高层建筑物地基工程勘察实例分析

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1、第18卷增刊地下空间Vol. 18 UNDERGROUND SPACEDec. 1998高层建筑物地基工程勘察实例分析曾开华张忠坤张洪生 (河海大学)(同济大学)(河海大学)摘要本文以徐州市华电大厦地基的岩土工程勘察为研究实例,论述了高层建筑地基岩土工程勘察所需进行的技术工作方法,通过对该建筑物地基土各土层的物理力学性质的现场原位测试和室内土工试验结果的分析,根据规范计算法和应用静力触探资料法,探讨了本工程实例正确选择桩尖持力层及桩型的问题。 本工程实例的研究与分析,对类似的岩土工程勘察都具有一定的参考价值。摘要承载力预制桩钻孔灌注桩1引言近年来,随着我国城市建设的发展,许多高层建筑在各城市拔

2、地而起,这势必要求高层建 筑物地基岩土工程勘察的工作跟上整个工程的发展,以满足工程建筑设计、 施工、 监测与使用 的需要,保证建筑物基础与结构的安全稳定。本文拟以徐州市华电大厦地基岩土工程勘察为 例,对高层建筑物地基岩土工程勘察所遇到的一些问题进行探讨分析。2工程概况徐州市华电大厦是由徐州市电业局房地产开发公司与台湾华升营造有限公司合资兴建的 一幢综合性大楼,位于徐州市建国东路和黄河西路的交接处,主楼27层,地下室2层;裙楼4 层,地下室1层。 主楼平面为正方形(3030平米) ,属一级建筑物。 主楼底部及裙楼均采用框 架结构,主楼中上部采用框筒结构,基础形式拟采用桩基。 场地上覆有15米厚左

3、右的新近沉积 土,其下为一层7米厚左右的Q3老粘土层, Q3老粘土层以下为石灰岩,石灰岩上部为2米厚左右的强风化层,且石灰岩内溶洞较为发育。勘察工作以钻探取样为主,辅以孔内标贯试验及 静力触探;室内土工试验包括系列常规土工试验、 三轴剪切试验。3场地岩土工程条件3. 1地层岩性及其物理力学性质特点 场地地层自上而下,岩性及物理力学性质依次为:(1)杂填土,厚1. 004. 50米,平均厚度1. 91为,层标高为35. 6432. 65米。(2)砂质粉土:黄色灰黄色,上部很湿,下部饱和,稍密中密,厚2. 707. 00米,平均厚5. 62米,层底标高为30. 8228. 34米。 孔隙比e =

4、0. 619 ,液限WL= 22. 6 ,塑限WP= 18. 1 , 塑性指数IP= 4. 4 ,液性指数IL= 0. 8 ,压缩系数a1 - 2= 1. 410- 4kPa- 1,压缩模量Es= 1. 28104kPa ,承载力135kPa。第18卷增刊曾开华等:高层建筑物地基工程勘察实例分析343(3)杂填土,厚01. 20米,平均厚0. 44米,层底标高30. 8227. 32米。(4)粉土,饱和,中密,厚1. 905. 65米,平均厚度3. 86米,层底标高27. 6224. 14米,e = 0. 777 , WL= 28. 3 , WP= 19. 2 , IP= 9. 1 , IL=

5、 0. 96 ,快直剪c = 20kPa ,= 28,a1 - 2= 2. 810- 4kPa- 1,Es= 8103kPa ,承载力130kPa。(5)粘土(Q4) ,饱和,软塑可塑,厚2. 806. 80米,平均厚3. 84米,层底标高22. 1520. 82米, e = 0. 909 , WL= 39. 8 , WP= 22. 4 , IP= 17. 4 , a1 - 2= 3. 610- 4kPa- 1,快直剪c =67kPa ,= 13,三轴剪切c = 36. 6kPa ,= 8. 2,Es= 5. 7103kPa ,承载力155kPa。(6)粉质粘土(Q3) ,饱和,可塑硬塑,厚4

6、. 508. 20米,平均厚6. 31米,层底标高16. 1513. 54米, e = 0. 688 , WL= 34. 5 , WP= 21. 1 , IP= 13. 4 , IL= 0. 27 ,快直剪c = 36kPa ,= 15,三轴剪切c = 63. 1kPa ,= 12, a1 - 2= 2. 310- 4kPa- 1, Es= 7. 8103kPa ,承载力205kPa。(7)石灰石,为中奥陶系石灰岩,上部2米强风化,平均饱和单轴极限坑压强度为3. 6104kPa ,其下为中等风化,饱和单轴极限抗压强度为7. 7104kPa。 钻探表明,有大小不一的溶 洞发育,钻探穿过溶洞顶底面

7、的最大落距达0. 5米。3. 2地质构造及地震影响场地南部1000米远处有隐伏废黄河正断层,场地西部1800米远处有两处隐伏正断层, 场地东部有两务隐伏的广山鸡山逆断层组。 据有关地质论证,这些断层均为非活动性断裂,对 区域稳定性不构成影响,故建筑物附近区域是稳定的。 建筑物场地上部地层为砂质粉土,且均匀性差,钻探孔内标贯试验表明,为地震液化土 层,对建筑物不利,场地为中等液化场地。若以土层为基础主要持力层,鉴于徐州地区为7 远震区,又考虑到本建筑物特点,根据规范,本建筑物拟按8 设防。3. 3场地稳定性评价 在拟建场地及附近安全范围内无全新活动断裂、 地裂缝等不良地质现象。场地埋藏的中 奥陶

8、系石灰岩顶部2米左右强风化,其下2米左右中等风化,下部微风化,且岩溶发育,但基 岩面8米以下未发现任何溶洞。岩溶发育对建筑物的稳定不利,但可以用钻孔灌注桩穿过岩溶发育区,将建筑物荷载传递到完整基岩上,以消除不良影响。 因此,本建筑场地是稳定的,建27层大楼是可行的。3. 4桩基持力层的选择 根据岩土工程条件和本建筑的特点,桩基持力层可作如下选择:(1)裙楼的桩基持力层可选在第6层粘土上,亦可选择在基岩上。(2)主楼的桩基持力层宜选择在基岩内。(3)基岩埋藏基本稳定。基岩面高程为16. 513. 45米,基岩央坡度最大为7 % ,一般为5 %左右,由于上部基岩溶洞较为发育,探明溶洞最深到基岩内8

9、米左右(高程为8. 20米)。 桩 基宜穿过溶洞进入完整基岩内。3. 5地下水的影响本场地上覆土层中的地下水,由降水入渗及邻近旧黄河水侧向补给,水位涨落受季节性 影响较大。水位标高在34米上下波动。据水质分析判定,地下水对砼无侵蚀性。 场地上部砂质粉土透水性能为弱透水性,渗透系数1. 101048. 510- 4cm/ s。下部粘土层可视为相对隔水层,基坑开挖可采用防渗帷幕,切断旧黄河水的侧向补给,帷幕应进入第344地下空间第18卷5层粘土层中,疏干帷幕围绕场地的地下水,以保证施工安全。4勘察结论场区上部土层(包括第15层土)为新近沉积土,土层全场地分布不均,高压缩性、 低强 度,不能作为基础

10、持力层。 第6层Q3老粉质粘土全场区分布均匀,土层结构稳定,中等压缩性, 物理力学性质较好,可作为裙楼的桩基持力层。本区石灰岩基岩顶部2米强风化。依据规范, 主楼的桩基持力层宜选择在下部5米范围内无溶洞发育的石灰岩层内。5桩基承载力的计算5. 1预制桩基础裙楼可采用预制桩基础,按桩基进入第6层老粘土层1. 50米,桩尖高程20. 20米,桩径0. 4米来考虑,单桩承载力采用计算公式:Rk= qpAp+ Up6qsiLi(1)式中:Rk 单桩垂直容许承载力(kN)qp 桩端平面处土层的容许承载力(kPa)Ap 桩的截面积(m2)Up 桩的截面周长(m)qsi 桩周第i层土的容许承载力(kN/ m

11、2)Li 桩穿过第i层土的厚度(m) 计算过程见表1所示。考虑到填土层的挖除,计算时未计第1层杂填土的侧摩阻力,计算结果Rk= 838. 3kN。5. 2主楼基础的大口径钻孔灌注桩 基岩顶部2米左右的强风化基岩,岩芯破碎,强度低不能作为桩端持力层。基岩中由于溶 洞发育,且无规律性,最深达基岩面以下8米,故桩端持力层应选在溶洞以下的完整基岩上,这 时地基可视为不可压缩层。目前国内对支撑在岩层上及嵌入岩层内的钻(挖)孔灌注桩的单桩容许承载力Rk的计算 公式为:Rk= Rc(C1A + C2UD)(2)式中:Rc 天然湿度下岩石试块的单轴极限抗压强度(kPa)A 桩的底面积(m2)U 嵌入岩内的桩孔

12、周长(m)D 自新鲜岩面算起的嵌入深度(m)C1、C2为系数,根据岩层破碎程度及清底情况确定。C1= 0. 30. 5 ,C2= 0. 020. 04。 澳大利亚规定岩石地基的单桩承载力公式为:Rk= 0. 5quA + 0. 5quhd(3)式中:qu 岩石的单轴极限抗压强度(kPa)h 自新鲜基岩面算起的嵌岩深度(m)第18卷增刊曾开华等:高层建筑物地基工程勘察实例分析345d 桩直径(m) 表1单桩垂直承戴力计算表土层平均厚度(米)桩侧摩阻力qs(kPa)桩端土承载力qP(kPa)累计单桩承载力(kN)杂填土1. 91砂质粉土5. 6220179. 8杂填土0. 4410186. 8粉土

13、3. 8620310. 3粘土3. 8420482. 3粉质粘土1. 5035566. 31700838. 3公式( 2)、( 3)基本上一致。 式( 2)中RcC2UD或公式( 3)中的0. 5quhd项即为桩周摩阻力, 实际上是岩石抗剪强度值。按桩径0. 6米,嵌岩最大深度8米,估算单桩承载力最大值。考虑到桩端处的基岩要求完 整、 微风化、 取C1= 0. 4。同时考虑到溶洞中的粘土层的影响,取C2= 0. 02。 公式( 2)的计算结果为: Rk= 4. 34104kN。 公式( 3)的计算结果为: Rk= 6. 88104kN。 工程应用时,可取Rk= 4104kN作为嵌岩直径0. 6

14、米灌注桩的单桩最大容许承载力。 具体施工中,应每个钻孔桩孔位中心布钻探小孔,预先探明溶洞位置,依规范,钻孔灌注桩端部置 于氏部5米垂向深度范围内无溶洞的完整基岩上即可,这样每根桩嵌岩深度不一定一样,多数 小于8米,应根据具体钻探情况单独计算。 工程实际中,由于混凝土的摩阻关系因混凝土强度高于风化岩石的强度,主要取决于风化 岩石的抗剪强度,但因成孔过程中造成岩石扰动等因素,桩周摩阻力则应按混凝土与岩石接触 处的抗剪强度来考虑。6结语本文通过对华电大厦工程实例的分析,考虑到荷载大小及土层情况,提出了主楼与裙楼采 用不同的基础形式,使建筑物既保持安全稳定,同时,又可降低基础工程的造价。裙楼基础应 充

15、分利用浅部力学性质良好的土层;主楼由于本身的荷载特点,其桩基必须穿过浅部土层和风 化层及溶洞发育的石灰岩层,进入完整的石灰岩。主楼嵌岩桩抗承载力的计算分析表明, (2)式的计算考虑到了多种因素(如溶洞中的粘土、 岩石的破碎程度及清孔情况等)的影响,其计算结果要优于(3)式的计算结果。桩基承载力受多种因素的影响,桩周摩阻力应按混凝土与岩石 接触处的抗剪强度来考虑,但如何测定该处的抗剪强度尚需今后岩土工作者作进一步的研 究。因地基岩土条件千变万化,根据不同的岩土工作条件,合理地选择基础形式,将直接影响 工程建设的经济效益和社会效益。因此,本工程实例的研究分析,对类似的岩土工程勘察具有 一定的参考意

16、义。参考文献1中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范.中国建筑工业出版社,1995年2朱梅生.软土地基.中国铁道出版社,1989年T ests on Vertical Permeability of G eotextile under Load Xu Zhiwei(336)Abstraot Though there is wide application of geotextile as antifilter in geotechnical engineering, itspermeability, which affects the effect of its use is difficult to be determined. Except for variety of facto