辉长岩残积土天然地基可行性方案研究

仝霄金，陈圣仟，丁刚

(济南市勘察测绘研究院，山东济南 250013)

1 引言

随着现代城市的高速发展，(超)高层建筑日益增多，由于其结构复杂、荷重大等因素，在地基基础形式的选择上往往较多采用桩基础方案，从而忽略了对压缩性相对较低的残积土等特殊岩土的利用，但实践证明，该类土体作为高层建筑物的天然地基可以获得较大的经济效益和社会效益［1］。本工程通过勘察，主要借助浅层平板载荷试验，对辉长岩残积土的力学性质进行论证，提出以其作为地基持力层的天然地基方案。

2 工程概况

某高层住宅项目位于济南市工业南路以北、华信路以东，包括高层建筑及地下车库两部分。其中高层住宅楼长度48.6 m，宽度15.9 m，高度 70.8 m，地上24层，地下 3层，基础埋深 ±0.00下 10.8 m，单位荷重1.5 kPa，剪力墙结构。高层建筑南部设2层地下车库，长度51.00 m，宽度38.50 m，埋深10.8 m，框架结构。

3 场地工程地质及水文地质条件

3.1 场地工程地质条件

场地位于山前冲洪积平原中部，第四系地层主要由冲洪积成因的黄土、黏性土及碎石土组成，下伏燕山期辉长岩、奥陶系石灰岩。其地层结构、土的主要物理力学性质如表1所示。

场地地层主要物理力学指标表 表1

场地位于辉长岩侵入于石灰岩的侵入接触带，局部受辉长岩侵入热变质作用，石灰岩已大理岩化。场地东、西两侧下伏岩石为青灰～灰白色石灰岩，场地中部自上而下以此为辉长岩残积土、全、强、中风化辉长岩且穿插于石灰岩中，场地工程地质条件复杂。岩石风化程度、完整性和分布在水平方向和垂直方向均不均匀。

3.2 水文地质条件

图1 典型工程地质剖面图

地下水为辉长岩风化基岩裂隙潜水和石灰岩岩溶裂隙水两种地下水。辉长岩风化基岩裂隙潜水主要由大气降水补给，季节性变化较大。勘察期间在揭示风化辉长岩钻孔中量测地下水静止水位埋深为12.20 m～14.20 m，相应标高为39.64 m～42.01 m。石灰岩岩溶裂隙水在部分钻孔中测得，静止水位埋深为22.20 m，相应标高为31.43 m。

4 地基基础方案

4.1 地基基础方案选择

通过勘察单位的精心勘察，提出了天然地基与灌注桩桩基础两种地基基础方案。

当采用桩基础时，桩端持力层变化大，桩长较难统一，单桩承载力相差悬殊且施工周期长，基础工程造价高、难度大。相对于桩基础方案，天然地基方案在施工难度、施工工期及工程造价都有一定优势。但由于地基持力层为残积土与卵石两种土层，地基土不均匀，当采用天然地基时，建筑物应考虑差异沉降等问题。

经过多方专家讨论，确定在地基承载力与变形均满足规范要求的前提下，应优先考虑天然地基。

4.2 天然地基承载力计算

高层住宅楼24层，设3层地下室，基础埋深为±0.00下10.8 m，地基持力层中西部主要为第⑤层辉长岩残积土，东部为第④层卵石，由于高层建筑物南侧设整体地下车库，南侧车库部分处于超补偿状态，将会引起高层建筑物部分基础侧限力的永久性削弱，车库部分基础形式采用筏形基础时，其宽度大于高层建筑物基础的两倍，可将其基础底面以上荷载视作超载考虑，将超载折算成土层厚度作为基础埋深进行高层部分地基承载力修正，折算后的当量深度按3.0 m考虑。

根据设计部门提供的建筑物基础底面处的平均压力值为pk=430 kPa。依据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002，上部荷载的形式按轴心荷载考虑时，pk≤fa，即修正后的地基承载力特征值 fa不小于430 kPa。由公式

反算得出第⑤层辉长岩残积土的承载力特征值不宜小于290 kPa。

勘察工作通过钻探、标准贯入试验、室内土工试验并结合工程经验得出的辉长岩残积土地基承载力特征值为240 kPa，与设计单位要求承载力相差50 kPa，但工程中往往偏于保守，使该土层的承载力未能充分发挥。结合本工程地层特点，最终决定采用载荷试验对辉长岩残积土承载力特征值进行验证。以确定天然地基方案的可行性。

5 通过载荷试验确定地基承载力特征值及变形模量

5.1 试验方法:

在高层建筑范围内选区3个载荷试验点，选择承压板面积为0.5 m2的圆形承压板，载荷试验采用慢速持续荷载法，以配置砼预制块作为反力装置，用油压千斤顶配合精密压力表控制加卸载量，半分表测量承压板沉降，试验分8级加载，每级 72.5 kPa，首级加载72.5 kPa，最大加载580 kPa，加载试验完成后，进行分级等量卸载回弹试验，卸载极差取2倍加载级差。

5.2 观测方法

每加一级荷载后，按间隔 10 min、10 min、10 min、15 min、15 min，以后每隔半小时测读一次沉降量，当在连续两小时内，每小时的沉降量小于0.1 mm时，则认为已趋稳定，可加下一级荷载。

根据试验进行总结，试验荷载与沉降关系如表2所示。

试验荷载与沉降量关系表 表2

5.3 结果分析

根据静载试验荷载与沉降关系表绘制1#～3#点p-s曲线与修正后的p-s曲线分别如图2、图3所示。

根据p-s曲线，各试验点都加载到580 kPa，沉降稳定，因最大加载达到设计承载力特征值的2倍，而终止加载并卸荷。现场试验各载荷试验点均未达到极限荷载，取最大加载量的一半为承载力特征值，辉长岩残积土承载力特征值不小于290 kPa。

5.4 变形模量E0计算

土的变形模量根据p-s曲线，按匀质各向同性半无限弹性介质的弹性理论计算，根据公式

计算浅层平板载荷试验的变形模量E0如表3所示。

图2 1#、2#、3#试验点 p-s曲线

图3 修正后的1#、2#、3#试验点p-s曲线

1#～3#载荷试验点变形模量计算值 表3

6 地基变形计算

地基变形计算，地基内的应力分布，采用各向同性匀质线性变形体理论，利用分层总和法计算最终沉降公式:

按角点应力法，矩形面积均布荷载计算各钻孔处沉降量及变形值如表4所示。

1#～8#钻孔沉降量计算表 表4

另根据《高层建筑岩土工程勘察规程》JGJ72-2004的有关规定，按照公式

采用变形模量E0计算筏形基础的高层建筑地基的平均沉降量S=35.75 mm。

通过两种理论变形计算得出的地基沉降量与倾斜值满足相关规范要求，因此天然地基方案是可行的。通过后期沉降观测验证，沉降理论计算值与实测值基本一致。

7 结论

辉长岩残积土压缩性较低，承载力较高，结合此特点，高层建筑采用该层作为天然地基，将大大缩短工期，降低施工难度，会取得良好的社会效益与经济效益。

目前，数项工程实例证明，以该岩土层作为天然地基持力层是安全可靠的，但其可行性在很大程度上仍然依靠经验，缺乏系统的理论研究。

该工程通过载荷试验验证，将辉长岩残积土的承载力提高了50 kPa，充分发挥了该岩土层的承载力，在今后工作中，应加强对类似地层的载荷试验成果的收集，并与常规试验成果进行相关的数理统计，从中得出它们的本构关系，以便能更准确地确定此类似地层的承载力［2］。

随着科学的发展，对风化岩土层应从宏观与微观相结合的角度进行更深层的科学研究，增加工程的可信度。

［1］尚敏，王清，王元新.济南地区闪长岩残积土的工程地质性质研究［J］. 工程地质学报，2006，14(1):60～64.

［2］朱毅斌.冶山一带残积土工程地质性状初探［J］.福建建筑，2001(1):45～50.

［3］尚彦军，岳中琦，赵建军等.全风化花岗岩抗剪强度试验结果对比及影响因素分析［J］.工程地质学报，2004，12(2):199～207.

［4］赵建军，王思敬，尚彦军等.香港全风化花岗岩饱和直剪试验中的剪胀问题［J］.工程地质学报，2005，13(1):44～48.

［5］尚敏，王清，樊祜传.闪长岩强风化带做高层建筑天然地基的可行性研究［J］.岩体力学，2003(S1):63～66.

［6］工程地质手册编委会.工程地质手册(第四版)［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［7］GB50007-2002.建筑地基基础设计规范［S］.

［8］GB50021-2001.岩土工程勘察规范［S］.

［9］JGJ72-2004.高层建筑岩土工程勘察规程［S］.