软弱地基铁塔基础设计综述

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　　摘 要 地基基础工程的施工质量直接影响建筑施工的质量、安全与造价。本文主要列举了软弱地基类型、形成原因及处理目的。
　　关键词 软弱土;处理;桩基;换填;造价
　　引言
　　工程建设中，地质会直接决定设计施工方案，影响工程造价。而对软弱地基的处理是否达标，则会直接决定工程质量，影响工程安全。实际工程中，存在不良地质的建设场景所占比例较高。我国沿海、沿河地区的淤泥及淤泥质土地质，山、陕、冀、鲁、豫地区的湿陷性黄土地质，及全国各地的工程拆件区、坑洞回填区的杂填土地质，都在通信基础建设工程中涌现。
　　本文旨在将软弱地质进行详细归类阐述，并将现行的国家规范中对各类型软弱地质的判定标准、利用原则、处理方法及基础设计要求进行汇编。以供工程建设设计施工参考使用[1]。
　　1 基本软弱土类型
　　1.1 淤泥及淤泥质土
　　（1）指标：含水量一般（40%～90%）>液限;天然孔隙比一般≥1.0;
　　（2）分布：一般分布于我国东南沿海地区，有大型内陆河流经的平原河床常伴有淤泥质土的沉积。
　　（3）工程特性：淤泥质土的天然地基承载力极低，天然地基沉降变形大，而且易产生不均匀沉降。影响建筑结构性能。
　　1.2 冲填土
　　（1）指标：此类土的特性因沉积土的颗粒组成不同而异，一水量一般都很大，具有极高的压缩性，强度低，软土性质严重。
　　（2）分布：常见于沿海港湾和江河两岸，尤以河流转向处充填土面积广，堆积厚度大。
　　（3）工程特性：它的工程性质复杂，随土的颗粒组成、均匀性和排水固结条件不同而异。含砂量、黏土颗粒含量决定了冲填土是否可作为天然地基。当含砂量较高时，一般可作为天然地基，无须处理，当黏土含量较高时，则需要经过地基处理有才能作为建筑基础持力层。
　　1.3 杂填土
　　（1）指标：杂填土一般都是由于工业建设人为形成的，分布没有任何规律，有机物、建筑垃圾等成分复杂，不管是厚度、组成，都毫无规律性。
　　（2）分布：常见于一些较古老城市和工矿区。
　　（3）工程特征：土质结构松散，均匀性差，变形大，承载力低，压缩性高，有浸水湿陷性，一般需要经处理才能作建筑物地基。对有机质含量较多的生活垃圾和对基础油侵蚀性的工业废料等杂填土地基，未经处理，不宜做持力层。
　　1.4 其他高压缩性土
　　饱和的松散粉细沙（含部分粉质黏土）、湿陷性黄土、膨胀土、盐渍土、红黏土以及季节性冻土等特殊土的不良地基现象，亦属于需要地基处理的软弱地基范畴[2]。
　　2 软弱土的特性
　　2.1 含水量较高，孔隙比较大
　　根据统计：
　　含水量（岩石孔隙中所含的水重量与干燥岩土重量的比值）：一般为35%～80%，
　　孔隙比（土体中的孔隙体积与其固体颗粒体积之比）：一般为1-2。
　　2.2 压缩性较高
　　压缩系数：a1-2在0.5～1.5MPa-1之间，甚至达到4.5MPa-1，且其压缩性往往随着液限的增大而增加。
　　2.3 抗剪强度很低
　　抗剪强度：一般<20KPa。其變化范围约在5～25KPa。
　　2.4 渗透性较差
　　软土的渗透系数一般在i*10～5到i*10～7mm/s 之间，软土层在自重或荷载作用下达到完全固结所需的时间会很长。
　　2.5 具有显著的结构性
　　特别是我国滨海相的软土灵敏度约为3～9cm/s，属高灵敏土或极灵敏土，在进行工程建设时，一旦扰动软弱土层 ，土的结构就会轻易受到破坏，强度降低，严重的甚至变成流动状态。
　　2.6 具有明显的流变性
　　软土在不变的剪应力的作用下，将连续产生缓慢的剪切变形，并可能导致抗剪强度的衰减。在固结沉降完成之后，软土还可能继续产生可观的次固结沉降。
　　3 软弱地基土的处理步骤
　　3.1 地基处理的目的
　　地基处理的目的主要是改善地基的工程性质，包括改善地基土的变形特性，控制荷载作用下的变形量，提高力学性能。使地基土能满足设计要求。
　　3.2 地基处理的原则
　　地基处理的原则是安全性、合理性、经济性、先进性。做到与环境协调、技术先进、方案可实施性强。在制定处理方案时，应综合考虑多种方法。
　　3.3 处理方法的确定步骤
　　（1）通信建设中的机房一般以单层单跨的砌体结构为主，铁塔机房基础占地在百平方米以内，建设场地相对空旷，铁塔和机房周边有邻近建筑的情况极少。在获取了建设场地的土质与水文资料后，要根据建设场景的实际地形地貌，建设地的材料市场情况，结合地勘初步选定多个基础处理方案。
　　（2）选择最佳的地基处理方法;综合考虑下面几项要素①甲方的工期要求;②施工方的技术、机械力量;③方案材料的采购便捷;④施工程序尽量简单;⑤经济、安全、处理后能达到建设要求。
　　（3）对已选定的地基处理方法，进行最后论证。结合建设方要求、施工方的施工经验，及时调整，确保可行性[3]。
　　4 软弱地基的利用原则
　　利用软弱土层作为持力层时，应符合下列规定：
　　（1）淤泥和淤泥质土上覆为非软弱土层时，上覆土层可以作为持力层。在设计中，基础开挖深度应避免触及淤泥质土，施工夯实地基时，因避免扰动下层软弱土。
　　（2）对于建筑垃圾掩埋区、工业回填场地、冲填土等，如果土质均匀程度良好、密实性良好，可作为天然地基利用。
　　5 通信建设中软弱地基常用处理方法
　　5.1 换填垫层法
　　（1）一般规定 　　①此法适用于软弱土层厚度较小的地基处理，将软弱土层部分或全部换除。
　　②进行换填垫层的设计时应根据建筑类型、场地土质等条件综合确定设计方案。并根据施工方的机械设备情况、填料性质和获取渠道便捷程度、施工工艺的难易程度等选择适合建设地的施工方法。
　　③根据地勘显示的需要置换的软弱土层的厚度，部分或全部处理的设计方案的换填厚度宜为0.5～3.0m为宜。
　　（2）垫层材料（砂石、粉质黏土、灰土、粉煤灰、矿渣）的选用要求
　　①砂石：a.应选择不含植物残体、生活建筑垃圾，级配良好的碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑;b.所选砂石材料的粒径宜<50mm;c.当使用粉细砂或石粉时，应掺入不少于总重量30%的碎石或卵石;d.此类透水性材料不适用对湿陷性黄土或膨胀土进行处理。
　　②粉质黏土：a.所选土料中有机质含量<5%;b.所选土料不含有冻土或膨胀土。c.土料中的碎石粒径宜<50mm。d.当地质为湿陷性黄土或膨胀土时，选用粉质黏土作为换填材料，应当去筛除土料中的砖、瓦或石块等大粒径杂质。
　　③灰土：a.体积配合比宜为2：8或3：7。b.石灰宜选用粒径<5mm的新鲜的消石灰。c.土料宜选用不含杂质且粒径<15mm的粉质黏土。
　　④粉煤灰：选用的粉煤灰应综合考虑粉煤灰对环境的影响，如建设场地附近或下层有管道或线路，因试验确定粉煤灰的腐蚀性。
　　⑤矿渣：a.矿渣的松散重度>1kN/m3;b.有机质及含泥总量<5%;c.对矿渣的腐蚀性和放射性进行实地试验评价;d.考虑矿渣换填对环境的影响。虽然矿渣利用是可行的，单在通信建设中，换填量小，矿渣运输路径远，试验成本高，周期长。在使用时应综合考虑上述因素
　　⑥其他工业废渣及土工合成材料。
　　（3）垫层厚度的确定
　　应根据需置换软弱土（层）的深度或下卧土层的承载力确定，并应符合下式要求：
　　pz+pcz≤ ?az
　　式中：pz——相应于作用的标准组合时，垫层底面处的附加压力值（kPa）;
　　pcz——垫层底面处土的自重压力值（kPa）;
　　?az——垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）。
　　垫层底面处的附加压力值pz可分别按下式計算：
　　条形基础 Pz =
　　矩形基础 Pz=
　　式中：b——矩形基础或条形基础底面的宽度（m）;
　　l——矩形基础底面的长度（m）;
　　pk——相应于作用的标准组合时，基础底面处的平均压力值（kPa）;
　　Pc——基础底面处土的自重压力值（kPa）;
　　z——基础底面下垫层的厚度（m）;
　　θ——垫层（材料）的压力扩散角（ °），宜通过试验确定。
　　（4）垫层底面的宽度
　　①垫层底面宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按下式确定：
　　b'≥b+2ztan·θ
　　b'——垫层底面宽度（m）;
　　θ ——压力扩散角。
　　②垫层顶面每边超出基础底边缘不应小于300mm，且从垫层底面两侧向上，按当地基坑开挖的经验及要求放坡。
　　③整片垫层底面的宽度可根据施工的要求适当加宽。
　　6 铁塔机房将基础设计中常见的软弱地基类型及基础设计原则
　　6.1 湿陷性黄土
　　（1）判定：是否为湿陷性黄土做出判定如下：
　　当湿陷系数δs值小于0.015时→非湿陷性黄土;
　　当湿陷系数δs值等于或大于0.015时→湿陷性黄土。
　　（2）处理要求：依据《湿陷性黄土地区建筑规范》[4]对于铁塔塔基、机房等丙类建筑消除地基部分湿陷量的最小处理厚度，应符合下列要求：
　　①当地基湿陷等级为Ⅰ级时：对于单层的通信机房可不处理地基;对多层终端局房，地基处理厚度不应小于1m，且下部未处理湿陷性黄土层的湿陷起始压力值不宜小于100kPa。
　　②当地基湿陷等级为Ⅱ级时：在非自重湿陷性黄土场地，对单层单层的通信机房，地基处理厚度不应小于1m，且下部未处理湿陷性黄土层的湿陷起始压力值不宜小于80kPa;对多层终端局房，地基处理厚度不宜小于2m，且下部未处理湿陷性黄土层的湿陷起始压力值不宜小于100kPa;在自重湿陷性黄土场地，地基处理厚度不应小于2.50m，且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量，不应大于200mm。
　　③当地基湿陷等级为Ⅲ级或Ⅳ级时，对多层宜采用整片处理，地基处理厚度分别不应小于3m或4m，且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量，单层及多层均不应大于200mm。
　　④架空送电线路基础设计规定（DLT5219-2005）在其适用范围解释1.0.2条中表示：通信杆塔的设计可参照其标准。在DLT5219-2005中对消除地基部分湿陷量时的最小处理厚度的要求远低于GB 50025的要求。参见下表：
　　考虑通信杆塔与电力塔的类似性，在实际工程中亦可参考本条标准进行基础换填设计。
　　（3）在湿陷性黄土场地采用桩基础时：
　　桩端必须穿透湿陷性黄土层，并应符合下列要求：
　　①在非自重湿陷性黄土场地，桩端应支承在压缩性较低的非湿陷性黄土层中;
　　②在自重湿陷性黄土场地，桩端应支承在可靠的岩（或土）层中。
　　③符合下列条件之一的桩基，当桩周土层产生的沉降超过基桩的沉降时，在计算基桩承载力时应计入桩侧负摩阻力：
　　a.桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层时;b.桩周存在软弱土层，邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面大面积堆载（包括填土）时;c.由于降低地下水位，使桩周土有效应力增大，并产生显著压缩沉降时。 　　（4）在湿陷性黄土场地采用浅基础时：
　　土（或灰土）垫层的承载力特征值对土垫层不宜超过180kPa，对灰土垫层不宜超过250kPa。地基厚度需满足规范规定的不同建筑类型的最小处理厚度要求。
　　6.2 液化场地
　　（1）液化等级判定
　　（2）抗液化措施
　　如果土质具有液化性质，则一般不宜作为铁塔机房的天然持力层。需要经过抗液化处理。当液化土层的土质均匀，厚度变化不大时，可按下表执行抗液化措施：
　　①全部消除地基液化沉陷的措施，应符合下列要求：
　　a.采用桩基时，桩端伸入液化深度以下稳定土层中的长度（不包括桩尖部分），应按计算确定，且对碎石土，砾、粗、中砂，坚硬黏性土和密实粉土尚不应小于0.8m，对其他非岩石土尚不宜小于1.5m。
　　b.采用深基础时，基础底面应埋入液化深度以下的稳定土层中的深度不应小于0.5m。
　　c.采用加密法（如振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等）加固时，应处理至液化深度下界;振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入锤击数不宜小于建筑抗震设计规范的第4.3.4条规定的液化判别标准贯入锤击数临界值。
　　d.将液化土层全部替换，或在液化土层上增加优质填土厚度，满足基础施工不扰动下部液化土层。
　　e.采用加密法或换土法处理时，在基础边缘以外的处理宽度，应超过基础底面下处理深度的1/2且不小于基础宽度的1/5。
　　②部分消除地基液化沉陷的措施，应符合下列要求：
　　a.部分消除液化措施的处理深度应使处理后的地基液化指数降低到5以下;对独立基础和条形基础，尚不应小于基础底面下液化土特征深度和基础宽度的较大值。
　　注：中心区域指位于基础外边界以内沿长宽方向距外边界大于相应方向1/4长度的区域。
　　b.采用振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入锤击数不宜小于按建筑抗震设计规范第4.3.4条规定的液化判别标准贯入锤击数临界值。
　　c.采用加密法或换土法处理时，在基础边缘以外的处理宽度，应超过基础底面下处理深度的1/2且不小于基础宽度的1/5。
　　d.采取减小液化震陷的其他方法，如增厚上覆非液化土层的厚度和改善周边的排水条件等[4]。
　　7 基础选型造价分析
　　以山西省2017年选用《通信铁塔标准图集（V1.3）》中的3GT-40-0.45-3PT三管塔为例，进行造价对比，在两种塔基均能满足建设要求时合理选择造价最优方案。具体数据如下表：
　　由以上数据可以得出：
　　在二级自重（非自重） 湿陷性场地——采用桩基础比较经济。
　　在普通场地一级非自重湿陷性场地——采用筏板基础比较经济。
　　在实际设计过程中，首先根據挂高要求及现场场景选择合适的塔高及塔形，根据相应塔形塔脚力及地勘报告参数，结合规范参数取值进行铁塔基础计算出对应塔形的各类基础大小，对计算出来的各种基础方案进行技术经济比较，选择造价最优方案以节约成本。
　　不同方案选优可作为精细化管理的一部分，是从前期设计阶段控制铁塔建设总造价的有效方法。
　　参考文献
　　[1] 建筑地基基础设计规范：GB 50007-2011[S].北京：中国标准出版社，2011.
　　[2] 建筑地基处理技术规范：JGJ 79-2012[S].北京：中国标准出版社，2012.
　　[3] 建筑抗震设计规范：GB 50011-2010[S].北京：中国标准出版社，2010.
　　[4] 湿陷性黄土地区建筑规范：GB 50025-2004[S].北京：中国标准出版社，2004.
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