蔣宗鑫 何臘平 李軍鵬 張茜媛 劉 曦

(甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

蘭州地區(qū)第三系砂巖分布在黃河兩岸階地第四系覆蓋層之下，經(jīng)受長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕及黃河的沖蝕切割作用，構(gòu)成了黃河兩岸階地的基座，具有半成巖、遇水軟化、崩解等特性，為極軟巖[1]。自20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初，蘭州地區(qū)工程勘察部門對(duì)砂巖地基的工程特性結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行過一些試驗(yàn)研究，綜合確定了風(fēng)化砂巖承載力為450 kPa～550 kPa，超高層建筑砂巖地基采用樁基礎(chǔ)。近年來，蘭州地區(qū)超高層建筑主樓高度、基坑深度屢屢突破歷史記錄，基底壓力大幅上升，設(shè)計(jì)所需地基承載力大大提高。因此，對(duì)第三系砂巖地基的工程性質(zhì)進(jìn)行更深入的研究，發(fā)掘承載力潛力，是迫切需要解決的巖土工程問題。

1 工程概況

擬建某超高層場(chǎng)地東西長(zhǎng)約129.60 m，南北寬約114.50 m，總建筑面積178 285.3 m2。包含1棟49層辦公樓(超高層建筑)和1棟24層安置樓(高層)及裙樓(多層)。本工程各擬建建筑物的規(guī)模特征如表1所示。

表1 擬建建筑物規(guī)模特征一覽表

2 工程地質(zhì)條件

2.1 場(chǎng)地地形地貌

工程場(chǎng)地屬于黃河南岸Ⅱ級(jí)階地的后緣地帶，場(chǎng)地地勢(shì)較平坦，地面標(biāo)高變化于1 520.82 m～1 522.35 m之間。

2.2 場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)

場(chǎng)地地層自上而下分別為雜填土、粉土、飽和粉土、卵石、細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖。

2.3 地下水

地下水類型為孔隙性潛水，主要賦存于卵石層及風(fēng)化砂巖中，由大氣降水、高階地地下徑流、區(qū)外側(cè)向徑流和管溝滲水補(bǔ)給，西南往東北流向，排泄于黃河?？辈炱陂g地下水位穩(wěn)定埋深約1.7 m～7.2 m，對(duì)應(yīng)高程為1 515.07 m～1 516.33 m。

3 地基土工程性質(zhì)

3.1 風(fēng)化砂巖物理力學(xué)性質(zhì)

1)顆粒成分。粒徑大于0.075的顆粒含量大于85%，可按砂土分類定名為細(xì)砂巖。曲率系數(shù)介于0.84～0.87，不均勻系數(shù)介于2.04～2.36，顆粒均勻。

2)風(fēng)化砂巖物理性質(zhì)。在不同深度位置采取巖石試樣進(jìn)行室內(nèi)巖石物理性質(zhì)試驗(yàn)，分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

3)浸水崩解特征。強(qiáng)風(fēng)化砂巖耐崩解指數(shù)基本為0，全部崩解為砂狀；中風(fēng)化砂巖耐崩解指數(shù)最大為4.39%，隨深度增加有增大趨勢(shì)，為完全崩解。

4)滲透性。室內(nèi)滲透試驗(yàn)表明：強(qiáng)風(fēng)化砂巖垂直方向滲透系數(shù)為7.45×10-3cm/s，水平方向滲透系數(shù)為4.17×10-3cm/s，中風(fēng)化砂巖層垂直方向滲透系數(shù)為1.04×10-3cm/s。依據(jù)GB 50487—2008水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范巖土體滲透性分級(jí)，強(qiáng)風(fēng)化砂巖屬于中等透水層，中風(fēng)化砂巖屬于中等～弱透水層。

5)單軸抗壓強(qiáng)度。強(qiáng)風(fēng)化砂巖天然抗壓強(qiáng)度最大值為0.16 MPa，最小值為0.02 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為0.05 MPa，中風(fēng)化砂巖天然抗壓強(qiáng)度最大值為0.59 MPa，最小值為0.94 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為0.72 MPa。巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc<5.0 MPa，屬于極軟巖。巖石的軟化系數(shù)均小于0.75，屬于易軟化巖石(見表2)。

強(qiáng)風(fēng)化砂巖天然/干燥抗壓強(qiáng)度隨著深度的增大不明顯；含水率隨風(fēng)化程度減弱而減小，抗壓強(qiáng)度隨含水率減小而提高的規(guī)律比較明顯。

表2 砂巖物理性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)成果表

6)三軸壓縮強(qiáng)度。對(duì)采取的風(fēng)化砂巖試樣進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸壓縮(UU)試驗(yàn)，圍壓采用100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa。

由圖1可知:a.三軸強(qiáng)度隨著圍壓的增加而增加，隨取樣深度增加而增加。強(qiáng)風(fēng)化砂巖在最低圍壓0.1 MPa時(shí)，強(qiáng)度也提高了6.9倍；在0.4 MPa圍壓下，強(qiáng)度提高了28.5倍；中風(fēng)化砂巖在0.1 MPa圍壓時(shí)，強(qiáng)度提高1.3倍；在0.4 MPa圍壓下，強(qiáng)度提高了3.4倍～4.7倍。b.當(dāng)圍壓差在一定范圍內(nèi)時(shí)，不同風(fēng)化程度的砂巖的變形表現(xiàn)為彈性變形階段，當(dāng)圍壓超過一定的范圍時(shí)，才進(jìn)入塑性變形階段。

7)抗剪強(qiáng)度。將直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)測(cè)得的c，φ值匯總?cè)绫?所示。

8)高壓固結(jié)試驗(yàn)。為了評(píng)價(jià)砂巖在不同豎向壓力條件下的壓縮變形性質(zhì)，進(jìn)行室內(nèi)壓縮試驗(yàn)(加荷至3 200 kPa)，結(jié)果如圖2，表4所示。

表3 砂巖層抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

表4 砂巖層高壓固結(jié)試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

試驗(yàn)結(jié)果表明，砂巖在各級(jí)壓力下，均呈現(xiàn)低壓縮性。在800 kPa～1 600 kPa壓力段，壓縮系數(shù)介于0.01～0.03，壓縮模量介于67.4 MPa～109.0 MPa。隨試驗(yàn)壓力增加，壓縮性減小，且隨壓力增加到1.6 MPa，中、強(qiáng)風(fēng)化砂巖壓縮性接近。

3.2 原位測(cè)試

1)砂巖標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。強(qiáng)風(fēng)化砂巖標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)測(cè)擊數(shù)N一般介于120 J/30 cm～182 J/30 cm，土體密實(shí)程度差異較小，呈密實(shí)狀態(tài)。

2)旁壓試驗(yàn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)旁壓試驗(yàn)測(cè)定，本工程強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化砂巖的地基承載力特征值、旁壓模量、旁壓剪切模量、基床系數(shù)如表5所示。

表5 強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化砂巖旁壓試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

3)超聲波測(cè)試。通過超聲波測(cè)試得出各地層的壓縮波波速Vp如表6所示，室內(nèi)試驗(yàn)得出場(chǎng)區(qū)新鮮完整巖塊的壓縮波波速為2 397.62 m/s，進(jìn)而得出巖體的波速比和風(fēng)化程度。

表6 場(chǎng)地巖土體聲波測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4 地基土工程性質(zhì)評(píng)價(jià)

4.1 承載力與變形指標(biāo)確定

根據(jù)上述各種試驗(yàn)、測(cè)試資料成果分析，依照GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范和《工程地質(zhì)手冊(cè)》，結(jié)合場(chǎng)地條件與地區(qū)經(jīng)驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)，地基承載力特征值及變形指標(biāo)建議見表7。

表7 地基土承載力及變形指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)表

4.2 均勻性評(píng)價(jià)

所有建筑物基底持力層均為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，工程性質(zhì)良好，水平向和垂直向工程性質(zhì)差異性小，屬均勻地基。

5 地基基礎(chǔ)方案分析與建議

5.1 天然地基變截面筏板基礎(chǔ)

適合于復(fù)雜柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具有基礎(chǔ)埋深大、剛度大、整體性強(qiáng)、受力均勻、抗震能力好等特點(diǎn)，能充分發(fā)揮地基承載力，對(duì)地基反力和地基沉降的調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，在核心筒或荷載較大的柱底宜通過改變筏板的截面高度和調(diào)整配筋來滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)板鋼筋布置簡(jiǎn)單、施工難度較小(超厚度板施工的溫度控制除外)、可滿足地下空間的要求等特點(diǎn)。

該場(chǎng)地內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化砂巖層承載力和變形指標(biāo)能夠滿足天然地基筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)條件，但是強(qiáng)風(fēng)化砂巖天然地基對(duì)防水要求較高，在地基基礎(chǔ)施工時(shí)，必須采取相應(yīng)的保護(hù)措施，最大限度地減少施工對(duì)持力層的擾動(dòng)。

5.2 樁筏聯(lián)合基礎(chǔ)

若在核心筒及柱網(wǎng)底部增加樁基礎(chǔ)，基樁進(jìn)入中風(fēng)化砂巖層一定深度，采用樁—筏聯(lián)合基礎(chǔ)，由樁、筏板、地基土三部分共同作用，能保證在承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載的同時(shí)，可以降低建筑物沉降量，降低塔樓與裙樓間沉降差，不產(chǎn)生過大的不均勻沉降，較好地達(dá)到控制變形的目的。此外還能承受一定的上拔力和水平荷載，缺點(diǎn)是造價(jià)較高。

5.3 超高層采用樁—筏聯(lián)合基礎(chǔ)，高層和多層裙房采用變截面筏板基礎(chǔ)型式

對(duì)建筑物有針對(duì)性地選用不同基礎(chǔ)型式，兼顧筏板基礎(chǔ)和樁—筏聯(lián)合基礎(chǔ)優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)造價(jià)介于上兩種方案之間。

5.4 本項(xiàng)目地基基礎(chǔ)方案建議

根據(jù)各擬建建筑物基礎(chǔ)埋深、基底壓力、地層分布情況，對(duì)地基基礎(chǔ)方案建議如表8所示。

表8 擬建建筑物地基基礎(chǔ)方案建議表

6 天然地基筏板基礎(chǔ)沉降估算

6.1 《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》地基變形量估算

根據(jù)JGJ 72—2017高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)附錄B用變形模量Eo估算天然地基平均沉降量，超高層天然地基平均沉降量估算值為96 mm，高層天然地基平均沉降量估算值為33 mm，裙樓沉降量估算值為22 mm，超高層與裙樓沉降差為74 mm，高層與裙樓沉降差為11 mm。

6.2 地基變形量數(shù)值模擬計(jì)算

按高層到超高層對(duì)角線取剖面進(jìn)行計(jì)算，得出Z方向的沉降量云圖(見圖3)，通過模型計(jì)算得出超高層建筑地基最大沉降量為94.4 mm，高層建筑地基最大沉降量為50 mm，裙樓地基最大沉降量為20 mm。

7 結(jié)語

1)采用鉆探、原位測(cè)試和室內(nèi)巖石試驗(yàn)等多種手段分析了各層地基土的物理力學(xué)性質(zhì)，提供了各層地基土承載力、抗剪強(qiáng)度及變形指標(biāo)等地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工有關(guān)的參數(shù)。2)將風(fēng)化砂巖的承載力提高至1 200 kPa以上，并通過基礎(chǔ)方案比選，可選用天然地基變截面筏板基礎(chǔ)，技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理，用規(guī)范法和數(shù)值模擬估算了地基變形量，可滿足規(guī)范要求。3)建議在基坑開挖后進(jìn)行載荷試驗(yàn)，復(fù)核勘察報(bào)告中所提地基承載力、變形指標(biāo)及基礎(chǔ)方案選擇，為工程的設(shè)計(jì)和使用提供可靠依據(jù)。