輝長(zhǎng)巖殘積土天然地基可行性方案研究

仝霄金，陳圣仟，丁剛

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東濟(jì)南 250013)

1 引言

隨著現(xiàn)代城市的高速發(fā)展，(超)高層建筑日益增多，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、荷重大等因素，在地基基礎(chǔ)形式的選擇上往往較多采用樁基礎(chǔ)方案，從而忽略了對(duì)壓縮性相對(duì)較低的殘積土等特殊巖土的利用，但實(shí)踐證明，該類土體作為高層建筑物的天然地基可以獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［1］。本工程通過勘察，主要借助淺層平板載荷試驗(yàn)，對(duì)輝長(zhǎng)巖殘積土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行論證，提出以其作為地基持力層的天然地基方案。

2 工程概況

某高層住宅項(xiàng)目位于濟(jì)南市工業(yè)南路以北、華信路以東，包括高層建筑及地下車庫兩部分。其中高層住宅樓長(zhǎng)度48.6 m，寬度15.9 m，高度 70.8 m，地上24層，地下 3層，基礎(chǔ)埋深 ±0.00下 10.8 m，單位荷重1.5 kPa，剪力墻結(jié)構(gòu)。高層建筑南部設(shè)2層地下車庫，長(zhǎng)度51.00 m，寬度38.50 m，埋深10.8 m，框架結(jié)構(gòu)。

3 場(chǎng)地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

3.1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地位于山前沖洪積平原中部，第四系地層主要由沖洪積成因的黃土、黏性土及碎石土組成，下伏燕山期輝長(zhǎng)巖、奧陶系石灰?guī)r。其地層結(jié)構(gòu)、土的主要物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

場(chǎng)地地層主要物理力學(xué)指標(biāo)表 表1

場(chǎng)地位于輝長(zhǎng)巖侵入于石灰?guī)r的侵入接觸帶，局部受輝長(zhǎng)巖侵入熱變質(zhì)作用，石灰?guī)r已大理巖化。場(chǎng)地東、西兩側(cè)下伏巖石為青灰～灰白色石灰?guī)r，場(chǎng)地中部自上而下以此為輝長(zhǎng)巖殘積土、全、強(qiáng)、中風(fēng)化輝長(zhǎng)巖且穿插于石灰?guī)r中，場(chǎng)地工程地質(zhì)條件復(fù)雜。巖石風(fēng)化程度、完整性和分布在水平方向和垂直方向均不均勻。

3.2 水文地質(zhì)條件

圖1 典型工程地質(zhì)剖面圖

地下水為輝長(zhǎng)巖風(fēng)化基巖裂隙潛水和石灰?guī)r巖溶裂隙水兩種地下水。輝長(zhǎng)巖風(fēng)化基巖裂隙潛水主要由大氣降水補(bǔ)給，季節(jié)性變化較大?？辈炱陂g在揭示風(fēng)化輝長(zhǎng)巖鉆孔中量測(cè)地下水靜止水位埋深為12.20 m～14.20 m，相應(yīng)標(biāo)高為39.64 m～42.01 m。石灰?guī)r巖溶裂隙水在部分鉆孔中測(cè)得，靜止水位埋深為22.20 m，相應(yīng)標(biāo)高為31.43 m。

4 地基基礎(chǔ)方案

4.1 地基基礎(chǔ)方案選擇

通過勘察單位的精心勘察，提出了天然地基與灌注樁樁基礎(chǔ)兩種地基基礎(chǔ)方案。

當(dāng)采用樁基礎(chǔ)時(shí)，樁端持力層變化大，樁長(zhǎng)較難統(tǒng)一，單樁承載力相差懸殊且施工周期長(zhǎng)，基礎(chǔ)工程造價(jià)高、難度大。相對(duì)于樁基礎(chǔ)方案，天然地基方案在施工難度、施工工期及工程造價(jià)都有一定優(yōu)勢(shì)。但由于地基持力層為殘積土與卵石兩種土層，地基土不均勻，當(dāng)采用天然地基時(shí)，建筑物應(yīng)考慮差異沉降等問題。

經(jīng)過多方專家討論，確定在地基承載力與變形均滿足規(guī)范要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先考慮天然地基。

4.2 天然地基承載力計(jì)算

高層住宅樓24層，設(shè)3層地下室，基礎(chǔ)埋深為±0.00下10.8 m，地基持力層中西部主要為第⑤層輝長(zhǎng)巖殘積土，東部為第④層卵石，由于高層建筑物南側(cè)設(shè)整體地下車庫，南側(cè)車庫部分處于超補(bǔ)償狀態(tài)，將會(huì)引起高層建筑物部分基礎(chǔ)側(cè)限力的永久性削弱，車庫部分基礎(chǔ)形式采用筏形基礎(chǔ)時(shí)，其寬度大于高層建筑物基礎(chǔ)的兩倍，可將其基礎(chǔ)底面以上荷載視作超載考慮，將超載折算成土層厚度作為基礎(chǔ)埋深進(jìn)行高層部分地基承載力修正，折算后的當(dāng)量深度按3.0 m考慮。

根據(jù)設(shè)計(jì)部門提供的建筑物基礎(chǔ)底面處的平均壓力值為pk=430 kPa。依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2002，上部荷載的形式按軸心荷載考慮時(shí)，pk≤fa，即修正后的地基承載力特征值 fa不小于430 kPa。由公式

反算得出第⑤層輝長(zhǎng)巖殘積土的承載力特征值不宜小于290 kPa。

勘察工作通過鉆探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、室內(nèi)土工試驗(yàn)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)得出的輝長(zhǎng)巖殘積土地基承載力特征值為240 kPa，與設(shè)計(jì)單位要求承載力相差50 kPa，但工程中往往偏于保守，使該土層的承載力未能充分發(fā)揮。結(jié)合本工程地層特點(diǎn)，最終決定采用載荷試驗(yàn)對(duì)輝長(zhǎng)巖殘積土承載力特征值進(jìn)行驗(yàn)證。以確定天然地基方案的可行性。

5 通過載荷試驗(yàn)確定地基承載力特征值及變形模量

5.1 試驗(yàn)方法:

在高層建筑范圍內(nèi)選區(qū)3個(gè)載荷試驗(yàn)點(diǎn)，選擇承壓板面積為0.5 m2的圓形承壓板，載荷試驗(yàn)采用慢速持續(xù)荷載法，以配置砼預(yù)制塊作為反力裝置，用油壓千斤頂配合精密壓力表控制加卸載量，半分表測(cè)量承壓板沉降，試驗(yàn)分8級(jí)加載，每級(jí) 72.5 kPa，首級(jí)加載72.5 kPa，最大加載580 kPa，加載試驗(yàn)完成后，進(jìn)行分級(jí)等量卸載回彈試驗(yàn)，卸載極差取2倍加載級(jí)差。

5.2 觀測(cè)方法

每加一級(jí)荷載后，按間隔 10 min、10 min、10 min、15 min、15 min，以后每隔半小時(shí)測(cè)讀一次沉降量，當(dāng)在連續(xù)兩小時(shí)內(nèi)，每小時(shí)的沉降量小于0.1 mm時(shí)，則認(rèn)為已趨穩(wěn)定，可加下一級(jí)荷載。

根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，試驗(yàn)荷載與沉降關(guān)系如表2所示。

試驗(yàn)荷載與沉降量關(guān)系表 表2

5.3 結(jié)果分析

根據(jù)靜載試驗(yàn)荷載與沉降關(guān)系表繪制1#～3#點(diǎn)p-s曲線與修正后的p-s曲線分別如圖2、圖3所示。

根據(jù)p-s曲線，各試驗(yàn)點(diǎn)都加載到580 kPa，沉降穩(wěn)定，因最大加載達(dá)到設(shè)計(jì)承載力特征值的2倍，而終止加載并卸荷。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)各載荷試驗(yàn)點(diǎn)均未達(dá)到極限荷載，取最大加載量的一半為承載力特征值，輝長(zhǎng)巖殘積土承載力特征值不小于290 kPa。

5.4 變形模量E0計(jì)算

土的變形模量根據(jù)p-s曲線，按勻質(zhì)各向同性半無限彈性介質(zhì)的彈性理論計(jì)算，根據(jù)公式

計(jì)算淺層平板載荷試驗(yàn)的變形模量E0如表3所示。

圖2 1#、2#、3#試驗(yàn)點(diǎn) p-s曲線

圖3 修正后的1#、2#、3#試驗(yàn)點(diǎn)p-s曲線

1#～3#載荷試驗(yàn)點(diǎn)變形模量計(jì)算值 表3

6 地基變形計(jì)算

地基變形計(jì)算，地基內(nèi)的應(yīng)力分布，采用各向同性勻質(zhì)線性變形體理論，利用分層總和法計(jì)算最終沉降公式:

按角點(diǎn)應(yīng)力法，矩形面積均布荷載計(jì)算各鉆孔處沉降量及變形值如表4所示。

1#～8#鉆孔沉降量計(jì)算表 表4

另根據(jù)《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》JGJ72-2004的有關(guān)規(guī)定，按照公式

采用變形模量E0計(jì)算筏形基礎(chǔ)的高層建筑地基的平均沉降量S=35.75 mm。

通過兩種理論變形計(jì)算得出的地基沉降量與傾斜值滿足相關(guān)規(guī)范要求，因此天然地基方案是可行的。通過后期沉降觀測(cè)驗(yàn)證，沉降理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本一致。

7 結(jié)論

輝長(zhǎng)巖殘積土壓縮性較低，承載力較高，結(jié)合此特點(diǎn)，高層建筑采用該層作為天然地基，將大大縮短工期，降低施工難度，會(huì)取得良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

目前，數(shù)項(xiàng)工程實(shí)例證明，以該巖土層作為天然地基持力層是安全可靠的，但其可行性在很大程度上仍然依靠經(jīng)驗(yàn)，缺乏系統(tǒng)的理論研究。

該工程通過載荷試驗(yàn)驗(yàn)證，將輝長(zhǎng)巖殘積土的承載力提高了50 kPa，充分發(fā)揮了該巖土層的承載力，在今后工作中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)類似地層的載荷試驗(yàn)成果的收集，并與常規(guī)試驗(yàn)成果進(jìn)行相關(guān)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)，從中得出它們的本構(gòu)關(guān)系，以便能更準(zhǔn)確地確定此類似地層的承載力［2］。

隨著科學(xué)的發(fā)展，對(duì)風(fēng)化巖土層應(yīng)從宏觀與微觀相結(jié)合的角度進(jìn)行更深層的科學(xué)研究，增加工程的可信度。

［1］尚敏，王清，王元新.濟(jì)南地區(qū)閃長(zhǎng)巖殘積土的工程地質(zhì)性質(zhì)研究［J］. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006，14(1):60～64.

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［6］工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［7］GB50007-2002.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［8］GB50021-2001.巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［9］JGJ72-2004.高層建筑巖土工程勘察規(guī)程［S］.