高層建筑巖土工程勘察勘探孔布置及深度確定

杜朋

（上海京海工程技術(shù)有限公司，上海 201208）

隨著中國城市化建設(shè)持續(xù)高速發(fā)展，現(xiàn)高層建筑已成為工程建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)一種主流趨勢，相比較普通建筑，高層建筑巖土工程易受到工程地質(zhì)條件的影響[1]，因此，在勘察期間，能夠準(zhǔn)確查明場地工程地質(zhì)情況對保障高層建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性顯得尤為重要。巖土工程勘察成果不僅是影響勘察質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，也是為后續(xù)設(shè)計、施工提供經(jīng)濟(jì)合理參數(shù)的重要支撐。在接到建筑工程勘察項目意向后，首先要確定建設(shè)工程勘察方案，勘察方案的合理性決定著勘探工作量，也顯著影響著巖土工程勘察質(zhì)量。

勘探孔布置和深度確定是巖土工程勘察中非常重要的一環(huán)，也是提高勘察技術(shù)工作質(zhì)量的需要。在巖土工程勘察階段，通過根據(jù)規(guī)范縮短勘探孔之間的距離，加深勘察點深度的方式來了解現(xiàn)場施工環(huán)境是不可取的，既增加了勘探工作量和勘探工作的周期，同時也降低了技術(shù)工作布置的科學(xué)性?？碧娇椎牟贾瞄g距和勘探孔深度與場地土層分布特性密切相關(guān)，勘探孔的合理布置決定場地土層的完整性，而勘探孔深度的合理確定能夠在探明地基土層情況下減少勘察工作量。因此，勘探孔布置間距和勘探孔深度應(yīng)共同發(fā)揮作用，以查明建設(shè)場地的地質(zhì)情況。

本文主要對勘探孔布置、地基壓縮層深度計算及場地勘探孔深度確定進(jìn)行了詳細(xì)分析，本文的論述對高層建筑下巖土工程勘察的方案確定具有借鑒意義，同時為巖土工程勘察工作者確定勘察方案提供了多種思路。

1 場地勘探孔布置

場地勘探孔布置的主要目的是保證勘探孔所揭露地層能準(zhǔn)確反映場地土層分布特征及地下水存賦形態(tài)。對于高層建筑，規(guī)范規(guī)定勘探孔間距為15～35 m，當(dāng)上層建筑要求等級較高時，勘探孔間距應(yīng)當(dāng)取小值，工程經(jīng)驗及工程案例表明，此方式總體上是符合工程要求的，但勘探孔間距與場地土層的復(fù)雜程度并無對應(yīng)關(guān)系，鉆孔間距不能保證揭露場地土層結(jié)構(gòu)與有關(guān)參數(shù)在水平和豎直方向上的變化規(guī)律，僅考慮了高層建筑類型和等級。

在勘探孔間距布置時，由于高層建筑總平面內(nèi)在層高、荷載分布和結(jié)構(gòu)形式上變化很大，應(yīng)結(jié)合設(shè)計單位勘察技術(shù)要求，對擬建工程高差變化大及軸力大的部位應(yīng)縮小勘探孔間距，同時在建筑角點上以及上部荷載附加壓力較大的部位應(yīng)留有勘探孔。一、二級的基坑勘探孔間距為20～35 m，同時應(yīng)考慮坑外周邊地層的變化，搜集周邊建（構(gòu)）筑物的勘察和施工資料，適當(dāng)增補(bǔ)勘探孔。對帶有裙房或外擴(kuò)地下室的高層建筑摩擦型樁勘探孔布設(shè)，應(yīng)與主樓一致，勘探孔間距取值為20～35 m，對端承樁勘探孔按柱列線布置，勘探孔間距取值為12～24 m。

在勘探期間，應(yīng)綜合建筑要求與擬建場地特征2個方面進(jìn)行場地勘探孔布置，當(dāng)場地土層突變較明顯時，應(yīng)當(dāng)縮小勘探孔間距，上部載荷較大時從整體上布置符合規(guī)范要求的勘探孔，同時應(yīng)以事實為依據(jù)，不斷變更完善方案，以查明場地工程地質(zhì)情況，消除勘察不明帶來的工程安全隱患。

2 地基壓縮層深度計算

在上部荷載作用下地基土必然要發(fā)生變形，考慮到地基土受力變形的復(fù)雜性，規(guī)范從總體上來控制地基土的受力和變形，主要從建筑條件和基底荷載分布2個方面計算地基壓縮層的深度。實際上，場地勘探孔深度的確定就是以地基壓縮層的深度為依據(jù)。

2.1 應(yīng)力控制法

在地基下部，始終存在一個最小垂直深度，使得荷載附加壓力不能夠克服土顆粒間結(jié)合力，該深度以下的土顆粒之間可以達(dá)到?jīng)]有相對移動，該臨界深度為地基壓縮層深度。

在自重應(yīng)力作用下，土層完成了固結(jié)與沉降變形，建造高層建筑帶來的附加應(yīng)力會重新引起新的沉降變形，土層深度越大，附加應(yīng)力隨著深度增加以遞減函數(shù)形式開始減小，當(dāng)場地中高壓縮性土層占比較大時，高壓縮性土附加壓力取等于上覆土層有效自重壓力10%的深度，均勻性和整體性良好的一般性土附加壓力取上覆土層的有效自重壓力20%的深度。由其引起的沉降值在總的沉降變形中的占比可忽略不計，因此以地基附加應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值為0.2 或0.1 作為地基壓縮層深度標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。

對高層建筑進(jìn)行巖土工程勘察，以應(yīng)力作為主控因素對地基壓縮層進(jìn)行計算相對比較方便、實用和簡單。但存在不足之處，即單獨(dú)考慮荷載于地基壓縮層深度之間的關(guān)系，忽略土層的分布與壓縮特性，存在軟弱下臥層或土層壓縮模量較小時，地基壓縮層深度計算與實際情況會有偏差的問題。

2.2 應(yīng)變控制法

將地基和基礎(chǔ)作為一個整體進(jìn)行考慮，地基壓縮層計算深度決定于基礎(chǔ)型式和寬度、地層結(jié)構(gòu)和土層壓縮特性。目前國家標(biāo)準(zhǔn)地基基礎(chǔ)規(guī)范是應(yīng)變控制法[4-5]，對地基進(jìn)行變形驗算時，基礎(chǔ)最終沉降量S按分層總和法確定，為：

式（1）中： ΔS′n為計算深度向上1.0 m 土層的計算變形值； ΔS′i為在計算深度內(nèi)第i層土的計算變形值。

當(dāng)向上取厚度Δz的土層計算變形值不超過計算深度范圍內(nèi)各土層計算變形值之和的0.025 倍時，其變形值大小對土層的變形影響很小，可忽略不計。但應(yīng)變控制法受基礎(chǔ)寬度影響較大，當(dāng)基礎(chǔ)寬度大于10 m時，計算結(jié)果準(zhǔn)確性更高。

應(yīng)變控制法綜合考慮了應(yīng)力、基礎(chǔ)大小、總體變形、下部土層分布。該方法計算比較復(fù)雜，并且在勘察階段由于設(shè)計條件不明確無法實施。目前該方法具有實踐可靠性，用于高層建筑地基壓縮層計算深度的唯一可靠判據(jù)，同時也是最終確定地基壓縮層計算深度衡量的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 經(jīng)驗公式法

經(jīng)驗公式法作為一種簡單且應(yīng)用廣泛的確定勘察鉆孔深度的方法，其與實踐經(jīng)驗結(jié)合較為緊密，直接反映現(xiàn)場實際特征較強(qiáng)。該方法簡單明了，但具有一定的主觀性，忽略了地基土和荷載因素的影響，且不適用于基礎(chǔ)寬度較大的情況。

研究人員根據(jù)實測資料發(fā)現(xiàn)地基壓縮層深度與基礎(chǔ)大小之間存在一定的變化規(guī)律[6]，利用回歸方程得出了地基壓縮層深度與基礎(chǔ)寬度的經(jīng)驗公式，而何頤華等[7]認(rèn)為方形與矩形基礎(chǔ)地基壓縮層深度與基礎(chǔ)寬度和土的類別有密切關(guān)系，通過分析進(jìn)一步得到了地基壓縮層深度經(jīng)驗公式：

式（2）中：Zm為根據(jù)經(jīng)驗公式法確定的基本壓縮層深度；b為基礎(chǔ)寬度；Zn為地基壓縮層換算深度；ξ為基礎(chǔ)長寬比折減系數(shù)；β為地基土土類別調(diào)整系數(shù)。

該方法可作為選取勘察孔深度的一種界限，結(jié)合由應(yīng)力應(yīng)變理論來確定勘察孔深度的方法，判定勘察孔深度合理性。

3 場地勘探孔深度的合理確定

由于高層建筑鉆孔較深，正確地確定布孔深度對建筑安全以及勘探費(fèi)用和勘探周期都有很大影響，鑒于巖土工程勘察是以規(guī)范規(guī)程為依托，并且服務(wù)于后續(xù)的設(shè)計與施工，勘探孔深度大小需考慮規(guī)范規(guī)程，除此之外，建設(shè)工程設(shè)計是否需要該深度處參數(shù)的要求也是一個容易被忽略的方面。設(shè)計是完成勘察工作最重要的一步，勘察人應(yīng)當(dāng)將拿到的設(shè)計方案作為勘察方案大綱，并結(jié)合具體的場地條件、建筑條件和地區(qū)經(jīng)驗，全程兼顧設(shè)計的方案變更，以求確定出最符合設(shè)計要求同時又合乎規(guī)范規(guī)定的合理經(jīng)濟(jì)的勘探孔深度。

3.1 天然地基勘探孔深度

對于場地內(nèi)門衛(wèi)、垃圾房等設(shè)備用房以及荷載小、對變形要求不高建（構(gòu)）筑物，常采用天然地基；經(jīng)過地基處理的人工地基，如預(yù)壓地基、換填地基、壓實地基、注漿加固地基，同樣按天然地基考慮。

對于采用天然地基，高層建筑控制性勘探孔深度應(yīng)大于天然地基壓縮層深度[2]。天然地基壓縮層深度可由上一章節(jié)的方法來確定，按地基壓縮層計算得到的控制性勘探孔深度基本上能夠滿足地基變形驗算要求。一般勘探孔深度為基礎(chǔ)埋置深度和0.5～1.0 倍基礎(chǔ)寬度的和，并且應(yīng)滿足小于2/3 壓縮層厚度，土較軟情況下取大值，同時應(yīng)保證孔深已達(dá)到穩(wěn)定地層。

3.2 樁基勘探孔深度

高層建筑自重較大，下部地基土主要受到上部荷載產(chǎn)生的附加壓力的影響，地基的穩(wěn)定性決定了上層建筑的安全性。荷載的大小與建筑高度有密切關(guān)系，建筑高度越大，場地地基土需抵抗荷載的能力越強(qiáng)，對地基土的承載力要求越高。

場地擬建房屋的區(qū)域，若考慮采用天然地基，已無法承受上部荷載作用，可能會引起地基發(fā)生大面積沉降，最終因地基失去承載力而導(dǎo)致建筑倒塌。因此，高層建筑樁基礎(chǔ)是解決此類問題的關(guān)鍵。樁基礎(chǔ)勘探孔深度確定是巖土工程勘察的核心，高層建筑下樁基礎(chǔ)勘探孔深度的確定首先要確定地基壓縮層厚度，樁基勘探孔深度只需將樁基地基壓縮層厚度與基礎(chǔ)埋置深度相加即可得出。事實上，樁基地基壓縮層厚度只不過是增加了樁長的影響，把承臺底的附加壓力等效到樁端，仍可采用分層總和法計算樁端以下土層的壓縮部分[8-9]，樁端以下地基壓縮層深度確定于樁端平面下的附加壓力有關(guān)，可由應(yīng)力控制法確定：

與此同時，在勘察階段尚不明確上部結(jié)構(gòu)荷載的條件下，可按照高層建筑結(jié)構(gòu)的類型對荷載標(biāo)準(zhǔn)值和梅花形布樁預(yù)估單樁荷載進(jìn)行取值。同時依據(jù)場地的實際地層情況設(shè)計樁徑和樁長，估算有效樁長范圍內(nèi)平均樁端承載力及側(cè)摩阻力，估算出單樁承載力。需要特別關(guān)注的是，在確定樁徑和樁長時，應(yīng)保證單樁承載力必須大于單樁荷載，同時確保樁端在穩(wěn)定的持力層上，最后依據(jù)估算的樁長，確定樁基勘探孔深度，一般勘探孔深度=基礎(chǔ)埋深+預(yù)計樁長＋3～5 倍基礎(chǔ)寬度且不小于3 m，大直徑樁不小于5 m，控制勘探孔深度=基礎(chǔ)埋深+預(yù)計樁長+樁端平面下2～3 倍基礎(chǔ)寬度。再與用應(yīng)力比法驗算勘探孔深度做比較，選較大值作為樁基勘探孔深度。

3.3 基坑勘探孔深度

當(dāng)基坑開挖深度大于3 m 時，應(yīng)進(jìn)行基坑工程勘察工作。一般基坑工程通?？紤]上部建（構(gòu)）筑物，深基坑和純外擴(kuò)地下室基坑工程需考慮抗浮，應(yīng)采取抗浮措施，抗浮樁或抗浮錨桿長度一般為10～15 m。因而勘探孔深度的確定應(yīng)依據(jù)設(shè)計對抗浮力的要求來綜合確定?；涌碧娇咨疃葢?yīng)滿足基坑支護(hù)體系和工程降水設(shè)計的要求[10]，主要涉及基坑邊坡整體穩(wěn)定性、支檔結(jié)構(gòu)嵌固穩(wěn)定性、地下水滲透穩(wěn)定性、坑底隆起穩(wěn)定性等驗算?；涌碧娇咨疃劝? 倍基坑深度確定可滿足要求，但在一些軟土地區(qū)，需要布置大角度錨索需要區(qū)別對待。因此，需要比較各種情況，最后按最不利條件確定基坑勘探孔深度。

3.4 液化勘探孔深度

為了判定場地液化等級，常需布置場地液化判別鉆孔進(jìn)行探測，勘探孔深度應(yīng)能夠直接反映土層的液化程度，同時液化判別鉆孔深度應(yīng)滿足抗震設(shè)計的要求[11]。國家規(guī)范規(guī)定勘探孔深度應(yīng)保證液化判別的深度，用于液化判別的勘探孔深度為15 m 和20 m，當(dāng)建筑性質(zhì)為高層建筑，其上部結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行抗震驗算。因此，液化勘探孔深度應(yīng)為20 m。

4 結(jié)論和建議

勘察期間應(yīng)當(dāng)針對具體工程進(jìn)行必要的已有資料收集和場地情況了解，確定出既符合規(guī)范規(guī)程，又滿足工程實際要求的經(jīng)濟(jì)合理的最優(yōu)勘察方案。

在已掌握較為翔實的場地地質(zhì)資料的情況下，壓縮層厚度計算建議采用變形比法，相反宜采用應(yīng)力比法確定，而經(jīng)驗計算法僅起到輔助參考作用。

當(dāng)?shù)鼗鶋嚎s層的計算深度內(nèi)有軟弱下臥層時，地基壓縮層的計算深度顯著增大，剩余沉降量增多，相鄰基礎(chǔ)下的軟弱下臥層坡度較大時，便會造成地基出現(xiàn)差異沉降現(xiàn)象。因此勘探孔計算深度內(nèi)不應(yīng)有軟弱下臥層存在。