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摘要: 采用工程地质测绘与调查、勘探、原位测试、室内试验等多种勘察手段和方法，对高层建筑(含超高层建筑、高耸构筑物)场地的稳定性、岩土条件、地下水以及它们与工程之间相互关系进行调查研究，勘察过程中地基土层应力计算很必要, 可确定孔深、指导土工压缩试验及地基沉降计算; 钻孔间距可因地制宜; 湿陷性、液化势评价应注意实质问题; 基坑支护及降水, 工作量要到位, 参数应详实; 地基基础建议应从岩土工程角度出发, 同时考虑其它影响因素并宜适当放宽建议范围。
关键词: 岩土; 工程; 勘察
Abstract: the engineering geological mapping and investigation, exploration, in situ test, indoor tests of investigation techniques and methods for high-rise buildings (including the tall building and towering structures) the stability, geotechnical conditions, groundwater and their mutual relationship between and engineering investigation and study, in the process of investigation ground soil stress computation necessary, can determine hole deep, guiding geotechnical compression test and foundation settlement calculation; Drilling spacing can adjust measures to local conditions; Collapsible sex, liquefaction potential evaluation should be paid attention to in the essential problem; Foundation pit supporting and precipitation, the effort to reach the designated position, parameters should be accurate; Foundation advice from geotechnical engineering Angle, taking into account the other factors and appropriate relax appropriately Suggestions range.
Keywords: geotechnical; Engineering; survey
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
引言
我们一般认为八层以上的建筑就可算为高层建筑, 现在已由过去十几层、二十几层发展到三十多层。高层建筑的最突出特点是: 1) 荷载大, 如35层的钢筋混凝土结构总基底压力可达800 kPa。在大荷载要求下, 一般采用筏基或箱基大厚度基础, 且大都采用桩基, 这就决定了受压土层深度大, 最终要求勘探深度大幅度增大; 2) 基础埋深大, 由于结构自身稳定性的需要, 箱形基础和筏形基础埋置深度不小于建筑有效高度的1 /15, 桩- 箱和桩- 筏基础的埋置深度不宜小于建筑有效高度的1 /18。加上由于商业用地的紧张造成对地下空间使用需求的日益增长, 如利用建筑地下部分作为停车场、商场等, 高层建筑的基础埋深有不断加深的趋势, 有资料显示已有基础埋深大于20m的高层建筑。基础埋置深度加大带来最突出的岩土工程问题是基坑支护和施工降水问题, 加之城市建筑密集, 并由此引起对周围建筑安全的影响问题。
1勘察工作量及工作内容安排
1.1钻孔间距问题
GB50021O94岩土工程勘察规范规定高层建筑勘探点间距15 m～35 m, 其包含的意思: 间距比一般建筑的要小,且比安全等级高的更要小。实际上钻孔间距应主要取决于场地的复杂程度, 即场地是否存在暗沟、塘、浜等异常带,保证钻探所揭露地层能准确反映水平和垂直方向土质情况及地下水存赋形态等等, 而不是建筑物安全等级决定孔距。
当然布孔位置也要考虑到拟建建筑物的条件, 如在主体建筑角上、荷载和建筑体形变异较大处应有勘探点进行控制。另外对于不同地貌交界处也应加密勘探点。一般而言, 应根据地貌条件, 在地层结构简单的场地,对于有丰富建筑经验的地区, 孔距可放大。比如: 在太原市, 汾河一级阶地分布宽度绵延几公里, 占居市区面积约1 /2, 在一定深度内地层都有规律, 具体到一个场地其范围大都在100 m左右, 地层相对稳定, 对于工作几十年的当地勘察队伍, 都有相当丰富的区域地质经验, 加之高层建筑基础埋深大, 地表下分布比较复杂的土层将被挖除。因此, 根据具体情况可适当放大孔距, 比如在某一方向布较少孔时, 孔距可能超过了35m, 再增加一个孔就可满足孔距规定要求, 而按地层分布情况又无必要时, 大可不必墨守成规。国外有些报告显示很多情况下, 钻孔间距可达50m以上
1.2钻孔深度问题
勘察规范规定, 当采用箱基或筏基时, 控制性勘探孔深度应大于压缩层下限; 一般性孔应能控制主要受力层;当采用桩或墩基时, 控制孔深度应达压缩层计算深度或在桩尖下取基础底面宽度的110倍～115倍, 一般性孔深度宜深入持力层3 m～5 m。
根据以上规定经过分析, 勘探深度实际上由三方面因素决定(按需要进行变形计算考虑) : 1) 基础埋深; 2 )预计桩长: 3) 压缩层深度。对基础埋深设计人员大都可以提供, 或者无特殊要求时可根据建筑物高度预估, 可视为已知值; 对预计桩长, 当然只对采用桩基时而言, 可根据荷载大小、区域地质资料, 参照附近建筑经验, 通过预估桩的类型、分布方式, 初步选定桩长。比如太原市一级阶地上大都按摩擦桩设计, 极限侧壁摩阻力标准值可按40kPa左右预估(桩长的取较大值, 桩短的取较小值) ; 对于压缩层深度, 有多种估算方法, 包括国标地基规范、勘察规范, 以及有关地方规范, 都列出一些简明公式或方法,但是其主要计算参数都是基础宽度, 实际上基础宽度一定的情况下压缩层深度随荷载变化是很大的, 比如我们作过一个工程, 基础尺寸74 m ×65 m, 荷重180 kPa, 基础埋深510 m。如果按勘察规范有关条文预估控制孔深应达70 m,而实际通过计算50 m孔深就满足了要求。尤其当基础形式同时满足其它要求设置时———比如为满足地下设施的防水等要求将基础连为整体, 压缩层深度更不能按基础宽度预估。
笔者根据经验认为: 应力控制法比较直观、可靠、实用。即自基底或桩端平面算起, 算至附加压力等于土层自重压力的10%～15% , 荷载较小、土层较硬、无相邻荷载影响时, 可取较大值, 荷载较大、土层较软、且有相邻荷载影响时, 可取较小值。计算时应注意几个问题: 1) 应考虑地下水的影响, 如地下水浮力对附加压力的消減, 水位以下土层应采用有效重度计算土层的自重应力; 2) 计算桩端平面以下压缩土层厚度应与具体的布桩方式相结合; 3)采用复合地基时应考虑加固以后土体对应力扩散的影响;4) 宜按建筑平面中心位置处的应力确定。另外大量计算表明, 对筏基或箱基而言压缩层厚度一般不会超过2倍的基础宽度。简言之, 勘探点深度可大略表示如下:天然地基:控制孔深(m) =基础埋深+地基压缩层厚度。一般孔深(m) =基础埋深+ 017倍的基础宽度(并应小于2 /3压缩层厚度) 。
桩基:控制孔深(m) =基础埋深+預计桩长+桩端平面下压缩层厚度一般孔深(m) =基础埋深+预计桩长+ 5。另外, 当场地或场地附近没有可信资料时, 至少要有一个钻孔满足地震场地划分对覆盖层勘察的要求。
1.3压缩试验试样加荷
按分层总和法计算地基沉降量时, 要用到各土层的压缩模量, 这一模量值应是一单元土层所受有效自重压力至有效自重压力与附加压力之和这一压力段的值。土工试验规程规定试验时, 试样最后一级压力应比土层的计算压力大于100 kPa～200 kPa。笔者认为这一压力的取值也应通过应力计算实现, 如果计算压缩层深度时采用的是应力控制法, 此时则可参照其计算过程使用。
2岩土工程评价
2.1基坑支护及施工降水
针对基坑开挖及支护, 宜根据开挖深度及预估的场地岩土工程条件, 在开挖边界外至开挖深度的1倍～2倍范围内布置勘探点, 土质条件好可取小值, 反之可取大值。勘探点布置可兼顾考虑, 且孔深不必大。针对施工降水, 首先应掌握场区所在地段区域性水文地质背景资料, 必要时应进行水文地质勘察。
通过必要的测试手段提供相应的设计参数, 诸如, 根据土层结构及岩土性质, 提出土的有效应力强度参数或不排水抗剪强度参数; 查明开挖范围和邻近场地地下水分布特征和渗流特征, 提供相应的参数, 并分析施工过程中水位变化对支撑系统和邻近建筑物与设施的影响, 推荐计算模型、甚至支护方案及施工降水、隔水措施。
2.2地基的液化势及湿陷性评价
采用桩基时液化势评价深度应加大, 太原地区一般为20 m; 每一土层的液化势要评价, 不论是否满足由基础埋深、水位埋深等控制的初判条件, 为提供桩侧阻力做准备。大于15 m 深度的液化判别可采用剪切波速法、静探法、GBJ111 - 87铁路抗震规范提供的标贯判别法, 甚至动三轴试验法。
由于高层建筑基础埋深大、湿陷性评价有两方面应注意: 1) Ⅱ级湿陷性黄土地基有可能总湿陷量微乎其微, 因为Δzs > 7 cm时, Δs≤30 cm均在Ⅱ级之列, 理论上大于零值即可。结论中应标明总湿陷量值, 尤其小于5 cm时应特别指出, 以免给设计人员造成错觉; 2) 总湿陷量计算公式中的修正系数β对于基础埋深很大时偏于保守, 应注意,笔者另文对此进行了探讨, 在此不再赘述。
2.3桩侧壁摩阻力
相关规范规定: 对液化土层极限侧阻力标准值宜折减;对自重湿陷性黄土场地上单桩承载力的确定, 应考虑湿陷土层范围内桩侧的负摩擦力。以上二者应酌情提供, 并应注意同时提供相应段土层的正常侧摩阻值————非液化、非湿陷状态时的值, 以便为工程试桩提供必要数据。
2.4地基基础方案建议
虽然目前最终的地基基础设计方案由结构工程师决定,但是除了勘察报告中一些数值标识外, 岩土工程师基于一些认识经验及感知, 从岩土工程角度提出的建议还是有独到之处的, 因此也是必要的; 同时由于结构工程师有其设计习惯, 加之, 每种方案都有其施工难易、环境影响等诸多方面的优缺点, 虽然最经济合理的只有一个, 但还是多建议几个方案为宜。
3结语
高层建筑的岩土工程勘察工作量大、内容繁杂, 具体要求表现为钻孔深度大、平面布置要合理; 土工试验安排应保证参数符合实际要求; 岩土工程评价要准确、详尽;岩土治理方案应科学、安全、实用、经济。要做到这些就必须对勘察工作的各个环节及其重点、特点胸有成竹, 才能使工作安排有的放矢, 工作过程有条不紊, 勘察成果也才能科学、高效、翔实。
关键词: 岩土; 工程; 勘察
Abstract: the engineering geological mapping and investigation, exploration, in situ test, indoor tests of investigation techniques and methods for high-rise buildings (including the tall building and towering structures) the stability, geotechnical conditions, groundwater and their mutual relationship between and engineering investigation and study, in the process of investigation ground soil stress computation necessary, can determine hole deep, guiding geotechnical compression test and foundation settlement calculation; Drilling spacing can adjust measures to local conditions; Collapsible sex, liquefaction potential evaluation should be paid attention to in the essential problem; Foundation pit supporting and precipitation, the effort to reach the designated position, parameters should be accurate; Foundation advice from geotechnical engineering Angle, taking into account the other factors and appropriate relax appropriately Suggestions range.
Keywords: geotechnical; Engineering; survey
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
引言
我们一般认为八层以上的建筑就可算为高层建筑, 现在已由过去十几层、二十几层发展到三十多层。高层建筑的最突出特点是: 1) 荷载大, 如35层的钢筋混凝土结构总基底压力可达800 kPa。在大荷载要求下, 一般采用筏基或箱基大厚度基础, 且大都采用桩基, 这就决定了受压土层深度大, 最终要求勘探深度大幅度增大; 2) 基础埋深大, 由于结构自身稳定性的需要, 箱形基础和筏形基础埋置深度不小于建筑有效高度的1 /15, 桩- 箱和桩- 筏基础的埋置深度不宜小于建筑有效高度的1 /18。加上由于商业用地的紧张造成对地下空间使用需求的日益增长, 如利用建筑地下部分作为停车场、商场等, 高层建筑的基础埋深有不断加深的趋势, 有资料显示已有基础埋深大于20m的高层建筑。基础埋置深度加大带来最突出的岩土工程问题是基坑支护和施工降水问题, 加之城市建筑密集, 并由此引起对周围建筑安全的影响问题。
1勘察工作量及工作内容安排
1.1钻孔间距问题
GB50021O94岩土工程勘察规范规定高层建筑勘探点间距15 m～35 m, 其包含的意思: 间距比一般建筑的要小,且比安全等级高的更要小。实际上钻孔间距应主要取决于场地的复杂程度, 即场地是否存在暗沟、塘、浜等异常带,保证钻探所揭露地层能准确反映水平和垂直方向土质情况及地下水存赋形态等等, 而不是建筑物安全等级决定孔距。
当然布孔位置也要考虑到拟建建筑物的条件, 如在主体建筑角上、荷载和建筑体形变异较大处应有勘探点进行控制。另外对于不同地貌交界处也应加密勘探点。一般而言, 应根据地貌条件, 在地层结构简单的场地,对于有丰富建筑经验的地区, 孔距可放大。比如: 在太原市, 汾河一级阶地分布宽度绵延几公里, 占居市区面积约1 /2, 在一定深度内地层都有规律, 具体到一个场地其范围大都在100 m左右, 地层相对稳定, 对于工作几十年的当地勘察队伍, 都有相当丰富的区域地质经验, 加之高层建筑基础埋深大, 地表下分布比较复杂的土层将被挖除。因此, 根据具体情况可适当放大孔距, 比如在某一方向布较少孔时, 孔距可能超过了35m, 再增加一个孔就可满足孔距规定要求, 而按地层分布情况又无必要时, 大可不必墨守成规。国外有些报告显示很多情况下, 钻孔间距可达50m以上
1.2钻孔深度问题
勘察规范规定, 当采用箱基或筏基时, 控制性勘探孔深度应大于压缩层下限; 一般性孔应能控制主要受力层;当采用桩或墩基时, 控制孔深度应达压缩层计算深度或在桩尖下取基础底面宽度的110倍～115倍, 一般性孔深度宜深入持力层3 m～5 m。
根据以上规定经过分析, 勘探深度实际上由三方面因素决定(按需要进行变形计算考虑) : 1) 基础埋深; 2 )预计桩长: 3) 压缩层深度。对基础埋深设计人员大都可以提供, 或者无特殊要求时可根据建筑物高度预估, 可视为已知值; 对预计桩长, 当然只对采用桩基时而言, 可根据荷载大小、区域地质资料, 参照附近建筑经验, 通过预估桩的类型、分布方式, 初步选定桩长。比如太原市一级阶地上大都按摩擦桩设计, 极限侧壁摩阻力标准值可按40kPa左右预估(桩长的取较大值, 桩短的取较小值) ; 对于压缩层深度, 有多种估算方法, 包括国标地基规范、勘察规范, 以及有关地方规范, 都列出一些简明公式或方法,但是其主要计算参数都是基础宽度, 实际上基础宽度一定的情况下压缩层深度随荷载变化是很大的, 比如我们作过一个工程, 基础尺寸74 m ×65 m, 荷重180 kPa, 基础埋深510 m。如果按勘察规范有关条文预估控制孔深应达70 m,而实际通过计算50 m孔深就满足了要求。尤其当基础形式同时满足其它要求设置时———比如为满足地下设施的防水等要求将基础连为整体, 压缩层深度更不能按基础宽度预估。
笔者根据经验认为: 应力控制法比较直观、可靠、实用。即自基底或桩端平面算起, 算至附加压力等于土层自重压力的10%～15% , 荷载较小、土层较硬、无相邻荷载影响时, 可取较大值, 荷载较大、土层较软、且有相邻荷载影响时, 可取较小值。计算时应注意几个问题: 1) 应考虑地下水的影响, 如地下水浮力对附加压力的消減, 水位以下土层应采用有效重度计算土层的自重应力; 2) 计算桩端平面以下压缩土层厚度应与具体的布桩方式相结合; 3)采用复合地基时应考虑加固以后土体对应力扩散的影响;4) 宜按建筑平面中心位置处的应力确定。另外大量计算表明, 对筏基或箱基而言压缩层厚度一般不会超过2倍的基础宽度。简言之, 勘探点深度可大略表示如下:天然地基:控制孔深(m) =基础埋深+地基压缩层厚度。一般孔深(m) =基础埋深+ 017倍的基础宽度(并应小于2 /3压缩层厚度) 。
桩基:控制孔深(m) =基础埋深+預计桩长+桩端平面下压缩层厚度一般孔深(m) =基础埋深+预计桩长+ 5。另外, 当场地或场地附近没有可信资料时, 至少要有一个钻孔满足地震场地划分对覆盖层勘察的要求。
1.3压缩试验试样加荷
按分层总和法计算地基沉降量时, 要用到各土层的压缩模量, 这一模量值应是一单元土层所受有效自重压力至有效自重压力与附加压力之和这一压力段的值。土工试验规程规定试验时, 试样最后一级压力应比土层的计算压力大于100 kPa～200 kPa。笔者认为这一压力的取值也应通过应力计算实现, 如果计算压缩层深度时采用的是应力控制法, 此时则可参照其计算过程使用。
2岩土工程评价
2.1基坑支护及施工降水
针对基坑开挖及支护, 宜根据开挖深度及预估的场地岩土工程条件, 在开挖边界外至开挖深度的1倍～2倍范围内布置勘探点, 土质条件好可取小值, 反之可取大值。勘探点布置可兼顾考虑, 且孔深不必大。针对施工降水, 首先应掌握场区所在地段区域性水文地质背景资料, 必要时应进行水文地质勘察。
通过必要的测试手段提供相应的设计参数, 诸如, 根据土层结构及岩土性质, 提出土的有效应力强度参数或不排水抗剪强度参数; 查明开挖范围和邻近场地地下水分布特征和渗流特征, 提供相应的参数, 并分析施工过程中水位变化对支撑系统和邻近建筑物与设施的影响, 推荐计算模型、甚至支护方案及施工降水、隔水措施。
2.2地基的液化势及湿陷性评价
采用桩基时液化势评价深度应加大, 太原地区一般为20 m; 每一土层的液化势要评价, 不论是否满足由基础埋深、水位埋深等控制的初判条件, 为提供桩侧阻力做准备。大于15 m 深度的液化判别可采用剪切波速法、静探法、GBJ111 - 87铁路抗震规范提供的标贯判别法, 甚至动三轴试验法。
由于高层建筑基础埋深大、湿陷性评价有两方面应注意: 1) Ⅱ级湿陷性黄土地基有可能总湿陷量微乎其微, 因为Δzs > 7 cm时, Δs≤30 cm均在Ⅱ级之列, 理论上大于零值即可。结论中应标明总湿陷量值, 尤其小于5 cm时应特别指出, 以免给设计人员造成错觉; 2) 总湿陷量计算公式中的修正系数β对于基础埋深很大时偏于保守, 应注意,笔者另文对此进行了探讨, 在此不再赘述。
2.3桩侧壁摩阻力
相关规范规定: 对液化土层极限侧阻力标准值宜折减;对自重湿陷性黄土场地上单桩承载力的确定, 应考虑湿陷土层范围内桩侧的负摩擦力。以上二者应酌情提供, 并应注意同时提供相应段土层的正常侧摩阻值————非液化、非湿陷状态时的值, 以便为工程试桩提供必要数据。
2.4地基基础方案建议
虽然目前最终的地基基础设计方案由结构工程师决定,但是除了勘察报告中一些数值标识外, 岩土工程师基于一些认识经验及感知, 从岩土工程角度提出的建议还是有独到之处的, 因此也是必要的; 同时由于结构工程师有其设计习惯, 加之, 每种方案都有其施工难易、环境影响等诸多方面的优缺点, 虽然最经济合理的只有一个, 但还是多建议几个方案为宜。
3结语
高层建筑的岩土工程勘察工作量大、内容繁杂, 具体要求表现为钻孔深度大、平面布置要合理; 土工试验安排应保证参数符合实际要求; 岩土工程评价要准确、详尽;岩土治理方案应科学、安全、实用、经济。要做到这些就必须对勘察工作的各个环节及其重点、特点胸有成竹, 才能使工作安排有的放矢, 工作过程有条不紊, 勘察成果也才能科学、高效、翔实。