时间：2013-11-29 分类：建筑设计
摘 要：本文根据高层建筑的特点，阐述了岩土工程勘察过程中的几个关键问题和应注意的实际问题，仅供参考。
关键词：岩土工程;工程勘察;沉桩可行性;基坑支护
1、引言
随着科学技术的发展，高层建筑一般已由过去的十几层、二十几层发展到现今的三十多层甚至超过五十层的超高层建筑。高层建筑的最突出特点是: 1)荷载大,如35层的钢筋混凝土结构总基底压力可达800kPa; 2)基础埋深大,由于结构自身稳定性的需要,箱形基础和筏形基础埋置深度不小于建筑有效高度的1/15,桩-箱和桩-筏基础的埋置深度不宜小于建筑有效高度的1/18。加上由于商业用地的紧张造成对地下空间使用需求的日益增长,如利用建筑地下部分作为停车场、商场等,高层建筑的基础埋深有不断加深的趋势,有资料显示已有基础埋深大于20m的高层建筑。基础埋置深度加大带来最突出的岩土工程问题是基坑支护和施工降水问题,加之城市建筑密集,并由此引起对周围建筑安全的影响问题。
2、勘察工作量及工作内容安排
2.1 钻孔间距问题
(GB50021-2001)《岩土工程勘察规范》(JGJ72-2004)《高层建筑岩土工程勘察规范》规定高层建筑勘探点间距15m～35m,其包含的意思:间距比一般建筑的要小,且安全等级高的更要小。实际上钻孔间距应主要取决于场地的复杂程度,即场地是否存在暗沟、塘、浜等异常带,保证钻探所揭露地层能准确反映水平和垂直方向土质情况及地下水存赋形态等等,而不是建筑物安全等级决定孔距。当然布孔位置也要考虑到拟建建筑物的条件,如在主体建筑角上、电梯井、核心筒部位及荷载和建筑体型变化较大处应有勘探点进行控制。另外对于不同地貌交界处也应加密勘探点。
一般而言,应根据地貌条件,在地层结构简单的场地,对于有丰富建筑经验的地区,孔距可放大。成立时间较长的当地勘察队伍,都有相当丰富的区域地质经验,加之高层建筑基础埋深大,地表下分布比较复杂的土层将被挖除。因此,根据具体情况可适当放大孔距,比如在某一方向布较少孔时,孔距可能超过了35m,再增加一个孔就可满足孔距规定要求,而按地层分布情况又无必要时,大可不必墨守成规。
2.2 钻孔深度问题
勘察规范规定,当采用箱基或筏基时,控制性勘探孔深度应大于压缩层下限;一般性孔应能控制主要受力层;当采用桩或墩基时,控制孔深度应达压缩层计算深度或在桩尖下1～1.5倍基础底面宽度,一般性孔深度宜进入持力层3m～5m。
根据以上规定经过分析,勘探深度实际上由三方面因素决定(按需要进行变形计算考虑): 1)基础埋深; 2)预计桩长: 3)压缩层厚度。对基础埋深设计人员大都可以提供,或者无特殊要求时可根据建筑物高度预估,可视为已知值;对预计桩长,当然只对采用桩基时而言,可根据荷载大小、区域地质资料,参照附近建筑经验,通过预估桩的类型、分布方式,初步选定桩长。对于压缩层厚度,有多种估算方法,包括国标地基规范、高层建筑勘察规范,以及有关地方规范,都列出一些简明公式或方法,但是其主要计算参数都是基础宽度。实际上基础宽度一定的情况下压缩层厚度随荷载变化是很大的,比如我们做过一个高低层连成一体的商务楼工程,基础尺寸72m×54m,基底压力300kPa,基础埋深7.5m。如果按勘察规范有关条文预估控制孔深应达70m,而实际通过计算55m孔深就满足了要求。尤其当基础形式同时满足其它要求设置时——比如为满足地下设施的防水等要求将基础连为整体,压缩层深度更不能按基础宽度预估。
笔者根据经验认为:应力控制法比较直观、可靠、实用。即自基底或桩端平面算起,算至附加压力等于土层自重压力的10%～15%,荷载较小、土层较硬、无相邻荷载影响时,可取较大值,荷载较大、土层较软、且有相邻荷载影响时,可取较小值。计算时应注意几个问题: 1)应考虑地下水的影响,如地下水浮力对附加压力的消减,水位以下土层应采用有效重度计算土层的自重应力; 2)计算桩端平面以下压缩土层厚度应与具体的布桩方式相结合; 3)采用复合地基时应考虑加固以后土体对应力扩散的影响;4)宜按建筑平面中心位置处的应力确定。另外大量计算表明,对筏基或箱基而言压缩层厚度一般不会超过2倍的基础宽度。勘探点深度可大略表示如下:
天然地基: 控制性孔深(m)=基础埋深+地基压缩层厚度。
一般性孔深(m)=基础埋深+0.7b(并小于2/3压缩层厚度)。
当以岩石作为天然地基时，孔深应达到基底下不少于0.5～1.0倍基础宽度，且不应少于5.0米。
桩基: 控制性孔深(m)=基础埋深+预计桩长+桩端平面下压缩层厚度
一般性孔深(m)=基础埋深+预计桩长+5。
当端承桩以基岩作为持力层时，勘探孔深度应达到预计嵌岩面以下3~5d,且不少于5.0米。
另外,每个场地至少要有二个钻孔深度应满足地震场地划分对覆盖层勘察的要求。
2.3 压缩试验试样加荷
按分层总和法计算地基沉降量时,要用到各土层的压缩模量,这一模量值应是一单元土层所受有效自重压力至有效自重压力与附加压力之和这一压力段的值。土工试验规程规定试验时,试样最后一级压力应比土层的计算压力大于100 kPa～200kPa。笔者认为这一压力的取值也应通过应力计算实现,如果计算压缩层深度时采用的是应力控制法,此时则可参照其计算过程使用。#p#分页标题#e#
2.4 实施信息化勘察
勘探工地现场工程师应随时收集和分析已取得的勘探资料,并判断原有初步工作布置的符合性,如若出现偏差,则应尽快予以修正或及时调整勘察方案,使勘察技术工作意图与建筑工程特性和场地、地基条件最大限度地趋于符合,为最佳设计施工方案的设立提供科学、可靠和规范要求的勘察成果条件。信息化勘察的具体工作内容包括建立持续改进和及时补充的勘察场地综合地质柱状图和相关工程特性参数,及时制定和修正勘探工作现场描述样板及其他针对性要求及增强勘探鉴别等级等。
3、岩土工程评价
3.1 基坑支护及施工降水
针对基坑开挖及支护,宜根据开挖深度及预估的场地岩土工程条件,在开挖边界外至开挖深度的1倍～2倍范围内布置勘探点,土质条件好可取小值,反之可取大值。勘探点布置可兼顾考虑,且孔深不必大。针对施工降水,首先应掌握场区所在地段区域性水文地质背景资料,必要时应进行水文地质勘察。
通过必要的测试手段提供相应的设计参数,诸如,根据土层结构及岩土性质,提出土的有效应力强度参数或不排水抗剪强度参数;查明开挖范围和邻近场地地下水分布特征和渗流特征,提供相应的参数,并分析施工过程中水位变化对支撑系统和邻近建筑物与设施的影响,推荐计算模型、甚至支护方案及施工降水、隔水措施。
3.2不均匀地基的稳定性验算和加固处理措施
3.2.1 不均匀地基的稳定性计算
对于地基持力层跨越不同地质单元，揭露土层坡度大于10%，地基不均匀系数大于界限值的不均匀地基，除应按有关规范要求进行建筑物的沉降、差异沉降、倾斜等特征分析外，更为重要的是应根据建筑物的重要性进行地基稳定性验算，国内外在这方面的文献记录较少，岩土工程师对这一重要内容往往均以对地基稳定性\"有利\"与\"不利\"泛泛带过，显得空洞，设计人员无所适从，笔者依据多年从事岩土工程勘察经验作一简略介绍。
Terzaghi等国外学者根据地基整体破坏原理，运用刚体平衡理论，假设塑性区展开深度为1/3或1/4的基础宽度进行地基承载力分析，这对地基整体稳定分析有极为重要的意义，地基规范建议地基稳定性分析采用圆弧法进行验算，即最危险的滑动面上诸力对滑动中心所产生的抗滑力矩MR与滑动力矩MS应符合下式：
K=MR/MS≥1.2
根据其稳定安全系数可按下式计算：
K=R(Wicositani+cili)(p-pc)bx+Hz
式中：
p-pc———基底附加压力平均值;
x———附加压力重心到滑弧圆心的水平距离;
Wi———土条重量;
li———土条内滑弧长度;
H———水平外力;
ci———土的抗剪强度;
R———圆弧半径。
运用该式进行整体稳定性计算时，仅适用于偏心荷载的建筑物，其关键是滑弧深度的确定，滑弧深度确定了其地基土整体破坏范围也就确定了，根据多项工程地基土圆弧滑动稳定性验算及塑性区展形范围，认为基础外角点底面以下1/4基础宽度范围深度内，且该点与地面的连线呈450-/2夹角的验算范围可满足建筑物使用要求。经上式验算直至满足要求为止。或采用增强滑带土抗剪强度的办法重新验算地基稳定性安全系数。
3.2.2 不均匀地基加固处理措施
一般情况下，岩土工程师还应建议采取如下地基处理措施：
⑴对于建造于不均地基土上的建筑物基础应加大基础刚度;⑵高层建筑主楼和裙楼应尽量避免采用不同的基础型式;⑶高层钢筋混凝土结构的房屋独立柱基应沿基础纵横两个主轴方向设置系梁，特别是结构荷载差异明显的柱基或埋深差较大的桩基;⑷对于桩基应设置桩帽(单桩)或桩承台(多桩)且沿纵横主轴方向设置系梁;特别是桩底持力层差异较大的桩基础;⑸对于设置于不均匀地基岩土上的桩基础，其桩顶和桩底应设置不小于1m的箍筋加密区，若采用预制桩应采用高强预应力管桩。
3.3挤土桩沉桩可行性分析
高层建筑结构荷载大，大都采用桩筏或桩箱基础，岩土工程师提出合理的桩基方案及沉桩可行性分析就尤为重要。预应力混凝土管桩具有强度高、施工方便、造价低等诸多优点，近年来在福建沿海地区的高层建筑得到广泛使用。福建沿海地区大范围分布软土地基，软土地基主要由淤泥、淤泥质土构成，其特点是天然含水量高、孔隙比大、渗透性差、高压缩性、触变性、不均匀性。在软土地基中设置预应力混凝土管桩，如设计和施工不当，就会产生明显挤土效应。挤土作用产生地面隆起，土体水平位移，造成桩上浮、移位，桩身翘曲甚至断裂，从而降低桩的承载力。桩基施工完成后，还可能因饱和软土中孔隙水压力消散，土层再固结沉降而降低桩基承载力，增大桩基沉降。另大面积的基坑开挖卸荷导致坑底土隆起，不当开挖造成桩两侧土压力差异，引起桩身上浮，开裂和桩体侧向位移，采用复压和纠偏等办法补救后，即使桩基抗压承载力能满足设计要求，但抗水平承载力却大大减弱。由于挤土效应及基坑开挖引起的桩基质量事故和工程纠纷也时常见诸工程项目中。
岩土工程师必须对桩基，特别是挤土桩的布置原则，施工顺序，挤土效应的危害及防治措施，基坑开挖的顺序，提出明确的分析和建议，供设计和施工单位参考，避免因岩土工程勘察报告的不详尽，而产生不必要的损失。#p#分页标题#e#
3.4 地下水抗浮水位
高层建筑的深厚基础及大面积附属裙房地下室，必然带来与地下水有关的抗浮和抗拔设计等相关问题。由于影响到建设工期和资金投入。地下水问题也开始变得突出。目前发现有工程项目中设计单位水浮力计算水位采用地质勘察报告中常年水位，桩基竖向承载力计算对扣除水浮力把握不当，未按不利原则设计。
岩土工程勘察报告中地下水抗浮水位应按最不利情况加以明确。正常使用阶段存在的抗浮问题，勘察报告中应根据具体工程情况，分析采用抗拔桩、抗拔土锚，或者利用基坑支护桩和增加地下车库覆土厚度等抗浮措施。对于施工期中抗浮问题也需要在施工期间注意降排水和加强监测。
正常情况下不宜用管桩作为抗拔桩，但工程项目中往往考虑到造价和施工因素，设计采用管桩作为抗拔桩。抗拔桩分析评价过程中应建议进行桩身受力和抗裂验算，抗拔管桩的接桩节点也应进行抗拔验算等。
同时，岩土工程勘察报告中应明确场地地下水和地基土对建筑材料的腐蚀性影响，建议基础设计时应采取相应的防治措施。
3.5 地基基础方案建议
虽然目前最终的地基基础设计方案由结构工程师决定,但是除了勘察报告中一些数值标识外,岩土工程师基于一些认识经验及感知,从岩土工程角度提出的建议还是有独到之处的,因此也是必要的;同时由于结构工程师有其设计习惯,加之,每种方案都有其施工难易、环境影响等诸多方面的优缺点,虽然最经济合理的只有一个,笔者认为还是应多建议几个基础方案，经多方面比对，综合考虑推荐最优方案。
4、结语
总之，高层建筑的岩土工程勘察工作量大、内容繁杂,具体要求表现为钻孔深度大、平面布置要合理;土工试验安排应保证参数符合实际要求;岩土工程评价要准确、详尽;岩土治理方案应科学、安全、实用、经济。
