蘭州地區第三系風化砂巖超高層建筑地基基礎方案比選

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計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

蘭州地區第三系砂巖分布在黃河兩岸階地第四系覆蓋層之下，經受長期風化剝蝕及黃河的沖蝕切割作用，構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80年代至21世紀初，蘭州地區工程勘察部門對砂巖地基的工程特性結合工程實踐進行過一些試驗研究，綜合確定了風化砂巖承載力為450 kPa～550 kPa，超高層建筑砂巖地基采用樁基礎。近年來，蘭州地區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，設計所需地基承載力大大提高。因此，對第三系砂巖地基的工程性質進行更深入的研究，發掘承載力潛力，是迫切需要解決的巖土工程問題。

1 工程概況

擬建某超高層場地東西長約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模特征如表1所示。

表1 擬建建筑物規模特征一覽表

2 工程地質條件

2.1 場地地形地貌

工程場地屬于黃河南岸Ⅱ級階地的后緣地帶，場地地勢較平坦，地面標高變化于1 520.82 m～1 522.35 m之間。

2.2 場地地層結構

場地地層自上而下分別為雜填土、粉土、飽和粉土、卵石、細砂、強風化砂巖、中風化砂巖。

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化砂巖中，由大氣降水、高階地地下徑流、區外側向徑流和管溝滲水補給，西南往東北流向，排泄于黃河。勘察期間地下水位穩定埋深約1.7 m～7.2 m，對應高程為1 515.07 m～1 516.33 m。

3 地基土工程性質

3.1 風化砂巖物理力學性質

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砂巖。曲率系數介于0.84～0.87，不均勻系數介于2.04～2.36，顆粒均勻。

2)風化砂巖物理性質。在不同深度位置采取巖石試樣進行室內巖石物理性質試驗，分析統計結果見表2。

3)浸水崩解特征。強風化砂巖耐崩解指數基本為0，全部崩解為砂狀；中風化砂巖耐崩解指數最大為4.39%，隨深度增加有增大趨勢，為完全崩解。

4)滲透性。室內滲透試驗表明：強風化砂巖垂直方向滲透系數為7.45×10-3cm/s，水平方向滲透系數為4.17×10-3cm/s，中風化砂巖層垂直方向滲透系數為1.04×10-3cm/s。依據GB 50487—2008水利水電工程地質勘察規范巖土體滲透性分級，強風化砂巖屬于中等透水層，中風化砂巖屬于中等～弱透水層。

5)單軸抗壓強度。強風化砂巖天然抗壓強度最大值為0.16 MPa，最小值為0.02 MPa，標準值為0.05 MPa，中風化砂巖天然抗壓強度最大值為0.59 MPa，最小值為0.94 MPa，標準值為0.72 MPa。巖石飽和單軸抗壓強度Rc<5.0 MPa，屬于極軟巖。巖石的軟化系數均小于0.75，屬于易軟化巖石(見表2)。

強風化砂巖天然/干燥抗壓強度隨著深度的增大不明顯；含水率隨風化程度減弱而減小，抗壓強度隨含水率減小而提高的規律比較明顯。

表2 砂巖物理性質指標統計成果表

6)三軸壓縮強度。對采取的風化砂巖試樣進行不固結不排水三軸壓縮(UU)試驗，圍壓采用100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa。

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

7)抗剪強度。將直剪試驗和三軸試驗測得的c，φ值匯總如表3所示。

8)高壓固結試驗。為了評價砂巖在不同豎向壓力條件下的壓縮變形性質，進行室內壓縮試驗(加荷至3 200 kPa)，結果如圖2，表4所示。

表3 砂巖層抗剪強度試驗指標統計表

表4 砂巖層高壓固結試驗指標統計表

試驗結果表明，砂巖在各級壓力下，均呈現低壓縮性。在800 kPa～1 600 kPa壓力段，壓縮系數介于0.01～0.03，壓縮模量介于67.4 MPa～109.0 MPa。隨試驗壓力增加，壓縮性減小，且隨壓力增加到1.6 MPa，中、強風化砂巖壓縮性接近。

3.2 原位測試

1)砂巖標準貫入試驗。強風化砂巖標準貫入實測擊數N一般介于120 J/30 cm～182 J/30 cm，土體密實程度差異較小，呈密實狀態。

2)旁壓試驗。經現場旁壓試驗測定，本工程強風化及中風化砂巖的地基承載力特征值、旁壓模量、旁壓剪切模量、基床系數如表5所示。

表5 強風化及中風化砂巖旁壓試驗成果統計表

3)超聲波測試。通過超聲波測試得出各地層的壓縮波波速Vp如表6所示，室內試驗得出場區新鮮完整巖塊的壓縮波波速為2 397.62 m/s，進而得出巖體的波速比和風化程度。

表6 場地巖土體聲波測試結果統計表

4 地基土工程性質評價

4.1 承載力與變形指標確定

根據上述各種試驗、測試資料成果分析，依照GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范和《工程地質手冊》，結合場地條件與地區經驗綜合評價，地基承載力特征值及變形指標建議見表7。

表7 地基土承載力及變形指標綜合評價表

4.2 均勻性評價

所有建筑物基底持力層均為強風化砂巖，工程性質良好，水平向和垂直向工程性質差異性小，屬均勻地基。

5 地基基礎方案分析與建議

5.1 天然地基變截面筏板基礎

適合于復雜柱網結構，具有基礎埋深大、剛度大、整體性強、受力均勻、抗震能力好等特點，能充分發揮地基承載力，對地基反力和地基沉降的調節能力強，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整配筋來滿足設計要求，同時板鋼筋布置簡單、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。

該場地內強風化砂巖層承載力和變形指標能夠滿足天然地基筏板基礎設計條件，但是強風化砂巖天然地基對防水要求較高，在地基基礎施工時，必須采取相應的保護措施，最大限度地減少施工對持力層的擾動。

5.2 樁筏聯合基礎

若在核心筒及柱網底部增加樁基礎，基樁進入中風化砂巖層一定深度，采用樁—筏聯合基礎，由樁、筏板、地基土三部分共同作用，能保證在承擔上部結構荷載的同時，可以降低建筑物沉降量，降低塔樓與裙樓間沉降差，不產生過大的不均勻沉降，較好地達到控制變形的目的。此外還能承受一定的上拔力和水平荷載，缺點是造價較高。

5.3 超高層采用樁—筏聯合基礎，高層和多層裙房采用變截面筏板基礎型式

對建筑物有針對性地選用不同基礎型式，兼顧筏板基礎和樁—筏聯合基礎優缺點，經濟造價介于上兩種方案之間。

5.4 本項目地基基礎方案建議

根據各擬建建筑物基礎埋深、基底壓力、地層分布情況，對地基基礎方案建議如表8所示。

表8 擬建建筑物地基基礎方案建議表

6 天然地基筏板基礎沉降估算

6.1 《高層建筑巖土工程勘察標準》地基變形量估算

根據JGJ 72—2017高層建筑巖土工程勘察標準附錄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 地基變形量數值模擬計算

按高層到超高層對角線取剖面進行計算，得出Z方向的沉降量云圖(見圖3)，通過模型計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 結語

1)采用鉆探、原位測試和室內巖石試驗等多種手段分析了各層地基土的物理力學性質，提供了各層地基土承載力、抗剪強度及變形指標等地基基礎設計、基坑支護設計與施工有關的參數。2)將風化砂巖的承載力提高至1 200 kPa以上，并通過基礎方案比選，可選用天然地基變截面筏板基礎，技術可行、經濟合理，用規范法和數值模擬估算了地基變形量，可滿足規范要求。3)建議在基坑開挖后進行載荷試驗，復核勘察報告中所提地基承載力、變形指標及基礎方案選擇，為工程的設計和使用提供可靠依據。