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石灰?guī)r地區(qū)某工程基礎選型的介紹

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一、工程概論

  ×××指揮中心大樓,位于雄楚大道路北,武昌鍋爐廠南墻外,大樓主樓12層,裙樓8層,框架結構,設置一層地下室,預計開挖深度為自然地面以下6.0m。



圖一 工作量布置圖

  該項目單柱荷載較大,由于其特殊功能,工程重要性等級較高。我們在初勘基礎上(初勘由其它單位完成),共布設勘探點23個,4個物探驗證孔,2個巖溶裂隙水位觀測孔,同時還委托神龍地質勘察院進行了物探工作(包括地質雷達和瞬變電磁法)。目的是從宏觀上探測溶洞和軟土的規(guī)模,以其達到縮短“卡洞”工期,節(jié)約勘察投資的目的。

二、場區(qū)巖土層的分布條件


圖二:典型工程地質剖面圖

 

表一  場區(qū)土層主要特征及力學性質

層號

巖石層名稱

層面埋深(m)

一般厚度(m)

Ps范圍值(MPa)

N范圍值(擊)

綜合

巖性描述

fak(kPa)

Es(MPa)

2

淤泥

1.5-2.0

0.5-1.0

0.3-0.4

 

50

2.2

黑灰,飽和,流塑,局部軟塑,普遍分布

3-1

粘土

2.5-3.0

0-3.5

0.9-1.8

 

110

4.3

褐灰,軟塑,部分地段分布

3

粉質粘土

2.5-3.2

0-3.0

1.2-2.0

 

150

6.0

褐灰-褐黃,可塑,大部分地段分布

4

粉質粘土

夾粉土

5.5-6.5

0-3.5

0.6-1.0

 

95

3.8

褐黃-褐灰,濕,軟塑,大部分地段分布

5

粘土夾碎石

7.5-10.0

3.5-6.0

 

N63.5=23.4

350

13.0

黃褐-褐黃,稍濕,硬塑,碎石稍有磨園度,以石英砂巖為主。

5-1

粘土夾碎石

14.0-16.0

0-10.0

 

3.5-9.0

60-180

2.0-7.0

黃褐-褐黃,很濕-飽和,由硬→可→軟→流塑,僅溝槽分布

6

石灰?guī)r

13.0-18.0

未鉆穿

 

frk=34~109MPa

fa=1000

不可

壓縮

淺灰、灰白,溶蝕裂隙發(fā)育,分布在圖一地質介線以南

7

砂巖、泥巖

10.0-11.0

未鉆穿

 

 

fa=400

Eo=45

褐黃—磚紅色,呈碎解狀,分布在圖—地質介線以北

三、場區(qū)水文地質條件

  擬建場區(qū)東西兩側在勘察期間地貌仍為溝塘,上層滯水賦存于填土和淤泥層中,下伏石灰?guī)r中不均勻分布有巖溶裂隙承壓水,其水僅分布在溶溝、溶槽、溶洞等裂隙之中。距該場區(qū)約200米處,有武鍋水井,每年均抽取地下水作工業(yè)冷卻水用。此水井與場區(qū)屬同一灰?guī)r條帶,抽水量約為400噸/日,夏季白天抽取。
  本次勘察期間在3#、5#鉆孔內設有水文觀測孔,測得其動水位為13.18-14.20m,水溫20°(見下圖)。由于勘察期間正值抽水季節(jié),只能提供巖溶動水位值,但留下水文觀測孔,在工程施工時可作水位監(jiān)測用。

圖三 水位隨時間變化圖

 

四、本場區(qū)基礎選型的不利條件

    本場區(qū)對建筑物基礎選型明顯存在有以下不利條件:
    1、7.5-10.0m以上均為Q4地層,承載力低、壓縮性高,不經(jīng)地基處理,不能選作天然淺基礎持力層。
    2、第(5)層粘土碎石層,強度高、壓縮性低,但埋深大、厚度小,且下臥有(5-1)軟土和巖溶分布,不能滿足《建筑地基基礎設計規(guī)范》第6.5.2條。如選作基礎持力層,土方量大,且存在基礎的穩(wěn)定性問題。
    3、在16個石灰?guī)r的鉆孔中,見洞率,另據(jù)物探測出,鉆孔中所遇到的洞體均有一定的規(guī)模,且洞體附近還有其它的物探異常。如以石灰?guī)r為樁基持力層,必須逐柱逐樁進行巖溶勘察,耗時、耗力、投資大,且為工程工期不能接受。
    4、從區(qū)域地質資料了解,場區(qū)處在大斷層附近,灰?guī)r地質年代為石炭系,灰?guī)r的質地較純,巖溶發(fā)育。從武鍋抽水井資料得知,場區(qū)的巖溶承壓水位高,水量豐富,如采用樁基礎,必須降低地下水位,方可保障施工質量及人事安全。其降低承壓地下水,投資很大。
    5、采用鉆孔灌注樁,鉆穿第(5)層困難(內含有大塊石英砂巖塊石)需采用反循環(huán),特殊鉆頭;采用人工挖孔樁,需對部分巖體實施爆破,這都是耗時、耗力、投資大的施工難點。

五、基礎形式的確定

    還在勘察外業(yè)工作的初期,勘察施工的難度,及基礎選型的不利形勢已經(jīng)顯露出來。本著為業(yè)主竭誠服務的宗旨,我們在邊進行外業(yè)勘察的同時,邊與建設單位、設計人員不斷溝通。經(jīng)過多次的技術論證、對比(還包括建址的前后移動方案對比),并由我院出面聘請資深專家召開咨詢會,終于說服了建設單位和設計人員,放棄了原定的樁基方案,采用了我們推薦的基礎方案,即:
    1、確定可以在原址上建筑,保證了建筑物的最佳位置氣勢。
    2、對地下室底板至(5)層之間的Q4地層,進行滿堂地基處理,處理方案由我們提出。
    3、采用有足夠剛度的筏板基礎,砌置在滿堂處理后的復合地基之上。

  六、為什么要選擇筏板基礎和地基處理方案

    (一)首先基于我們對場區(qū)巖溶現(xiàn)象的地質成因,分布范圍,發(fā)展趨勢和危害程度有了較大程度的了解。
    1、場區(qū)歷史上曾遭受過強烈的地質構造運動
    武漢市地質構造主要受燕山期造山運動的影響,形成了一系列近東西走向的緊密線狀褶皺壓扭性斷層和北北東、北北西張性斷層。本場區(qū)位于線狀褶皺的背向斜轉折冀段,距場區(qū)西側約800米處,有一推斷的北北東向斷層,受其影響,場區(qū)巖體表現(xiàn)為裂隙、破碎現(xiàn)象較為嚴重。在鉆探中發(fā)現(xiàn):1、2號地質剖石中的晚泥盆系砂巖、泥巖在66.0的深度仍見不到完整巖芯,取出的巖芯呈強風化及破碎巖狀;3-5剖石的石炭系石灰?guī)r則表現(xiàn)為裂隙發(fā)育,大量方解石充填,巖溶現(xiàn)象發(fā)育等。這佐證了場區(qū)巖體曾受過地質構造運動的強烈影響。
    2、鉆探、物探均發(fā)現(xiàn)了場區(qū)分布有大大小小不規(guī)則的溶洞。鉆探在5個鉆孔中見到洞跨大于1.0米的溶洞。而據(jù)物探資料提供,在場區(qū)1-4#鉆孔一帶的溶洞有一定的規(guī)模,最大溶洞為7.0米,最小為2.0米,其它還有溶洞呈零星分布。
    但物探資料有一定的局限性,且鉆探驗證與物探異常不完全相符,雖然場區(qū)布設的鉆孔密度較高,由于巖溶分布的隨機性,還有可能存在未被發(fā)現(xiàn)的巖溶分布。
    3、在建筑物的使用年限內,場區(qū)巖溶繼續(xù)發(fā)育的速度是極其緩慢的。至少在200-300萬年前,即第四系中晚更新世以前的流水作用,就已經(jīng)使場區(qū)的石灰?guī)r逐漸溶蝕、發(fā)展,而形成了現(xiàn)在隱伏于場區(qū)的巖溶景觀。
  石灰雖可被水溶蝕,但其溶蝕速度是非常緩慢的。經(jīng)查閱有關文獻,我國廣西巖溶溶蝕速率為0.1-0.3mm/年,一般地區(qū)均低于1.0mm/年。可見建筑物的使用年限與巖溶發(fā)育的壽年相比,及屬歷史瞬間。
    4、溶洞頂蓋安全厚度的試算
    溶洞的形成需漫長時代,在自然狀態(tài)下已經(jīng)形成的溶洞凡沒有坍塌的,應該是穩(wěn)定的,一般洞體呈穩(wěn)定型自然拱。但增加了建筑物的附加荷載后,洞體還是否穩(wěn)定?我們選用了物探繪制的幾個最不利的洞體進行洞頂安全厚度的驗算:
選用公式:
式中:P——附加荷載+土自重+頂蓋巖體自重
I——洞體的跨度(長徑)
b——洞體的短徑
sub>——巖體的彎曲應力,灰?guī)r一般取允許抗壓強度的
H——頂蓋所需的安全厚度
  計算結果
 

計算單位

安全厚度(m)

實際厚度(m)

穩(wěn)定中評價

備  注

10#

1.5

0.2

不穩(wěn)定型

由于物探分辨限制,實際

鉆孔資料比物探異常小

1#

3.69

1.8

不穩(wěn)定型

洞體處在溶溝槽內,頂蓋受力已與計算模式不符

另計算的5個點位

安全厚度<頂蓋實際厚度

穩(wěn)定型

 

    從上述計算,可以結論,對已掌握的溶洞,經(jīng)計算過的及未經(jīng)計算過的,當建筑物荷載上去以后,除個別還可討論外,其余均屬穩(wěn)定型洞體。
    5、巖溶地下水運動的不利影響
    巖溶地下水的運動,有可能導致巖溶軟土,土洞及地面塌陷等對建筑物穩(wěn)定性的影響,本場區(qū)附近有抽水井,有地下水運動現(xiàn)象,對建筑物的影響是我們十分關注的問題。
    a.(5-1)屬場區(qū)巖溶軟土,從初勘和詳勘資料中可知,(5-1)層土并沒有在灰?guī)r面上呈層狀分布,僅分布于溶溝槽及巖面低洼處,即見軟土率為≈25%,可以說場區(qū)巖溶地下水對復蓋土層雖有軟化、侵蝕作用,但并不普遍和強烈。且所有鉆孔中均未發(fā)現(xiàn)有土洞的存在。
    b.與場區(qū)灰?guī)r在同一條帶上的抽水井,附近只有武鍋一口井,且抽水量僅為400噸/日,抽水量不大。據(jù)“工程地質手冊”有關條文說明,當?shù)叵滤鞯乃μ荻龋↖)大于巖土層的臨界水力梯度(Io)時,則易對巖土層產(chǎn)生潛蝕。由于武鍋井正在運營,無法測量其水位降,如果我們假設其為最不利的降深40m(此水井抽水管安裝最深為40m),本場區(qū)3#孔水位降深為14.2m,兩點相距200m,則地下水流動的水力梯度。

巖土層第(5)層的臨界水力梯度

  式中:Gs=巖土層顆粒的比重(取Gs=2.75)
  n=巖土孔隙度,以小數(shù)計算(取n=0.45)
    兩者相比,地下水流動的水力梯度大大小于第(5)層土,包括(5-1)層土的臨界水力梯度,這說明抽水引起的潛蝕現(xiàn)象是非常有限的。
    武鍋抽水井建于五八年,距今40余年,調查沒有發(fā)現(xiàn)場區(qū)及抽水井周圍有地面塌陷現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)。另武漢三鎮(zhèn)正在運營的水井不少,據(jù)武漢市有記載的地面塌陷均分布在長江一級階地地層中,而長江三級地地層中的地面塌陷到目前為止還未有記載。

    (二)是基礎方案優(yōu)化的結
    前面已經(jīng)介紹,本場區(qū)無論選擇樁基礎,還是天然淺基礎,均存在諸多不利條件,而采用筏板+地基處理基礎是最經(jīng)濟合理的方案。
    即當基礎的尺寸大于洞(或溝槽)的平面尺寸,并有足夠的支承長度時,可以不考慮溶洞(或溝槽)對基礎的穩(wěn)定性影響。
    其二,對淺部Q4地層地基處理后,達到形成具有一定厚度的均勻的基礎持力層,使其上部荷載應力傳至下面軟土或巖面時變得最小為目的。
    推薦的地基處理方案有以下幾種
    1、換土墊層:可采用高爐礦渣、砂、石級配料換填,此方法施工直觀、簡單、易于操作,但需開挖7.5-10.0基坑,場區(qū)兩側分布有溝塘,從安全、經(jīng)濟的角度出發(fā)需論證,慎重采用。
    2、碎石樁復合地基:預挖3.0米基坑,再進行小直徑,高密度高置換率干法碎石樁。此法從受力機理分析,是除換填之外對地基應力分配最有利的一種加固形式,但后因此法已逐漸在武漢淘汰,未能系用。
    3、水泥攪拌樁復合地基:可用滿堂正方形或三角形模式,高置換率布樁。此法施工較易實施,質量也較易控制,但從地基應力分配的受力機理上分析,大大不如前兩種形式。
    4、人工素砼復合地基:此法是采用洛陽鏟成孔、人工攪拌素砼鏟入孔內,不進行搗實工藝,施工質量均由人工操作,完全不用機械,其受力機理上同前第3種。后經(jīng)對比后,采用了此種方案。

七、地基承載力及變形計算

    (一)地基承載力計算
    1、復合地基承載力,可根據(jù)建筑地基處理技術規(guī)范《JG79-2002》的有關規(guī)定進行設計計算。(注:在此從略)
    2、對第(5)層土按深寬修正,可得到以下設計值

  采用公式:
  其中     =19.7  m =19.2
  計算結果,其設計值fa=600kPa
    (二)變形計算
    第(5)層土以下有(5-1)軟土的不均勻分布,能導致基礎的不均勻沉降及傾斜超規(guī)。以下試算了基礎各點的沉降及基礎整體變形。

圖四 沉降計算圖(注:僅供設計參考)

    從上圖的計算結果可見:a基礎的計算傾斜值是在國家有關規(guī)范規(guī)定的允許變形值范圍之內;b雖各點計算值差異較大,但只要基礎的剛度有足夠的大,不發(fā)生整體超規(guī)的傾斜,則基礎的整體變形,只會以小變形值體現(xiàn)出來。

八、建議與結束語

    由于擬建物的工程重要性等級較高,我們在勘察報告的建議中提出:為使建筑物的主樓地基更安全,建議對1-4號鉆孔一帶已探明的巖溶、軟土分布較集中地帶,采用體積限量注漿處理。
    該建筑物于2000年建成,使用至今,據(jù)后期沉降現(xiàn)測資料反映,其使用效果很好??梢运愕蒙鲜莻€成功的建筑案例。

發(fā)布:2007-07-27 11:42    編輯:泛普軟件 · xiaona    [打印此頁]    [關閉]
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