淺談如何優(yōu)化巖土勘察工程與地基設(shè)計(jì)

吳華輝　劉毅

（江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院　江西　南昌　330000）

淺談如何優(yōu)化巖土勘察工程與地基設(shè)計(jì)

吳華輝劉毅

（江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院江西南昌330000）

優(yōu)化巖土勘察工程是建設(shè)項(xiàng)目中的重要技術(shù)，也是作為巖土工程地質(zhì)勘探設(shè)計(jì)的先決條件，巖土工程勘察有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文就如何優(yōu)化巖土勘察工程與地基設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并通過基礎(chǔ)方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較優(yōu)選過程以及設(shè)計(jì)方案的實(shí)際實(shí)施效果，供同行參考。

工程勘察；地基處理；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與城市建設(shè)的步伐不斷加快，優(yōu)化巖土工程勘查工作的必要性越來越強(qiáng)。因此，怎樣能更有效地進(jìn)行巖土勘察工作自然顯得尤為重要。目前根據(jù)巖土工程勘察與地基設(shè)計(jì)工程建設(shè)的發(fā)展，至今已取得優(yōu)秀的成績(jī)，但一些相關(guān)的理論還在處于初步階段，如何提高勘察及設(shè)計(jì)水平、為用戶提供安全和經(jīng)濟(jì)的最終產(chǎn)品是每一個(gè)巖土工程師的責(zé)任和義務(wù)。在巖土工程勘察與地基設(shè)計(jì)過程中，會(huì)出現(xiàn)一些規(guī)范理解不透、有些是規(guī)范本身存在不足的，本文筆者就巖土工程勘察與地基設(shè)計(jì)中的若干問題提出自己的認(rèn)識(shí)，以供同行借鑒。

1　優(yōu)化巖土工程勘察的意義

通過巖土工程勘察可以有效的防止一些預(yù)料不到的災(zāi)害發(fā)生，并且能有利于處理自然環(huán)境與工程建筑的平衡。巖土工程的勘察工作不容忽視，調(diào)查和工程建設(shè)有關(guān)的工程地質(zhì)條件，評(píng)價(jià)存在的與巖土工程有關(guān)的工程地質(zhì)問題，為工程建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工等提供詳實(shí)、科學(xué)、準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，是工程建設(shè)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，以防給工程帶來不必要的損失。了解工程通過地帶的地質(zhì)條件是巖石勘察工作的主要任務(wù)。準(zhǔn)確的巖石特性指標(biāo)和地基基礎(chǔ)是擬建場(chǎng)地工程可行性的依據(jù)。修建的工程只有滿足相關(guān)需求，才能創(chuàng)造出最大的效益，為公司和國(guó)家?guī)斫?jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2　基礎(chǔ)方案比較選擇

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，本區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，基本烈度為Ⅵ度。場(chǎng)地類別為Ⅲ類，特征周期為0.45s，屬可建設(shè)的一般場(chǎng)地。場(chǎng)地地下水位較高。場(chǎng)地內(nèi)土層分布連續(xù)，各層土力學(xué)性質(zhì)差異較大，上部為軟弱土層。

本工程為房地產(chǎn)開發(fā)住宅小區(qū)，甲方對(duì)基礎(chǔ)方案的要求是造價(jià)低，施工速度快。為滿足甲方要求，使基礎(chǔ)設(shè)計(jì)達(dá)到最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行以下幾種地基基礎(chǔ)方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，從中選出最佳方案：

2.1天然地基——大開挖后利用④層粉土夾粉質(zhì)粘土作持力層

有利條件：場(chǎng)區(qū)為農(nóng)田，近邊無重要管線和建筑物、道路等，開挖的環(huán)境條件較好，有利于開挖機(jī)械操作和堆土。不利條件：

（1）土方開挖工程量大。

（2）地下水位高，開挖時(shí)面臨流土流砂及基坑邊坡塌方問題。優(yōu)點(diǎn)：施工方便，工期短。缺點(diǎn)：受天氣條件影響大。

（3）④層粉土夾粉質(zhì)粘土承載力特征值105kPa，工程特性一般，建筑物可能會(huì)產(chǎn)生較大沉降。

2.2復(fù)合地基方案——采用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理（樁端持力層為層⑤粉土夾粉砂）

此方案技術(shù)比較成熟，使用經(jīng)驗(yàn)較多，施工周期相對(duì)較短，經(jīng)濟(jì)性比較好，因此選一棟典型住宅（9#樓），以相對(duì)造價(jià)較低的水泥土攪拌樁進(jìn)行初步設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)分析。根據(jù)基礎(chǔ)圖，攪拌樁總樁數(shù)903根。處理要求復(fù)合地基承載力達(dá)到130kPa。

攪拌樁樁徑為500mm；28天齡期水泥土試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到1500kPa。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，樁長(zhǎng)控制到層⑤粉土夾粉砂中，平均樁長(zhǎng)為4.5m。單樁承載力Ra的確定：根據(jù)地質(zhì)條件Ra1= 85kN；根據(jù)樁身強(qiáng)度Ra2=98kN。取以上二者的小值，即Ra=min {Ra1，Ra2}=85kN。

攪拌樁工程量∑L=903×4.5=4063.5m。按本地粉噴樁市場(chǎng)價(jià)估算造價(jià)約12萬元。

2.3采用換填墊層法對(duì)淺層軟弱土層進(jìn)行處理方案

換填墊層法采用砂石墊層，將表層素填土、淤泥質(zhì)土等不良土全部置換。其加固機(jī)理是：①置換作用。將基底以下軟弱土全部或部分挖出，換填為較密實(shí)材料，可提高地基承載力，增強(qiáng)地基穩(wěn)定。②應(yīng)力擴(kuò)散作用。基礎(chǔ)底面下一定厚度墊層的應(yīng)力擴(kuò)散作用，可減小墊層下天然土層所受的壓力和附加壓力，從而減小基礎(chǔ)沉降量，并使下臥層滿足承載力的要求。④加速固結(jié)作用。用透水性大的材料作墊層時(shí)，軟土中的水分可部分通過它排除，在建筑物施工過程中，可加速軟土的固結(jié)，減小建筑物建成后的工后沉降。⑤均勻地基反力與沉降作用。保證基礎(chǔ)底面范圍內(nèi)土層壓縮性和反力趨于均勻。

換填墊層法具有提高承載力、增加地基強(qiáng)度、減少基礎(chǔ)沉降、墊層采用透水材料可加速地基的排水固結(jié)的優(yōu)點(diǎn)，而且可就地取材，施工方便，不需特殊的機(jī)械設(shè)備，與粉噴樁方案比較，既能縮短工期，又能降低造價(jià)，但與天然地基方案比，均需大開挖，工期延長(zhǎng)，費(fèi)用也有所增加。選9#樓，按照處理后復(fù)合地基承載力fspk達(dá)到120kPa估算。根據(jù)磚混結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，估算取墊層厚1200mm，采用3：7砂石，墊層面積約為890m2，所需砂石墊層體積V=1.2×890=1068m3。按照當(dāng)?shù)夭牧蟽r(jià)格及設(shè)備臺(tái)班等綜合費(fèi)用，折算到每立方米造價(jià)約100元/m3，本方案估算造價(jià)為10.68萬元。

由以上分析可見，在相同條件下，方案2.1天然地基方案工期短，造價(jià)低，為優(yōu)先采用方案。考慮沉降控制要求，可用方案2.2復(fù)合地基方案。

3　基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，六層磚混住宅采用條形基礎(chǔ)，采用大開挖天然地基方案，基底埋深2.10m左右。四層框架結(jié)構(gòu)商住樓采用柱下獨(dú)立柱基，采用復(fù)合地基方案，處理后復(fù)合地基承載力fspk= 130kPa。各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　地基土工程特性指標(biāo)一覽表

雖然換填墊層法有加速固結(jié)和均勻地基反力與沉降作用，但由于場(chǎng)地內(nèi)土層分布不連續(xù)，各層土力學(xué)性質(zhì)差異較大，軟弱土層發(fā)育，土層壓縮模量小。

沉降計(jì)算表明，采用天然地基和復(fù)合地基，建筑物會(huì)有一定沉降和沉降差。因此應(yīng)針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)類型和地基情況，采取有效措施：

（1）對(duì)于獨(dú)立柱基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)的商住樓，在計(jì)算中，按地基承載力確定出基礎(chǔ)底面尺寸之后，通過沉降計(jì)算，逐個(gè)調(diào)整基礎(chǔ)面積，使計(jì)算沉降差滿足規(guī)范要求；在構(gòu)造上，設(shè)置縱橫向基礎(chǔ)梁，并適當(dāng)加強(qiáng)。由于土層分布不連續(xù)，部分位置相鄰近基礎(chǔ)下土層變化很大，此時(shí)除采取前述措施外，還應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)，提高上部結(jié)構(gòu)對(duì)不均勻沉降的抵抗能力。

（2）對(duì)于磚混結(jié)構(gòu)住宅，首先應(yīng)通過沉降計(jì)算，調(diào)整基礎(chǔ)面積，使沉降差滿足規(guī)范要求。由于磚混結(jié)構(gòu)對(duì)不均勻沉降很敏感，容易因?yàn)椴痪鶆虺两刀a(chǎn)生裂縫。為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵抗不均勻沉降能力，設(shè)計(jì)采取如下技術(shù)措施：

①加強(qiáng)基礎(chǔ)剛度，設(shè)置并加強(qiáng)地圈梁。

②合理布置縱橫墻，縱橫墻應(yīng)盡量貫通，并控制橫隔墻的間距不大于建筑物寬度的1.5倍。

④合理設(shè)置圈梁，增強(qiáng)建筑物的整體性，在一定程度上能防止或減少裂縫的出現(xiàn)，即使出現(xiàn)了裂縫也能阻止裂縫的發(fā)展。

⑤控制建筑物的長(zhǎng)高比。建筑物的長(zhǎng)高比控制在2.5～3之間時(shí)，可減少建筑物的相對(duì)彎曲，房屋不易出現(xiàn)裂縫。較長(zhǎng)建筑可通過合理設(shè)置結(jié)構(gòu)縫分為長(zhǎng)高比適當(dāng)?shù)膸讉€(gè)結(jié)構(gòu)單元。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]10.2.9條，建筑物在施工期間及使用期間進(jìn)行變形觀測(cè)。沉降觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)及變形觀測(cè)應(yīng)按文獻(xiàn)[3]中有關(guān)要求。在圖紙中應(yīng)明確標(biāo)注沉降觀測(cè)點(diǎn)位置及沉降觀測(cè)要求。

4　設(shè)計(jì)效果

施工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，天然地基特別做好驗(yàn)槽工作，必要時(shí)作施工勘察。復(fù)核地基做好靜載試驗(yàn)工作。復(fù)合地基A進(jìn)行載荷試驗(yàn)。加荷分級(jí)不應(yīng)少于8級(jí)。最大加載量不應(yīng)小于設(shè)計(jì)要求的兩倍。每加一級(jí)荷載讀一次承壓板沉降量，以后為每隔半小時(shí)測(cè)讀一次，當(dāng)一小時(shí)內(nèi)沉降量小于0.1mm時(shí)，則認(rèn)為已趨于穩(wěn)定，可加下一級(jí)荷載。實(shí)測(cè)典型載荷試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試曲線見圖1。

圖1　場(chǎng)地典型載荷試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試曲線

從P～S曲線上看，曲線沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，整個(gè)變形過程是隨著荷載增加土體產(chǎn)生壓縮變形，當(dāng)試驗(yàn)荷載加至最大試驗(yàn)荷載260kPa時(shí)，板頂沉降已經(jīng)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，頂板總沉降量19.59mm。現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)承壓板周圍的土明顯地側(cè)向擠出、隆起和出現(xiàn)裂縫等破壞現(xiàn)象，實(shí)測(cè)頂板總沉降量很小，離基礎(chǔ)土壤破壞還有一定距離，可見地基承載力還有一定安全余量。

綜合以上情況和試驗(yàn)結(jié)果表明，處理后復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)在工程已經(jīng)進(jìn)入全面施工階段，施工過程比較順利，實(shí)際造價(jià)能控制在預(yù)測(cè)范圍內(nèi)。工程基本達(dá)到設(shè)計(jì)目的，較好地滿足業(yè)主要求，取得良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，受到業(yè)主的好評(píng)。

[1]《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2002）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[2]袁明.淺談巖土工程勘察方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].巖土工程界，2007（04）.

[3]賴惠明.巖土工程勘察中存在的技術(shù)問題探討[J].四川建材，2007（03）.

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2015-4-20