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        武漢長江Ⅱ級階地巖溶場地建筑基礎(chǔ)選型與應(yīng)用
        ——以武漢××汽車零部件產(chǎn)業(yè)園(二期)項(xiàng)目為例

        2021-05-07 01:32:42鄔學(xué)農(nóng)
        資源環(huán)境與工程 2021年2期
        關(guān)鍵詞:階地場區(qū)粘性

        鄔學(xué)農(nóng),詹 瑋

        (1.湖北省地質(zhì)局 第八地質(zhì)大隊(duì),湖北 襄陽 441000;2.湖北省城市地質(zhì)工程院,湖北 武漢 430010)

        武漢市地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜,尤其是在巖溶地區(qū),基礎(chǔ)建設(shè)遇到較多地質(zhì)問題。武漢市近年因巖溶問題導(dǎo)致地面塌陷事故和房屋開裂的情形時(shí)有發(fā)生。本文以武漢××汽車零部件產(chǎn)業(yè)園(二期)項(xiàng)目為例,提出長江Ⅱ級階地巖溶地區(qū)基礎(chǔ)選型建議和巖溶地基處理措施,為武漢長江Ⅱ級階地巖溶地區(qū)場地地基持力層選擇及基礎(chǔ)選型提供借鑒。

        1 武漢Ⅱ級階地的工程地質(zhì)概況

        1.1 地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造

        受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制,武漢地貌以長江為基準(zhǔn)向兩岸延展大致可劃分長江Ⅰ級階地、Ⅱ級階地、Ⅲ級階地三個(gè)大地貌單元,部分為湖積低洼地帶和剝蝕丘陵區(qū)。長江Ⅱ級階地普遍認(rèn)為是過渡地帶,分布范圍不廣,主要見于青山及東西湖一帶,地面標(biāo)高多為22~24 m,地層由上更新統(tǒng)的粘性土(Q4-3)(可塑—硬塑狀態(tài))與砂性土或混砂礫粘性土(稍密—中密狀態(tài))組成。

        長江Ⅱ級階地前緣覆蓋層為上部粘性土、下部砂性土及礫卵石的“二元結(jié)構(gòu)”;后緣為一般粘性土、老粘性土,底部分布有殘積土層?;鶐r中南部為三疊系(T)—志留系(S)的砂巖、頁巖、灰?guī)r等;北部以白堊系—第三系(K-E)泥質(zhì)粉砂巖為主。

        從地質(zhì)構(gòu)造上來看,武漢市坐落于淮陽山字型前弧西翼與新華夏構(gòu)造體系的復(fù)合部位,主要受控于燕山期構(gòu)造運(yùn)動,表現(xiàn)為一系列走向近東西—北西西的線型褶皺,以及北西、北西西、北東和近東西的正斷層、逆斷層及逆掩斷層,新斷層僅存在于中更新世地層中,且均為非活動斷層。燕山期構(gòu)造運(yùn)動雖破壞了巖體的完整性,但武漢地區(qū)大地構(gòu)造屬古老的地質(zhì)構(gòu)造,地應(yīng)力大量集中與突然釋放的可能性很低,總體來說武漢市是一個(gè)相對穩(wěn)定地區(qū)。

        1.2 氣象與水文地質(zhì)條件

        武漢市位于華中腹地長江中游,地處中緯度,屬亞熱帶濕潤性東南季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,降水充沛[1-3]。武漢市區(qū)內(nèi)水系發(fā)育,以長江和漢水對區(qū)域內(nèi)地下水動態(tài)、水質(zhì)影響最為突出。市區(qū)內(nèi)分布有眾多大小不一的湖泊,對位于湖泊四周的建筑工程應(yīng)高度重視地表水體的影響。

        長江Ⅱ級階地的地下水埋藏類型多為潛水及弱承壓水。潛水賦存于粉土中,但水位較深;局部存在砂、卵礫石層層間水時(shí),則具有弱承壓性,因砂、卵礫石層密實(shí)度高和混有較多粘性土粒成分,故含水、透水性較小,尤其是距離長江、漢江較遠(yuǎn),故Ⅱ級階地地下水與長江或漢江無直接水力聯(lián)系,因而承壓水頭不會太高。

        1.3 工程地質(zhì)條件

        長江Ⅱ級階地前緣地段地層具有二元結(jié)構(gòu)組合特征,局部粘性土層為中更新統(tǒng)老粘土;而且粘性土下部的砂層、卵礫石層一般厚度不大,密實(shí)度較高,有一定力學(xué)強(qiáng)度。長江Ⅱ級階地某地區(qū)典型的工程地質(zhì)剖面圖見圖1。

        2 項(xiàng)目概況

        2.1 場區(qū)項(xiàng)目概況

        武漢××汽車零部件產(chǎn)業(yè)園(二期)位于武漢金口外環(huán)北路與金港中路之間,各棟建筑物概況見表1。

        表1 各棟建筑物概況一覽表Table 1 Overview of each building

        本工程共計(jì)布置勘探點(diǎn)401個(gè),其中鉆探孔282個(gè)、靜探孔244個(gè)(含與鉆探同步施工的對比孔125個(gè))。

        2.2 場區(qū)地理位置及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

        該項(xiàng)目所處場地原始地貌單元屬長江Ⅱ級階地湖泊和灘涂地段。原場地為荒地和水塘,場地原始地面標(biāo)高為18.48~26.47 m,勘察時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了堆高并對其整平,表層填土多為粘性土。場區(qū)屬于填湖區(qū),根據(jù)衛(wèi)星圖片及現(xiàn)場調(diào)查走訪,大部分場區(qū)填湖時(shí)間超過10年,場區(qū)西北側(cè)距離長江1 300 m。具體地理位置詳見圖2。

        圖2 場地位置平面圖(方框內(nèi))Fig.2 The location plan of site

        場區(qū)受燕山期構(gòu)造運(yùn)動影響,場區(qū)內(nèi)為第四系沉積地層,場區(qū)下伏基巖為二疊系的石灰?guī)r及炭質(zhì)灰?guī)r。場區(qū)一帶無活動性斷層通過,且尚無發(fā)生地面塌陷的記載,本場區(qū)構(gòu)造運(yùn)動呈緩慢下降的性質(zhì),新構(gòu)造運(yùn)動升降幅度不大,本場地是一個(gè)相對穩(wěn)定地帶。

        3 場區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

        3.1 工程地質(zhì)條件

        3.2 水文地質(zhì)條件

        場區(qū)內(nèi)地下水類型主要為賦存于上部填土層中的上層滯水、下伏泥巖中的裂隙水以及石灰?guī)r中的巖溶水三種類型的地下水。

        (1) 上層滯水賦存于素填土(地層代號①)層之中,大氣降水滲入是其主要的補(bǔ)給來源,且水位受季節(jié)性控制,隨季節(jié)不同而變化,無統(tǒng)一水位線,水量較小。

        (2) 基巖裂隙水賦存于下伏泥巖中,基巖中水量貧乏,主要補(bǔ)給來源為地層滲透,埋藏深,基巖裂隙水對工程建設(shè)影響不大。

        (3) 裂隙巖溶水賦存于下伏二疊系灰?guī)r中溶蝕裂隙及溶洞中,該巖溶水具一定的承壓性,補(bǔ)給區(qū)為地層豎向裂隙滲透,水量豐富而分布不均勻,野外鉆探時(shí),鉆孔內(nèi)大部分失水嚴(yán)重。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn),場地巖溶水水位埋深較深,對建筑物樁基礎(chǔ)施工有一定影響。

        4 巖溶發(fā)育分析及處理措施

        4.1 巖溶發(fā)育分析

        根據(jù)詳細(xì)勘察及施工補(bǔ)充勘察成果,全場地建筑物不同勘察階段巖溶揭露情況見表2。

        表2 不同勘察階段巖溶發(fā)育情況統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of karst development at different stages of exploration

        根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4](GB 50007—2011)中6.6.2節(jié)規(guī)定,由表2可知,不同勘察階段揭露的巖溶地質(zhì)情況說明場地巖溶微發(fā)育。即溶洞發(fā)育程度比例低,土洞很少,但場地深部溶溝、溶槽較為發(fā)育,且多個(gè)鉆孔匯總發(fā)現(xiàn)場區(qū)分布軟塑—流塑狀態(tài)紅粘土等。這些不同巖溶現(xiàn)象反映工程場地地質(zhì)條件復(fù)雜,建筑工程極有可能出現(xiàn)塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。依據(jù)《城鄉(xiāng)規(guī)劃工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(CJJ 57—2012)中8.2.1節(jié)的有關(guān)規(guī)定[5],判定該工程場地類別為穩(wěn)定性差場地。

        4.2 處理措施

        針對前述不同巖溶發(fā)育情況,工程建設(shè)中采用了不同的處理措施。對土洞及深溶溝、溶槽采取了灌砂充填、注漿加固處理,并通過靜、動探或物探等手段檢測其回填注漿效果。該場地溶洞微發(fā)育,基本無需特別處理,僅在樁基成孔絕大部分施工過程中通過泥漿護(hù)壁,少數(shù)鉆孔采用超長鋼護(hù)筒護(hù)壁措施,可以解決溶洞對樁基施工的不良影響。對于場地內(nèi)⑦-2層軟塑紅粘土及⑦-3層流塑紅粘土,全場區(qū)可采用高壓旋噴樁對場地內(nèi)軟弱下臥層進(jìn)行加固處理。

        5 巖溶地基基礎(chǔ)建議及應(yīng)用

        根據(jù)設(shè)計(jì)要求,結(jié)合場區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)等情況,對該項(xiàng)目提供了天然地基、預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基、鉆孔灌注樁(嵌巖樁)等基礎(chǔ)建議。

        5.1 天然基礎(chǔ)

        (1) 不同高度建筑物基礎(chǔ)型式的建議。根據(jù)本項(xiàng)目場地地層、建筑物荷載、基礎(chǔ)埋深等情況,1#廠房及1—2層鋼結(jié)構(gòu)廠房建議采用天然基礎(chǔ)。其中1#廠房以④層硬塑狀粉質(zhì)粘土為基礎(chǔ)持力層,基礎(chǔ)型式可采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)。鋼結(jié)構(gòu)廠房以③層可塑粉質(zhì)粘土、④層硬塑粉質(zhì)粘土等為天然地基基礎(chǔ)持力層,依據(jù)基底下分布土層的不同,基礎(chǔ)型式也略有不同:對于基底及基底以下一定深度范圍內(nèi)為④層硬塑粉質(zhì)粘土地段,建議采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ);對于基底同時(shí)分布有③層可塑粉質(zhì)粘土、④層硬塑粉質(zhì)粘土地段,建議采用條形基礎(chǔ)后十字交叉基礎(chǔ)、柱下獨(dú)立基礎(chǔ);對于局部基底存在薄層①層素填土、②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土地段,可采用超挖或基礎(chǔ)下沉深埋處理,也可以部分采用墩基礎(chǔ)。

        (2) 天然基礎(chǔ)應(yīng)用效果分析。后期在開挖驗(yàn)槽過程中,發(fā)現(xiàn)1#6層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廠房基底地層與地勘揭露的較為一致,采用天然地基薄層筏板基礎(chǔ),以④層粉質(zhì)粘土作為基礎(chǔ)持力層,后期沉降觀測效果較好,竣工后累計(jì)沉降量8.65 mm。

        部分1—2層鋼結(jié)構(gòu)廠房采用天然地基柱下獨(dú)立基礎(chǔ)、十字交叉基礎(chǔ),局部采用墩基礎(chǔ),竣工后累計(jì)沉降量5.68~10.15 mm,不均勻沉降及傾斜率均滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

        5.2 復(fù)合地基

        (1) 基礎(chǔ)持力層及基礎(chǔ)型式選擇。本場地6#-14#鋼結(jié)構(gòu)廠房建筑高度雖僅為1—2層,上部荷載不大,但由于跨度較大,場地填土較厚,基礎(chǔ)埋深又淺,下部⑥-2層粉質(zhì)粘土夾礫石、⑦層紅粘土等軟弱下臥層深厚,采用天然地基柱下獨(dú)立基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)或挖孔墩基礎(chǔ)均不適宜。采用嵌巖樁以基巖為基礎(chǔ)持力層,不僅延緩工期,還大大增加基礎(chǔ)造價(jià),同時(shí)深溶溝、溶槽與深厚軟弱下臥層還影響樁基成孔。經(jīng)綜合對比分析,建議采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁復(fù)合地基,以④層硬塑粉質(zhì)粘土或⑤層硬塑粉質(zhì)粘土夾碎石層或⑥-1層粉質(zhì)粘土夾碎石為基礎(chǔ)持力層,并在樁頂設(shè)置承臺,設(shè)置地下連梁加強(qiáng)基礎(chǔ)整體剛度,通過樁土共同作用承擔(dān)上部荷載,控制不均勻地基中建筑物整體沉降變形等。

        (2) 復(fù)合地基應(yīng)用效果分析。根據(jù)規(guī)范規(guī)定及設(shè)計(jì)要求,場地1—2層鋼結(jié)構(gòu)廠房采用復(fù)合地基時(shí),進(jìn)行基樁極限載荷試驗(yàn)及單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)。并在施工及竣工后一定時(shí)間內(nèi)按規(guī)范規(guī)程及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行沉降觀測。1—2層鋼結(jié)構(gòu)廠房采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn),最終沉降效果統(tǒng)計(jì)見表3。

        表3 預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基應(yīng)用及沉降觀測效果統(tǒng)計(jì)分析表Table 3 Application of composite foundation prestressed pipe piles and statistical analysis of settlement observation effect

        從表3所示,場地部分樓棟采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基是可行的,而且后期竣工的沉降觀測效果滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

        5.3 樁基礎(chǔ)

        (1) 樁型、成樁工藝及樁端持力層的選擇。本場地2#-5#、15#廠房(6層)因其荷載較大,結(jié)構(gòu)跨度較大,基底以下土層強(qiáng)度及厚度滿足不了上部荷載要求;同時(shí),場地下伏可溶巖,分布有深厚軟弱紅粘土、深溶溝溶槽等,建議采用沖孔灌注樁(嵌巖樁),以⑨層石灰?guī)r為樁端持力層。

        根據(jù)本工程基巖特點(diǎn),對比不同工藝的樁型,綜合考慮鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)成本等,建議采用沖孔灌注樁成孔工藝。同時(shí)考慮到場地內(nèi)分布有深溶溝、溶槽,且溝槽中分布深厚軟塑、流塑紅粘土,沖孔灌注樁成孔工藝相比常規(guī)場地樁基需要進(jìn)行如下改進(jìn):①配制泥漿體積宜為正常條件下泥漿體積的3倍以上;②沖孔施工揭露軟、流塑紅粘土土層時(shí),立即回填片石,反復(fù)多次沖孔造壁;③當(dāng)沖孔至溶洞頂板以上1 m時(shí),改用小沖程沖擊鉆進(jìn)成孔工藝;④當(dāng)出現(xiàn)深溶溝、溶槽的部位時(shí),對軟、流塑紅粘土土層進(jìn)行高壓旋噴樁局部處理候凝結(jié)束后再進(jìn)入下一道工序。

        (2) 樁基應(yīng)用效果分析。本工程樁基靜載荷試驗(yàn)、建筑物沉降效果見表4。樁基在進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)檢測單軸承載力的同時(shí),還進(jìn)行了超聲波檢測、低應(yīng)變檢測、鉆芯取樣檢測、樁徑及樁偏位檢測等。

        表4 沖孔灌注樁及建筑物沉降效果分析表Table 4 Analysis of the settlement effect of punched cast-in-place piles and buildings

        鉆芯法取樣檢測顯示樁身完整,樁砼抗壓試驗(yàn)強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求,而且通過后壓漿處理后樁底無明顯沉渣,樁端底部設(shè)計(jì)規(guī)范深度范圍內(nèi)巖石完整。超聲波檢測結(jié)果基樁均為Ⅰ類樁,無Ⅱ類瑕疵樁,也無Ⅲ類、Ⅳ類不合格樁。低應(yīng)變檢測Ⅰ類樁占檢測總樁數(shù)的比例>90%,Ⅱ類樁比例<10%,無Ⅲ類、Ⅳ類不合格樁。樁徑復(fù)核均滿足設(shè)計(jì)要求,即直徑滿足900 mm尺寸要求。樁偏位尺寸絕大多數(shù)在規(guī)范及設(shè)計(jì)允許誤差范圍內(nèi),僅個(gè)別樁偏位過大,經(jīng)加大承臺梁處理后,全部滿足上部結(jié)構(gòu)荷載承載及沉降要求。

        6 結(jié)論

        武漢市巖溶廣泛發(fā)育于長江Ⅰ級、Ⅲ級階地,長江Ⅱ級階地相對而言分布范圍不廣。工程建設(shè)前應(yīng)通過不同階段的地質(zhì)勘察工作,對工程場地的巖溶發(fā)育程度及其地基穩(wěn)定性進(jìn)行分析與評價(jià),并且要根據(jù)不同巖溶發(fā)育情況,采取合理的處理措施方可交付使用。長江Ⅱ級階地后緣上部為可—硬塑粘性土,下伏基巖,其基礎(chǔ)型式可采用天然地基或復(fù)合地基,也可采用樁基礎(chǔ)。Ⅱ級階地前緣上部為軟—可—硬塑粘性土,下部為含礫粘性土或礫石土,下伏基巖,基礎(chǔ)型式可采用天然地基或復(fù)合地基,局部采用樁基礎(chǔ)。

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