湿陷性黄土地区某高层建筑地基处理措施的适用性探讨

刘世春

(中铁第一勘察设计院，陕西西安 710043)

1 拟建工程及地质概况

1.1 拟建工程概况

拟建工程为单元式高层住宅楼,平面呈长方形东西向展布,54.6 m×15.6 m,共两个单元,地上十二层,地下一层(6级人防地下室),楼高34.8 m。拟采用钢筋混凝土材料,剪力墙结构,片筏基础,并考虑桩基的适宜性。筏基埋深4.0 m，拟建建筑物为乙类建筑，安全等级为二级。±0.00 m(613.8)以上总荷重151 008 kN,单位总荷重215 kN/m2。二级工程；二级场地(中等复杂场地)；一级地基(复杂地基)；岩土工程勘察等级为甲级。

1.2 工程地质概况

拟建场地地貌上属黄土塬前缘二级阶地。地下水水位埋深21.60～25.30 m,拟建场地无断裂构造通过，地层无错动迹象，适宜高层建筑。场地勘探深度内自上而下岩土分层如下：

第四系全新统①杂填土、②素填土；第四系上更新统③-1饱和黄土、③黄土,具Ⅱ～Ⅲ级自重湿陷性、④黄土,具Ⅱ～Ⅲ级自重湿陷性,湿陷土层深度为10.80～18.60 m、⑤粉土、⑤-1粉质黏土、⑥中砂、⑦细砂、⑧卵石土、⑨圆砾土、⑩砾砂；上第三系棕黄、棕红色黏土(N),该层土具弱膨胀性。

2 地基土的工程性能

2.1 地基土的物理力学性质

各层土的三轴试验结果列于表1。

表1 三轴(UU)试验结果统计

2.2 场地地基的湿陷性评价

场地主要为两个地貌单元,西单元上部地层受水浸泡,14.0 m以上有一层软弱土,强度偏低。东单元较均匀。场地自重湿陷量为2.767～27.394 5 cm，宜按自重湿陷性黄土场地设计。场地黄土地基总湿陷量为22.05～60.178 cm,拟建建筑物地基湿陷等级为Ⅱ～Ⅲ级，具Ⅱ～Ⅲ级自重湿陷性，湿陷深度为8.05～18.60 m。

2.3 地基土承载力标准值

利用土工试验相关指标,经查表得到各土层承载力基本值(部分承载力基本值为分析对比土层的标贯值而确定),后经回归修正得到各层土承载力标准值,结果见表2。

表2 地基土承载力综合成果

3 地基与地基方案分析

3.1 天然地基

拟建场地属自重湿陷性场地，当基础埋深为4.0 m时,地基湿陷等级为Ⅱ～Ⅲ级自重湿陷。湿陷深度为10.8～18.60 m,应消除拟建建筑物地基的全部湿陷量或穿透全部湿陷性土层；利用前述表2(三轴)中的强度参数、静力触探的比贯入阻力和侧摩阻力，按GBJ7—89和GBJ72—90的理论公式计算的地基承载力设计值，均不能满足拟建建筑物基底压力的要求。

另外,根据《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ72—90)第6.2.2条之规定,从以下三个方面评价天然地基的均匀性。

拟建建筑物基础埋深-4.0 m,地基持力层基本放在②层底及第③、③-1层顶部。该层层面高程为606.45～609.73 m,在宽度方向上,高程差值范围为0.52～2.81 m,层面坡度为3.1%～16.7%,东西单元分界线上属不均匀地基。若加深基础埋深使之超过持力层最低的层面深度(8.6～10.8 m),则须采取垫层等措施加以调整。

地基持力层③、③-1层和第一下卧层④黄土在宽度方向上,地层厚度分别为3.69～6.4 m和7.8～9.0 m,厚度差分别为1.8～1.81 m和0.2～1.2 m,大多数值大于0.05b(b=15.6 m),也属不均匀地基。

拟建高层建筑物场地压缩层深度为Zn=(12.5+0.53×15.6)×0.75=15.576 m,在压缩层深度内,地基土的压缩模量加权平均值,Z-1、Z-2分别为9.177 MPa和4.008 MPa,Z-3、Z-4分别为9.16 MPa和6.20 MPa,经过计算,在宽度方向上均不满足高层要求,属不均匀地基。

通过以上三个方法计算,本拟建场地的地基土属不均匀地基，在设计时应采取结构措施或地基处理措施。

由此可见,天然方案不成立。

3.2 筏型基础

设计筏型基础时,因拟建场地属Ⅱ～Ⅲ级自重湿陷性场地，地基承载力设计值均不能满足拟建建筑物基底压力的要求，须采用地基处理措施。对基底进行预处理,再配合剪力墙结构、筏型基础,即可做桩土复合地基处理。建筑场地内地下水水位埋深21.5～25.30 m,基坑下挖4 m,基底以下水位以上的湿陷性黄土、粉土、粉质黏土层厚19.40～20.50 m,湿陷性土层厚10.80～18.60 m,可进行局部或整片采用强夯、挤密土桩等先行处理,消除上部或全部土层的自重湿陷性,以加强地基强度参数。若采用局部处理,每边宜超出基础宽度0.25倍,即0.25×b=0.25×15.6=3.9 m。若采用整体处理,每边宜超出基础宽度的0.75倍,即0.75×b=0.75×15.6=11.7 m。而东南角仅距现有5号楼9 m,受周围建筑物限制；另外,西单元,特别是西单元中心14.0 m以上的土层强度较低,3～9 m为饱和黄土,强度低,f0=11.4～52.30 kPa,要达到平均挤密系数0.93、最小挤密系数不小于0.88较困难。且挤密土桩在该地区一带7～9 m深度范围内效果较好,最大深度不超15 m。采用局部处理对筏板型承台及剪力墙墙基软弱层③、③-1(东单元高程603～609 m,西单元高程599～609 m之间土层)进行处理,增加强度费用较大,且挤土桩的桩注体和桩间土体对周围建筑物、地下管线会产生不利影响。

因此,只作片筏基础不能满足要求,根据拟建建筑的地基的承载力、上部结构的布置及荷载分布等因素,宜采用桩基。

3.3 桩基

(1)桩型选择

拟建场地采用桩基础时,应穿透湿陷性黄土层。对自重湿陷性黄土场地,桩底端应支承在细砂⑦、中砂⑥、砾砂⑩互层与圆砾土⑨、卵石土⑧互层或下部棕黄色、棕红色黏土层中。结合各勘探孔的岩土工程条件,可选择的桩基按承载性状分类法,应采用摩擦端承桩；按桩身材料分类法应采用钻孔灌注桩或预制桩。由于Z-3(北轴线中点)、Z-5、J-3的基础持力层之上的土层中分布有不均匀的砂层,预制桩不易通过。24.5 m(高程589.15 m)为粉质黏土的层底深度,该深度以下的砂类土、碎石类土(透镜体状)互层(层底高程为587.35～588.35 m),层位稳定,顶面以上桩尖须要穿越一定厚度的坚硬土层,可采用预应力桩,但土层的不均匀性具偶然性,难于操作。

在该自重湿陷性黄土地基中,湿陷土层厚度较大,沉管碎石桩不适宜采用,旋喷桩所要求地基土参数不能满足,效果不好。钻、挖孔灌注桩桩长易控制,地下水水位埋深较大21.60～25.30 m,水量较小,西单元中心洗澡堂上部地层(10.0 m以上)③-1为饱和黄土地基,有缩孔现象,适合钻探,东单元适合挖探。干作业法的钻、挖孔灌注桩在该地区应用较多,经验成熟,较前几种方案更适宜。

(2)桩端持力层选择

当采用挖孔灌注桩时,可选用④、⑤、⑤-1、⑥、⑦层作为桩端持力层,桩顶高程为609.8 m。桩尖入土深度按两个深度(19.00 m和21.00 m)分别计算,有效桩长分别为15 m、17 m,桩径分别选D=0.80 m、D=1.0 m，桩心距可采用2.5～3.0 m。但由于自重湿陷性黄土层较厚,桩尖位于地下水位附近,挖孔难度较大,建议采用钻孔灌注桩。

(3)钻孔灌注桩单桩竖向极限承载力标准估算

按JGJ94—94规范5.2.8和5.2.9式分别计算钻、挖孔灌注桩单桩竖向承载力标准值Quk。拟建场地为Ⅱ～Ⅲ级自重湿陷性黄土场地,所以,第③、③-1全层、及④层的上部黄土的极限桩侧负摩擦阻力按规范GB25—90附表11.1取-10 kPa。根据各层土极限侧阻力标准值qsik和极限端阻力标准值qpk,计算结果列于表3。

由计算可知,桩顶荷载由桩侧阻力和桩周阻力共同承担,当采用钻孔灌注桩时,增加桩长可迅速增大单桩竖向极限承载力标准值(如表4),按JGJ94—94规范第6.3.9条规定,孔底沉杂渣厚度不得大于100 mm,且应保正桩身混凝土的完整性。具体设计时,须根据布桩的具体情况选择适宜桩长、桩径,并进行现场静载荷试验,以确定单桩竖向极限承载力标准值作为设计最终依据。

表3 单桩竖向极限承载力标准值

表4 钻孔灌注桩周土极限侧摩阻力标准值和极限端承力标准值

对于钻孔灌注桩单桩竖向承载力的估算,选用了两个深度两个桩径进行比较。由比较结果可见当有效桩长为21 m或24 m时,均选桩径0.6 m比较经济。

4 结束语

根据以上的计算分析,湿陷性黄土由于其本身的高压缩性、湿陷性、及不均匀性,湿陷性黄土地区高层建筑的地基处理方式应在考虑湿陷等级的基础上,结合持力层埋深及地层特性,采用复合地基处理措施。

[1] GB50021—2001 岩土工程勘察规范[S]

[2] GB50007—2002 建筑地基基础设计规范[S]

[3] GBJ25—90 湿陷性黄土地区建筑规范[S]

[4] GB50011—2001 建筑抗震设计规范[S]

[5] JGJ94—94 建筑桩基技术规范[S]

[6] JGJ72—90 高层建筑岩土工程勘察规程[S]

[7] JGJ6—99 高层建筑箱形与筏形基础技术规范[S]

[8] GB50123—99 土工试验方法标准[S]