案

该厂房在柱下基础及上部主结构施工完成后开始进行设备基础施工，且设备基础与厂房柱下基础相邻较近，在铸造机的施工过程中出现了因铸造机施工引起周边相邻设备基础及厂房基础不均匀沉降的情况。经对比原有施工图纸与勘察报告，并分析现场施工记录，发现铸造机降水集中在4月29日到5月01日之间，4月30日则发现保温炉基础有塌陷情况出现，且沉降急剧发展。综上因素并结合现场观察，将沉降具体情况及产生原因分析及处理方案总结如下：

2.1 基礎变形沉降状况描述

（1）由于不均匀沉降，基础单侧与地基脱开，边柱3个，中柱2个，靠降水位置脱开最大幅度5～10cm，约基础边长的1/2～1/3。

（2）在梁顶部位观察上部吊车梁，在沉降最大的中柱位置可明显见到吊车梁端部下沉现象，但整体吊车梁未见扭曲，轨道基本平直。

（3）从屋面观察，中柱沉降变形最大处，墙面檩条变形明显，特别是靠近顶部位置。屋面上由于已形成完整的屋面体系，对变形有一定的协调作用，所以屋面梁节点未见连接螺栓因沉降变形导致的松脱现象，钢结构连接板未发现脱开现象，焊缝表观质量完好，但屋面梁局部有扭曲。屋面彩板基本无损坏，但由于屋面梁的变形协调作用致使屋面通风器在沉降最大的柱位置出现反拱现象，接近屋面边缘位置则相对较好，屋面女儿墙收口也因柱基下沉导致有扭曲现象发生。

（4）与厂房柱共基础的辅房框架部分，发现有因沉降导致的裂缝，但裂缝宽度、长度发展均对正常用无重大影响。

（5）设备基础在靠近降水区域发现最大48cm的沉降，最小沉降远离降水区，达到14cm，沉降差为34cm，影响设备基础的使用及设备安装。但相邻设备基础由于沉降则出现中间沉降小两端沉降大的马鞍状，表现为两种不同的沉降形式，且厂房基础脱开地面的位置也有背离降水区的情况和靠近降水区两种相反的情况。设备基础沉降变形如图1。

（6）根据现场记录，降水时间集中在3天，地下出水量大的位置主要在现有地面以下18m处，且较为集中，抽水过程中依次出现混水——稀泥情况。

本工程降水产生的沉降特性如下：

（1）基础埋深越大，降水导致的沉降越小，随埋深增加，抽水形成的水力坡度变缓导致作用于基础底的渗透力减小，致使结构总沉降减小。

（2）距离降水点越远，沉降越小，场地降水的水位降深越小，土体的有效应力变化越小；场地降水的水位降深越小，土体的有效应力变化越小，地下水力坡度线越缓，作用于基础上的渗透力越小，沉降也越小。

现场降水过程中，由于土质不均匀且含水量高，土中的松散颗粒被地下水饱和后，由于降水导致的水头差、动水压力将松散颗粒带走，表现为浑水——泥浆过程，且由于降水速度过快过猛越来越严重。在等CFG桩下土体掏空至某一极限后，桩、土、设备基础一起出现突发性的塌陷情况，对基础开挖的沉井形成挤压破坏。

是否对基础下的CFG桩形成剪切破坏甚至错位，需要经过观测和检测来判定，如桩未破坏，则停止降水后，沉降会趋于稳定，对基础影响不大（检测后发现CFG桩不存在破坏）。

2.2 事故原因分析

依据以上现场情况及施工记录，对比地质勘察报告并参考以前类似的降水产生沉降的工程事故，本工程产生过大沉降且不均匀的主要原因如下：

（1）根据地勘报告，地面以下的粉质粘土持力层最大揭露厚度30m未钻穿，但是16～18m处各勘探孔的密实度相差较大且分布极不均匀，中间夹有不同程度的软弱土。地下土体不均匀，则各处出现渗流位置不同。

（2）地勘的初见水位2～3m，且本场地位于山脉的山脚且靠近水源地的水库较近，地下水主要由邻近的水库补给，相对水位较高。

（3）本工程设备基础、厂房基础均采用CFG桩进行处理，桩长12～14m间，而降水深度>20m，在CFG桩的持力层以下，对CFG桩底部持力层产生影响，致使桩无法控制沉降。

（4）降水深度太大，且降水速度过快，致使周边产生极大的水力坡度，地下水形成渗流导致管涌。

（5）急剧降水导致邻近基础和设备基础乃至CFG桩地基的水浮力减小，地基土附加荷载增加，同时土中空隙被挤密使土产生固结从而造成下沉且周边的地下水来不及补给，所以仅降水周边小范围出现剧烈沉降。

（6）降水措施不当，抽取地下水时带走大量土颗粒，导致土体被掏空，形成塌陷。

（7）深度降水至水位到CFG桩底，由于水力坡度影响，形成以降水区域为中心的漏斗狀，与降水坡度线一致。

（8）急剧降水导致孔隙水压力消散，土中的孔隙水由于降水影响，会发生转移、消散，孔隙水压力降低，有效应力增大，孔隙比减小；动水压力随降水形成的水力坡度变化而变化，相应的渗透压力增大。

综上，这些共同导致土体的固结沉降变形是不可逆的，在现阶段由于降水固结沉降加速完成，使用设备预压及地面回填荷载还会导致基础的沉降，待这些工作大部分完成后，土体内渗流应力趋于稳定恢复阶段，只要确认基底没有大的空洞影响后期次固结沉降，后期的沉降量会较小且较为稳定，不会对厂房及设备基础的使用产生大的影响。

2.3 工程事故处理方案

本工程的处理方案如下：

（1）补勘确保基础下部无降水渗流产生的空洞。

（2）待固结沉降稳定后进行厂房基础底部脱开的处理。

（3）设备基础区采用堆荷加速固结沉降的方式调平部分不均匀沉降，应与厂房地面回填尽早进行，预压过程中应做详细观测记录。

（4）设备基础按原设计二次找平，但新旧混凝土的结合面需植筋加强连接，植筋C14@200（三级钢）梅花状布置，深度上下各200mm，面层钢筋、埋件、留洞同原设计。因调平产生的内部设备使用空间减小需经由设备厂家确认对使用无影响，否则应进行凿除。

（5）设备基础沉降较大区域采用加大基础底面的方式，分散基底应力，减小后期沉降。

（6）厂房柱基础破开柱脚保护层混凝土，柱调平后焊死再包裹，施工时应注意吊车梁安全及柱本身的稳定，加强各方向的支撑稳固，同时注意观测屋面构件的变形，调平过程应缓慢进行，多次调平到位。在施工方提供完整的调平方案并经由设计单位认可后再进行施工。

3 结语

按以上方案处理完成后，设备基础满足安装及使用需求。综上，当相邻基础存在较大高差时，尤其是有深基坑存在的工程中，应该做好施工组织设计，注意控制降水速度并采用合理措施保证相邻基础的稳定，避免出现此类由于降水措施不当而影响已施工完成部分的情况出现。