濕陷性黃土地區(qū)某高層建筑地基處理措施的適用性探討

劉世春

(中鐵第一勘察設計院，陜西西安 710043)

1 擬建工程及地質(zhì)概況

1.1 擬建工程概況

擬建工程為單元式高層住宅樓,平面呈長方形東西向展布,54.6 m×15.6 m,共兩個單元,地上十二層,地下一層(6級人防地下室),樓高34.8 m。擬采用鋼筋混凝土材料,剪力墻結構,片筏基礎,并考慮樁基的適宜性。筏基埋深4.0 m，擬建建筑物為乙類建筑，安全等級為二級?！?.00 m(613.8)以上總荷重151 008 kN,單位總荷重215 kN/m2。二級工程；二級場地(中等復雜場地)；一級地基(復雜地基)；巖土工程勘察等級為甲級。

1.2 工程地質(zhì)概況

擬建場地地貌上屬黃土塬前緣二級階地。地下水水位埋深21.60～25.30 m,擬建場地無斷裂構造通過，地層無錯動跡象，適宜高層建筑。場地勘探深度內(nèi)自上而下巖土分層如下：

第四系全新統(tǒng)①雜填土、②素填土；第四系上更新統(tǒng)③-1飽和黃土、③黃土,具Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷性、④黃土,具Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷性,濕陷土層深度為10.80～18.60 m、⑤粉土、⑤-1粉質(zhì)黏土、⑥中砂、⑦細砂、⑧卵石土、⑨圓礫土、⑩礫砂；上第三系棕黃、棕紅色黏土(N),該層土具弱膨脹性。

2 地基土的工程性能

2.1 地基土的物理力學性質(zhì)

各層土的三軸試驗結果列于表1。

表1 三軸(UU)試驗結果統(tǒng)計

2.2 場地地基的濕陷性評價

場地主要為兩個地貌單元,西單元上部地層受水浸泡,14.0 m以上有一層軟弱土,強度偏低。東單元較均勻。場地自重濕陷量為2.767～27.394 5 cm，宜按自重濕陷性黃土場地設計。場地黃土地基總濕陷量為22.05～60.178 cm,擬建建筑物地基濕陷等級為Ⅱ～Ⅲ級，具Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷性，濕陷深度為8.05～18.60 m。

2.3 地基土承載力標準值

利用土工試驗相關指標,經(jīng)查表得到各土層承載力基本值(部分承載力基本值為分析對比土層的標貫值而確定),后經(jīng)回歸修正得到各層土承載力標準值,結果見表2。

表2 地基土承載力綜合成果

3 地基與地基方案分析

3.1 天然地基

擬建場地屬自重濕陷性場地，當基礎埋深為4.0 m時,地基濕陷等級為Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷。濕陷深度為10.8～18.60 m,應消除擬建建筑物地基的全部濕陷量或穿透全部濕陷性土層；利用前述表2(三軸)中的強度參數(shù)、靜力觸探的比貫入阻力和側摩阻力，按GBJ7—89和GBJ72—90的理論公式計算的地基承載力設計值，均不能滿足擬建建筑物基底壓力的要求。

另外,根據(jù)《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》(JGJ72—90)第6.2.2條之規(guī)定,從以下三個方面評價天然地基的均勻性。

擬建建筑物基礎埋深-4.0 m,地基持力層基本放在②層底及第③、③-1層頂部。該層層面高程為606.45～609.73 m,在寬度方向上,高程差值范圍為0.52～2.81 m,層面坡度為3.1%～16.7%,東西單元分界線上屬不均勻地基。若加深基礎埋深使之超過持力層最低的層面深度(8.6～10.8 m),則須采取墊層等措施加以調(diào)整。

地基持力層③、③-1層和第一下臥層④黃土在寬度方向上,地層厚度分別為3.69～6.4 m和7.8～9.0 m,厚度差分別為1.8～1.81 m和0.2～1.2 m,大多數(shù)值大于0.05b(b=15.6 m),也屬不均勻地基。

擬建高層建筑物場地壓縮層深度為Zn=(12.5+0.53×15.6)×0.75=15.576 m,在壓縮層深度內(nèi),地基土的壓縮模量加權平均值,Z-1、Z-2分別為9.177 MPa和4.008 MPa,Z-3、Z-4分別為9.16 MPa和6.20 MPa,經(jīng)過計算,在寬度方向上均不滿足高層要求,屬不均勻地基。

通過以上三個方法計算,本擬建場地的地基土屬不均勻地基，在設計時應采取結構措施或地基處理措施。

由此可見,天然方案不成立。

3.2 筏型基礎

設計筏型基礎時,因擬建場地屬Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷性場地，地基承載力設計值均不能滿足擬建建筑物基底壓力的要求，須采用地基處理措施。對基底進行預處理,再配合剪力墻結構、筏型基礎,即可做樁土復合地基處理。建筑場地內(nèi)地下水水位埋深21.5～25.30 m,基坑下挖4 m,基底以下水位以上的濕陷性黃土、粉土、粉質(zhì)黏土層厚19.40～20.50 m,濕陷性土層厚10.80～18.60 m,可進行局部或整片采用強夯、擠密土樁等先行處理,消除上部或全部土層的自重濕陷性,以加強地基強度參數(shù)。若采用局部處理,每邊宜超出基礎寬度0.25倍,即0.25×b=0.25×15.6=3.9 m。若采用整體處理,每邊宜超出基礎寬度的0.75倍,即0.75×b=0.75×15.6=11.7 m。而東南角僅距現(xiàn)有5號樓9 m,受周圍建筑物限制；另外,西單元,特別是西單元中心14.0 m以上的土層強度較低,3～9 m為飽和黃土,強度低,f0=11.4～52.30 kPa,要達到平均擠密系數(shù)0.93、最小擠密系數(shù)不小于0.88較困難。且擠密土樁在該地區(qū)一帶7～9 m深度范圍內(nèi)效果較好,最大深度不超15 m。采用局部處理對筏板型承臺及剪力墻墻基軟弱層③、③-1(東單元高程603～609 m,西單元高程599～609 m之間土層)進行處理,增加強度費用較大,且擠土樁的樁注體和樁間土體對周圍建筑物、地下管線會產(chǎn)生不利影響。

因此,只作片筏基礎不能滿足要求,根據(jù)擬建建筑的地基的承載力、上部結構的布置及荷載分布等因素,宜采用樁基。

3.3 樁基

(1)樁型選擇

擬建場地采用樁基礎時,應穿透濕陷性黃土層。對自重濕陷性黃土場地,樁底端應支承在細砂⑦、中砂⑥、礫砂⑩互層與圓礫土⑨、卵石土⑧互層或下部棕黃色、棕紅色黏土層中。結合各勘探孔的巖土工程條件,可選擇的樁基按承載性狀分類法,應采用摩擦端承樁；按樁身材料分類法應采用鉆孔灌注樁或預制樁。由于Z-3(北軸線中點)、Z-5、J-3的基礎持力層之上的土層中分布有不均勻的砂層,預制樁不易通過。24.5 m(高程589.15 m)為粉質(zhì)黏土的層底深度,該深度以下的砂類土、碎石類土(透鏡體狀)互層(層底高程為587.35～588.35 m),層位穩(wěn)定,頂面以上樁尖須要穿越一定厚度的堅硬土層,可采用預應力樁,但土層的不均勻性具偶然性,難于操作。

在該自重濕陷性黃土地基中,濕陷土層厚度較大,沉管碎石樁不適宜采用,旋噴樁所要求地基土參數(shù)不能滿足,效果不好。鉆、挖孔灌注樁樁長易控制,地下水水位埋深較大21.60～25.30 m,水量較小,西單元中心洗澡堂上部地層(10.0 m以上)③-1為飽和黃土地基,有縮孔現(xiàn)象,適合鉆探,東單元適合挖探。干作業(yè)法的鉆、挖孔灌注樁在該地區(qū)應用較多,經(jīng)驗成熟,較前幾種方案更適宜。

(2)樁端持力層選擇

當采用挖孔灌注樁時,可選用④、⑤、⑤-1、⑥、⑦層作為樁端持力層,樁頂高程為609.8 m。樁尖入土深度按兩個深度(19.00 m和21.00 m)分別計算,有效樁長分別為15 m、17 m,樁徑分別選D=0.80 m、D=1.0 m，樁心距可采用2.5～3.0 m。但由于自重濕陷性黃土層較厚,樁尖位于地下水位附近,挖孔難度較大,建議采用鉆孔灌注樁。

(3)鉆孔灌注樁單樁豎向極限承載力標準估算

按JGJ94—94規(guī)范5.2.8和5.2.9式分別計算鉆、挖孔灌注樁單樁豎向承載力標準值Quk。擬建場地為Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷性黃土場地,所以,第③、③-1全層、及④層的上部黃土的極限樁側負摩擦阻力按規(guī)范GB25—90附表11.1取-10 kPa。根據(jù)各層土極限側阻力標準值qsik和極限端阻力標準值qpk,計算結果列于表3。

由計算可知,樁頂荷載由樁側阻力和樁周阻力共同承擔,當采用鉆孔灌注樁時,增加樁長可迅速增大單樁豎向極限承載力標準值(如表4),按JGJ94—94規(guī)范第6.3.9條規(guī)定,孔底沉雜渣厚度不得大于100 mm,且應保正樁身混凝土的完整性。具體設計時,須根據(jù)布樁的具體情況選擇適宜樁長、樁徑,并進行現(xiàn)場靜載荷試驗,以確定單樁豎向極限承載力標準值作為設計最終依據(jù)。

表3 單樁豎向極限承載力標準值

表4 鉆孔灌注樁周土極限側摩阻力標準值和極限端承力標準值

對于鉆孔灌注樁單樁豎向承載力的估算,選用了兩個深度兩個樁徑進行比較。由比較結果可見當有效樁長為21 m或24 m時,均選樁徑0.6 m比較經(jīng)濟。

4 結束語

根據(jù)以上的計算分析,濕陷性黃土由于其本身的高壓縮性、濕陷性、及不均勻性,濕陷性黃土地區(qū)高層建筑的地基處理方式應在考慮濕陷等級的基礎上,結合持力層埋深及地層特性,采用復合地基處理措施。

[1] GB50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范[S]

[2] GB50007—2002 建筑地基基礎設計規(guī)范[S]

[3] GBJ25—90 濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S]

[4] GB50011—2001 建筑抗震設計規(guī)范[S]

[5] JGJ94—94 建筑樁基技術規(guī)范[S]

[6] JGJ72—90 高層建筑巖土工程勘察規(guī)程[S]

[7] JGJ6—99 高層建筑箱形與筏形基礎技術規(guī)范[S]

[8] GB50123—99 土工試驗方法標準[S]