陳朝華


摘 要:西部地區以山地地形為主,工業廠房的工程建設普遍出現大挖大填、巖溶強發育地段現象。以貴州某工業廠房工程建設為例,通過勘察,確定工程區巖土構成以第四系填土、紅粘土和三疊系大冶組薄至中厚層石灰巖,石灰巖為可溶巖,工程區處于巖溶強發育地段。結合相關規范及地區工程經驗,對于廠房基礎方案選型做淺析。
關鍵詞:石灰巖;巖溶強發育;基礎方案選型
中圖分類號:TU475.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號:2096-6903(2023)06-0013-03
0 引言
貴州地區巖土以石灰巖、白云巖及粘土巖為主。工程建設中,在石灰巖、白云巖的可溶巖地區,常常存在巖溶強發育地段,建筑基礎穿越巖溶進入完整基巖施工難度大,費用高,基礎施工質量難以控制,施工工期長。因此,對于低層廠房,在建筑荷載不大情況下,從經濟、施工、質量等方面控制采用地基處理,盡可能利用處理后的巖土體采用淺基礎。
1 工程概況
項目總用地面積97 449.45 m2(約146.17畝),建設用地面積73 265.62 m2(約109.89畝),包括24棟3~5層廠房及一棟宿舍樓,建筑結構形式均為框架結構,建筑物對地基不均勻沉降敏感。其中13號廠房建筑高度18.3 m,建筑層數為-2+3F,最大單柱荷載7 000 kN,設計基準±0.00為1 254.70 m,地下室底板標高為1 242.00 m。
2 地形地貌及工程地質
場地為溶蝕殘丘、沖溝、溶蝕洼地、坡地地貌單元,整體呈北低南高,地勢起伏較大,原始地形標高為1 279.20~1 233.80 m,場地最大高差為45.4 m,場地內自然坡率約為10%~30%。
擬建場區位于斗篷山背斜東翼南端,南側距場區50~100 m有一條斷層穿過,西南-東北走向為逆斷層,場地下伏基巖主要為三疊系大冶組(Td)石灰巖。受區域地質構造影響,場區內微局部小型褶皺發育,產狀較為凌亂,現場實測產狀為350°~30°∠54°~67°;210°~220°∠30°~40°。優勢產狀355°∠54°。場地內巖體構造及風化節理裂隙較發育,以淺部風化節理為主,發育規模小,構造節理較少,以閉合隱節理為主,貫通性多較差,結構面結合差。
根據鉆探成果,擬建場區覆蓋層主要為雜填土、紅粘土,下伏基巖為三疊系大冶組(Td)薄至中厚層石灰巖。巖土構成自上而下構造如下。
第一,耕植土(Pd)。灰黃色-灰黑色,含大量植物根系,結構較松散。局部零星有分布,厚度為0.5 m。
第二,雜填土(Q4ml)。雜色,結構松散,分布于場地表層范圍內,主要為房屋拆遷堆積的建筑垃圾,分布極無規律性,場地大部分地段均有分布。鉆探揭示該層厚約為0.2~6.0 m,平均厚度為1.80 m。
第三,淤泥、淤泥質粘土(QPd)。灰色-灰黑色,有腐臭味,長期受水浸泡軟塑-流塑狀,主要分布在 17#、19#廠房范圍內溶蝕洼地區域內魚塘及水田里,為確保建筑及施工安全,根據場平時工程建設條件,需進行清除。
第四,紅粘土(Q4el+dl)。褐黃色,可塑狀,殘坡積成因,含強風化團塊,裂隙較發育,厚度不均,致密-塊狀結構,偶見鐵錳質結核,土質均勻, 根據室內試驗液限大于50%,為原生紅粘土。場地內大部分地段均有分布,厚度變化較大,鉆探揭示厚度為0.3~22.5 m,平均厚度為5.5 m。
第五,三疊系大冶組(Td)石灰巖。強風化石灰巖,灰色,薄-中厚層,節理裂隙發育,巖體極破碎,巖芯呈砂狀。僅部分鉆孔有分布,鉆探揭示厚度為0.4~4.3 m,平均厚度為1.9 m。巖體基本質量等級為Ⅴ級。
第六,中風化石灰巖。灰色、深灰色,薄厚-中厚層,節理裂隙發育,巖體較破碎,巖芯呈柱狀、短柱狀、塊狀、少量碎塊狀。根據鉆孔波速測及室內巖塊波速測試,計算出巖石完整性指數為0.41,為較破碎巖體。根據室內巖石實驗,巖塊飽和單軸抗壓強度標準值為34.747 MPa,屬較硬巖,巖體基本質量指標為306.741,巖體基本質量級別為IV級。
3 水文地質
3.1 氣象、水文
貴陽市屬亞熱帶濕潤季風氣候,冬季受北部寒潮影響較弱,夏季受東南海洋季風氣候影響顯著,具有四季溫和、雨量豐富、熱量充足、日照率低、風力較弱及逆溫天多的特點[1]。
年平均氣溫15.3℃,一月平均氣溫4.9℃,七月平均氣溫24.0℃,最高氣溫39.4℃,最低氣溫-7.8℃。年平均降雨量1 197~1 248 mm。年平均日照時數1 277.74 h。年平均相對相對濕度77%,年平均無霜期261 d。年平均風速2.2 m/s,全年以NE風為多,全年靜風頻率為24%,30年一遇最大風速21.9 m/s,基本風壓值為0.35 kN/m2,自然地理氣候良好。
3.2 地表水
擬建場區范圍外北西側約300 m處有一出水點,水流順既有排水溝(寬約1.2 m、深約1.5 m)從場地北側由西向東側低洼處徑流,水量受季節及降水影響較大。勘察期間,測得流量約為12 L/s。水渠在后期場平施工前將進行設計改遷,水流大致由西向東,途徑擬建場區散排,經場區向北側距場地約100 m處落水洞排泄。
場區南側約100 m左右位置存在出水點,經詢問及現場調查原位泉點為斷層泉,常年溢水,枯水季節水量約4~10 L/s,水流自南向北沿沖溝向場區內散排。因工程建設場平,該泉點已填埋。在填土與原始地面交界面上溢出地下水,出水標高1 252.87 m,降雨后溢流地下水量約4 L/s,水流大致由南向北途徑擬建場區散排經場區向東北側距場地約100 m處落水洞排泄。
場區西北角有一魚塘,水深約0.5~0.8 m,實測水位1 236.07 m。擬建場區25#生產廠房范圍內存在一巖溶漏斗,北側距22號生產廠房60 m處存在一落水洞,標高為1 232.65 m,周邊地表水均匯入該落水洞。
3.3 地下水
3.3.1 第四系松散土層孔隙水
本場區孔隙水均賦存于雜填土孔隙中和紅粘土裂隙中,水位、水量具明顯的季節性特征,豐水和枯水季差異大,主要分布于場區溶蝕溝槽或低洼地帶,富水性弱,埋深深淺不一。
3.3.2 碳酸鹽巖巖溶水
擬建場地區域下伏基巖石灰巖,為可溶巖,為區域性含水巖組,含水層為碳酸鹽巖,主要為周邊地表水體、大氣降雨通過溶蝕裂隙滲入補給,屬潛水。多以巖溶裂隙、管道形式賦存和運移,向北側地勢較低的低洼地帶排泄。巖溶水賦存于石灰巖基巖中,屬溶洞-裂隙型含水層,富水性中-強,埋藏較淺,受大氣降雨影響變化明顯。
通過鉆孔水位觀測,地下水位標高在1233.0~1238.0 m。擬建場地穩定水位埋深較淺,受大氣降雨影響變化明顯,其主要來源于大氣降雨、泉點、生活用水等,地下水季節性變幅為1.0~2.0 m。
4 巖溶強發育地段
13#廠房區域地下水埋藏較淺,區域地表水體豐富,降雨豐富,地表水向下滲流形成流動的地下水為巖溶發育提供必要條件。受區域地質構造影響,13#廠房區域地質情況差,巖溶不良地質情況強烈發育。
13#廠房現場鉆探結果鉆孔見洞率達82.8%,為巖溶強發育,巖溶以串珠狀的豎向巖溶為主,豎向巖溶發育深度30~60 m不等,巖溶軟塑粘土充填,局部無充填。13#廠房場地表面回填土厚度2.5~5.5 m,填土厚度分布不均勻,以建筑垃圾和生活垃圾為主,結構松散。填土以下基巖表面以上存在4~12 m紅粘土,根據室內試驗成果判別為可塑紅粘土,含強風化團塊,裂隙較發育,厚度不均,致密-塊狀結構,偶見鐵錳質結核,土質均勻。
根據勘察資料鉆孔水位觀測資料,13#廠房位置區域地下水水位埋深3.0~4.0 m,如圖1所示。
5 基礎方案分析
13#廠房基礎方案技術經濟對比如表1所示。
5.1 天然淺基礎
13#廠房地下室底板標高為1 242.00 m,勘察階段現場標高1 239.00~1 239.50 m,場平需回填約3 m。根據勘察成果資料,可塑紅粘土地基承載力特征值fak=150 kPa,小于建筑設計筏板基礎均布荷載要求的180 kPa地基承載力,且紅粘土厚度分布不均勻,地基均勻性較差,不宜采用天然筏板基礎、條形基礎或獨立基礎。
5.2 樁基礎
根據現場鉆探揭露,豎向巖溶發育深度多在1.5~45 m,局部深度最深將達到約60 m,平均深度超30 m。13#廠房區域施工區域較狹小,多臺樁基施工設備難以施展開,地下水位埋藏較淺,易產生垮孔現象,樁基礎成本高、難度大,從工期、經濟、可實施性均不太具備可實施性。
5.3 地基處理后淺基礎
綜合上部荷載,最大柱荷載約7 000 kN,建筑結構設計筏板基礎荷載180 kPa。結合場地地質情況,對填土及部分原狀土挖除采用級配碎石分層碾壓回填后,對地基進行強夯處理,基礎采用淺基礎,從工期、經濟性、施工質量控制、可實施性方面看,較樁基礎更優。
對于樁基礎與地基處理后筏板基礎從工期、經濟性、施工質量控制、可實施性比較,地基處理費用淺基礎較樁基礎節約573.9萬元,工期縮短約20 d,淺基礎施工質量可控性可實施性優于樁基礎,故采用地基處理后筏板基礎更適合于13#廠房基礎方案。
6 地基設計要求
經同建筑設計單位確認,地基處理目標值:壓實系數≥0.97,承載力≥180 kPa,壓縮模量≥20 MPa。填料采用級配碎石,地基處理采用碾壓(6~8遍)回填后再強夯,地基處理深度6.8 m,采用強夯能級5 000 kN·m。根據設計提供需求的巖土指標,工程回填要求如下。
6.1 開挖回填深度及范圍
根據設計提供的初步基礎方案,本次換填開挖底標高為1 235.0 m,考慮夯沉量0.8 m,回填頂標高為1 241.8 m,換填及回填范圍為設計筏板基礎邊外擴不小于5 m。
6.2 填料土石比例
本次僅13#廠房的面積達3950㎡,考慮混合回填工序對工期的影響,本次回填均采用級配碎石回填及換填。
6.3 填土分層厚度
填筑地基采用分層堆填,分層厚度一般為1.2~1.5 m,推平回填碾壓后碾壓6~8遍。
6.4 粒徑要求
根據回填高度,回填區為主要受力層,最大粒徑30 cm,不均勻系數Cu>10,曲率系數1<Cc<3。
6.5 強夯能級
根據場地回填的深度,初步判斷采用能級為5 000 kN·m,后續出具體地基處理方案。
6.6 基礎形式
考慮上部荷載及避免建筑不均勻沉降情況,設計方案為筏板基礎。
7 施工質量檢測
現場采用灌砂法進行壓實系數檢測,處理后填土選取3點檢測壓實系數分別為0.974、0.975、0.979,壓實度滿足要求。
7.1 現場載荷實驗
現場進行三點平板載荷實驗[2],要求最大加載量不小于設計承載力特征值的2倍,載荷實驗加載至360 kPa均未出現以下4點情況即可:①地基荷載無法保持穩定且逐漸下降情況,承壓板周邊土層側向擠出。②本級沉降量大于前一級荷載的5倍,沉降曲線明顯陡降。③某級荷載下,24 h內沉降速率不能達到相對穩定。④累計沉降≥承壓板直徑6%,或累計沉降≥150 mm。
最終,載荷實驗檢測結果顯示,地基處理后地基承載力特征值大于180 kPa,計算地基壓縮模量大于20 MPa,滿足設計要求。
7.2 實驗驗算
軟弱下臥層驗算[3]結果為267 kPa,驗算結果>180 kPa,滿足設計要求。
8 結束語
隨著西部地區制造產業發展,越來越多單層、低層廠房拔地而起,在經過經濟性、工期、施工質量控制、可實施性比較下,西部山地地形、巖溶強發育區域廠房利用填土作為地基也越來越普遍。制定出合適的地基基礎方案,并嚴格按設計進行施工,能滿足工程要求,可確保建設工程順利實施,早日為經濟建設作出貢獻。
參考文獻
[1] DBJ22-01-87,貴州省建筑氣象標準[S].
[2] JGJ 79-2012,建筑地基處理技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.
[3] GB50007-2011,建筑地基基礎設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2011.