濕陷性黃土地區某高層建筑地基處理措施的適用性探討

劉世春

(中鐵第一勘察設計院，陜西西安 710043)

1 擬建工程及地質概況

1.1 擬建工程概況

擬建工程為單元式高層住宅樓,平面呈長方形東西向展布,54.6 m×15.6 m,共兩個單元,地上十二層,地下一層(6級人防地下室),樓高34.8 m。擬采用鋼筋混凝土材料,剪力墻結構,片筏基礎,并考慮樁基的適宜性。筏基埋深4.0 m，擬建建筑物為乙類建筑，安全等級為二級。±0.00 m(613.8)以上總荷重151 008 kN,單位總荷重215 kN/m2。二級工程；二級場地(中等復雜場地)；一級地基(復雜地基)；巖土工程勘察等級為甲級。

1.2 工程地質概況

擬建場地地貌上屬黃土塬前緣二級階地。地下水水位埋深21.60～25.30 m,擬建場地無斷裂構造通過，地層無錯動跡象，適宜高層建筑。場地勘探深度內自上而下巖土分層如下：

第四系全新統①雜填土、②素填土；第四系上更新統③-1飽和黃土、③黃土,具Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷性、④黃土,具Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷性,濕陷土層深度為10.80～18.60 m、⑤粉土、⑤-1粉質黏土、⑥中砂、⑦細砂、⑧卵石土、⑨圓礫土、⑩礫砂；上第三系棕黃、棕紅色黏土(N),該層土具弱膨脹性。

2 地基土的工程性能

2.1 地基土的物理力學性質

各層土的三軸試驗結果列于表1。

表1 三軸(UU)試驗結果統計

2.2 場地地基的濕陷性評價

場地主要為兩個地貌單元,西單元上部地層受水浸泡,14.0 m以上有一層軟弱土,強度偏低。東單元較均勻。場地自重濕陷量為2.767～27.394 5 cm，宜按自重濕陷性黃土場地設計。場地黃土地基總濕陷量為22.05～60.178 cm,擬建建筑物地基濕陷等級為Ⅱ～Ⅲ級，具Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷性，濕陷深度為8.05～18.60 m。

2.3 地基土承載力標準值

利用土工試驗相關指標,經查表得到各土層承載力基本值(部分承載力基本值為分析對比土層的標貫值而確定),后經回歸修正得到各層土承載力標準值,結果見表2。

表2 地基土承載力綜合成果

3 地基與地基方案分析

3.1 天然地基

擬建場地屬自重濕陷性場地，當基礎埋深為4.0 m時,地基濕陷等級為Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷。濕陷深度為10.8～18.60 m,應消除擬建建筑物地基的全部濕陷量或穿透全部濕陷性土層；利用前述表2(三軸)中的強度參數、靜力觸探的比貫入阻力和側摩阻力，按GBJ7—89和GBJ72—90的理論公式計算的地基承載力設計值，均不能滿足擬建建筑物基底壓力的要求。

另外,根據《高層建筑巖土工程勘察規程》(JGJ72—90)第6.2.2條之規定,從以下三個方面評價天然地基的均勻性。

擬建建筑物基礎埋深-4.0 m,地基持力層基本放在②層底及第③、③-1層頂部。該層層面高程為606.45～609.73 m,在寬度方向上,高程差值范圍為0.52～2.81 m,層面坡度為3.1%～16.7%,東西單元分界線上屬不均勻地基。若加深基礎埋深使之超過持力層最低的層面深度(8.6～10.8 m),則須采取墊層等措施加以調整。

地基持力層③、③-1層和第一下臥層④黃土在寬度方向上,地層厚度分別為3.69～6.4 m和7.8～9.0 m,厚度差分別為1.8～1.81 m和0.2～1.2 m,大多數值大于0.05b(b=15.6 m),也屬不均勻地基。

擬建高層建筑物場地壓縮層深度為Zn=(12.5+0.53×15.6)×0.75=15.576 m,在壓縮層深度內,地基土的壓縮模量加權平均值,Z-1、Z-2分別為9.177 MPa和4.008 MPa,Z-3、Z-4分別為9.16 MPa和6.20 MPa,經過計算,在寬度方向上均不滿足高層要求,屬不均勻地基。

通過以上三個方法計算,本擬建場地的地基土屬不均勻地基，在設計時應采取結構措施或地基處理措施。

由此可見,天然方案不成立。

3.2 筏型基礎

設計筏型基礎時,因擬建場地屬Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷性場地，地基承載力設計值均不能滿足擬建建筑物基底壓力的要求，須采用地基處理措施。對基底進行預處理,再配合剪力墻結構、筏型基礎,即可做樁土復合地基處理。建筑場地內地下水水位埋深21.5～25.30 m,基坑下挖4 m,基底以下水位以上的濕陷性黃土、粉土、粉質黏土層厚19.40～20.50 m,濕陷性土層厚10.80～18.60 m,可進行局部或整片采用強夯、擠密土樁等先行處理,消除上部或全部土層的自重濕陷性,以加強地基強度參數。若采用局部處理,每邊宜超出基礎寬度0.25倍,即0.25×b=0.25×15.6=3.9 m。若采用整體處理,每邊宜超出基礎寬度的0.75倍,即0.75×b=0.75×15.6=11.7 m。而東南角僅距現有5號樓9 m,受周圍建筑物限制；另外,西單元,特別是西單元中心14.0 m以上的土層強度較低,3～9 m為飽和黃土,強度低,f0=11.4～52.30 kPa,要達到平均擠密系數0.93、最小擠密系數不小于0.88較困難。且擠密土樁在該地區一帶7～9 m深度范圍內效果較好,最大深度不超15 m。采用局部處理對筏板型承臺及剪力墻墻基軟弱層③、③-1(東單元高程603～609 m,西單元高程599～609 m之間土層)進行處理,增加強度費用較大,且擠土樁的樁注體和樁間土體對周圍建筑物、地下管線會產生不利影響。

因此,只作片筏基礎不能滿足要求,根據擬建建筑的地基的承載力、上部結構的布置及荷載分布等因素,宜采用樁基。

3.3 樁基

(1)樁型選擇

擬建場地采用樁基礎時,應穿透濕陷性黃土層。對自重濕陷性黃土場地,樁底端應支承在細砂⑦、中砂⑥、礫砂⑩互層與圓礫土⑨、卵石土⑧互層或下部棕黃色、棕紅色黏土層中。結合各勘探孔的巖土工程條件,可選擇的樁基按承載性狀分類法,應采用摩擦端承樁；按樁身材料分類法應采用鉆孔灌注樁或預制樁。由于Z-3(北軸線中點)、Z-5、J-3的基礎持力層之上的土層中分布有不均勻的砂層,預制樁不易通過。24.5 m(高程589.15 m)為粉質黏土的層底深度,該深度以下的砂類土、碎石類土(透鏡體狀)互層(層底高程為587.35～588.35 m),層位穩定,頂面以上樁尖須要穿越一定厚度的堅硬土層,可采用預應力樁,但土層的不均勻性具偶然性,難于操作。

在該自重濕陷性黃土地基中,濕陷土層厚度較大,沉管碎石樁不適宜采用,旋噴樁所要求地基土參數不能滿足,效果不好。鉆、挖孔灌注樁樁長易控制,地下水水位埋深較大21.60～25.30 m,水量較小,西單元中心洗澡堂上部地層(10.0 m以上)③-1為飽和黃土地基,有縮孔現象,適合鉆探,東單元適合挖探。干作業法的鉆、挖孔灌注樁在該地區應用較多,經驗成熟,較前幾種方案更適宜。

(2)樁端持力層選擇

當采用挖孔灌注樁時,可選用④、⑤、⑤-1、⑥、⑦層作為樁端持力層,樁頂高程為609.8 m。樁尖入土深度按兩個深度(19.00 m和21.00 m)分別計算,有效樁長分別為15 m、17 m,樁徑分別選D=0.80 m、D=1.0 m，樁心距可采用2.5～3.0 m。但由于自重濕陷性黃土層較厚,樁尖位于地下水位附近,挖孔難度較大,建議采用鉆孔灌注樁。

(3)鉆孔灌注樁單樁豎向極限承載力標準估算

按JGJ94—94規范5.2.8和5.2.9式分別計算鉆、挖孔灌注樁單樁豎向承載力標準值Quk。擬建場地為Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷性黃土場地,所以,第③、③-1全層、及④層的上部黃土的極限樁側負摩擦阻力按規范GB25—90附表11.1取-10 kPa。根據各層土極限側阻力標準值qsik和極限端阻力標準值qpk,計算結果列于表3。

由計算可知,樁頂荷載由樁側阻力和樁周阻力共同承擔,當采用鉆孔灌注樁時,增加樁長可迅速增大單樁豎向極限承載力標準值(如表4),按JGJ94—94規范第6.3.9條規定,孔底沉雜渣厚度不得大于100 mm,且應保正樁身混凝土的完整性。具體設計時,須根據布樁的具體情況選擇適宜樁長、樁徑,并進行現場靜載荷試驗,以確定單樁豎向極限承載力標準值作為設計最終依據。

表3 單樁豎向極限承載力標準值

表4 鉆孔灌注樁周土極限側摩阻力標準值和極限端承力標準值

對于鉆孔灌注樁單樁豎向承載力的估算,選用了兩個深度兩個樁徑進行比較。由比較結果可見當有效樁長為21 m或24 m時,均選樁徑0.6 m比較經濟。

4 結束語

根據以上的計算分析,濕陷性黃土由于其本身的高壓縮性、濕陷性、及不均勻性,濕陷性黃土地區高層建筑的地基處理方式應在考慮濕陷等級的基礎上,結合持力層埋深及地層特性,采用復合地基處理措施。

[1] GB50021—2001 巖土工程勘察規范[S]

[2] GB50007—2002 建筑地基基礎設計規范[S]

[3] GBJ25—90 濕陷性黃土地區建筑規范[S]

[4] GB50011—2001 建筑抗震設計規范[S]

[5] JGJ94—94 建筑樁基技術規范[S]

[6] JGJ72—90 高層建筑巖土工程勘察規程[S]

[7] JGJ6—99 高層建筑箱形與筏形基礎技術規范[S]

[8] GB50123—99 土工試驗方法標準[S]