蘭州新區(qū)地基方案選型探討

王勤軍，張培利

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

蘭州新區(qū)位于甘肅省蘭州市永登縣秦王川盆地，距蘭州市約40 km。該盆地南北長(zhǎng)約42 km，東西寬15～20 km，面積達(dá)720 km2，是蘭州、白銀兩市的接合部，地處蘭州、西寧、銀川三個(gè)省會(huì)城市共生帶的中間位置，也是甘肅對(duì)外開放的重要窗口和門戶。在秦王川建設(shè)蘭州新區(qū)，不僅有利于在更高層次、更大范圍優(yōu)化配置生產(chǎn)要素，促進(jìn)蘭白兩個(gè)城市的經(jīng)濟(jì)合作，加快推進(jìn)蘭白核心經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展，也有利于加強(qiáng)蘭州乃至全省對(duì)外交流與合作，特別是對(duì)建立西寧-蘭州-銀川省會(huì)都市經(jīng)濟(jì)圈，進(jìn)一步提升蘭州和甘肅對(duì)外開放新形象具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)

秦王川盆地屬山間凹陷盆地，處于永登-河口凹陷中的次級(jí)構(gòu)造。該盆地形成于第三紀(jì)，在中更新世晚期，由于受東、西二側(cè)邊界斷裂擠壓逆沖活動(dòng)的影響而成為一個(gè)封閉式的斷陷盆地。中更新世晚期～晚更新世早期，金強(qiáng)河及黑馬圈河沿盆地二側(cè)古河道穿過秦王川盆地注入黃河，從而使盆地內(nèi)堆積了較厚的沖～洪積砂礫石層；晚更新世晚期～全新世早期，由于坪城盆地的持續(xù)抬升，河流改道，使秦王川盆地成為一個(gè)干旱盆地。盆地北部為低山，東、西、南三面為低緩的黃土丘陵，相對(duì)高出盆地約40～60 m。盆地內(nèi)主要為洪積平原，其間分布有低緩的南北向展布的隴崗殘丘。盆地內(nèi)堆積有10～60 m厚的第四系沖洪積土、砂、碎石層，盆地的基底由礫巖及第三系泥巖組成，厚約400～500 m。

2 地層分布特點(diǎn)

通過對(duì)蘭州新區(qū)綜合服務(wù)中心、蘭州新區(qū)100萬m2保障性住房、蘭州新區(qū)住宅小區(qū)、緯一路、緯三路、緯十六路、經(jīng)十路、經(jīng)十三路等大量項(xiàng)目的勘察，結(jié)果表明，場(chǎng)區(qū)地層上部主要為第四系全新統(tǒng)（Q4）沖洪積碎屑沉積物，由素填土、粉土、礫砂、粉砂、細(xì)砂互層及其透鏡體組成，下部為第三系泥巖，一般埋深40 m～60 m。場(chǎng)區(qū)上部地層整體上為土、砂互層，在空間分布上呈現(xiàn)犬牙交錯(cuò)，雜亂無序（見圖1）?，F(xiàn)將場(chǎng)區(qū)分布的主要地層描述如下：

（1）素填土（Q4ml）：層厚0.5～2.5 m，以粉土及砂土為主，含有礫石及植物根須，稍密，稍濕。

（2）粉土（Q4al+pl）：該層與礫砂、粉砂、細(xì)砂透鏡體交互切割，層位連續(xù)性及均勻性較差。黃褐色，以粉粒為主，砂粒含量較大，土質(zhì)不均勻，干強(qiáng)度低，韌性差，搖振反應(yīng)中等，沖～洪積成因。一般8m以上具Ⅰ～Ⅱ級(jí)自重濕陷性[1]，8m以下含水量普遍較高，15～19 m以下呈飽和狀。稍密～中密，稍濕～濕～飽和。

（3）細(xì)砂（Q4al+pl）：層厚2.0～4.0 m，埋深介于2.9～4.5 m，褐黃色～青灰色，以細(xì)砂粒為主，砂質(zhì)較純，含個(gè)別礫石。稍密，稍濕～濕。

（4）粉質(zhì)粘土（Q4al+pl）：該層層厚0.60～12.60m，褐黃色，粉粒為主，粘粒含量較大，土質(zhì)較純，切面稍有光澤，夾礫砂、粉細(xì)砂薄層或透鏡體。稍密～中密，濕～飽和。

（5）礫砂（Q4al+pl）：該層主要以層狀或透鏡體狀產(chǎn)出。層厚0.4～8.2 m，雜色～青灰色，以礫砂及粗、細(xì)砂為主，砂質(zhì)不純，含土量較大，夾薄層粉土及粉細(xì)砂，含個(gè)別角礫及碎石，粒徑大于2 mm的礫石含量占總質(zhì)量的35%以上，沖～洪積成因。稍密～中密～密實(shí)，稍濕～濕～飽和。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試判定[2]，場(chǎng)區(qū)飽和粉土層、細(xì)砂及礫砂層屬非液化土層。

圖1 蘭州新區(qū)綜合服務(wù)中心典型的地質(zhì)剖面圖

（6）礫巖（Q1）：該層埋深 40.0～43.0 m，相應(yīng)頂板標(biāo)高介于1 869.80～1 872.20 m，呈尖滅狀產(chǎn)出，青灰色～雜色，骨架顆粒以礫石為主，粗、細(xì)砂充填，鈣質(zhì)膠結(jié)，鉆進(jìn)較為困難。

（7）泥巖（N）：該層埋深 42.0～58.0 m，相應(yīng)頂板標(biāo)高介于1 858.10～1 870.80 m，褐紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，半成巖狀，上部約4～5 m呈強(qiáng)風(fēng)化狀，隨深度增加風(fēng)化程度逐步減弱。

對(duì)地下水位以上的粉土進(jìn)行取樣試驗(yàn)，物理力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表1所列。

表1 土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

通過室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)貫入、旁壓試驗(yàn)及動(dòng)力觸探等原位測(cè)試，對(duì)各類地基土的承載力特征值予以統(tǒng)計(jì)，見表2所列。

表2 地基土承載力特征值及壓縮（變形）模量一覽表

3 水文條件

場(chǎng)區(qū)普遍存在地下水，屬潛水類型，含水層主要為粉土層及礫砂層。地下水位埋深20 m左右，部分區(qū)域隨地勢(shì)埋藏較淺。地下水的補(bǔ)給來源主要為上游地下水、地表滲水，流向整體上由北向南。地下水位隨季節(jié)變化，一般春、冬季較低，夏、秋季較高，枯水和豐水季節(jié)之間波動(dòng)幅度一般為±1.5m。

經(jīng)水質(zhì)分析，PH一般為6.4～7.0，總堿度為1.8～7.6me/L，總硬度為 12.5～59.5me/L，暫時(shí)硬度為0.5～6.7 me/L，游離CO2為0～13.2mg/L，侵蝕CO2為 0～20mg/L，Mg2+為 88.8～465.6mg/L，Ca2+為28.0～798.0 mg/L，Cl－為 273.4～4011.5 mg/L,SO42－為 657.6～3417.6mg/L，HCO3－為 85.4～451.4mg/L，CO32－為0～12.0mg/L。地下水對(duì)混凝土具中等～強(qiáng)腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具弱～中等腐蝕性。

4 地基方案選型

由于工程場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件極為復(fù)雜，所以，在新區(qū)建設(shè)初期，對(duì)建筑物地基方案選型都有著不同的觀點(diǎn)。若采用淺基礎(chǔ)，以上部土、砂層作為基礎(chǔ)持力層時(shí)，由于上部約40 m～60 m地層不論從空間分布上還是從力學(xué)性能上，都有著很大的差異性，加上上部黃土狀粉土的濕陷性、土-砂層中含水量的不均勻性，給地基處理帶來了一定的難度。若采用深基礎(chǔ)，以下部泥巖作為基礎(chǔ)持力層時(shí)，樁長(zhǎng)達(dá)50 m左右，對(duì)于一般的建筑物而言，工程造價(jià)是非常高昂的。同時(shí),部分區(qū)域地下水對(duì)混凝土具強(qiáng)腐蝕性，根據(jù)規(guī)范[3]規(guī)定，不應(yīng)采用混凝土灌注樁基礎(chǔ)。如何進(jìn)行地基方案選型呢？目前，蘭州新區(qū)建設(shè)才剛剛起步，沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可循，因此，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)成了不可缺少的環(huán)節(jié)。在新區(qū)建設(shè)初期，結(jié)合實(shí)際工程，從建筑物的特點(diǎn)、場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件、工程造價(jià)等多方面綜合考慮，有針對(duì)性地提出了一些地基方案選型，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)。

4.1 地基處理

4.1.1 強(qiáng)夯法

對(duì)于一般的建筑，在上部地層含水量較小的場(chǎng)區(qū)(天然含水量一般小于18%)，可直接采用強(qiáng)夯法處理地基。強(qiáng)夯法是使用吊升設(shè)備，將具有較大質(zhì)量（一般為8～14 t，最重可達(dá)200 t）和一定結(jié)構(gòu)規(guī)格的夯錘起吊至一定高度（一般為8～20 m，最高可達(dá)40m）后，使其自由下落，強(qiáng)大的沖擊能量（一般為1 100～4 000 kJ，最高可達(dá)8 000 kJ）使地基產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和很高的動(dòng)應(yīng)力，從而在一定范圍內(nèi)使土體強(qiáng)度提高，壓縮性降低[4]。

蘭州吉利汽車工業(yè)有限公司位于蘭州新區(qū)緯三路北側(cè)，緯一路南側(cè)，在二期廠區(qū)建設(shè)中，建筑物多為鋼結(jié)構(gòu)動(dòng)力夯擊車間，高度12 m，設(shè)計(jì)荷載220 kPa。該區(qū)域上部地層主要為土、砂混層，承載力特征值一般為fak＝120 kPa。地基處理方法擬采用強(qiáng)夯法，試夯夯擊遍數(shù)為先點(diǎn)夯3遍，夯擊能為4 000 kJ，再以低能量滿夯2遍，滿夯采用輕錘或低落距錘多次夯擊，錘印搭接。夯點(diǎn)位置布置采用等腰三角形網(wǎng)格布置，呈梅花形，強(qiáng)夯范圍為基礎(chǔ)邊緣不小于3 m，其中第一遍夯點(diǎn)間距為5 m，第二遍夯點(diǎn)位于第一遍夯點(diǎn)之間，以后各遍夯擊點(diǎn)間距可適當(dāng)減小至錘印搭接。強(qiáng)夯處理后的地基，采用重型動(dòng)力觸探（N63.5）測(cè)試，測(cè)試深度為4～6 m。檢測(cè)結(jié)果表明，承載力特征值達(dá)250 kPa，承載力提高幅度較大，完全滿足工程建設(shè)的需要，該項(xiàng)目最后采取強(qiáng)夯法處理地基。

4.1.2 強(qiáng)夯置換

對(duì)于一般的建筑，在上部地層含水量較大的場(chǎng)區(qū)(天然含水量一般大于18%)，擬采用強(qiáng)夯置換處理地基。強(qiáng)夯置換的加固機(jī)理是利用重錘高落差產(chǎn)生的高沖擊能將碎石、片石、礦渣等性能較好的材料強(qiáng)力擠入地基中，在地基中形成一個(gè)個(gè)粒料墩，墩與墩間土形成復(fù)合地基，以提高地基承載力，減小沉降。

蘭州新區(qū)一經(jīng)濟(jì)適用房項(xiàng)目，由于工程建設(shè)場(chǎng)地多位于農(nóng)田內(nèi)，受灌溉等因素的影響，上部約6 m地層含水量較大，天然含水率達(dá)18%～26%。針對(duì)這種地層，地基處理方法推薦了強(qiáng)夯置換法進(jìn)行試驗(yàn)。工程建設(shè)前期選擇了一20 m×20 m的試夯區(qū)，共布設(shè)25個(gè)夯點(diǎn)，夯點(diǎn)按正方形布置，夯點(diǎn)距離4 m，排距4 m，錘徑2.5 m，強(qiáng)夯置換材料為天然級(jí)配砂石，換填1.1 m，夯擊分3遍完成，第一、二遍夯擊能量4 000 kN·m；第三遍以夯擊能量1 500 kN·m進(jìn)行滿夯，單點(diǎn)夯擊次數(shù)2次，夯擊搭接重疊1/3。對(duì)強(qiáng)夯置換處理的場(chǎng)地進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)和平板式載荷試驗(yàn)檢測(cè)。

通過重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，強(qiáng)夯置換墩下部地層動(dòng)探錘擊數(shù)均較高，回填碎石密實(shí)度達(dá)到中密～密實(shí)，墩間土經(jīng)強(qiáng)夯后亦被擠密，密實(shí)度達(dá)到中密～密實(shí)程度。重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)N63.5統(tǒng)計(jì)見表3所列。

表3 強(qiáng)夯置換地基重型動(dòng)力觸錘擊數(shù)N63.5統(tǒng)計(jì)表

通過靜載荷試驗(yàn)，強(qiáng)夯置換地基的極限承載力一般為637 kPa，根據(jù)規(guī)范規(guī)定[5]，承載力特征值fak為318 kPa，變形模量E0為39 kPa。由于試驗(yàn)在冬季進(jìn)行，考慮到凍融的影響，最后建議承載力特征值fak按280 kPa取值，提供了較為準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)依據(jù)。強(qiáng)夯置換地基靜載荷試驗(yàn)部分P－S曲線見圖2所示。

圖2 強(qiáng)夯置換地基靜載荷試驗(yàn)部分P－S曲線圖

4.2 復(fù)合地基

4.2.1 載體樁

載體樁是將外管振動(dòng)（或螺旋引孔）沉管至預(yù)定標(biāo)高，在管內(nèi)放入一定量的磚塊或建筑硬垃圾（舊磚、瓦片、混凝土塊、石塊等），將內(nèi)夯錘砸下，落差通常在10 m以上，夯擴(kuò)頭成型后，灌入干硬性混凝土，然后灌注混凝土作為樁身。

在蘭州新區(qū)一住房項(xiàng)目中（高度45m），選擇了載體樁試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)總樁數(shù)8根，樁長(zhǎng)大于13 m，樁型分為兩種，其中Ф450mm的樁5根，Ф600mm的樁3根，樁間距5 m，樁身混凝土強(qiáng)度為C30，通長(zhǎng)配筋，Ф450 mm的主筋7Ф14，Ф600 mm的主筋9Ф14，箍筋為Ф6＠300的螺旋箍。在樁頂3m范圍內(nèi)Ф6＠100，加勁筋為Ф12＠2000，填充料為磚塊及干硬性混凝土，填充量以三擊貫入度不大于5 cm進(jìn)行控制[6]。

通過對(duì)載體樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，Ф450 mm的樁極限承載力最大為3 240 kN，最小為2 160 kN，平均值2 790 kN，極差一般超過平均值的30%，故應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行研究。Ф600 mm的樁極限承載力最大為4 140 kN，最小為3 680 kN，平均值3 790 kN，極差未超過平均值的30%，綜合考慮，承載力特征值可按1 840 kN取值。目前，Ф600 mm載體樁已在蘭州新區(qū)部分建筑物地基處理中得以應(yīng)用。靜載荷試驗(yàn)部分Q－S曲線見圖3和圖4所示。

圖3 Ф450 mm靜載荷試驗(yàn)部分Q－S曲線圖

圖4 Ф600 mm靜載荷試驗(yàn)部分Q－S曲線圖

4.2.2 混凝土夯擴(kuò)樁

混凝土夯擴(kuò)樁是將內(nèi)外管同時(shí)捶擊（或振動(dòng)）進(jìn)入預(yù)定標(biāo)高，然后提起內(nèi)管，灌注一定量的混凝土，放入內(nèi)管，進(jìn)行捶擊，在樁底部形成一個(gè)類球形擴(kuò)大頭，增加樁體的端承力，樁身施工同鋼筋混凝土灌注樁。

在蘭州新區(qū)住宅小區(qū)項(xiàng)目中，采用了混凝土夯擴(kuò)樁基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)。樁長(zhǎng)大于15 m（深入水位以下1 m），樁身直徑Ф450 mm，樁身混凝土強(qiáng)度為C45，通長(zhǎng)配筋，主筋8Ф14，箍筋為Ф8＠300的螺旋箍。在樁頂3 m范圍內(nèi)Ф8＠100，加勁筋為Ф12＠2000，填充料為干硬性混凝土，填料量以三擊貫入度不大于5 cm進(jìn)行控制，且不得大于1.8m3。通過對(duì)混凝土夯擴(kuò)樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，樁極限承載力最大為3 180 kN，最小為2 420 kN，平均值2 740 kN，考慮到各種因素影響，承載力特征值可按1 200 kN取值。后來設(shè)計(jì)部門采用了該基礎(chǔ)類型進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過施工表明，效果良好。

4.2.3 CFG樁

CFG樁又稱水泥粉煤灰碎石樁，由碎石、石屑、砂、粉煤灰摻水泥加水拌和，用各種成樁機(jī)械制成的可變強(qiáng)度樁，是介于剛性樁與柔性樁之間的一種樁型。

甘肅信源軟件信息股份有限公司擬建的地理信息大廈，主樓9層，選擇了CFG樁復(fù)合地基，成孔方式采用長(zhǎng)螺旋鉆成孔，樁長(zhǎng)11～13 m，呈正方形布置，樁徑Ф400 mm，樁間距1 600 mm，樁身混凝土強(qiáng)度C20，采用筏式基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)要求復(fù)合地基承載力特征值不小于260 kPa，單樁豎向抗壓承載力特征值不小于440 kN。為確定CFG復(fù)合地基承載力特征值及單樁豎向抗壓承載力特征值，主樓部位進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。單樁豎向靜載試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)采用分級(jí)維持荷載相對(duì)穩(wěn)定法。試驗(yàn)表明，單樁豎向承載力特征值Ra為500 kN，復(fù)合地基承載力特征值fspk最大為 402 kPa，最小為 391 kPa，取值 300 kPa，復(fù)合地基變形模量為26 MPa。完全滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分別見表4和表5所列。

表4 CFG樁單樁豎向抗壓承載力參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表5 CFG樁復(fù)合地基承載力試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

在施工過程中，由于上部地層不同深度分布有各類砂層，給樁孔施工帶來了很大的難度。

4.2.4 其它類型

在新區(qū)建設(shè)過程中，也有一些建筑物推薦采用其它類型的基礎(chǔ)形式進(jìn)行試驗(yàn)，如灰土擠密樁等。試驗(yàn)表明，由于上部地層不同深度分布有砂層，樁孔施工難度大，同時(shí)灰土擠密樁針對(duì)砂層擠密效果不明顯，故未能推廣采用。

4.3 樁基礎(chǔ)

針對(duì)蘭州新區(qū)上部地層分布比較復(fù)雜的特點(diǎn)，對(duì)一些高層建筑、大型橋梁等重大項(xiàng)目，一般采用了鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為泥巖層，樁長(zhǎng)達(dá)40～60 m，根據(jù)工程需要，樁徑達(dá)800～1 500 mm。如蘭州新區(qū)綜合服務(wù)中心、蘭州新區(qū)東立交、趙家鋪立交橋等工程均采用了鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，經(jīng)靜載荷試驗(yàn)表明，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

目前蘭州新區(qū)鉆孔灌注樁的成孔方式是多樣的，如旋挖鉆成孔、長(zhǎng)螺旋鉆成孔等，通過大量的實(shí)踐證明，旋挖鉆、長(zhǎng)螺旋鉆針對(duì)密實(shí)的礫砂層及礫巖層，很難穿越成孔，同時(shí)清底難度大，沉碴厚度不易控制，已逐漸被其它的成孔工藝所取代。

5 結(jié)語

（1）蘭州新區(qū)目前已進(jìn)入開發(fā)建設(shè)的高峰時(shí)期，由于場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件非常復(fù)雜，考慮到建筑物的特點(diǎn)、建設(shè)成本等因素的影響，應(yīng)加大試驗(yàn)檢測(cè)力度，比選優(yōu)化，選擇適宜的地基方案尤為重要。

（2）從當(dāng)前的工程實(shí)踐來看，對(duì)于一般的建筑物，宜采用混凝土夯擴(kuò)樁或Ф600 mm載體樁基礎(chǔ)，以上部土-砂層作為基礎(chǔ)持力層比較經(jīng)濟(jì)、安全。對(duì)于高層建筑、大型橋梁等重要的工程項(xiàng)目，可采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，以泥巖作為基礎(chǔ)持力層，同時(shí)應(yīng)充分考慮地下水腐蝕性的影響。

（3）通過一系列工程實(shí)踐，目前在取得成績(jī)的同時(shí)，仍存在一些問題，在今后的建設(shè)過程中，還要不斷總結(jié)、試驗(yàn)、研究，使工程建設(shè)達(dá)到安全可靠、節(jié)約成本的目的。

[1]GB 50025-2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].

[2]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB 50046-2008，工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]林宗元.巖土工程治理手冊(cè)[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

[5]JGJ 79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[6]JGJ 135-2007，載體樁設(shè)計(jì)規(guī)程[S].