蘭州新區地基方案選型探討

王勤軍，張培利

（蘭州市城市建設設計院，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

蘭州新區位于甘肅省蘭州市永登縣秦王川盆地，距蘭州市約40 km。該盆地南北長約42 km，東西寬15～20 km，面積達720 km2，是蘭州、白銀兩市的接合部，地處蘭州、西寧、銀川三個省會城市共生帶的中間位置，也是甘肅對外開放的重要窗口和門戶。在秦王川建設蘭州新區，不僅有利于在更高層次、更大范圍優化配置生產要素，促進蘭白兩個城市的經濟合作，加快推進蘭白核心經濟區發展，也有利于加強蘭州乃至全省對外交流與合作，特別是對建立西寧-蘭州-銀川省會都市經濟圈，進一步提升蘭州和甘肅對外開放新形象具有重要意義。

1 區域地質

秦王川盆地屬山間凹陷盆地，處于永登-河口凹陷中的次級構造。該盆地形成于第三紀，在中更新世晚期，由于受東、西二側邊界斷裂擠壓逆沖活動的影響而成為一個封閉式的斷陷盆地。中更新世晚期～晚更新世早期，金強河及黑馬圈河沿盆地二側古河道穿過秦王川盆地注入黃河，從而使盆地內堆積了較厚的沖～洪積砂礫石層；晚更新世晚期～全新世早期，由于坪城盆地的持續抬升，河流改道，使秦王川盆地成為一個干旱盆地。盆地北部為低山，東、西、南三面為低緩的黃土丘陵，相對高出盆地約40～60 m。盆地內主要為洪積平原，其間分布有低緩的南北向展布的隴崗殘丘。盆地內堆積有10～60 m厚的第四系沖洪積土、砂、碎石層，盆地的基底由礫巖及第三系泥巖組成，厚約400～500 m。

2 地層分布特點

通過對蘭州新區綜合服務中心、蘭州新區100萬m2保障性住房、蘭州新區住宅小區、緯一路、緯三路、緯十六路、經十路、經十三路等大量項目的勘察，結果表明，場區地層上部主要為第四系全新統（Q4）沖洪積碎屑沉積物，由素填土、粉土、礫砂、粉砂、細砂互層及其透鏡體組成，下部為第三系泥巖，一般埋深40 m～60 m。場區上部地層整體上為土、砂互層，在空間分布上呈現犬牙交錯，雜亂無序（見圖1）?，F將場區分布的主要地層描述如下：

（1）素填土（Q4ml）：層厚0.5～2.5 m，以粉土及砂土為主，含有礫石及植物根須，稍密，稍濕。

（2）粉土（Q4al+pl）：該層與礫砂、粉砂、細砂透鏡體交互切割，層位連續性及均勻性較差。黃褐色，以粉粒為主，砂粒含量較大，土質不均勻，干強度低，韌性差，搖振反應中等，沖～洪積成因。一般8m以上具Ⅰ～Ⅱ級自重濕陷性[1]，8m以下含水量普遍較高，15～19 m以下呈飽和狀。稍密～中密，稍濕～濕～飽和。

（3）細砂（Q4al+pl）：層厚2.0～4.0 m，埋深介于2.9～4.5 m，褐黃色～青灰色，以細砂粒為主，砂質較純，含個別礫石。稍密，稍濕～濕。

（4）粉質粘土（Q4al+pl）：該層層厚0.60～12.60m，褐黃色，粉粒為主，粘粒含量較大，土質較純，切面稍有光澤，夾礫砂、粉細砂薄層或透鏡體。稍密～中密，濕～飽和。

（5）礫砂（Q4al+pl）：該層主要以層狀或透鏡體狀產出。層厚0.4～8.2 m，雜色～青灰色，以礫砂及粗、細砂為主，砂質不純，含土量較大，夾薄層粉土及粉細砂，含個別角礫及碎石，粒徑大于2 mm的礫石含量占總質量的35%以上，沖～洪積成因。稍密～中密～密實，稍濕～濕～飽和。

經試驗測試判定[2]，場區飽和粉土層、細砂及礫砂層屬非液化土層。

圖1 蘭州新區綜合服務中心典型的地質剖面圖

（6）礫巖（Q1）：該層埋深 40.0～43.0 m，相應頂板標高介于1 869.80～1 872.20 m，呈尖滅狀產出，青灰色～雜色，骨架顆粒以礫石為主，粗、細砂充填，鈣質膠結，鉆進較為困難。

（7）泥巖（N）：該層埋深 42.0～58.0 m，相應頂板標高介于1 858.10～1 870.80 m，褐紅色，泥質結構，塊狀構造，半成巖狀，上部約4～5 m呈強風化狀，隨深度增加風化程度逐步減弱。

對地下水位以上的粉土進行取樣試驗，物理力學試驗指標統計見表1所列。

表1 土的物理力學性質指標統計表

通過室內試驗，結合標準貫入、旁壓試驗及動力觸探等原位測試，對各類地基土的承載力特征值予以統計，見表2所列。

表2 地基土承載力特征值及壓縮（變形）模量一覽表

3 水文條件

場區普遍存在地下水，屬潛水類型，含水層主要為粉土層及礫砂層。地下水位埋深20 m左右，部分區域隨地勢埋藏較淺。地下水的補給來源主要為上游地下水、地表滲水，流向整體上由北向南。地下水位隨季節變化，一般春、冬季較低，夏、秋季較高，枯水和豐水季節之間波動幅度一般為±1.5m。

經水質分析，PH一般為6.4～7.0，總堿度為1.8～7.6me/L，總硬度為 12.5～59.5me/L，暫時硬度為0.5～6.7 me/L，游離CO2為0～13.2mg/L，侵蝕CO2為 0～20mg/L，Mg2+為 88.8～465.6mg/L，Ca2+為28.0～798.0 mg/L，Cl－為 273.4～4011.5 mg/L,SO42－為 657.6～3417.6mg/L，HCO3－為 85.4～451.4mg/L，CO32－為0～12.0mg/L。地下水對混凝土具中等～強腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具弱～中等腐蝕性。

4 地基方案選型

由于工程場區地質條件極為復雜，所以，在新區建設初期，對建筑物地基方案選型都有著不同的觀點。若采用淺基礎，以上部土、砂層作為基礎持力層時，由于上部約40 m～60 m地層不論從空間分布上還是從力學性能上，都有著很大的差異性，加上上部黃土狀粉土的濕陷性、土-砂層中含水量的不均勻性，給地基處理帶來了一定的難度。若采用深基礎，以下部泥巖作為基礎持力層時，樁長達50 m左右，對于一般的建筑物而言，工程造價是非常高昂的。同時,部分區域地下水對混凝土具強腐蝕性，根據規范[3]規定，不應采用混凝土灌注樁基礎。如何進行地基方案選型呢？目前，蘭州新區建設才剛剛起步，沒有成熟的經驗可循，因此，現場試驗檢測成了不可缺少的環節。在新區建設初期，結合實際工程，從建筑物的特點、場區地質條件、工程造價等多方面綜合考慮，有針對性地提出了一些地基方案選型，并進行現場試驗檢測。

4.1 地基處理

4.1.1 強夯法

對于一般的建筑，在上部地層含水量較小的場區(天然含水量一般小于18%)，可直接采用強夯法處理地基。強夯法是使用吊升設備，將具有較大質量（一般為8～14 t，最重可達200 t）和一定結構規格的夯錘起吊至一定高度（一般為8～20 m，最高可達40m）后，使其自由下落，強大的沖擊能量（一般為1 100～4 000 kJ，最高可達8 000 kJ）使地基產生強烈的振動和很高的動應力，從而在一定范圍內使土體強度提高，壓縮性降低[4]。

蘭州吉利汽車工業有限公司位于蘭州新區緯三路北側，緯一路南側，在二期廠區建設中，建筑物多為鋼結構動力夯擊車間，高度12 m，設計荷載220 kPa。該區域上部地層主要為土、砂混層，承載力特征值一般為fak＝120 kPa。地基處理方法擬采用強夯法，試夯夯擊遍數為先點夯3遍，夯擊能為4 000 kJ，再以低能量滿夯2遍，滿夯采用輕錘或低落距錘多次夯擊，錘印搭接。夯點位置布置采用等腰三角形網格布置，呈梅花形，強夯范圍為基礎邊緣不小于3 m，其中第一遍夯點間距為5 m，第二遍夯點位于第一遍夯點之間，以后各遍夯擊點間距可適當減小至錘印搭接。強夯處理后的地基，采用重型動力觸探（N63.5）測試，測試深度為4～6 m。檢測結果表明，承載力特征值達250 kPa，承載力提高幅度較大，完全滿足工程建設的需要，該項目最后采取強夯法處理地基。

4.1.2 強夯置換

對于一般的建筑，在上部地層含水量較大的場區(天然含水量一般大于18%)，擬采用強夯置換處理地基。強夯置換的加固機理是利用重錘高落差產生的高沖擊能將碎石、片石、礦渣等性能較好的材料強力擠入地基中，在地基中形成一個個粒料墩，墩與墩間土形成復合地基，以提高地基承載力，減小沉降。

蘭州新區一經濟適用房項目，由于工程建設場地多位于農田內，受灌溉等因素的影響，上部約6 m地層含水量較大，天然含水率達18%～26%。針對這種地層，地基處理方法推薦了強夯置換法進行試驗。工程建設前期選擇了一20 m×20 m的試夯區，共布設25個夯點，夯點按正方形布置，夯點距離4 m，排距4 m，錘徑2.5 m，強夯置換材料為天然級配砂石，換填1.1 m，夯擊分3遍完成，第一、二遍夯擊能量4 000 kN·m；第三遍以夯擊能量1 500 kN·m進行滿夯，單點夯擊次數2次，夯擊搭接重疊1/3。對強夯置換處理的場地進行重型動力觸探試驗和平板式載荷試驗檢測。

通過重型動力觸探試驗，強夯置換墩下部地層動探錘擊數均較高，回填碎石密實度達到中密～密實，墩間土經強夯后亦被擠密，密實度達到中密～密實程度。重型動力觸探錘擊數N63.5統計見表3所列。

表3 強夯置換地基重型動力觸錘擊數N63.5統計表

通過靜載荷試驗，強夯置換地基的極限承載力一般為637 kPa，根據規范規定[5]，承載力特征值fak為318 kPa，變形模量E0為39 kPa。由于試驗在冬季進行，考慮到凍融的影響，最后建議承載力特征值fak按280 kPa取值，提供了較為準確的設計依據。強夯置換地基靜載荷試驗部分P－S曲線見圖2所示。

圖2 強夯置換地基靜載荷試驗部分P－S曲線圖

4.2 復合地基

4.2.1 載體樁

載體樁是將外管振動（或螺旋引孔）沉管至預定標高，在管內放入一定量的磚塊或建筑硬垃圾（舊磚、瓦片、混凝土塊、石塊等），將內夯錘砸下，落差通常在10 m以上，夯擴頭成型后，灌入干硬性混凝土，然后灌注混凝土作為樁身。

在蘭州新區一住房項目中（高度45m），選擇了載體樁試驗區，試驗總樁數8根，樁長大于13 m，樁型分為兩種，其中Ф450mm的樁5根，Ф600mm的樁3根，樁間距5 m，樁身混凝土強度為C30，通長配筋，Ф450 mm的主筋7Ф14，Ф600 mm的主筋9Ф14，箍筋為Ф6＠300的螺旋箍。在樁頂3m范圍內Ф6＠100，加勁筋為Ф12＠2000，填充料為磚塊及干硬性混凝土，填充量以三擊貫入度不大于5 cm進行控制[6]。

通過對載體樁進行靜載荷試驗，Ф450 mm的樁極限承載力最大為3 240 kN，最小為2 160 kN，平均值2 790 kN，極差一般超過平均值的30%，故應進一步進行研究。Ф600 mm的樁極限承載力最大為4 140 kN，最小為3 680 kN，平均值3 790 kN，極差未超過平均值的30%，綜合考慮，承載力特征值可按1 840 kN取值。目前，Ф600 mm載體樁已在蘭州新區部分建筑物地基處理中得以應用。靜載荷試驗部分Q－S曲線見圖3和圖4所示。

圖3 Ф450 mm靜載荷試驗部分Q－S曲線圖

圖4 Ф600 mm靜載荷試驗部分Q－S曲線圖

4.2.2 混凝土夯擴樁

混凝土夯擴樁是將內外管同時捶擊（或振動）進入預定標高，然后提起內管，灌注一定量的混凝土，放入內管，進行捶擊，在樁底部形成一個類球形擴大頭，增加樁體的端承力，樁身施工同鋼筋混凝土灌注樁。

在蘭州新區住宅小區項目中，采用了混凝土夯擴樁基礎進行試驗。樁長大于15 m（深入水位以下1 m），樁身直徑Ф450 mm，樁身混凝土強度為C45，通長配筋，主筋8Ф14，箍筋為Ф8＠300的螺旋箍。在樁頂3 m范圍內Ф8＠100，加勁筋為Ф12＠2000，填充料為干硬性混凝土，填料量以三擊貫入度不大于5 cm進行控制，且不得大于1.8m3。通過對混凝土夯擴樁進行靜載荷試驗，樁極限承載力最大為3 180 kN，最小為2 420 kN，平均值2 740 kN，考慮到各種因素影響，承載力特征值可按1 200 kN取值。后來設計部門采用了該基礎類型進行設計，通過施工表明，效果良好。

4.2.3 CFG樁

CFG樁又稱水泥粉煤灰碎石樁，由碎石、石屑、砂、粉煤灰摻水泥加水拌和，用各種成樁機械制成的可變強度樁，是介于剛性樁與柔性樁之間的一種樁型。

甘肅信源軟件信息股份有限公司擬建的地理信息大廈，主樓9層，選擇了CFG樁復合地基，成孔方式采用長螺旋鉆成孔，樁長11～13 m，呈正方形布置，樁徑Ф400 mm，樁間距1 600 mm，樁身混凝土強度C20，采用筏式基礎，設計要求復合地基承載力特征值不小于260 kPa，單樁豎向抗壓承載力特征值不小于440 kN。為確定CFG復合地基承載力特征值及單樁豎向抗壓承載力特征值，主樓部位進行了現場試驗。單樁豎向靜載試驗采用慢速維持荷載法，單樁復合地基靜載試驗采用分級維持荷載相對穩定法。試驗表明，單樁豎向承載力特征值Ra為500 kN，復合地基承載力特征值fspk最大為 402 kPa，最小為 391 kPa，取值 300 kPa，復合地基變形模量為26 MPa。完全滿足設計要求，試驗數據統計分別見表4和表5所列。

表4 CFG樁單樁豎向抗壓承載力參數統計表

表5 CFG樁復合地基承載力試驗結果統計表

在施工過程中，由于上部地層不同深度分布有各類砂層，給樁孔施工帶來了很大的難度。

4.2.4 其它類型

在新區建設過程中，也有一些建筑物推薦采用其它類型的基礎形式進行試驗，如灰土擠密樁等。試驗表明，由于上部地層不同深度分布有砂層，樁孔施工難度大，同時灰土擠密樁針對砂層擠密效果不明顯，故未能推廣采用。

4.3 樁基礎

針對蘭州新區上部地層分布比較復雜的特點，對一些高層建筑、大型橋梁等重大項目，一般采用了鉆孔灌注樁基礎，基礎持力層為泥巖層，樁長達40～60 m，根據工程需要，樁徑達800～1 500 mm。如蘭州新區綜合服務中心、蘭州新區東立交、趙家鋪立交橋等工程均采用了鉆孔灌注樁基礎，經靜載荷試驗表明，完全滿足設計要求。

目前蘭州新區鉆孔灌注樁的成孔方式是多樣的，如旋挖鉆成孔、長螺旋鉆成孔等，通過大量的實踐證明，旋挖鉆、長螺旋鉆針對密實的礫砂層及礫巖層，很難穿越成孔，同時清底難度大，沉碴厚度不易控制，已逐漸被其它的成孔工藝所取代。

5 結語

（1）蘭州新區目前已進入開發建設的高峰時期，由于場區地質條件非常復雜，考慮到建筑物的特點、建設成本等因素的影響，應加大試驗檢測力度，比選優化，選擇適宜的地基方案尤為重要。

（2）從當前的工程實踐來看，對于一般的建筑物，宜采用混凝土夯擴樁或Ф600 mm載體樁基礎，以上部土-砂層作為基礎持力層比較經濟、安全。對于高層建筑、大型橋梁等重要的工程項目，可采用鉆孔灌注樁基礎，以泥巖作為基礎持力層，同時應充分考慮地下水腐蝕性的影響。

（3）通過一系列工程實踐，目前在取得成績的同時，仍存在一些問題，在今后的建設過程中，還要不斷總結、試驗、研究，使工程建設達到安全可靠、節約成本的目的。

[1]GB 50025-2004，濕陷性黃土地區建筑規范[S].

[2]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[3]GB 50046-2008，工業建筑防腐蝕設計規范[S].

[4]林宗元.巖土工程治理手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1993.

[5]JGJ 79-2002，建筑地基處理技術規范[S].

[6]JGJ 135-2007，載體樁設計規程[S].