軟弱地基鐵塔基礎設計綜述
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摘 要 地基基礎工程的施工質量直接影響建筑施工的質量、安全與造價。本文主要列舉了軟弱地基類型、形成原因及處理目的。
關鍵詞 軟弱土;處理;樁基;換填;造價
引言
工程建設中，地質會直接決定設計施工方案，影響工程造價。而對軟弱地基的處理是否達標，則會直接決定工程質量，影響工程安全。實際工程中，存在不良地質的建設場景所占比例較高。我國沿海、沿河地區的淤泥及淤泥質土地質，山、陜、冀、魯、豫地區的濕陷性黃土地質，及全國各地的工程拆件區、坑洞回填區的雜填土地質，都在通信基礎建設工程中涌現。
本文旨在將軟弱地質進行詳細歸類闡述，并將現行的國家規范中對各類型軟弱地質的判定標準、利用原則、處理方法及基礎設計要求進行匯編。以供工程建設設計施工參考使用[1]。
1 基本軟弱土類型
1.1 淤泥及淤泥質土
?。?）指標：含水量一般（40%～90%）>液限;天然孔隙比一般≥1.0;
（2）分布：一般分布于我國東南沿海地區，有大型內陸河流經的平原河床常伴有淤泥質土的沉積。
（3）工程特性：淤泥質土的天然地基承載力極低，天然地基沉降變形大，而且易產生不均勻沉降。影響建筑結構性能。
1.2 沖填土
?。?）指標：此類土的特性因沉積土的顆粒組成不同而異，一水量一般都很大，具有極高的壓縮性，強度低，軟土性質嚴重。
?。?）分布：常見于沿海港灣和江河兩岸，尤以河流轉向處充填土面積廣，堆積厚度大。
?。?）工程特性：它的工程性質復雜，隨土的顆粒組成、均勻性和排水固結條件不同而異。含砂量、黏土顆粒含量決定了沖填土是否可作為天然地基。當含砂量較高時，一般可作為天然地基，無須處理，當黏土含量較高時，則需要經過地基處理有才能作為建筑基礎持力層。
1.3 雜填土
（1）指標：雜填土一般都是由于工業建設人為形成的，分布沒有任何規律，有機物、建筑垃圾等成分復雜，不管是厚度、組成，都毫無規律性。
?。?）分布：常見于一些較古老城市和工礦區。
?。?）工程特征：土質結構松散，均勻性差，變形大，承載力低，壓縮性高，有浸水濕陷性，一般需要經處理才能作建筑物地基。對有機質含量較多的生活垃圾和對基礎油侵蝕性的工業廢料等雜填土地基，未經處理，不宜做持力層。
1.4 其他高壓縮性土
飽和的松散粉細沙（含部分粉質黏土）、濕陷性黃土、膨脹土、鹽漬土、紅黏土以及季節性凍土等特殊土的不良地基現象，亦屬于需要地基處理的軟弱地基范疇[2]。
2 軟弱土的特性
2.1 含水量較高，孔隙比較大
根據統計：
含水量（巖石孔隙中所含的水重量與干燥巖土重量的比值）：一般為35%～80%，
孔隙比（土體中的孔隙體積與其固體顆粒體積之比）：一般為1-2。
2.2 壓縮性較高
壓縮系數：a1-2在0.5～1.5MPa-1之間，甚至達到4.5MPa-1，且其壓縮性往往隨著液限的增大而增加。
2.3 抗剪強度很低
抗剪強度：一般<20KPa。其變化范圍約在5～25KPa。
2.4 滲透性較差
軟土的滲透系數一般在i*10～5到i*10～7mm/s 之間，軟土層在自重或荷載作用下達到完全固結所需的時間會很長。
2.5 具有顯著的結構性
特別是我國濱海相的軟土靈敏度約為3～9cm/s，屬高靈敏土或極靈敏土，在進行工程建設時，一旦擾動軟弱土層 ，土的結構就會輕易受到破壞，強度降低，嚴重的甚至變成流動狀態。
2.6 具有明顯的流變性
軟土在不變的剪應力的作用下，將連續產生緩慢的剪切變形，并可能導致抗剪強度的衰減。在固結沉降完成之后，軟土還可能繼續產生可觀的次固結沉降。
3 軟弱地基土的處理步驟
3.1 地基處理的目的
地基處理的目的主要是改善地基的工程性質，包括改善地基土的變形特性，控制荷載作用下的變形量，提高力學性能。使地基土能滿足設計要求。
3.2 地基處理的原則
地基處理的原則是安全性、合理性、經濟性、先進性。做到與環境協調、技術先進、方案可實施性強。在制定處理方案時，應綜合考慮多種方法。
3.3 處理方法的確定步驟
（1）通信建設中的機房一般以單層單跨的砌體結構為主，鐵塔機房基礎占地在百平方米以內，建設場地相對空曠，鐵塔和機房周邊有鄰近建筑的情況極少。在獲取了建設場地的土質與水文資料后，要根據建設場景的實際地形地貌，建設地的材料市場情況，結合地勘初步選定多個基礎處理方案。
?。?）選擇最佳的地基處理方法;綜合考慮下面幾項要素①甲方的工期要求;②施工方的技術、機械力量;③方案材料的采購便捷;④施工程序盡量簡單;⑤經濟、安全、處理后能達到建設要求。
?。?）對已選定的地基處理方法，進行最后論證。結合建設方要求、施工方的施工經驗，及時調整，確?？尚行訹3]。
4 軟弱地基的利用原則
利用軟弱土層作為持力層時，應符合下列規定：
?。?）淤泥和淤泥質土上覆為非軟弱土層時，上覆土層可以作為持力層。在設計中，基礎開挖深度應避免觸及淤泥質土，施工夯實地基時，因避免擾動下層軟弱土。
（2）對于建筑垃圾掩埋區、工業回填場地、沖填土等，如果土質均勻程度良好、密實性良好，可作為天然地基利用。
5 通信建設中軟弱地基常用處理方法
5.1 換填墊層法
?。?）一般規定 ①此法適用于軟弱土層厚度較小的地基處理，將軟弱土層部分或全部換除。
?、谶M行換填墊層的設計時應根據建筑類型、場地土質等條件綜合確定設計方案。并根據施工方的機械設備情況、填料性質和獲取渠道便捷程度、施工工藝的難易程度等選擇適合建設地的施工方法。
③根據地勘顯示的需要置換的軟弱土層的厚度，部分或全部處理的設計方案的換填厚度宜為0.5～3.0m為宜。
?。?）墊層材料（砂石、粉質黏土、灰土、粉煤灰、礦渣）的選用要求
?、偕笆篴.應選擇不含植物殘體、生活建筑垃圾，級配良好的碎石、卵石、角礫、圓礫、礫砂、粗砂、中砂或石屑;b.所選砂石材料的粒徑宜<50mm;c.當使用粉細砂或石粉時，應摻入不少于總重量30%的碎石或卵石;d.此類透水性材料不適用對濕陷性黃土或膨脹土進行處理。
②粉質黏土：a.所選土料中有機質含量<5%;b.所選土料不含有凍土或膨脹土。c.土料中的碎石粒徑宜<50mm。d.當地質為濕陷性黃土或膨脹土時，選用粉質黏土作為換填材料，應當去篩除土料中的磚、瓦或石塊等大粒徑雜質。
③灰土：a.體積配合比宜為2：8或3：7。b.石灰宜選用粒徑<5mm的新鮮的消石灰。c.土料宜選用不含雜質且粒徑<15mm的粉質黏土。
?、芊勖夯遥哼x用的粉煤灰應綜合考慮粉煤灰對環境的影響，如建設場地附近或下層有管道或線路，因試驗確定粉煤灰的腐蝕性。
?、莸V渣：a.礦渣的松散重度>1kN/m3;b.有機質及含泥總量<5%;c.對礦渣的腐蝕性和放射性進行實地試驗評價;d.考慮礦渣換填對環境的影響。雖然礦渣利用是可行的，單在通信建設中，換填量小，礦渣運輸路徑遠，試驗成本高，周期長。在使用時應綜合考慮上述因素
?、奁渌I廢渣及土工合成材料。
?。?）墊層厚度的確定
應根據需置換軟弱土（層）的深度或下臥土層的承載力確定，并應符合下式要求：
pz+pcz≤ ?az
式中：pz——相應于作用的標準組合時，墊層底面處的附加壓力值（kPa）;
pcz——墊層底面處土的自重壓力值（kPa）;
?az——墊層底面處經深度修正后的地基承載力特征值（kPa）。
墊層底面處的附加壓力值pz可分別按下式計算：
條形基礎 Pz =
矩形基礎 Pz=
式中：b——矩形基礎或條形基礎底面的寬度（m）;
l——矩形基礎底面的長度（m）;
pk——相應于作用的標準組合時，基礎底面處的平均壓力值（kPa）;
Pc——基礎底面處土的自重壓力值（kPa）;
z——基礎底面下墊層的厚度（m）;
θ——墊層（材料）的壓力擴散角（ °），宜通過試驗確定。
（4）墊層底面的寬度
?、賶|層底面寬度應滿足基礎底面應力擴散的要求，可按下式確定：
b'≥b+2ztan·θ
b'——墊層底面寬度（m）;
θ ——壓力擴散角。
?、趬|層頂面每邊超出基礎底邊緣不應小于300mm，且從墊層底面兩側向上，按當地基坑開挖的經驗及要求放坡。
?、壅瑝|層底面的寬度可根據施工的要求適當加寬。
6 鐵塔機房將基礎設計中常見的軟弱地基類型及基礎設計原則
6.1 濕陷性黃土
（1）判定：是否為濕陷性黃土做出判定如下：
當濕陷系數δs值小于0.015時→非濕陷性黃土;
當濕陷系數δs值等于或大于0.015時→濕陷性黃土。
?。?）處理要求：依據《濕陷性黃土地區建筑規范》[4]對于鐵塔塔基、機房等丙類建筑消除地基部分濕陷量的最小處理厚度，應符合下列要求：
①當地基濕陷等級為Ⅰ級時：對于單層的通信機房可不處理地基;對多層終端局房，地基處理厚度不應小于1m，且下部未處理濕陷性黃土層的濕陷起始壓力值不宜小于100kPa。
②當地基濕陷等級為Ⅱ級時：在非自重濕陷性黃土場地，對單層單層的通信機房，地基處理厚度不應小于1m，且下部未處理濕陷性黃土層的濕陷起始壓力值不宜小于80kPa;對多層終端局房，地基處理厚度不宜小于2m，且下部未處理濕陷性黃土層的濕陷起始壓力值不宜小于100kPa;在自重濕陷性黃土場地，地基處理厚度不應小于2.50m，且下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量，不應大于200mm。
③當地基濕陷等級為Ⅲ級或Ⅳ級時，對多層宜采用整片處理，地基處理厚度分別不應小于3m或4m，且下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量，單層及多層均不應大于200mm。
?、芗芸账碗娋€路基礎設計規定（DLT5219-2005）在其適用范圍解釋1.0.2條中表示：通信桿塔的設計可參照其標準。在DLT5219-2005中對消除地基部分濕陷量時的最小處理厚度的要求遠低于GB 50025的要求。參見下表：
考慮通信桿塔與電力塔的類似性，在實際工程中亦可參考本條標準進行基礎換填設計。
（3）在濕陷性黃土場地采用樁基礎時：
樁端必須穿透濕陷性黃土層，并應符合下列要求：
?、僭诜亲灾貪裣菪渣S土場地，樁端應支承在壓縮性較低的非濕陷性黃土層中;
?、谠谧灾貪裣菪渣S土場地，樁端應支承在可靠的巖（或土）層中。
③符合下列條件之一的樁基，當樁周土層產生的沉降超過基樁的沉降時，在計算基樁承載力時應計入樁側負摩阻力：
a.樁穿越較厚松散填土、自重濕陷性黃土、欠固結土、液化土層進入相對較硬土層時;b.樁周存在軟弱土層，鄰近樁側地面承受局部較大的長期荷載，或地面大面積堆載（包括填土）時;c.由于降低地下水位，使樁周土有效應力增大，并產生顯著壓縮沉降時。 ?。?）在濕陷性黃土場地采用淺基礎時：
土（或灰土）墊層的承載力特征值對土墊層不宜超過180kPa，對灰土墊層不宜超過250kPa。地基厚度需滿足規范規定的不同建筑類型的最小處理厚度要求。
6.2 液化場地
?。?）液化等級判定
?。?）抗液化措施
如果土質具有液化性質，則一般不宜作為鐵塔機房的天然持力層。需要經過抗液化處理。當液化土層的土質均勻，厚度變化不大時，可按下表執行抗液化措施：
?、偃肯鼗夯料莸拇胧瑧舷铝幸螅?
a.采用樁基時，樁端伸入液化深度以下穩定土層中的長度（不包括樁尖部分），應按計算確定，且對碎石土，礫、粗、中砂，堅硬黏性土和密實粉土尚不應小于0.8m，對其他非巖石土尚不宜小于1.5m。
b.采用深基礎時，基礎底面應埋入液化深度以下的穩定土層中的深度不應小于0.5m。
c.采用加密法（如振沖、振動加密、擠密碎石樁、強夯等）加固時，應處理至液化深度下界;振沖或擠密碎石樁加固后，樁間土的標準貫入錘擊數不宜小于建筑抗震設計規范的第4.3.4條規定的液化判別標準貫入錘擊數臨界值。
d.將液化土層全部替換，或在液化土層上增加優質填土厚度，滿足基礎施工不擾動下部液化土層。
e.采用加密法或換土法處理時，在基礎邊緣以外的處理寬度，應超過基礎底面下處理深度的1/2且不小于基礎寬度的1/5。
?、诓糠窒鼗夯料莸拇胧?，應符合下列要求：
a.部分消除液化措施的處理深度應使處理后的地基液化指數降低到5以下;對獨立基礎和條形基礎，尚不應小于基礎底面下液化土特征深度和基礎寬度的較大值。
注：中心區域指位于基礎外邊界以內沿長寬方向距外邊界大于相應方向1/4長度的區域。
b.采用振沖或擠密碎石樁加固后，樁間土的標準貫入錘擊數不宜小于按建筑抗震設計規范第4.3.4條規定的液化判別標準貫入錘擊數臨界值。
c.采用加密法或換土法處理時，在基礎邊緣以外的處理寬度，應超過基礎底面下處理深度的1/2且不小于基礎寬度的1/5。
d.采取減小液化震陷的其他方法，如增厚上覆非液化土層的厚度和改善周邊的排水條件等[4]。
7 基礎選型造價分析
以山西省2017年選用《通信鐵塔標準圖集（V1.3）》中的3GT-40-0.45-3PT三管塔為例，進行造價對比，在兩種塔基均能滿足建設要求時合理選擇造價最優方案。具體數據如下表：
由以上數據可以得出：
在二級自重（非自重） 濕陷性場地——采用樁基礎比較經濟。
在普通場地一級非自重濕陷性場地——采用筏板基礎比較經濟。
在實際設計過程中，首先根據掛高要求及現場場景選擇合適的塔高及塔形，根據相應塔形塔腳力及地勘報告參數，結合規范參數取值進行鐵塔基礎計算出對應塔形的各類基礎大小，對計算出來的各種基礎方案進行技術經濟比較，選擇造價最優方案以節約成本。
不同方案選優可作為精細化管理的一部分，是從前期設計階段控制鐵塔建設總造價的有效方法。
參考文獻
[1] 建筑地基基礎設計規范：GB 50007-2011[S].北京：中國標準出版社，2011.
[2] 建筑地基處理技術規范：JGJ 79-2012[S].北京：中國標準出版社，2012.
[3] 建筑抗震設計規范：GB 50011-2010[S].北京：中國標準出版社，2010.
[4] 濕陷性黃土地區建筑規范：GB 50025-2004[S].北京：中國標準出版社，2004.
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