建筑结构设计与施工中岩土工程问题

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:axuxiao
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  摘要:本文对建筑结构设计与施工中,关于地质勘探资料分析与评判,高层建筑深基坑支护有关问题和砂石地质条件下大直径人工挖孔桩土方量增加计算方法等有关问题进行探讨。
   关键词:设计、施工、勘探、深基坑、挖孔桩
   中图分类号:V552文献标识码: A
   1、地质报告资料准确分析与评判
   高层建筑地基基础设计是整体结构设计重点,上部结构设计目前已有比较成熟的理论,包括动力分析,且能运用电子计算机电算程序进行各种计算,包括计算机CAD进行绘制图纸。但是对设计人员来说,地基基础设计远比上部结构困难,主要原因是地基情况比较复杂。虽然经过地质勘探,但地质勘探人员在编寫地质勘探报告时,一般均持谨慎态度。作者曾对大量地质报告进行评估,发现安全系数有的偏大,而有的偏小。设计人员在采用地质报告参数时,一般也均采用偏于安全的策略.主要原因是大多数没计人员只审看地质报告中提供的地基参数,未能进行进一步详细分析研究。地质工作者往往对勘探整个建筑物范地基作总的评价,实际上在这个范围内的地质情况也往往是不一样的,因此在采用总的地基评价时,与实际有较大的出入,这也是部分建筑物施工后出现问题原因之—。设计人员在地基开挖后应参与现场验槽,这也只能看开挖层的土层状况,对其持力层和下卧层土质也是不能了解的。为了确保地基基础设计安全可靠,往往采取较保守的观点,作者现场观看工程地质勘探整个过程时,发现不少土样在勘探过程中受到不同程度的损坏,出现各种裂缝是经常发生的,因此在地质报告中,有的土质样本出现异常现象,明显低于邻近勘探点的强度,如果不加分析而盲目采用,这时地基的实际承载能力要比工程地质报告大得多。
   某市地基条件较好,表面为杂填土外,其下大都为强风化泥质粉砂岩、中等风化凝灰质粉砂岩等,其岩性差别较大,包括岩石硬度,以沉凝灰岩类层最硬,凝灰质砂砾层次之,粉砂质泥岩最软。该岩层可作为高层建筑持力层,设计人员应对地质报告进行充分分析,理解地质勘探人员的意图,必要时应与他们进行商讨,才能提出较好的设计方案。
   某商业大厦主楼为高层建筑,地面22层,顶层旋转餐厅,地下2层,楼群高7层,主
  楼采用框架剪力墙结构,基础采用箱形结构.落在第四层中等风化凝灰质粉砂岩夹泥质粉砂岩,棕红—棕灰色,岩芯呈l0~40cm不等柱状,采取率一般可达80%以上,矿物蚀变减弱,不同岩性之间没有明显界限,地质勘探报告中表2-1提供第四层土工试验成果总表各钻孔土样编号及其单轴抗压强度试验是采用天然湿度试样,这是由于岩样进水易开裂,不能采用饱和试样,按国标《建筑地基基础没计规范》GBJ7-89附录五进行统训并按附录九公式(附9-1)计算
  frk=Ufr-1.6450fr
  计算单轴抗压强度标准值,由表1可得:
  样本数n=15、平均值 ufr=12.41Mpa、标准差 frk=4.63Mpa
  容许承载力设计值 f=0.18frk=800kpa
  分析表1,钻孔ZK-7二组土样,差异较大,孔ZK-8,frk=4.79Mpa又偏小,导致其值偏低的原因是由于钻孔取样时直接破坏岩性,人为造成岩芯裂缝,而且该钻孔部位并不在高层建筑的范位之内,因此我们在高层地基承载能力评价时,应将钻孔ZK-7、8的数据不列入计算之内,则参与土工试验成果评定的数据个数为:
  n=llufr=ll.99Mpaofr=2.51Mpafrk=7.70 Mpaf=1.38 Mpa
  此值为地质勘探报告f=800KPa的两倍,为了谨慎起见,将上值取平均值,则:
  1.59 Mpa+1.38 Mpa+800 Mpa
  3=1.25 Mpa
  设计时取1.20Mpa,其值为地质勘探报告800KPa的1.5倍,符合实际情况,比较合理,
   土体完工之后半年,证明上述论点是正确的。该地区地基情况较好,应充分利用地基实际承载力,降低高层建筑总造价。
   该区地基普遍较好,但个别地段还存在铰差地基情况。局部地段尚有滑坡地质构造,设计人员应予重视。在地基处理和基础选型中详细地了解和评价地质报告是极为重要的。由于高层建筑一般有地下室,作者认为若采用筏形基础不如采用混凝土箱形基础。采用筏形基础时,由于该类型基础结构刚度比箱基要小的多,因此其结构耗钢量往往偏大,技术经济指标不好,而且当地下水位较高时,地下室防渗处理也比较困难,不如箱形基础,钢筋混凝土外立壁防渗远比筏形基础好处理,减少地下水渗水的隐患。作者曾对多个高层基础设计作过比较,得出上述结论。
  
  
  
  
   2、高层建筑深基坑支护
  近十年来,随经济进一步开放,城市高层建筑日益增多,高层建筑一般均设有地下室,
  其深度均在5m以上,为了给深基坑开挖和箱形基础施工创造条件,必须对深基进行支护,其支护系数不仅仅需要承担土的主动土压力,而且常需要达到防渗的目的,防止地表潜水地下水渗入基坑,其支护费用高达几十万元,几百万元,甚至超过千万元,大约占工程总
  造价10%左右,沿海地区冲击平原,地下水较丰富,地表以下三米以内为杂填土,其下大部分为饱和软土,一般多为淤泥,因此给土方开挖和基础施工造成很大困难,故深基坑需达到防渗目的,支护方式目前一般采用钢筋混凝土灌注桩或搅拌桩,或两者相结合,起到挡土支扩和防上地下水渗入基坑内。
   2.1支护系统侧压力
   2.1.1支护系统计算理论
   支护系统的侧压力包括主动土压力和水压力,土压力计算目前国内普遍采用挡土墙理论库仑公式和朗肯公式,这是由于目前尚无完整和成熟的支护系统侧压力计算理论,但是应当指出该两套公式均按平面内受力推导的,而深基坑支护属于空间问题,故两者不一致,其次是挡土墙是先施工后填土,设计人员对填土可提出一定质量要求,因此土的内摩擦角ψ和土内聚力c值均已知,其值较稳定,因此挡土墙计算公式求得较精确,可靠性高。深基坑支护在原地基土上施工,在地表面以下3米左右之内均为杂填十,在市镇地区杂填土多为砖瓦碎 片与城市垃圾,其比例有的高达70%以上,其成分与埋深也不均匀不稳定,勘探单位提供地质报告中凡是杂填土均不列出力学参数,故内摩擦角ψ和土内聚力c均无值,然而在应用库仑和朗肯公式计算主动土压力时要用该两值,当杂填土较厚时,这给深基坑支护系统设计增加难度,因此其计算结果可靠性较差。作者认为杂填土内聚力值c应取零,不予考虑。对国内外高层建筑深基坑支扩失败实例分析来看,除支护设计有误和施工时技术措施不妥外,其中有一条是地基土和地表潜水不稳定,设计时选用参数和实际情况有较大出入,深基坑支护设计可靠性较差有直接关系。
   从以上分析可知,高层建筑深基坑支护的土压力目前采用计算理论不能满足设计使用的要求,其可靠性差,在一定程度上仍依靠施工技术人员的经验,这有待于科技工作者通过科研和实践相结合基础上提出较为完整的计算理论。
   2.1.2 地表潜水产生的水侧压力
   挡十:墙设计时一般不考虑水的侧压力,因为在设计时挡土墙背后土体采用排水技术措施,设置排水盲沟(如砂石盲沟)和排水管,将墙后土体中潜水及时排出,不但大大降低地表潜水产生的水侧压力,而且墙后土质含水量也比较稳定,故土的力学参数和相应土质也相应较稳定。深基坑支护不但要求承载墙后土的主动土压力,而且要求达到防渗要求,以免地表潜水流入基坑内,故基坑支护系统要承担土中水产生的侧压力,这一点与常规挡土墙设计有较大差异,挡土墙施工后其工作条件较稳定,而基坑支护条件往往多变而差,如挖土施工顺序,地面施工条件等,地面堆积过多施工机具和材料,在支护系统上行使汽车,施工用水直接渗如地下,挖土机械在挖土时超挖等,因此深基坑支护系统附近土体水分处不稳定状态利支扩系统工作状态多变。:
   沿海地区地下水较丰富,地基土多为淤泥,处于饱和状态,深基坑支护结构设计时应考虑地下水产生侧压力,杭州市某大厦高层基坑支护出现较大事故,当时正处于雨季,一场大雨后Φ900mm钢筋混凝土灌注桩顶部出现较大位移,致使附近建筑物出现较大裂缝,作者从现场考察后经过分析,土体中水分突然增多,造成围护桩后水侧压力迅速增人,是造成这次事故主要原因。冈此在富水地区,深基坑支护系统应该考虑地下水产生的侧压力的作用。
  水压力取值大小国内文献尚无具体规定,若取值过大,基坑支护费用将增加,若取值过小,安全系数过小容易出各种重大事故。地下水对深基坑支护结构作用的侧压力大小.主要取决于土结构和土中含水量大小,土的密实度、空隙比e、液性指数Ic等土参数与地下水产生的侧压力有极大关系,e和Ic值大,说明土中自由水比例大,土中自然水能直接传播静止水压力,当e和Ic值较小时,上中空隙间水多于自由水,空隙水是由于受土中电子吸附作用,附着在土粒间的土粒表面,故空隙水产生的水压力不直接传播静水压力,这是由于土粒之间空隙水产生水压力儿乎不随土层深度增加而增加。目前尚无大量实验数据建立空隙比s和液性指数Ic与土静水压力建立相对函数关系,这有特于科研工作者作深入研究。
   2.2 水压力测试
   如何确定土中水压力大小,尚比较成熟的计算方法,作者认为最好在见场测量土中水
  压的大小,本文根据有关材料作简略介绍如下。
   2.2.1 测压计工作原理
   电测式测压计在孔隙水压力作用在该仪器的特殊金属薄膜上,由薄膜产生变形引起电阻值(或电感、电磁值)的变化,这是一种力传感器,如南京水利电力仪表厂生产的电测式侧压计,由这种力传感器发出的电信号,通过动态应变仪接收放大,由示波器输出记录信号,测试饱和土孔隙水压力的数值。
   2.2.2 测压计的率定
   测压计在正式使用前应采用平衡电阻,对测压计内阻不平衡进行调整,平衡电阻的阻值应经过计算确定。每个测压计出厂时均标有率定系数,可是由于应变仪和示波器参数不完全一样,所示要对新购买的测压计进行率定。其方法是利用加压设备将测压计的进水和压力表并联,然后进行分级加压,根据精度要求,一般以lOKPa为单位,逐级加压,绘制率定曲线,为了提高精度,应经过多次反复加荷后求出串定系数K,这需要采用最小二乘法等数学方法进行实验数据处理。
   2.2.3 测压计的安装和埋设
  在土中安装和埋设前必须在测压计引出线附近进行密封防水处理,为了确保仪器进水口畅通,防止泥浆堵塞进水口,应在进水口处用中砂形成一道人工过滤层,用钢丝网包裹。
  埋设前在埋设点先进行钻孔,钻孔埋没深度在测点标高下100mm以下,在孔底填砂,将测头迅速放入孔底,再在测头周围和上面填砂,并适当压实:最后用粘土将钻孔严密封好。若在一个钻孔内不同深度埋设多个测头,应将每个测头上下填砂,各测头之间用原土填塞,其密度应尽量与原土相同。埋设时测头电线不应拉得过紧,并应注意测头放置平整,及时调试仪器,确认工作正常后方可填砂。由于测力计在埋设时需钻孔和填砂填土,必然会破坏原土孔隙水的水压力原始平衡状态,为此应在埋设侧压计后停歇10d左右,使其埋设侧压计部位水压力恢复到原始状态,此时测得水压力才能准确地反映土中水压力实际情况。以此为依据设计深基坑围护结构达到安全可靠的目的,且拄术经济指杯较好。
   2 3深基坑围护结构安全系数
   2.3.1现状
  目前建立一套成熟的设计计算理论,仍借用挡土墙设计方法,故没计人员在设计时仍采用挡土墙设计安全系数,但也有不同意见,有的科技工作者认为挡上墙是永久构筑物,而基坑围护是施工时所采用的临时性技术措施,故应采用较小的安全系数。从国内深基坑围护大量实例来看,其安全系数相差较大,有的过大,有的过小,凡是深基坑支护失败实例来看,往往与其设计安全系数过小有直接关系。
  2.3.2 安全系数选用
  深基坑围护安全系数的确定由设计者自定,作者认为安全具体确定应与现场具体情况而定,当基坑附近有建筑物或煤气等市政管网.工程地质报告中提供土质参数较差时,应选用较大的安全系数。作者认为不能盲目套用工程地质报告有关参数,应对现场土质情况进行全面了解和分析,合理地选用各种土质参数,特别是土的内聚力c值,应根据实际情况进行折减,以提高计算结果可靠性,提高支护结构安全系数。
   2.4 深基坑支扩结构选择
  深基坑支护结构选择,一般应先考虑本单位现有施工机构,优先考虑本工程基础桩相同类型桩作为基坑支护结构,如工程桩采用钢筋混凝土灌注桩,则基坑支扩结构应尽量选用这种桩型,其直径可相应选用较小直径,这样可减少进退场费用.当基坑较深围护桩布置允许时,应尽量选用两排支护桩,这种布置方式力学性能较好,前后排桩与桩顶圈梁形成刚架结构,桩间土参与协同工作.改善围护桩的受力状况,达到减少桩的配筋量。当围护桩要求达到防渗要求,基坑深度小于7m,地表杂填土中砖瓦碎片含量较多时,不宜单独选用水泥搅拌桩,搅拌桩改为水泥注浆。北方粘土地区,基坑较深,可选用钢筋混凝土桩加锚杆支护形式,但南方一般不适用,可选用大直径钢筋混凝土灌注桩,桩顶加钢筋混凝土圈粱,转角处加斜支撑。凡是地基土为淤泥,且基坑又较深时,不宜选用钢板桩,选用钢筋混凝土地下连续墙.工程造价较高.可选用大直径两排钢筋棍凝土灌桩,中间加水泥搅拌桩(互相重迭150mm以上,以便形成防滲幕墙,且参加灌注桩协同工作,具有良好力学性能,当条件允许时,用#点降水作为辅助手段)。
  围护桩的选用应经过多方案比较,根据实际情况,包括周围环境和地质条件,选用经济效益最晨佳的支护方式。
  
  作者简介:周小强,男,1982年出生,浙江东阳人,工程师,大学本科,主要从事施工管理工作。
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