石灰?guī)r地區(qū)某工程基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)，設(shè)置一層地下室，預(yù)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(chǔ)上（初勘由其它單位完成），共布設(shè)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(zhì)勘察院進行了物探工作（包括地質(zhì)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(zhì)剖面圖

 

表一  場區(qū)土層主要特征及力學(xué)性質(zhì)

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(zhì)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(zhì)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

 

N_63.5=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(zhì)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(zhì)介線以北

三、場區(qū)水文地質(zhì)條件

　　擬建場區(qū)東西兩側(cè)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(nèi)設(shè)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(chǔ)選型的不利條件

    本場區(qū)對建筑物基礎(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)設(shè)計規(guī)范》第6.5.2條。如選作基礎(chǔ)持力層，土方量大，且存在基礎(chǔ)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(zhì)資料了解，場區(qū)處在大斷層附近，灰?guī)r地質(zhì)年代為石炭系，灰?guī)r的質(zhì)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(chǔ)，必須降低地下水位，方可保障施工質(zhì)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(nèi)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(chǔ)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(chǔ)選型的不利形勢已經(jīng)顯露出來。本著為業(yè)主竭誠服務(wù)的宗旨，我們在邊進行外業(yè)勘察的同時，邊與建設(shè)單位、設(shè)計人員不斷溝通。經(jīng)過多次的技術(shù)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(shè)單位和設(shè)計人員，放棄了原定的樁基方案，采用了我們推薦的基礎(chǔ)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(chǔ)，砌置在滿堂處理后的復(fù)合地基之上。

  六、為什么要選擇筏板基礎(chǔ)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(zhì)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(zhì)構(gòu)造運動
    武漢市地質(zhì)構(gòu)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(zhuǎn)折冀段，距場區(qū)西側(cè)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(yán)重。在鉆探中發(fā)現(xiàn)：1、2號地質(zhì)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(fēng)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(zhì)構(gòu)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(shè)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(nèi)，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(guān)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?？梢娊ㄖ锏氖褂媚晗夼c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(yīng)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(yīng)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(jié)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(nèi)，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(jié)論，對已掌握的溶洞，經(jīng)計算過的及未經(jīng)計算過的，當(dāng)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(dǎo)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(guān)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(fù)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(zhì)手冊”有關(guān)條文說明，當(dāng)?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(shè)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(diào)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(chǔ)方案優(yōu)化的結(jié)
    前面已經(jīng)介紹，本場區(qū)無論選擇樁基礎(chǔ)，還是天然淺基礎(chǔ)，均存在諸多不利條件，而采用筏板+地基處理基礎(chǔ)是最經(jīng)濟合理的方案。
    即當(dāng)基礎(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)持力層，使其上部荷載應(yīng)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(cè)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(fù)合地基：預(yù)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(yīng)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(fù)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(zhì)量也較易控制，但從地基應(yīng)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(fù)合地基：此法是采用洛陽鏟成孔、人工攪拌素砼鏟入孔內(nèi)，不進行搗實工藝，施工質(zhì)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(fù)合地基承載力，可根據(jù)建筑地基處理技術(shù)規(guī)范《JG79-2002》的有關(guān)規(guī)定進行設(shè)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(shè)計值

　　采用公式：
　　其中     =19.7  _m =19.2
　　計算結(jié)果，其設(shè)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(dǎo)致基礎(chǔ)的不均勻沉降及傾斜超規(guī)。以下試算了基礎(chǔ)各點的沉降及基礎(chǔ)整體變形。

圖四 沉降計算圖（注：僅供設(shè)計參考）

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

八、建議與結(jié)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。