鄭州某高層建筑地基（含防空洞）的選擇及處理

劉海學LIU Hai-xue

（中化地質河南局集團有限公司，鄭州450011）

1 鄭州市地質背景

1.1 區域構造

鄭州市地處鄭汴坳陷的西南部，與嵩山隆起銜接。因此鄭州處于隆起與坳陷的過度地帶。新生代以來坳陷區的構造運動，雖以大幅度的沉降運動為主，但沉降幅度在空間上是不一致的，總的趨勢是東北大，西南小。

晚第三紀發生大面積的沉陷，整個華北平原連成一片。上第三系和第四系厚度由西南向東北逐漸增加，滎陽賈峪北為50m，鄭州市內為600-1000m，到東北部增加到2800m。第四系上更新統底界深度在鄭州市西南不足30m，而市區東北棗莊可達百米。全新統在市區東部厚度20-30m，其他地段沒有沉積。

1.2 近場構造

老鴉陳斷層北起黃河鐵路橋，從邙山東側通過，向南延伸經過省體育館東緣穿過鄭州市區。地形地貌上表現為邙山東側為一陡坎，西為黃土丘陵，東為一望無際的平原。第四系上更新統與全新統地質界線基本沿此界限分布。該斷層控制了下第三系地層的沉積，斷距200-400m。

1.3 地震效應

鄭州市抗震設防烈度7度，設計地震分組為第二組，設計地震加速度0.15g。市區覆蓋層厚度42-72m。一般認為從五龍口路-南陽路-市體育館-鳳凰臺-鄭汴路一線北東建筑場地類別為Ⅲ類，南西為Ⅱ類。

西部晚更新世地層，不存在液化。東部淺部全新世地層，多輕微液化，液化層為黃河新近泛濫堆積的松散-稍密粉土、粉砂。

2 鄭州市區工程地質條件

2.1 地形地貌

鄭州市區位于河南省西部黃土丘陵與東部黃河沖積平原的交接地帶，屬華北平原的一部分，地勢由西南向東北傾斜，地貌單元自西向東依次為：黃土臺塬—塬間洼地—黃河沖積（泛濫）平原。

2.2 地層

鄭州市區全部為第四系松散堆積物覆蓋，從西向東變厚，整體地層層序較清楚。對第四系地層由新到老分述如下：

2.2.1 全新統

全新統地層分布于五龍口路-南陽路-銘功路-太康路-商城路-鄭汴路一線北東的廣大區域。沉積時間短，距今約1.2萬年。最大厚度約32m。

2.2.2 上更新統（Q3）

為沖積成因的粉土、粉質粘土夾粉細砂透鏡體，含較多姜石、鈣質網文。主要分布在西部波狀平原及山前沖積平原上部及東部30米以下深度，厚度30-40m。地基承載力特征值160-240kPa。

2.2.3 中更新統（Q2）

為沖洪積棕紅、棕黃色粉質粘土夾粉土、粉砂，含較多鈣質結核，局部富集成層或透鏡體。該層西部分布在30m以下，東部在70m以下。厚度30-40m。

2.2.4 下更新統（Q1）

為冰水堆積灰白色礫石夾棕紅、紫紅、灰綠色粘土、粉質粘土層，礫石礫徑1-7cm。分選差。該層西部分布在70米以下，東部在110m以下。厚度90-200m。

2.3 地下水

西南部10-40m。淺層含水層巖性東部主要為全新統粉土、粉砂，為晚更新統粉土層。粉土綜合滲透系數為0.5m/d，粉砂滲透系數6-12m/d。一般來說，地下水對混凝土具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋及鋼結構局部有微-弱腐蝕性（干濕交替）。

2.4 特殊土

鄭州市區有特殊土分布，以表層填土及西部濕陷性黃土為主，局部沖溝具有厚層粉煤灰分布。

填土：可分為雜填土、素填土。雜填土分布在表層，無規律，市區一般厚度0.5-1.5m，在西部溝谷、市內挖土坑內厚度可達5.0m以上。素填土主要分布在管城區商代遺址附近區域，以粉土為主，松散，厚度3-5m；在西部中原路與西環路交叉口附近西流湖東側沖溝內分布有電廠沉淀池，沖填土為厚達5.0-28.0m的粉煤灰。

濕陷性土：分布在鄭州市區西半部黃土丘崗及山前沖積平原上，以上更新統及全新統濕陷性黃土狀土為主，一般厚度4-8m，地基濕陷等級Ⅰ級輕微。

3 鄭州市某高層建筑地基工程地質特征

3.1 地層結構特征

鄭州某高層住宅建筑物地面以上18層，設1層地下室，基礎埋深約5.5m。框架—剪力墻結構。高層住宅平面近方形，南北長29.9m，東西寬28.0m，建筑面積約15069.6m2。擬采用天然地基筏板基礎或樁基礎。

場地位于鄭州市西部山前沖積傾斜平原。地層表層約3.0m為一層黃褐色黃土狀粉土或粉質粘土，稍濕，含蟲孔根系、鈣質斑紋，具濕陷性；本層下為灰黃、褐黃色粉土，中密-密實，約5m以淺有濕陷性；約10-15m，夾薄層粉砂。15-20m往往有一層相對軟層，以下逐漸變硬，以黃褐色、紅褐色粉質粘土為主，多有數層鈣質膠結透鏡體，局部成層。地層一般為超固結土，具有較為復雜的應力歷史。勘探深度55.0m范圍內除淺部混凝土地坪外均為第四紀晚更新世沉積地層。按其不同的成因、時代及物理力學性質差異劃分為10個工程地質單元層，典型指標見表1，分述如下：

表1 地基土物理、力學性質指標

①-1雜填土（Q4ml）：層底埋深0.7-1.0m，層厚0.7-1.0m。

表層約0.6m為混凝土地坪。下部以灰土、粉土為主，局部因分布有下水道，填土埋深2.5m。

①粉土（素填土）（Q4ml）：層底埋深2.0-3.0m，層厚1.0-2.0m。

地層呈褐黃色、灰黃色，中密，稍濕。搖振反應迅速，無光澤，干強度低，韌性低。具針孔狀孔隙，見少量蝸牛碎殼，含小顆粒鈣質結核，白色鈣質斑點。

②粉土（Q3al）：層底埋深5.1-5.8m，層厚2.1-3.6m。

地層呈褐黃、黃灰色，中密，稍濕。搖振反應迅速，無光澤，干強度低，韌性低。含灰白色斑點，少量白色蝸牛碎片，小顆粒鈣質結核。

③粉土（Q3al）：層底埋深9.8-11.0m，層厚4.7-5.5m。

地層呈黃褐色，密實，稍濕。搖振反應迅速，無光澤，干強度低，韌性低。見少量蝸牛殼，含有少量小塊鈣質結核。

④粉土（Q3al）：層底埋深11.3-13.8m，層厚1.5-3.1m。

地層呈黃褐色，密實，稍濕。搖振反應中，無光澤，干強度低，韌性低。含有較多白色鈣質條紋，少量小塊鈣質結核。

⑤粉土（Q3al）：層底埋深16.0-16.8m。層厚2.9-4.7m。

地層呈黃褐色，密實，稍濕。搖振反應中，無光澤，干強度低，韌性低。含白色鈣質條紋，見少量蝸牛碎殼，含有小塊鈣質結核。局部夾粉砂透鏡體。

⑥粉土（Q3al）：層底埋深22.0-24.0m，層厚5.3-7.5m。

地層呈黃褐色，密實，稍濕。搖振反應中，無光澤，干強度低，韌性低。含白色鈣質條紋，見少量蝸牛碎殼，含有小塊鈣質結核。

⑦粉砂（Q3al）：層底埋深26.8-27.3m，層厚3.3-4.8m。

地層呈黃褐色，密實，稍濕。主要礦物成分以石英、長石云母為主。夾粉土薄層，密實，稍濕。含白色鈣質條紋，較多鈣質結核。

⑧粉土夾粉質粘土（Q3al）：層底埋深29.6m，層厚2.3-2.8m。

地層呈黃褐色，密實，稍濕。搖振反應中，無光澤，干強度低，韌性低。含黑褐色鐵錳質斑點，夾粉質粘土，密實，稍濕。含較多鈣質結核。

⑨粉土（Q3al）：層底埋深35.0m，層厚5.4m。

地層呈褐色，密實，稍濕。搖振反應中，無光澤，干強度低，韌性低。含黑褐色鐵錳質斑點，含較多鈣質結核。

⑩粉土（Q3al）：本層未揭穿。

地層呈褐色、紅褐色，密實，稍濕。搖振反應中，無光澤，干強度低，韌性低。含黑褐色鐵錳質斑點，含較多鈣質結核。局部夾粉質粘土。

3.2 地下水條件

本次勘察期間勘探深度35.0m左右，屬第四系松散巖類孔隙潛水。地下水對擬建建筑物地基基礎設計、施工無影響。

3.3 不良地質作用及對工程不利的地下埋藏物

本場地發現有防空洞、下水道（下水道埋深2.5m±），防空洞頂板埋深9.0m，洞底高程110.996m，洞寬2.0m，高2.0m左右，除此之外，無其它不良地質作用。

4 場地地震效應

根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001），鄭州市抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g，設計地震分組為第二組。按抗震重要性分類，本工程屬標準設防類（丙類）建筑。20m以淺的土層等效剪切波速Vse平均值為310.2m/s。該場地的設計特征周期0.40s，根據區域地質資料，場地覆蓋層厚度小于50m，判定建筑場地類別為Ⅱ類，本場地地下水位埋深35.0m左右，且地基土主要為第四紀晚更新世沉積地層，判定場地土無地震液化性。

由于地基主要受力層存在防空洞，判斷本場地為建筑抗震不利地段。

5 巖土工程分析與評價

5.1 工程環境與建筑適宜性

擬建場地位于鄭州市伏牛路與崗坡路交叉口西200m左右路南。現擬建62#高層住宅，東距已有14#、15#住宅樓約10.0m，西距圍墻約2.0m，南離已有41#住宅樓約10.0m，北約13.0m為崗坡路，工程環境條件一般。區域上位于華北地臺南緣，基底地塊完整，據區域資料，鄭州地區的斷裂大都為前新生代的非活動斷裂，新生代以來活動斷裂老鴉陳斷裂距本場地較遠，對擬建場地的穩定性無直接影響，所以場地穩定，適宜建筑。

5.2 地基土濕陷性評價

將探井所取原狀樣土工試驗濕陷，結果顯示3.5m以淺具濕陷土，根據《濕陷性黃土地區建筑標注》（GB50025），由于基礎埋深5.5m，5.5m以上全部挖除，根據本場地地層條件結合附近場地經驗，本場地可不考慮濕陷影響，可按一般地區設計。

5.3 地基土承載力及變形指標綜合評定

根據原位測試及土工試驗結果，結合地區建筑經驗，綜合確定地基土承載力特征值faK及壓縮模量Es1-2（MPa）、抗剪強度（直剪）指標，見表2。

表2 地基承載力特征值faK建議值及壓縮模量Es1-2抗剪強度指標建議值

5.4 地基基礎方案評價

5.4.1 地基土均勻性評價

假定場地內擬建18層樓采用天然地基淺基礎，基礎埋深5.0m，持力層將位于第③層粉土，主要受力層底面坡度0.7%，持力層及下臥層在基礎寬度方向厚度差0.2m，壓縮模量當量比1.04，天然地基均勻。

根據以上分析綜合判定本場地為天然地基均勻地基，但主要受力層內存在對工程不利的埋藏物廢棄防空洞，防空洞若后期坍塌，勢必造成高層建筑不均勻沉降，因此必須進行處理。

5.4.2 天然地基淺基礎評價

5.4.2.1 持力層驗算

擬建樓高18層，地下1層。每層荷載標準組合值按16kN/m2，若采用筏基，估算其基底壓力Pk=328kPa。

假定基礎埋深5.5m，采用筏板基礎，以第③層粉土為持力層，第③層粉土經深寬修正后的地基承載力特征值：

（取 值：ηb=0.3，ηd=1.5，b=6m，d=5.5m，γ=16.1kN/m3，γm=16.2kN/m3）

另根據《JGJ72-2004》根據土的抗剪強度指標估算第③層粉土極限承載力為

式中Ck、Φk為持力層（第③層）代表性取值，分別取Ck=7.6kPa，Φk=20.0°，

如果安全系數取3.0，則fa=fu/K=1483.2/3.0=494.4kPa，兩者相比，取fa=335.9kPa，

18層住宅樓基底壓力Pk=328kPa，Pk＜fa，可滿足。

其下存在第④、⑤層下臥軟層，應進行下臥層強度驗算。

以4#孔處為例：

第④層頂面處經深度修正后的地基承載力特征值：

（取 值：ηd=1.5，d=10.7m，γm=16.2kN/m3）

第④層頂面處附加壓力與自重壓力值（未考慮應力擴散）：

Pz+Pcz=238.9+173.3=412.2kPa＜faZ=432.9kPa。

下臥層第④層粉土強度滿足。

第⑤層頂面處經深度修正后的地基承載力特征值：

（取值：ηd=1.5，d=13.8m，γm=16.2kN/m3）

第⑤層頂面處附加壓力與自重壓力值（未考慮應力擴散）：Pz+Pcz=238.9+223.6=462.5kPa＜faZ=503.2kPa。

下臥層第⑤層粉土強度滿足。

5.4.2.2 變形預測

根據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007）對天然地基筏板基礎進行沉降驗算。

經估算天然地基最終沉降量為42.0mm，沉降計算深度40.0m，整體傾斜估算為0.0002，滿足《建筑地基基礎設計規范》（GB50007的要求。

根據實際變形監測，運營3年累計沉降35mm，接近預測沉降值。

5.5 地基基礎方案選擇及防空洞處理措施

根據擬建建筑物荷載特點，結合場地土條件，建議高層住宅采用天然地基筏板基礎，筏板基礎應適當外擴，并加強剛度。由于主要受力層（基底下4.0m）存在不利埋藏物-廢棄防空洞，廢棄防空洞隨時間推移，可能進水坍塌，對地基安全有不利影響，廢棄防空洞應進行處理。具體可采用細石混凝土分段回填或灌碎石注漿處理并注意進行檢測。實際采用灌填碎石，預埋注漿管，注漿充溢。具體施工是：在防空洞走向基礎兩端人工砌筑檔墻，隔斷。在開挖基坑中，根據防空洞走向，間隔3m開天窗，直徑1.0m，人工灌入碎石，至天窗口與基底持平，最后注水泥漿，水灰比0.5，強度不小于C15。檢測結果滿足設計要求。監測顯示，本工程經歷鄭州7.20大洪水，變形在預測范圍，證明廢棄防空洞處理效果良好。基坑開挖5.5m，1∶0.5放坡掛網噴砼，確保地基基礎施工安全。

6 結論

①鄭州市區地基土西部地質條件較好。由于存在較多廢棄防空洞，對建設工程帶來隱患。②廢棄防空洞進行相應的處理加固。具體采用灌碎石注漿，為類似工程提供借鑒。③工程建設應利用較好的地層條件，對局部隱患進行處理，趨利避害。④工程施工、使用過程中應注意進行變形觀測至關重要。