筏型基礎下黏性土地層控制性勘探孔深度確定方法探討

張云，陳煥軍，劉佳

（湖北省地質局第一地質大隊，湖北黃石 435100）

0 引言

在巖土工程詳細勘察工作中，黏性土地層設計采用筏型基礎的勘探孔深度的確定，是勘察方案制定的重要環節。對需作變形驗算的地基，控制性勘探孔的深度不僅要考慮地基承載力的要求，也要考慮變形驗算的要求。目前，在勘察工作中，針對控制性勘探孔深度的確定方法，較為成熟的主要有理論公式法和經驗公式法。其中，理論公式法是以土力學相關理論為基礎，結合實際案例總結出來的方法，主要有應力比法和沉降比法；經驗公式法是基于大量工程案例總結出來的經驗公式。這三種計算方法均在現行規范中有所介紹，但針對三種方法的內在聯系缺少說明，本文結合三個擬采用筏型基礎的工程案例，針對不同黏性土地質條件進行討論，尋找三種方法的相互聯系，為控制性勘探孔深度方法的確定提供更經濟合理的依據。

1 考慮變形驗算的勘探孔深度的計算方法

1.1 應力比法

根據《巖土工程勘察規范》（GB 50021—2001）（2009年版）第4.1.19條規定[1]，地基變形計算深度，對中、低壓縮性土而言，可取附加壓力等于上覆土層有效自重壓力20%的深度；對于高壓縮性土層，可取附加壓力等于上覆土層有效自重壓力10%的深度。

1.2 經驗公式法

《高層建筑巖土工程勘察標準》（JGJ/T 72—2017）第4.2.2條規定，控制性勘探點深度，對于箱型基礎或筏型基礎，在不具備變形深度計算條件時，可按公式（1）計算：

式中：H——考慮變形計算深度的勘探孔深度（m）；d——基礎埋置深度（m）；αc——與土的壓縮性有關的經驗系數，根據基礎下的地基主要土層按相關經驗取值；β——與建筑物層數或基底壓力有關的經驗系數；b——基礎寬度（m）。

1.3 沉降比法

根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）第5.3.5條——第5.3.7條規定[2]，地基變形計算深度zn應滿足公式（2）的要求：

式中：△s′i——在計算深度范圍內，第i層土的計算變形值（mm）；△s′n——由計算深度向上取厚度為Δz的土層計算變形值（mm），Δz按表1確定。

表1 Δz取值表

地基最終變形量可采用公式（3）進行計算：

式中：s——地基最終變形量 （mm）；s′——按分層總和法計算出的地基變形量 （mm）；ψs——沉降計算經驗系數；p0——相應于作用在準永久組合時基礎底面處的附加壓力（kPa）；Esi——第i層土的壓縮模量（MPa）；zi——基礎底面至第i層土的距離；——基礎底面計算點至第i層土底面范圍內平均附加應力系數。

2 工程實例

2.1 工程案例一概況及地層資料

擬建工程位于江西省龍南市，區域地貌屬渥江Ⅱ級階地地貌，形成于沖洪積作用。擬建建筑主要為宿舍樓，采用變形設計，相鄰柱基沉降差為0.002l[l為相鄰柱基的中心距離（mm）]，控制平均沉降量≤200mm。擬建建筑基本概況見表2。

表2 擬建建筑基本概況表

根據前期勘察資料可知，場區未見地下水，擬建建筑物基礎持力層為②層含礫粉質黏土，采用筏板基礎。擬建場地地層巖性從上至下共分為4層，各土層物理力學參數詳見表3。

表3 各土層物理力學參數

2.2 工程案例二概況及地層資料

擬建工程位于湖北省黃岡市，區域地貌為長江中下游沖洪積平原。擬建建筑主要為辦公樓。擬建建筑基本概況見表4。

表4 擬建建筑基本概況表

根據初步勘察資料可知，場區未見地下水，擬建建筑物基礎持力層為②層黏土，采用筏板基礎。擬建場地地層巖性從上至下共分為5層，各土層物理力學參數詳見表5。

表5 各土層物理力學參數

2.3 工程案例三概況及地層資料

擬建工程位于湖北省黃石市，區域地貌屬沖洪積平原地貌。擬建建筑主要為研發樓。擬建建筑基本概況見表6。

表6 擬建建筑基本概況表

根據收集資料可知，擬建建筑物基礎持力層為②層粉質黏土，采用筏板基礎。擬建場地地層巖性從上至下共分為5層，地下水主要為第四系承壓水，賦存于細砂及礫砂中，各土層物理力學參數詳見表7。

表7 各土層物理力學參數

3 考慮變形驗算的勘探孔深度計算

3.1 按應力比法計算

根據規范可知，采用應力比法計算時[4]，對中、低壓縮性土可取附加壓力等于上覆土層有效自重壓力20%的深度確定地基變形計算深度，對高壓縮性土層可取附加壓力等于上覆土層有效自重壓力10%的深度確定地基變形計算深度。針對上述三個案例，擬建建筑基礎持力層及下臥層壓縮系數α1-2在0.1～1.0MPa-1之間，既有中壓縮性土，又有高壓縮性土。因此，為了更好地進行對比，地基變形計算深度分別取附加壓力等于上覆土層有效自重壓力20%的深度，和附加壓力等于上覆土層有效自重壓力10%的深度進行計算。

針對案例一，采用試算的方法進行計算，詳見表8。

表8 應力比法計算表

根據表8的計算結果可知，在基礎中心點下深度z=14m處，應力比為22%＞20%；z=16m處，應力比為17%＜20%。在基礎中心點下深度z=20m處，應力比為11%＞10%；z=22m處，應力比為9%＜10%。

因此，當按照20%控制時，采用應力比法計算的控制性勘探孔深度H11=zn+d=16.0+1.0=17.0m；當按照10%控制時，H′11=22.0+1.0=23.0m。

同理，當按照20%控制時，針對案例二計算的控制性勘探孔深度H21=14.0m，針對案例三計算的控制性勘探孔深度H31=14.0m。當按照10%控制時，針對案例二計算的控制性勘探孔深度H′21=18.0m，針對案例三計算的控制性勘探孔深度H′31=20.0m。

3.2 按經驗公式法計算

針對案例一，當擬建建筑采用經驗公式（1）計算時，根據地層情況，可取αc=1.5，β=1.0，由此可計算得出：

因此，采用經驗公式法計算的控制性勘探孔深度H12=19.0m。

同理，針對案例二計算的控制性勘探孔深度H22=14.0m，針對案例三計算的控制性勘探孔深度H32=17.0m。

3.3 按沉降比法計算

采用沉降比法計算，同樣假定不同計算深度，按照公式（3）計算基礎底面中點位置的地基變形量[3]，計算過程詳見表9。表中，△s′i為第i層地基變形量計算值（未乘沉降計算經驗系數）。

表9 沉降計算表

因為b=12m＞8m，取Δz=1m，根據公式（2）進行驗算可知[5]：

當計算深度取zn=22.0m時，

當計算深度取zn=23.0m時，

因此，采用沉降比法計算的控制性勘探孔深度H13=zn+d=23.0+1.0=24.0m。

同理，針對案例二計算的控制性勘探孔深度H23=20.0m，針對案例三計算的控制性勘探孔深度H33=24.0m。

4 計算結果的討論

4.1 各計算結果統計

統計上述三個案例的計算結果，并進行統計、分析，可得到表10、表11及圖1。

圖1 計算結果分析圖

表10 計算結果統計表

表11 計算結果分析表

4.2 各計算結果分析

通過對比計算結果可知，應力比法Hi1（按20%應力比控制）≤經驗公式法Hi2＜應力比法H′i1（按10%應力比控制）＜沉降比法Hi3。

低壓縮性土與中等壓縮性土的沉降比法與其它計算方法的比值，相對于高壓縮性土同類型比值要小。其中，各類土的沉降比法與經驗公式法的比值在1.4左右。

應力比法是通過附加應力與土層的有效自重應力的比值來確定地基變形計算深度，其考慮了基礎的長寬與埋置深度、基礎底面的附加應力以及土層的有效自重應力的影響，但未考慮各土層壓縮性的影響。采用此方法計算時，需要收集上部荷載大小、各土層有效重度、地基承載力，以及估算基礎長度與寬度方可進行計算。用于估算時，相關計算參數均可采用經驗值[6]。

經驗公式法是建立在大量的實測資料上形成的公式，其綜合考慮了基礎的埋置深度與寬度、基底壓力、土層壓縮性等指標的影響[7]。采用此方法計算時，所需參數主要是建筑物層數、基礎埋深、基礎寬度等基本信息以及基本地層資料，該方法所需參數均可在勘察前收集，可很好地用于勘察方案的制定。

沉降比法是通過計算地基變形量來確定變形計算深度，其綜合考慮了基礎的長寬與埋置深度、基礎底面的附加應力、地基土的物理力學指標等諸多因素的影響，該方法的計算結果較為準確。采用此方法計算時，需要收集上部荷載大小、各土層有效重度、地基承載力，估算基礎長寬，并通過土工試驗獲取地基土的物理力學指標方可進行計算。該方法計算精度較高，可在進行了部分野外勘察工作后，根據采集的相關數據更精確地確定變形計算深度，并及時調整控制性勘探孔深度，以滿足設計驗算的要求[8]。

對比上述幾種計算方法可知，應力比法（按10%應力比控制）計算結果與沉降比法計算結果最為相近，經驗公式法計算結果乘以1.4的系數與沉降比法計算結果也很相近[9]。因此，針對黏性土地區，設計采用筏型基礎的勘察項目在勘察方案的制定與初步實施時，建議采用應力比法（按10%應力比控制）或1.4倍的經驗公式法來確定控制性勘探孔的設計孔深[10]。

5 結語

在進行巖土工程勘察工作時，為了考慮設計時的變形驗算，控制性勘探孔深度可以通過應力比法、經驗公式法以及沉降比法等多種方法確認，以滿足變形計算要求。本文通過工程實例，分別對以上三種計算方法進行了闡述，通過分析對比可知，在筏型基礎下黏性土地層的勘察工作中，考慮變形驗算的控制性勘探孔深度，應根據勘察階段的不同，結合收集到的資料和采集到的數據做好動態優化調整，而非采用固化思維嚴格按照勘察方案執行。可在前期的勘察方案制定中，采用應力比法和經驗公式法估算控制性勘探孔的深度，在勘察外業施工時，優先施工非控制性勘探孔，并及時采集樣品進行土工試驗，通過獲取的相關數據，采用沉降比法計算，并及時優化調整控制性勘探孔的深度，這樣既能滿足設計要求，又能夠做到經濟合理。