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石灰岩地区某工程基础选型的介绍

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一、工程概论

  ×××指挥中心大楼,位于雄楚大道路北,武昌锅炉厂南墙外,大楼主楼12层,裙楼8层,框架结构,设置一层地下室,预计开挖深度为自然地面以下6.0m。



图一 工作量布置图

  该项目单柱荷载较大,由于其特殊功能,工程重要性等级较高。我们在初勘基础上(初勘由其它单位完成),共布设勘探点23个,4个物探验证孔,2个岩溶裂隙水位观测孔,同时还委托神龙地质勘察院进行了物探工作(包括地质雷达和瞬变电磁法)。目的是从宏观上探测溶洞和软土的规模,以其达到缩短“卡洞”工期,节约勘察投资的目的。

二、场区岩土层的分布条件


图二:典型工程地质剖面图

 

表一  场区土层主要特征及力学性质

层号

岩石层名称

层面埋深(m)

一般厚度(m)

Ps范围值(MPa)

N范围值(击)

综合

岩性描述

fak(kPa)

Es(MPa)

2

淤泥

1.5-2.0

0.5-1.0

0.3-0.4

 

50

2.2

黑灰,饱和,流塑,局部软塑,普遍分布

3-1

粘土

2.5-3.0

0-3.5

0.9-1.8

 

110

4.3

褐灰,软塑,部分地段分布

3

粉质粘土

2.5-3.2

0-3.0

1.2-2.0

 

150

6.0

褐灰-褐黄,可塑,大部分地段分布

4

粉质粘土

夹粉土

5.5-6.5

0-3.5

0.6-1.0

 

95

3.8

褐黄-褐灰,湿,软塑,大部分地段分布

5

粘土夹碎石

7.5-10.0

3.5-6.0

 

N63.5=23.4

350

13.0

黄褐-褐黄,稍湿,硬塑,碎石稍有磨园度,以石英砂岩为主。

5-1

粘土夹碎石

14.0-16.0

0-10.0

 

3.5-9.0

60-180

2.0-7.0

黄褐-褐黄,很湿-饱和,由硬→可→软→流塑,仅沟槽分布

6

石灰岩

13.0-18.0

未钻穿

 

frk=34~109MPa

fa=1000

不可

压缩

浅灰、灰白,溶蚀裂隙发育,分布在图一地质介线以南

7

砂岩、泥岩

10.0-11.0

未钻穿

 

 

fa=400

Eo=45

褐黄—砖红色,呈碎解状,分布在图—地质介线以北

三、场区水文地质条件

  拟建场区东西两侧在勘察期间地貌仍为沟塘,上层滞水赋存于填土和淤泥层中,下伏石灰岩中不均匀分布有岩溶裂隙承压水,其水仅分布在溶沟、溶槽、溶洞等裂隙之中。距该场区约200米处,有武锅水井,每年均抽取地下水作工业冷却水用。此水井与场区属同一灰岩条带,抽水量约为400吨/日,夏季白天抽取。
  本次勘察期间在3#、5#钻孔内设有水文观测孔,测得其动水位为13.18-14.20m,水温20°(见下图)。由于勘察期间正值抽水季节,只能提供岩溶动水位值,但留下水文观测孔,在工程施工时可作水位监测用。

图三 水位随时间变化图

 

四、本场区基础选型的不利条件

    本场区对建筑物基础选型明显存在有以下不利条件:
    1、7.5-10.0m以上均为Q4地层,承载力低、压缩性高,不经地基处理,不能选作天然浅基础持力层。
    2、第(5)层粘土碎石层,强度高、压缩性低,但埋深大、厚度小,且下卧有(5-1)软土和岩溶分布,不能满足《建筑地基基础设计规范》第6.5.2条。如选作基础持力层,土方量大,且存在基础的稳定性问题。
    3、在16个石灰岩的钻孔中,见洞率,另据物探测出,钻孔中所遇到的洞体均有一定的规模,且洞体附近还有其它的物探异常。如以石灰岩为桩基持力层,必须逐柱逐桩进行岩溶勘察,耗时、耗力、投资大,且为工程工期不能接受。
    4、从区域地质资料了解,场区处在大断层附近,灰岩地质年代为石炭系,灰岩的质地较纯,岩溶发育。从武锅抽水井资料得知,场区的岩溶承压水位高,水量丰富,如采用桩基础,必须降低地下水位,方可保障施工质量及人事安全。其降低承压地下水,投资很大。
    5、采用钻孔灌注桩,钻穿第(5)层困难(内含有大块石英砂岩块石)需采用反循环,特殊钻头;采用人工挖孔桩,需对部分岩体实施爆破,这都是耗时、耗力、投资大的施工难点。

五、基础形式的确定

    还在勘察外业工作的初期,勘察施工的难度,及基础选型的不利形势已经显露出来。本着为业主竭诚服务的宗旨,我们在边进行外业勘察的同时,边与建设单位、设计人员不断沟通。经过多次的技术论证、对比(还包括建址的前后移动方案对比),并由我院出面聘请资深专家召开咨询会,终于说服了建设单位和设计人员,放弃了原定的桩基方案,采用了我们推荐的基础方案,即:
    1、确定可以在原址上建筑,保证了建筑物的最佳位置气势。
    2、对地下室底板至(5)层之间的Q4地层,进行满堂地基处理,处理方案由我们提出。
    3、采用有足够刚度的筏板基础,砌置在满堂处理后的复合地基之上。

  六、为什么要选择筏板基础和地基处理方案

    (一)首先基于我们对场区岩溶现象的地质成因,分布范围,发展趋势和危害程度有了较大程度的了解。
    1、场区历史上曾遭受过强烈的地质构造运动
    武汉市地质构造主要受燕山期造山运动的影响,形成了一系列近东西走向的紧密线状褶皱压扭性断层和北北东、北北西张性断层。本场区位于线状褶皱的背向斜转折冀段,距场区西侧约800米处,有一推断的北北东向断层,受其影响,场区岩体表现为裂隙、破碎现象较为严重。在钻探中发现:1、2号地质剖石中的晚泥盆系砂岩、泥岩在66.0的深度仍见不到完整岩芯,取出的岩芯呈强风化及破碎岩状;3-5剖石的石炭系石灰岩则表现为裂隙发育,大量方解石充填,岩溶现象发育等。这佐证了场区岩体曾受过地质构造运动的强烈影响。
    2、钻探、物探均发现了场区分布有大大小小不规则的溶洞。钻探在5个钻孔中见到洞跨大于1.0米的溶洞。而据物探资料提供,在场区1-4#钻孔一带的溶洞有一定的规模,最大溶洞为7.0米,最小为2.0米,其它还有溶洞呈零星分布。
    但物探资料有一定的局限性,且钻探验证与物探异常不完全相符,虽然场区布设的钻孔密度较高,由于岩溶分布的随机性,还有可能存在未被发现的岩溶分布。
    3、在建筑物的使用年限内,场区岩溶继续发育的速度是极其缓慢的。至少在200-300万年前,即第四系中晚更新世以前的流水作用,就已经使场区的石灰岩逐渐溶蚀、发展,而形成了现在隐伏于场区的岩溶景观。
  石灰虽可被水溶蚀,但其溶蚀速度是非常缓慢的。经查阅有关文献,我国广西岩溶溶蚀速率为0.1-0.3mm/年,一般地区均低于1.0mm/年。可见建筑物的使用年限与岩溶发育的寿年相比,及属历史瞬间。
    4、溶洞顶盖安全厚度的试算
    溶洞的形成需漫长时代,在自然状态下已经形成的溶洞凡没有坍塌的,应该是稳定的,一般洞体呈稳定型自然拱。但增加了建筑物的附加荷载后,洞体还是否稳定?我们选用了物探绘制的几个最不利的洞体进行洞顶安全厚度的验算:
选用公式:
式中:P——附加荷载+土自重+顶盖岩体自重
I——洞体的跨度(长径)
b——洞体的短径
sub>——岩体的弯曲应力,灰岩一般取允许抗压强度的
H——顶盖所需的安全厚度
  计算结果
 

计算单位

安全厚度(m)

实际厚度(m)

稳定中评价

备  注

10#

1.5

0.2

不稳定型

由于物探分辨限制,实际

钻孔资料比物探异常小

1#

3.69

1.8

不稳定型

洞体处在溶沟槽内,顶盖受力已与计算模式不符

另计算的5个点位

安全厚度<顶盖实际厚度

稳定型

 

    从上述计算,可以结论,对已掌握的溶洞,经计算过的及未经计算过的,当建筑物荷载上去以后,除个别还可讨论外,其余均属稳定型洞体。
    5、岩溶地下水运动的不利影响
    岩溶地下水的运动,有可能导致岩溶软土,土洞及地面塌陷等对建筑物稳定性的影响,本场区附近有抽水井,有地下水运动现象,对建筑物的影响是我们十分关注的问题。
    a.(5-1)属场区岩溶软土,从初勘和详勘资料中可知,(5-1)层土并没有在灰岩面上呈层状分布,仅分布于溶沟槽及岩面低洼处,即见软土率为≈25%,可以说场区岩溶地下水对复盖土层虽有软化、侵蚀作用,但并不普遍和强烈。且所有钻孔中均未发现有土洞的存在。
    b.与场区灰岩在同一条带上的抽水井,附近只有武锅一口井,且抽水量仅为400吨/日,抽水量不大。据“工程地质手册”有关条文说明,当地下水流的水力梯度(I)大于岩土层的临界水力梯度(Io)时,则易对岩土层产生潜蚀。由于武锅井正在运营,无法测量其水位降,如果我们假设其为最不利的降深40m(此水井抽水管安装最深为40m),本场区3#孔水位降深为14.2m,两点相距200m,则地下水流动的水力梯度。

岩土层第(5)层的临界水力梯度

  式中:Gs=岩土层颗粒的比重(取Gs=2.75)
  n=岩土孔隙度,以小数计算(取n=0.45)
    两者相比,地下水流动的水力梯度大大小于第(5)层土,包括(5-1)层土的临界水力梯度,这说明抽水引起的潜蚀现象是非常有限的。
    武锅抽水井建于五八年,距今40余年,调查没有发现场区及抽水井周围有地面塌陷现象发现。另武汉三镇正在运营的水井不少,据武汉市有记载的地面塌陷均分布在长江一级阶地地层中,而长江三级地地层中的地面塌陷到目前为止还未有记载。

    (二)是基础方案优化的结
    前面已经介绍,本场区无论选择桩基础,还是天然浅基础,均存在诸多不利条件,而采用筏板+地基处理基础是最经济合理的方案。
    即当基础的尺寸大于洞(或沟槽)的平面尺寸,并有足够的支承长度时,可以不考虑溶洞(或沟槽)对基础的稳定性影响。
    其二,对浅部Q4地层地基处理后,达到形成具有一定厚度的均匀的基础持力层,使其上部荷载应力传至下面软土或岩面时变得最小为目的。
    推荐的地基处理方案有以下几种
    1、换土垫层:可采用高炉矿渣、砂、石级配料换填,此方法施工直观、简单、易于操作,但需开挖7.5-10.0基坑,场区两侧分布有沟塘,从安全、经济的角度出发需论证,慎重采用。
    2、碎石桩复合地基:预挖3.0米基坑,再进行小直径,高密度高置换率干法碎石桩。此法从受力机理分析,是除换填之外对地基应力分配最有利的一种加固形式,但后因此法已逐渐在武汉淘汰,未能系用。
    3、水泥搅拌桩复合地基:可用满堂正方形或三角形模式,高置换率布桩。此法施工较易实施,质量也较易控制,但从地基应力分配的受力机理上分析,大大不如前两种形式。
    4、人工素砼复合地基:此法是采用洛阳铲成孔、人工搅拌素砼铲入孔内,不进行捣实工艺,施工质量均由人工操作,完全不用机械,其受力机理上同前第3种。后经对比后,采用了此种方案。

七、地基承载力及变形计算

    (一)地基承载力计算
    1、复合地基承载力,可根据建筑地基处理技术规范《JG79-2002》的有关规定进行设计计算。(注:在此从略)
    2、对第(5)层土按深宽修正,可得到以下设计值

  采用公式:
  其中     =19.7  m =19.2
  计算结果,其设计值fa=600kPa
    (二)变形计算
    第(5)层土以下有(5-1)软土的不均匀分布,能导致基础的不均匀沉降及倾斜超规。以下试算了基础各点的沉降及基础整体变形。

图四 沉降计算图(注:仅供设计参考)

    从上图的计算结果可见:a基础的计算倾斜值是在国家有关规范规定的允许变形值范围之内;b虽各点计算值差异较大,但只要基础的刚度有足够的大,不发生整体超规的倾斜,则基础的整体变形,只会以小变形值体现出来。

八、建议与结束语

    由于拟建物的工程重要性等级较高,我们在勘察报告的建议中提出:为使建筑物的主楼地基更安全,建议对1-4号钻孔一带已探明的岩溶、软土分布较集中地带,采用体积限量注浆处理。
    该建筑物于2000年建成,使用至今,据后期沉降现测资料反映,其使用效果很好。可以算得上是个成功的建筑案例。

发布:2007-07-27 11:42    编辑:泛普软件 · xiaona    [打印此页]    [关闭]
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