某国际大厦岩土工程勘察及设计方案选择

尚明 ，仲锁庆，张茂锋

(1.江苏今迈工程勘察有限公司，江苏 南京 210019;2.南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210019)

1 工程概况

项目位于无锡市体育中心东南处，太湖大道北面，青祁路西侧，西北临新打造的体育场馆。该项目是集商业、酒店、办公于一体的超高层建筑，总建筑面积150300 m2。具体为:主楼呈“V”型展开，由两栋连体塔楼组成，分别为地上45层和55层，地下3层，建筑物高度208.8 m，结构体系采用框架～筒体混合结构;裙楼为地上7层，地下3层，总高度为32.5 m，结构体系采用框架结构，柱网9 m×11 m;地下室为3层，层高为5.0 m，采用框架结构，范围含建筑范围及楼外空地。图1为项目效果图。

图1 项目效果图

2 勘探工作量布置

详细勘察勘探点布置和勘探孔深度，应根据建筑物特性和岩土工程条件确定;勘探方法应精心选择，不应单纯采用钻探［1，2］。

2.1 勘探点数量和深度

(1)勘探点数量和布置原则

主楼、裙楼勘探点沿建筑物周边、角点布置，间距按摩擦桩要求控制;地下室勘探点沿周边和角点布置，间距满足基坑支护要求。根据上述原则，场地共布置勘探点27个。具体布置在:主楼布置勘探点7个，其中，控制性钻孔4个，一般性钻孔3个;裙楼布置勘探点6个，其中，控制性钻孔3个;一般性钻孔3个;地下室布置勘探点14个，其中，控制性钻孔5个;一般性钻孔8个。

(2)勘探孔深度和确定原则

主楼、裙楼勘探孔深度满足桩基础要求，其中，控制性钻孔深度满足桩基础变形计算要求。地下室钻孔深度除满足基坑支护要求外，还应满足抗浮桩深度要求。根据上述原则，勘探孔深度具体确定为:主楼控制性钻孔深度为钻穿第四纪覆盖层进入基岩，深度约为95 m;一般性钻孔深度约75 m;裙楼控制性钻孔深度约为70 m;一般性钻孔深度约50 m;地下室控制性钻孔深度约为50 m;一般性钻孔深度约为48 m。

2.2 现场原位测试工作量布置

(1)旁压试验孔

根据场地土层分布情况，选择代表性的地段布置3个旁压试验孔，测求地基土的强度和变形模量，试验深度40 m左右。

(2)波速测试孔

场地内布置波速测试孔3个(主楼2个、裙楼1个)进行岩土层波速测试。主楼2个波速测试孔进行全孔波速测试，测定岩土层剪切波速和压缩波速;裙楼1个波速测试孔进行20 m深度的剪切波速测试。

(3)静力触探试验孔

为详细查明地下室周边土层分布和工程性质，在地下室周边布置了12个静力触探试验孔，试验深度20 m～22 m。

(4)标准贯入试验孔

场地内布置标准贯入试验孔6个，试验深度为第四纪覆盖层。

(5)承压含水层水头观测孔

场地地下水丰富，为测定承压含水层水头，在场地内布置观测孔3个，观测孔深度根据承压含水层所在深度确定。

3 场地工程地质条件和水文地质条件

3.1 场地工程地质条件

(1)场地地形地貌

场地位于无锡市体育中心东南面，太湖大道北面，青祁路西侧，地形基本平坦，地面高程3.21～4.63 m。勘探前，场地内分布的水沟、塘已基本填平。场地地貌单元属长江三角洲冲积平原。

(2)场地岩土层分布

根据野外勘探、原位测试和室内岩土工试验成果综合分析，场地典型岩土层分布自上而下，如图2所示。

图2 工程地质剖面图

3.2 场地水文地质条件

(1)场地地表水

无锡市属长江流域太湖水系，区内地表水系较为发育。

目前场地已经成为无锡市经济、文化中心，西北为市体育中心，四面环路，场内地表水系已不很发育，仅存的小水沟、小水塘在勘探前亦基本填平。

(2)场地地下水

根据场地地层结构，场地有潜水和承压水分布:

①潜水

潜水含水层为地表①层新填土。主要由碎砖石等粗颗粒混粉质粘土填积，结构松散、密实度差、孔隙大，连通性较好，含水性及透水性好，但总体厚度不大，含水量不很丰富。

根据室内试验资料，②层可塑(局部硬塑)粉质粘土的平均渗透系数为 KV=0.15 ×10－6cm/s，Kh=0.05×10－6cm/s，属微透水～不透水层，透水性弱，基本不含地下水，分布稳定，为隔水层。

野外勘探期间遇有雨雪天。根据场内各钻孔及场地内所挖水坑的实际量测结果看，场地地下水初见水位埋藏深度在地面下0.20 m～0.90 m，高程为3.40 m～4.03 m(黄海高程系、下同);场地地下水稳定水位埋藏深度在地面下0.40 m～1.40 m，高程为3.21 m～3.59 m。潜水主要补给来源为大气降水的入渗补给及地下管线渗漏补给，以蒸发方式排泄，水位受季节性变化影响明显，年变幅为1 m左右。

②承压水

勘探深度范围自上而下有三层承压水。

a.第一层微承压水

由③～a层稍密～中密粉土组成含水层，隔水顶板为②层可塑(局部硬塑)粉质粘土，隔水底板为③层可～软塑粉质粘土。透水性较强，富水性、给水性较好。但厚度不大(0.8 m～2.0 m)，仅局部呈透镜状分布，含水量不丰富，对工程施工影响亦不大。

量测的第一层微承压水头埋深在地面下约0.9 m～1.0 m，高程 3.16 m ～ 3.24 m，平均水头高程为3.20 m，较潜水位略低，水位基本稳定，主要接受潜水的越流补给和场外与该含水层连通的地表水的补给，所以，水头升降亦受季节性变化影响，雨水期水头会略有升高。

b.第二层弱承压含水

由④层软～流塑粉质粘土和④～a层粉土组成含水层。隔水顶板为③层可～软塑粉质粘土，隔水底板为⑤层可～硬塑粉质粘土。该含水层为影响基坑施工的主要含水层，埋藏较浅，厚度较大。其中，④层粉质粘土透水性较弱(渗透系数为6.76 ×10－6cm/s～14.4×10－6cm/s)，给水性较差;④～a层粉土透水性较强(渗透系数为88.3×10－6cm/s～187 ×10－6cm/s)，富水性、给水性较好。

量测的第二层弱承压水头埋深在地面下2.4 m～2.7 m，高程1.74 m ～1.88 m，平均高程为 1.87 m，较第一层微承压水水头低，水位较稳定，常年有水，主要接受潜水的越流补给，水头升降亦受季节性变化影响，雨水期水头仍会略有升高，该含水层具有弱承压性。

c.第三层承压水

由⑥～2层软～流塑粉质粘土(夹淤泥质粉质粘土)组成含水层，隔水顶板为⑥～1层软～可塑粉质粘土，隔水底板为⑥～3层可塑(部分软塑)粉质粘土。该含水层厚度较大(5.3 m ～8.4 m)，由于夹粉土，使得透水性强弱不均匀。粉土含量高处，透水性较强、富水性较好;粉土含量低处，透水性较弱、富水性较差。所以，该含水层透水性、富水性不均匀。

量测的第三层承压水头埋深在地面下3.0 m～3.2 m，高程为 1.24 m ～1.43 m，水位较稳定，常年有水。主要接受场外含水层的补给，水头升降受季节性变化影响不明显，该含水层埋藏较深，但由于水头较高，对工程施工有一定的影响。

4 场地和地基的地震效应评价

4.1 场地地段划分

按规范［3］附录A，无锡市抗震设防烈度为6°，设计基本地震加速度为0.05 g，设计地震分组为第一组。

场地位于广阔的冲湖积平原之上，地形平坦，场地覆盖层厚度大，20 m以上土层为可～硬塑粉质粘土和可塑粉质粘土夹厚度不大的饱和软弱粘性土和稍密粉土层，深度5.1 m～13.6 m之间土层性状差异大。综合土层性质及所对应的厚度综合分析，按规范［3］表4.1.1条及相应的条文说明，本场地属于可进行建设的一般场地。

4.2 场地类别划分

场地内进行了3个钻孔的波速检测，场地20 m深度土层等效剪切波速vse=188 m/s～201 m/s，场地覆盖层厚度为 89.7 m ～94.3 m，大于 50 m，按规范［3］表4.1.6判定，建设场地为Ⅲ类建筑场地，特征周期值为0.45 s，见表 1。

表1 土层等效剪切波速

5 基础设计方案选择

由于建筑物结构荷载大，从场地土层分布及工程性质分析，采用天然地基或者采用单桩基础均不满足设计要求［4］，经分析比较主楼基础宜采用桩基+筏式厚底板，桩基采用大直径钻孔灌注桩;裙楼基础宜采用桩基+筏式底板，桩基采用钻孔灌注桩。

5.1 桩基础持力层的选用

本工程由主楼、裙楼和纯地下室三部分组成。由于荷重差异大，所以，桩基持力层除考虑单桩竖向承载力应满足设计布桩要求外，还应考虑主楼的总沉降量的控制、主楼与裙楼和纯地下室之间差异沉降控制。

(1)主楼持力层的选用

由于主楼为一幢超高层建筑，结构荷载大，要求单桩竖向承载力高，对地基变形控制严格。从场地土层分布看，⑨～1层可～硬塑粉质粘土强度较高、层位稳定、厚度大，其下的⑨～2层土质更好。所以主楼建议以⑨～1层可～硬塑粉质粘土作为桩端持力层。

(2)裙楼持力层的选用

裙楼为7层，地下室3层。考虑地下水浮力及基坑挖土的补偿作用，建成后基底处平均有效附加应力将不大，但由于建筑物柱网较大，单柱荷载仍相对较大。从场地土层分布看，⑦～1层可～硬塑粉质粘土强度较高、层位稳定、层厚较大亦较均匀可以作为桩端持力层。

(3)纯地下室持力层的选用

本工程地下室大于主楼和裙房范围，纯地下室区域的地下水浮力及高大的主楼在风荷载作用下对地下室桩基础产生的抗拔力将远大于结构自重和上覆土重。纯地下室区域应设置抗拔桩。根据经验，该类抗拔桩的桩端入土深度(或桩端持力层)宜与裙楼相同，即以⑦～1层可～硬塑粉质粘土为桩端持力层。

5.2 单桩承载力估算

根据规范［5］公式 5.2.9，采用经验参数法估算钻孔灌注桩单桩竖向极限承载力，以J8、J13、J3、J5孔为例，估算钻孔灌注桩单桩竖向极限承载力标准值见表2。

表2 估算钻孔灌注桩单桩竖向极限承载力标准值

5.3 桩基沉降计算

按规范［5］，本工程桩基安全等级为一级，应进行桩基沉降计算。采用分层总和法计算桩基沉降时，公式中的第i层土的压缩模量，可按原位测试方法结合室内压缩试验综合确定。其自重压力(p0)至自重压力加附加压力(p0+Δp)段的压缩模量见表3。

表3 压缩模量建议值

当按土层应力历史计算桩基沉降时，可以按规程［2］中的公式 8.2.11 －3 进行计算，公式中各土层的压缩指数(Cc)根据室内高压固结试验确定，见表4。

表4 各土层的压缩指数Cc

根据规范［5］中的公式 5.3.5 和规程［2］中的公式8.2.11－3，估算塔楼中心点桩基沉降量见表5。

表5 估算塔楼中心点桩基沉降量S/mm

6 基坑工程评价

本工程设有3层地下室(地下室范围包括主楼和裙楼及楼外空地)，层高5 m，预计开挖深度在现地面16 m～18 m之间，开挖深度及开挖面积大。

6.1 基坑周边环境

建设场地地势较开阔，四面环路，无重要文化历史遗迹，基坑南侧为太湖大道，人行道与基坑边界的距离约为50 m;东侧为青祁路，人行道与基坑边界的距离约为30 m;西北两侧为无锡市体育中心广场和体育中心的道路，北侧道路外为体育场馆，但与基坑边界的最小距离在60 m以上。

据了解，太湖大道、青祁路道路下(主要为非机动车道及人行道)有管线(上水和下水管、通讯和照明电缆);体育中心道路下有管线(主要上水和下水管)。市体育中心体育场馆采用了桩基础。

6.2 基坑支护方案的建议

本工程基坑侧壁安全等级为一级［6］，根据基坑周边环境及场地工程地质和水文地质条件分析，本工程可以采用地下连续墙或排桩加内支撑作为支护结构。

(1)地下连续墙

地下连续墙的优势在于既可以作为基坑开挖的止水、挡土结构，将来结构施工时亦可以作为地下室的外墙。

由于场地水文地质条件较复杂，有多层含水层，采用地下连续墙止水效果将较为明显。

当采用地下连续墙时，为了保证地下连续墙自身的沉降不能过大又能起到止水作用，减小承压水对坑底土层的顶托作用，需将墙体置于强度较高，透水性较差的地层中。从场地土层看，建议连续墙下端插入⑥～3层可塑(部分软塑)粉质粘土中。支撑体系可选择内支撑，内支撑的设置可根据地下室结构型式、施工方法，验算后确定。

(2)排桩

由于地下连续墙成本高，施工工艺较复杂，本工程还可以采用钻孔灌注桩支护方案，内支撑的设置可根据地下室结构类型、施工工艺要求，验算后确定。

考虑到采取止水措施有一定要求，所以，要求钻孔灌注桩咬合紧密，除起挡土作用外，还应起止水作用。

如不采用钻孔咬合桩或咬合效果不好，尚应采取高压旋喷注浆止水措施，阻断④和④～a承压水与场外的水力联系。

通过经济、技术、工期等多方面比较，建议采用钻孔灌注桩+高压旋喷桩止水+内支撑的支护结构体系，可大大节省工程造价，缩短工期。

6.3 地下水控制方案的建议

对本工程有影响的含水层有四层(潜水含水层和三层承压含水层)。其中，潜水含水层和第一层微承压含水层由于厚度小、埋藏浅，对开挖施工影响小;第二层弱承压水含水层在基坑开挖施工中容易产生坑底涌水和涌砂;第三层承压水在基坑开挖施工中可能会产生坑底隆起变形。所以，有必要对第二层弱承压水和第三层承压水进行控制。

当采用地下连续墙支护，墙体下端插入⑥～3层可塑(部分软塑)时，施工前或施工中只要在基坑内设置一定数量的疏干井对坑内地基土进行排水疏干。另外，在距离坑壁0.5 m～1 m处的坑底四周及中间设置排水沟就可以进行开挖施工。

当采用钻孔灌注桩+高压旋喷桩止水+内支撑的支护结构体系，可阻断第二弱承压水(④和④～a层)与场外的水力联系。同时，为了防止第三层承压水在基坑开挖施工中可能产生坑底隆起变形，除在基坑内设置一定数量的疏干井对坑内地基土进行排水疏干外，还应在基坑内设置一定数量的降水井，以降低第三层承压水水头，根据坑底抗隆起稳定性计算，第三层承压水水头要求降到现地面下10 m。

6.4 基坑工程监测

地下室施工期间应进行严密监测。监测内容包括:

(1)支护结构体系自身的变形、内力的监测。

(2)基坑周围地面及建(构)筑物的变形监测。

(3)必要时还应对降水效果进行监测。

7 结语

针对本工程建筑高度高、结构荷载大以及复杂的场地环境条件和复杂的地质条件，提出了适合本工程的地基基础形式和持力层、围护结构体系和降排水方案。对塔楼、裙房、地下室建议选用不同深度的持力层，减少了成本，缩短了工期;对于大面积的基坑，进行了地下连续墙及排桩支护方案优劣的分析和比较，考虑到场地上部土层相对较好的特点，建议采用钻孔灌注桩+高压旋喷桩止水+内支撑的支护结构体系，大大节省了工程造价，缩短了工期，取得了明显的经济、环境、社会效益。可为今后类似的岩土工程勘察项目起到借鉴作用。

［1］GB50021－2001.岩土工程勘察规范［S］.

［2］JGJ72－2004.高层建筑岩土工程勘察规程［S］.

［3］GB50011－2001.建筑抗震设计规范［S］.

［4］GB50007－2002.建筑地基基础设计规范［S］.

［5］JGJ94－94.建筑桩基技术规范［S］.

［6］JGJ120－99.建筑基坑支护技术规程［S］.