輝長巖殘積土天然地基可行性方案研究

仝霄金，陳圣仟，丁剛

(濟南市勘察測繪研究院，山東濟南 250013)

1 引言

隨著現代城市的高速發展，(超)高層建筑日益增多，由于其結構復雜、荷重大等因素，在地基基礎形式的選擇上往往較多采用樁基礎方案，從而忽略了對壓縮性相對較低的殘積土等特殊巖土的利用，但實踐證明，該類土體作為高層建筑物的天然地基可以獲得較大的經濟效益和社會效益［1］。本工程通過勘察，主要借助淺層平板載荷試驗，對輝長巖殘積土的力學性質進行論證，提出以其作為地基持力層的天然地基方案。

2 工程概況

某高層住宅項目位于濟南市工業南路以北、華信路以東，包括高層建筑及地下車庫兩部分。其中高層住宅樓長度48.6 m，寬度15.9 m，高度 70.8 m，地上24層，地下 3層，基礎埋深 ±0.00下 10.8 m，單位荷重1.5 kPa，剪力墻結構。高層建筑南部設2層地下車庫，長度51.00 m，寬度38.50 m，埋深10.8 m，框架結構。

3 場地工程地質及水文地質條件

3.1 場地工程地質條件

場地位于山前沖洪積平原中部，第四系地層主要由沖洪積成因的黃土、黏性土及碎石土組成，下伏燕山期輝長巖、奧陶系石灰巖。其地層結構、土的主要物理力學性質如表1所示。

場地地層主要物理力學指標表 表1

場地位于輝長巖侵入于石灰巖的侵入接觸帶，局部受輝長巖侵入熱變質作用，石灰巖已大理巖化。場地東、西兩側下伏巖石為青灰～灰白色石灰巖，場地中部自上而下以此為輝長巖殘積土、全、強、中風化輝長巖且穿插于石灰巖中，場地工程地質條件復雜。巖石風化程度、完整性和分布在水平方向和垂直方向均不均勻。

3.2 水文地質條件

圖1 典型工程地質剖面圖

地下水為輝長巖風化基巖裂隙潛水和石灰巖巖溶裂隙水兩種地下水。輝長巖風化基巖裂隙潛水主要由大氣降水補給，季節性變化較大?？辈炱陂g在揭示風化輝長巖鉆孔中量測地下水靜止水位埋深為12.20 m～14.20 m，相應標高為39.64 m～42.01 m。石灰巖巖溶裂隙水在部分鉆孔中測得，靜止水位埋深為22.20 m，相應標高為31.43 m。

4 地基基礎方案

4.1 地基基礎方案選擇

通過勘察單位的精心勘察，提出了天然地基與灌注樁樁基礎兩種地基基礎方案。

當采用樁基礎時，樁端持力層變化大，樁長較難統一，單樁承載力相差懸殊且施工周期長，基礎工程造價高、難度大。相對于樁基礎方案，天然地基方案在施工難度、施工工期及工程造價都有一定優勢。但由于地基持力層為殘積土與卵石兩種土層，地基土不均勻，當采用天然地基時，建筑物應考慮差異沉降等問題。

經過多方專家討論，確定在地基承載力與變形均滿足規范要求的前提下，應優先考慮天然地基。

4.2 天然地基承載力計算

高層住宅樓24層，設3層地下室，基礎埋深為±0.00下10.8 m，地基持力層中西部主要為第⑤層輝長巖殘積土，東部為第④層卵石，由于高層建筑物南側設整體地下車庫，南側車庫部分處于超補償狀態，將會引起高層建筑物部分基礎側限力的永久性削弱，車庫部分基礎形式采用筏形基礎時，其寬度大于高層建筑物基礎的兩倍，可將其基礎底面以上荷載視作超載考慮，將超載折算成土層厚度作為基礎埋深進行高層部分地基承載力修正，折算后的當量深度按3.0 m考慮。

根據設計部門提供的建筑物基礎底面處的平均壓力值為pk=430 kPa。依據《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2002，上部荷載的形式按軸心荷載考慮時，pk≤fa，即修正后的地基承載力特征值 fa不小于430 kPa。由公式

反算得出第⑤層輝長巖殘積土的承載力特征值不宜小于290 kPa。

勘察工作通過鉆探、標準貫入試驗、室內土工試驗并結合工程經驗得出的輝長巖殘積土地基承載力特征值為240 kPa，與設計單位要求承載力相差50 kPa，但工程中往往偏于保守，使該土層的承載力未能充分發揮。結合本工程地層特點，最終決定采用載荷試驗對輝長巖殘積土承載力特征值進行驗證。以確定天然地基方案的可行性。

5 通過載荷試驗確定地基承載力特征值及變形模量

5.1 試驗方法:

在高層建筑范圍內選區3個載荷試驗點，選擇承壓板面積為0.5 m2的圓形承壓板，載荷試驗采用慢速持續荷載法，以配置砼預制塊作為反力裝置，用油壓千斤頂配合精密壓力表控制加卸載量，半分表測量承壓板沉降，試驗分8級加載，每級 72.5 kPa，首級加載72.5 kPa，最大加載580 kPa，加載試驗完成后，進行分級等量卸載回彈試驗，卸載極差取2倍加載級差。

5.2 觀測方法

每加一級荷載后，按間隔 10 min、10 min、10 min、15 min、15 min，以后每隔半小時測讀一次沉降量，當在連續兩小時內，每小時的沉降量小于0.1 mm時，則認為已趨穩定，可加下一級荷載。

根據試驗進行總結，試驗荷載與沉降關系如表2所示。

試驗荷載與沉降量關系表 表2

5.3 結果分析

根據靜載試驗荷載與沉降關系表繪制1#～3#點p-s曲線與修正后的p-s曲線分別如圖2、圖3所示。

根據p-s曲線，各試驗點都加載到580 kPa，沉降穩定，因最大加載達到設計承載力特征值的2倍，而終止加載并卸荷。現場試驗各載荷試驗點均未達到極限荷載，取最大加載量的一半為承載力特征值，輝長巖殘積土承載力特征值不小于290 kPa。

5.4 變形模量E0計算

土的變形模量根據p-s曲線，按勻質各向同性半無限彈性介質的彈性理論計算，根據公式

計算淺層平板載荷試驗的變形模量E0如表3所示。

圖2 1#、2#、3#試驗點 p-s曲線

圖3 修正后的1#、2#、3#試驗點p-s曲線

1#～3#載荷試驗點變形模量計算值 表3

6 地基變形計算

地基變形計算，地基內的應力分布，采用各向同性勻質線性變形體理論，利用分層總和法計算最終沉降公式:

按角點應力法，矩形面積均布荷載計算各鉆孔處沉降量及變形值如表4所示。

1#～8#鉆孔沉降量計算表 表4

另根據《高層建筑巖土工程勘察規程》JGJ72-2004的有關規定，按照公式

采用變形模量E0計算筏形基礎的高層建筑地基的平均沉降量S=35.75 mm。

通過兩種理論變形計算得出的地基沉降量與傾斜值滿足相關規范要求，因此天然地基方案是可行的。通過后期沉降觀測驗證，沉降理論計算值與實測值基本一致。

7 結論

輝長巖殘積土壓縮性較低，承載力較高，結合此特點，高層建筑采用該層作為天然地基，將大大縮短工期，降低施工難度，會取得良好的社會效益與經濟效益。

目前，數項工程實例證明，以該巖土層作為天然地基持力層是安全可靠的，但其可行性在很大程度上仍然依靠經驗，缺乏系統的理論研究。

該工程通過載荷試驗驗證，將輝長巖殘積土的承載力提高了50 kPa，充分發揮了該巖土層的承載力，在今后工作中，應加強對類似地層的載荷試驗成果的收集，并與常規試驗成果進行相關的數理統計，從中得出它們的本構關系，以便能更準確地確定此類似地層的承載力［2］。

隨著科學的發展，對風化巖土層應從宏觀與微觀相結合的角度進行更深層的科學研究，增加工程的可信度。

［1］尚敏，王清，王元新.濟南地區閃長巖殘積土的工程地質性質研究［J］. 工程地質學報，2006，14(1):60～64.

［2］朱毅斌.冶山一帶殘積土工程地質性狀初探［J］.福建建筑，2001(1):45～50.

［3］尚彥軍，岳中琦，趙建軍等.全風化花崗巖抗剪強度試驗結果對比及影響因素分析［J］.工程地質學報，2004，12(2):199～207.

［4］趙建軍，王思敬，尚彥軍等.香港全風化花崗巖飽和直剪試驗中的剪脹問題［J］.工程地質學報，2005，13(1):44～48.

［5］尚敏，王清，樊祜傳.閃長巖強風化帶做高層建筑天然地基的可行性研究［J］.巖體力學，2003(S1):63～66.

［6］工程地質手冊編委會.工程地質手冊(第四版)［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［7］GB50007-2002.建筑地基基礎設計規范［S］.

［8］GB50021-2001.巖土工程勘察規范［S］.

［9］JGJ72-2004.高層建筑巖土工程勘察規程［S］.