地面堆载厂房软土地基基础设计与施工研究

摘 要：在广东省湛江市（处沿海软土地基）兴建厂房或仓库，厂房或仓库的地面堆载，软基处理是必须面临的技术难题。本文以具体的工程实例，从设计与施工方面做了探讨。

关键词：软土地基；地面堆载；设计施工

中图分类号：U44 文献标识码：A

一、概述

工业厂房设计中常遇见大面积地面堆载的地基处理问题。一类情况是大吨位的大面积地面堆载，如100kN/㎡、200 kN/㎡，且对地面平整度不作过高要求。在这种情况下只要厂房的柱下采用桩基础，则厂区的地面通常不用采取地基处理措施，至多要考虑地面堆载是否会导致柱下桩基础的负摩阻力。

另一类情况是地面堆载较轻，对厂区地面平整度又不能完全忽视时的地基处理问题。

当大面积地面堆载为10kN/㎡以下时，厂区的地面一般均可考虑采取地基处理措施；但当大面积地面堆载达到30-40kN/㎡时，厂区的地面是否应采取地基处理措施就是个难题。这个难题实际上并非技术问题，而是如何设计出既经济又安全的地基处理方案的问题。

现围绕某单层工业厂房大面积地面堆载的地基处理的设计失误，对如何进行既经济又安全的地基处理设计进行分析。

二、案例分析

1 工程概况

某单层工业厂房，钢结构屋盖，单柱轴力约750kN，跨度20m，柱距8m，设有20t行车，总面积约17000㎡。厂房内地面大面积均布荷载30kN/㎡。

拟建场地在35.0m深度范围内的地基土均属第四纪全新世与上更新世冲积沉积物，粉质黏土"硬壳层"埋层较深，土质均匀，可塑一软塑，中压缩性；1.9m厚的粉质黏土

“硬壳层”以下为15m厚的淤泥质黏土，强度低，属高压缩性、高灵敏度、低强度地基土，工程性质差，为天然地基的主要压缩层；第5-2与5-3层土属中等压缩性土，工程性质较好，可作为以摩擦为主的桩基持力层。该工程地基土的物理力学性质指标见表1。

2 地基基础设计

对于单层工业厂房的基础，该工程地质勘察报告的“结论与建议”认为，厂房柱下可采用预制桩，桩长25m，直径400mm，单桩承载力特征值为500kN，以第5-2层土为桩端持力层。对于厂区地面大面积均布荷载30kN/㎡，该工程地质勘察报告认为，由于第3层淤泥质粉质黏土与第4层淤泥质黏土的总厚度为15m，均为饱和、流塑、高压缩性土，地基承载力特征值为55～60kPa，压缩模量约为3.3MPa；而表层“硬壳屠”土厚度仅L 8m，地基承载力特征值为70kPa，压缩模量为6MPa；大面积地面均布堆载30kN/㎡的沉降影响范围及深度较大，因此对于大面积地面均布堆载采用天然地基不能满足要求，建议采用复合地基进行处理。地基处理方法可采用真空预压、水泥搅拌桩复合地基、石灰桩复合地基。三种地基处理方法的技术经济比较见表2。

该工程基础的最大特点有二：第一，最大桩荷载仅750kN，但由于运行20t行车，故柱底水平荷载与弯矩均较大；第二，厂区地面有30kN/㎡的大面积均布堆载。

设计人员根据地质勘察报告建议，对于厂区地面采用直径500mm、长度15m的水泥搅拌桩进行地基处理，间距1.3mXl.3m。厂房中柱下布置4根直径500mm、长度25m预应力钢筋混凝土管桩，边柱下布置2根直径500mm、长度25m预应力钢筋混凝土管桩，单桩承载力特征值为500kN。

3 工程问题

业主认为：首先，厂区地面若采用水泥搅拌桩复合地基进行处理，仅水泥搅拌桩造价就高达50～60万元，而且水泥搅拌桩的施工时间约需30d，其与预应力钢筋混凝土管桩的施工有一定冲突，因此极大地影响了整个工程的预定工期，这是业主完全不可能接受的；其次，单层钢结构屋盖工业厂房的柱底最大荷载仅750kN，却布置了3-4根预应力钢筋混凝土管桩，承载力高达1500～2000kN，为柱底最大荷载的2～3倍。总之，业主认为整个厂房的基础造价太高而且无法满足施工工期的要求。于是在与设计人员协商未果之后，委托某工程顾问公司进行厂房基础的优化咨询。

4 失误原因分析

对于预应力混凝土管桩，顾问公司认为该工程属于柱底垂直荷载较小，水平荷载与柱底弯矩较大的情况，为平衡柱底较大弯矩，设计人员采用多桩承台桩基础是合适的。但可以用承载力较小的沉管灌注桩或同样桩长的小方桩来代替，并优化布桩形式，预计可降低桩造价的1/3左右。具体桩基础优化方案如下：当中柱柱底轴力标准1000kN，柱底弯矩标准值为1400kN·m时，中柱下原布置4根直径500mm，长25m预应力钢筋混凝土管桩，单桩承载力特征值为500kN，可改为中柱下布置3根直径400mm，长25m预应力钢筋混凝土管桩，单桩承载力特征值为400kN，通过调整3桩之间的桩距来平衡柱底弯矩。

当中柱柱底轴力标准1800kN，柱底弯矩标准值为880kN·m时，中柱下原布置4根直径500mm，长度25m预应力钢筋混凝土管桩，单桩承载力特征值为500kN，可改为中柱下布置3根直径500mm，长30m预应力钢筋混凝土管桩，单桩承载力特征值为620kN，通过调整3桩之间的桩距来平衡柱底弯矩。

边柱下布置2根直径400mm，长25m预应力钢筋混凝土管桩，单桩承载力特征值为400kN，通过调整2桩之间的桩距来平衡柱底弯矩。桩距的调整参见图1。

关于场地大面积堆载的处理，《全国民用建筑工程设计技术措施——结构》第2章第2.9.3条指出：当地面堆料较大时，应考虑堆料对地基不均匀沉陷的影响。若地面等效均布荷载小于表的数值，可以不考虑堆料对地基不均匀沉陷的影响。

三、对策研究

上述规定主要是根据工程实践总结而来的。湛江地区的表层粉质黏土“硬壳层”的厚度一般为2-3m，可塑一软塑状态，是浅基础的良好持力层。设计基础时保留硬壳层，可以有效地保护下卧软土层免受扰动，减少建筑物的沉降变形。

根据十字板剪切强度与深度的关系判断，地区表层粉质黏土“硬壳层”属超固结土，这种超固结状态与粉质黏土“硬壳层”曾是地面有关。而地区地面以下10m范围内的淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土层属轻微超固结土层（平均超固结比OCR=1.10）。其超固结状态可能是环境变化特别是气候条件（如干燥、蒸发等）非超载因素所致。因此，根据地区多年工程实践经验，即使是大面积堆载，只要不大于30kN/㎡，在土的前期固结压力左右，此时作用在粉质黏土“硬壳层”之下淤泥质黏土上的附加压力也未超过淤泥质黏土的天然结构强度，地面沉陷就不至于很大；而当地面大面积堆载超过40kN/㎡左右时，应考虑采取地基处理措施。

具体到本案例的具体情况，顾问公司建议补充进行地面以下10m之内的十字板剪切试验，进一步了解粉质黏土"硬壳层"之下淤泥质黏土的物理力学性质，可由丌C。计算得到淤泥质黏土的天然结构强度C。为根据十字板剪切试验求得的抗剪强度。

本案例原设计方案对厂区地面采用水泥搅拌桩复合地基进行处理，除了考虑30kN/㎡的大面积地面堆载导致地面不均匀沉陷外，还担心厂房桩基受大面积地面堆载影响而产生负摩阻力，从而导致厂房桩基发生附加沉降与内倾。对于这点疑问，顾问公司认为，根据经验，在桩基旁堆载达150kN/㎡时，仍不需在地坪下布置桩基来解决负摩阻力问题。

某无缝钢管厂曾进行堆载试验，在22m×30m的面积内用碎石堆载150良N/㎡；堆载边缘邻近设一个4桩基础，承台尺寸为5.4m×5.4m，桩采用60m长钢管桩。试验结果是，由堆载引起的桩沉降值为10mm；150kN/㎡堆载下土的最大沉降值为520mm，而桩的侧向变形值最大为37mm，发生在地表以下5m处。试验结果表明，就某无缝钢管厂的情况，大面积堆载150kN/㎡引起的桩负摩阻力影响较小，占桩的总沉降量的百分比也较小，桩的侧向位移也不大。

某厂第一水压机车间24m露天跨的柱下采用桩基础，地面大面积堆载105kN/㎡（局部160kN/㎡）。1958年投产，至1961年实测，8m高行车轨道顶部的最大位移为59mm，柱顶最大内倾位移为46mm。实测结果表明，就某厂第一水压机车间24m露天跨的情况，大面积堆载105kN/㎡引起的桩负摩阻力影响并不明显。

鉴于本案例的30kPa地面堆载，与无缝钢管厂和某厂第一水压机车间的地面大面积堆载105～150kN/㎡相差甚大，因此本案例地面堆载对厂房柱下桩基础的影响应在可控范围之内。

通过顾问公司的优化设计，本案例的基础共降低造价近100万元，折合每平方米约50元。

此外，对于最大单柱轴力750kN的单层钢结构屋盖厂房，提出了单桩承载力特征值达到500kN左右的桩型，也欠考虑，造价偏高；本案例还有20t行车，柱底水平荷载较大，选用单桩承载力较小的多桩承台桩基础较为合理。

参考文献

[1]建筑地基基础设计规范（GB500072011）[Z].

[2]建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）[Z].