土工試驗在巖土工程地質條件勘察中的應用

劉亞蘭

（安徽省地勘局第一水文工程地質勘查院, 安徽蚌埠 233000）

對于巖土工程勘察來說, 土工試驗資料必不可少, 因為土與一般的建筑材料不同, 其具有特殊的復雜的物理性質, 這種特殊的物理性質決定了它本身的特殊復雜的力學性質, 不同地區的土又有不同的變化, 諸如土的干密度、孔隙比、孔隙度、飽和度、液限與塑限、壓縮模量等。土的這些特殊的性質決定了土工試驗的必要性, 在巖土勘察工程中, 通過對土工試驗資料的合理運用, 能夠避免工作中許多問題的出現, 同時促進勘察工作的順利進行。

所謂的土工試驗就是對巖土的一個測試, 經過一定的研究分析, 進而檢測出巖土的物理性質、力學性質的各個性能的綜合情況[8]。土工試驗作為巖土工程勘察的一個重要組成部分, 并通過對施工場地原始工程地質條件和水文條件的論述, 提供各地基土層承載力標準值, 其中最重要的是依據土工試驗、標貫試驗以及靜動探試驗等資料。本文結合建筑實例來說明土工試驗資料在巖土工程勘察中的應用。

1 某建筑概況及其場地巖土工程條件[1]

所選建筑由21棟1～16層住宅樓及地下室組成, 擬采用天然地基, 獨立基礎、筏形基礎、樁基礎, 框架結構、框剪結構。依據《巖土工程勘察規范》（GB50021-2001）（2009年版）第3.1節的規定, 綜合確定巖土工程勘察等級為乙級。依據《建筑工程抗震設防分類標準》（GB50223-2008）建筑物抗震設防分類為丙類。

根據勘察要求, 采用了多種方法：鉆探并取原狀土試樣、原位測試、靜力觸探、土工試驗等, 并進行綜合研究。

主要投入設備有：HXY-1型工程鉆機八臺（套）, DYLC履帶式靜力觸探二臺（套）, 數字圖形處理微機一臺, 土工試驗采用專業儀器、設備。

依據鉆探、原位測試和室內土工試驗資料, 將場地內地基土巖性自上而下共劃分為5個工程地質層:第①耕表土、素填土層（Q4ml）：灰黃色, 松軟狀, 主要以粉土為主, 含有植物根莖。第②粉土層（Q4al+pl）：灰黃色—灰色, 稍密狀, 濕, 局部夾軟塑狀粘性土, ③粘土層（Q4al+pl）：青灰色, 軟塑狀—可塑狀, 含有淤泥質土, 局部夾有薄層粉土, 下部夾有薄層粉砂。第④粉砂層（Q4al+pl）：青灰色—灰黃色, 稍密狀—中密狀, 飽和, 局部夾有粘性土和粉土、細砂。第⑤中細砂層（Q3al+pl）：青灰色—灰黃色, 中密狀—密實狀, 分選性較好, 級配良好, 次棱角狀, 主要礦物為長石、石英、云母, 局部夾有礫石和粘性土[6]。

根據鉆探揭露, 對工程有影響的主要存在2個地下含水層組, 如下：

第一含水層組：地下水類型屬于孔隙潛水, 主要分布于第①耕表土、素填土和第②粉土層中, 其水量受地表水控制, 以地表水的垂直滲透補給為主。勘察期間地下水的初見水位與穩定水位埋深基本一致, 在2.20～3.00m, 對應標高為15.02～18.90m。

第二含水層組：地下水類型屬承壓水, 主要分布于第④粉砂層和第⑤中細砂, 以地下水的側向流動補給為主。勘察期間, 初見水頭埋深為8.30～21.60m, 穩定水頭埋深為6.80～20.10m, 對應標高為-2.82～10.00m, 承壓水頭高度約1.50m（相對于④粉砂層頂板）。

2 場地地震效應評價[4-5]

根據勘察資料并結合區域資料, 確定場地覆蓋層厚度d大于50.0m, 由《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）（2016年版）表4.1.6查得, 建筑場地類別為Ⅲ類, 場地土類型屬中軟場地土。

依據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）（2016年版）及《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2015), 該地區抗震設防烈度為7度, 設計地震分組為第一組,設計基本地震動峰值加速度值為0.10g, 特征周期為0.45s。綜合分析擬建場地屬對建筑抗震不利地段。

采用標準貫入試驗計算液化判別標貫入錘擊數臨界值（Ncr）及液化指數（ILE）：

液化指數計算公式：

經計算：綜合判定場地第②粉土層為輕微液化土層, 第④粉砂層無液化。

第⑤工程地質層中細砂層地質年代屬第四紀晚更新世（Q3）, 依《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）（2016年版）4.3.3條, 7度時可判為不液化。

3 地基基礎評價[2]

根據場地工程地質條件及擬建物特征, 建議18#、19#、20#、21#采用天然地基、獨立基礎, 以第②粉土層作為基礎持力層, 應進行軟弱下臥層的驗算。建議1#～17#采用樁基礎, 以第④粉砂或第⑤中細砂層作為樁端持力層。

本場地通過采用土工試驗、標準貫入試驗、靜力觸探試驗、原位測試、波速測試等多種方法, 并結合野外勘探和本地區以往實踐經驗, 地基土承載力特征值（fak）壓縮模量（Es0.1-0.2）建議值見表1。

表1 地基土承載力特征值（fak）及壓縮模量（Es0.1-0.2）建議值

地基土分析與評價：

①耕表土、素填土層：疏松, 欠壓密, 不宜作為建筑物地基持力層。

②粉土層：厚度大, 工程性質稍差, 高壓縮性, 該層為輕微液化層, 對基礎和上部結構處理后可作為一般性建筑基礎持力層。

③粘土層：工程性質一般, 高壓縮性, 可作為一般性建筑基礎下臥層, 由于該層為高壓縮性, 敬請設計部門對該層進行軟弱下臥層驗算, 若滿足設計要求方可使用。

④粉砂層：工程性質一般, 中等壓縮性, 可作為高層建筑樁基礎持力層。

⑤中細砂層：工程性質一般, 中等壓縮性, 可作為高層建筑樁基礎良好持力層和下臥層。

4 樁基礎評價[7]

建議擬建1#～17#高層建筑采用樁基礎。

樁基類型可選用混凝土預應力管樁, 建議選用第④層粉砂層或第⑤層中細砂層作為基礎樁端持力層, 樁端進入持力層不小于2.00d為宜, 最終持力層選擇及樁型由設計部門計算后確定。

本工程巖土層依次為耕表土、素填土、粉土、粘土、粉砂、中細砂。地下水對樁基礎施工的影響主要有以下內容如下：

按滲透系數不同, 分透水層與隔水層, 當樁穿透透水層如粉砂等砂土土類時, 受影響程度主要與水動力條件有關, 若樁基礎施工屬于汛期, 降雨量大, 水動力強, 會降低樁對砂土類地層的樁側摩阻力；粘土及粉土類地層會受到軟化, 降低地基承載力, 同時也會降低樁對該類地層的樁側摩阻力。

5 基坑工程評價[7]

5.1 基坑開挖與支護

地下室開挖深度暫按自然地面下5.00m考慮。基坑安全等級為二級。

根據《危險性較大的分部分項工程安全管理規定》、《安徽省危險性較大的分部分項工程安全管理規定實施細則》的規定, 編制設計基坑支護專項方案, 經相關責任人審核通過后實施, 若開挖深度大于5.00m應進行專家論證。

在5.00m開挖深度內, 組成基坑邊坡的地層主要為第①工程地質層耕表土、第②工程地質層粉土和第③工程地質層粘土。由于基坑開挖內為松散軟弱的地層。從技術、經濟和施工條件等綜合因素考慮, 建議采用放坡, 臨時放坡坡度1∶（1.00～1.25）（需經基坑專項支護設計計算后確定）。

本場地基坑支護設計參數建議值如表2所示。

表2 基坑支護設計參數建議值（不固結不排水剪UU）

在基坑開挖、支護及基坑降水期間, 應對基坑和鄰近建（構）筑物、鄰近道路、管網等進行沉降、變形等監測, 預防因基坑開挖及使用期間對周邊環境造成的不利影響。

5.2 基坑降排水

基坑開挖施工期間主要有影響含水層為第①耕表土、素填土層地表水入滲和第②粉土層中, 因此在基礎施工中應加強降排水工作, 排水方法可采用輕型井點降水進行。施工中, 地下水位應保持在基坑底面以下不小于0.50m。

地基施工時應注意截排水工作：

（1）用機械開挖作業面時, 應輔以人工配合修整坡面, 盡量減少邊坡超挖和擾動邊坡土體。

（2）地基外圍應設置截水溝, 以防止地表水流入基坑內。

（3）基坑周邊嚴禁超堆荷載。

除上述幾條外, 應嚴格執行有關基坑施工的規范、規程中的其它條款進行作業。

5.3 抗浮和抗浮措施

（1）本工程設有較大面積1層地下室, 建議考慮基坑抗浮問題。根據區域地質資料及擬建建筑物性質等, 建議抗浮設防水位按室外地坪下1.00m考慮。

如經驗算不能滿足抗浮設計要求時, 應采取必要的抗浮措施, 建議采用增加結構自重、地下室上部覆土等工程技術措施或采用抗浮樁, 抗浮樁的設計應充分保證滿足建筑抗浮設計的要求, 確保建筑物的安全和正常使用。

（2）抗浮樁設計參數值如表3所示。

抗浮樁設計時, 樁的抗壓極限側阻力標準值qsik可參照表3, 樁的極限側阻力標準值qsik進行設計, 但使用時應將qsik乘以抗拔系數予以折減。

（3）場地內上部土層的滲透系數建議如表4所示。

5.4 地基變形特征

18#、19#、20#、21#地下室以第②工程地質層粉土為地基持力層, 該層地基土較均勻, 當建筑物荷載較均勻時, 預測地基變形均勻。

1#～17#高層建筑以第④工程地質層粉砂或第⑤層中細砂為樁基礎持力層, 上述兩層地基土較均勻, 當建筑物荷載較均勻時, 預測地基變形均勻。

6 特殊性巖土分析與評價

素填土：根據本次勘察, 擬建區①層素填土為新近回填土和第③粘土層（軟土）, 土質均勻性較差, 密實性差, 工程特性較差, 不宜使用。

7 結束語

表4 場地內上部土層的滲透系數

從本文案例中可以做到土工試驗數據對于巖土工程勘察的影響意義重大, 例如：不固結不排水剪切試驗就是對細粒土質的抗剪強度提供最小值, 為基坑的開挖以及具體的支護工作提供準確詳細的參數設計；滲透試驗為基坑的所降的水量提供科學依據等等。土工試驗的主要就是物理試驗和力學試驗, 實驗環境是否合格、儀器設備是否符合標準、人員操作是否規范等相關因素都會對土工試驗結果造成很大的影響, 所以在巖土工程勘察中不應該生搬硬套試驗數據, 還應結合地質工作者野外勘探數據、地區的實踐經驗以及前輩們留下的寶貴地質材料。

從巖土工程勘察的必要性出發, 土工試驗必須不斷深入拓展、與時俱進, 針對土的各種性質不斷進行新的探索與創新, 為巖土工程勘察提供更多的輔助與使用資料。