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石灰?guī)r地區(qū)某工程基礎(chǔ)選型的介紹

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一、工程概論

  ×××指揮中心大樓,位于雄楚大道路北,武昌鍋爐廠南墻外,大樓主樓12層,裙樓8層,框架結(jié)構(gòu),設(shè)置一層地下室,預(yù)計(jì)開(kāi)挖深度為自然地面以下6.0m。



圖一 工作量布置圖

  該項(xiàng)目單柱荷載較大,由于其特殊功能,工程重要性等級(jí)較高。我們?cè)诔蹩被A(chǔ)上(初勘由其它單位完成),共布設(shè)勘探點(diǎn)23個(gè),4個(gè)物探驗(yàn)證孔,2個(gè)巖溶裂隙水位觀測(cè)孔,同時(shí)還委托神龍地質(zhì)勘察院進(jìn)行了物探工作(包括地質(zhì)雷達(dá)和瞬變電磁法)。目的是從宏觀上探測(cè)溶洞和軟土的規(guī)模,以其達(dá)到縮短“卡洞”工期,節(jié)約勘察投資的目的。

二、場(chǎng)區(qū)巖土層的分布條件


圖二:典型工程地質(zhì)剖面圖

 

表一  場(chǎng)區(qū)土層主要特征及力學(xué)性質(zhì)

層號(hào)

巖石層名稱

層面埋深(m)

一般厚度(m)

Ps范圍值(MPa)

N范圍值(擊)

綜合

巖性描述

fak(kPa)

Es(MPa)

2

淤泥

1.5-2.0

0.5-1.0

0.3-0.4

 

50

2.2

黑灰,飽和,流塑,局部軟塑,普遍分布

3-1

粘土

2.5-3.0

0-3.5

0.9-1.8

 

110

4.3

褐灰,軟塑,部分地段分布

3

粉質(zhì)粘土

2.5-3.2

0-3.0

1.2-2.0

 

150

6.0

褐灰-褐黃,可塑,大部分地段分布

4

粉質(zhì)粘土

夾粉土

5.5-6.5

0-3.5

0.6-1.0

 

95

3.8

褐黃-褐灰,濕,軟塑,大部分地段分布

5

粘土夾碎石

7.5-10.0

3.5-6.0

 

N63.5=23.4

350

13.0

黃褐-褐黃,稍濕,硬塑,碎石稍有磨園度,以石英砂巖為主。

5-1

粘土夾碎石

14.0-16.0

0-10.0

 

3.5-9.0

60-180

2.0-7.0

黃褐-褐黃,很濕-飽和,由硬→可→軟→流塑,僅溝槽分布

6

石灰?guī)r

13.0-18.0

未鉆穿

 

frk=34~109MPa

fa=1000

不可

壓縮

淺灰、灰白,溶蝕裂隙發(fā)育,分布在圖一地質(zhì)介線以南

7

砂巖、泥巖

10.0-11.0

未鉆穿

 

 

fa=400

Eo=45

褐黃—磚紅色,呈碎解狀,分布在圖—地質(zhì)介線以北

三、場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件

  擬建場(chǎng)區(qū)東西兩側(cè)在勘察期間地貌仍為溝塘,上層滯水賦存于填土和淤泥層中,下伏石灰?guī)r中不均勻分布有巖溶裂隙承壓水,其水僅分布在溶溝、溶槽、溶洞等裂隙之中。距該場(chǎng)區(qū)約200米處,有武鍋水井,每年均抽取地下水作工業(yè)冷卻水用。此水井與場(chǎng)區(qū)屬同一灰?guī)r條帶,抽水量約為400噸/日,夏季白天抽取。
  本次勘察期間在3#、5#鉆孔內(nèi)設(shè)有水文觀測(cè)孔,測(cè)得其動(dòng)水位為13.18-14.20m,水溫20°(見(jiàn)下圖)。由于勘察期間正值抽水季節(jié),只能提供巖溶動(dòng)水位值,但留下水文觀測(cè)孔,在工程施工時(shí)可作水位監(jiān)測(cè)用。

圖三 水位隨時(shí)間變化圖

 

四、本場(chǎng)區(qū)基礎(chǔ)選型的不利條件

    本場(chǎng)區(qū)對(duì)建筑物基礎(chǔ)選型明顯存在有以下不利條件:
    1、7.5-10.0m以上均為Q4地層,承載力低、壓縮性高,不經(jīng)地基處理,不能選作天然淺基礎(chǔ)持力層。
    2、第(5)層粘土碎石層,強(qiáng)度高、壓縮性低,但埋深大、厚度小,且下臥有(5-1)軟土和巖溶分布,不能滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.5.2條。如選作基礎(chǔ)持力層,土方量大,且存在基礎(chǔ)的穩(wěn)定性問(wèn)題。
    3、在16個(gè)石灰?guī)r的鉆孔中,見(jiàn)洞率,另?yè)?jù)物探測(cè)出,鉆孔中所遇到的洞體均有一定的規(guī)模,且洞體附近還有其它的物探異常。如以石灰?guī)r為樁基持力層,必須逐柱逐樁進(jìn)行巖溶勘察,耗時(shí)、耗力、投資大,且為工程工期不能接受。
    4、從區(qū)域地質(zhì)資料了解,場(chǎng)區(qū)處在大斷層附近,灰?guī)r地質(zhì)年代為石炭系,灰?guī)r的質(zhì)地較純,巖溶發(fā)育。從武鍋抽水井資料得知,場(chǎng)區(qū)的巖溶承壓水位高,水量豐富,如采用樁基礎(chǔ),必須降低地下水位,方可保障施工質(zhì)量及人事安全。其降低承壓地下水,投資很大。
    5、采用鉆孔灌注樁,鉆穿第(5)層困難(內(nèi)含有大塊石英砂巖塊石)需采用反循環(huán),特殊鉆頭;采用人工挖孔樁,需對(duì)部分巖體實(shí)施爆破,這都是耗時(shí)、耗力、投資大的施工難點(diǎn)。

五、基礎(chǔ)形式的確定

    還在勘察外業(yè)工作的初期,勘察施工的難度,及基礎(chǔ)選型的不利形勢(shì)已經(jīng)顯露出來(lái)。本著為業(yè)主竭誠(chéng)服務(wù)的宗旨,我們?cè)谶呥M(jìn)行外業(yè)勘察的同時(shí),邊與建設(shè)單位、設(shè)計(jì)人員不斷溝通。經(jīng)過(guò)多次的技術(shù)論證、對(duì)比(還包括建址的前后移動(dòng)方案對(duì)比),并由我院出面聘請(qǐng)資深專家召開(kāi)咨詢會(huì),終于說(shuō)服了建設(shè)單位和設(shè)計(jì)人員,放棄了原定的樁基方案,采用了我們推薦的基礎(chǔ)方案,即:
    1、確定可以在原址上建筑,保證了建筑物的最佳位置氣勢(shì)。
    2、對(duì)地下室底板至(5)層之間的Q4地層,進(jìn)行滿堂地基處理,處理方案由我們提出。
    3、采用有足夠剛度的筏板基礎(chǔ),砌置在滿堂處理后的復(fù)合地基之上。

  六、為什么要選擇筏板基礎(chǔ)和地基處理方案

    (一)首先基于我們對(duì)場(chǎng)區(qū)巖溶現(xiàn)象的地質(zhì)成因,分布范圍,發(fā)展趨勢(shì)和危害程度有了較大程度的了解。
    1、場(chǎng)區(qū)歷史上曾遭受過(guò)強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)
    武漢市地質(zhì)構(gòu)造主要受燕山期造山運(yùn)動(dòng)的影響,形成了一系列近東西走向的緊密線狀褶皺壓扭性斷層和北北東、北北西張性斷層。本場(chǎng)區(qū)位于線狀褶皺的背向斜轉(zhuǎn)折冀段,距場(chǎng)區(qū)西側(cè)約800米處,有一推斷的北北東向斷層,受其影響,場(chǎng)區(qū)巖體表現(xiàn)為裂隙、破碎現(xiàn)象較為嚴(yán)重。在鉆探中發(fā)現(xiàn):1、2號(hào)地質(zhì)剖石中的晚泥盆系砂巖、泥巖在66.0的深度仍見(jiàn)不到完整巖芯,取出的巖芯呈強(qiáng)風(fēng)化及破碎巖狀;3-5剖石的石炭系石灰?guī)r則表現(xiàn)為裂隙發(fā)育,大量方解石充填,巖溶現(xiàn)象發(fā)育等。這佐證了場(chǎng)區(qū)巖體曾受過(guò)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈影響。
    2、鉆探、物探均發(fā)現(xiàn)了場(chǎng)區(qū)分布有大大小小不規(guī)則的溶洞。鉆探在5個(gè)鉆孔中見(jiàn)到洞跨大于1.0米的溶洞。而據(jù)物探資料提供,在場(chǎng)區(qū)1-4#鉆孔一帶的溶洞有一定的規(guī)模,最大溶洞為7.0米,最小為2.0米,其它還有溶洞呈零星分布。
    但物探資料有一定的局限性,且鉆探驗(yàn)證與物探異常不完全相符,雖然場(chǎng)區(qū)布設(shè)的鉆孔密度較高,由于巖溶分布的隨機(jī)性,還有可能存在未被發(fā)現(xiàn)的巖溶分布。
    3、在建筑物的使用年限內(nèi),場(chǎng)區(qū)巖溶繼續(xù)發(fā)育的速度是極其緩慢的。至少在200-300萬(wàn)年前,即第四系中晚更新世以前的流水作用,就已經(jīng)使場(chǎng)區(qū)的石灰?guī)r逐漸溶蝕、發(fā)展,而形成了現(xiàn)在隱伏于場(chǎng)區(qū)的巖溶景觀。
  石灰雖可被水溶蝕,但其溶蝕速度是非常緩慢的。經(jīng)查閱有關(guān)文獻(xiàn),我國(guó)廣西巖溶溶蝕速率為0.1-0.3mm/年,一般地區(qū)均低于1.0mm/年??梢?jiàn)建筑物的使用年限與巖溶發(fā)育的壽年相比,及屬歷史瞬間。
    4、溶洞頂蓋安全厚度的試算
    溶洞的形成需漫長(zhǎng)時(shí)代,在自然狀態(tài)下已經(jīng)形成的溶洞凡沒(méi)有坍塌的,應(yīng)該是穩(wěn)定的,一般洞體呈穩(wěn)定型自然拱。但增加了建筑物的附加荷載后,洞體還是否穩(wěn)定?我們選用了物探繪制的幾個(gè)最不利的洞體進(jìn)行洞頂安全厚度的驗(yàn)算:
選用公式:
式中:P——附加荷載+土自重+頂蓋巖體自重
I——洞體的跨度(長(zhǎng)徑)
b——洞體的短徑
sub>——巖體的彎曲應(yīng)力,灰?guī)r一般取允許抗壓強(qiáng)度的
H——頂蓋所需的安全厚度
  計(jì)算結(jié)果
 

計(jì)算單位

安全厚度(m)

實(shí)際厚度(m)

穩(wěn)定中評(píng)價(jià)

備  注

10#

1.5

0.2

不穩(wěn)定型

由于物探分辨限制,實(shí)際

鉆孔資料比物探異常小

1#

3.69

1.8

不穩(wěn)定型

洞體處在溶溝槽內(nèi),頂蓋受力已與計(jì)算模式不符

另計(jì)算的5個(gè)點(diǎn)位

安全厚度<頂蓋實(shí)際厚度

穩(wěn)定型

 

    從上述計(jì)算,可以結(jié)論,對(duì)已掌握的溶洞,經(jīng)計(jì)算過(guò)的及未經(jīng)計(jì)算過(guò)的,當(dāng)建筑物荷載上去以后,除個(gè)別還可討論外,其余均屬穩(wěn)定型洞體。
    5、巖溶地下水運(yùn)動(dòng)的不利影響
    巖溶地下水的運(yùn)動(dòng),有可能導(dǎo)致巖溶軟土,土洞及地面塌陷等對(duì)建筑物穩(wěn)定性的影響,本場(chǎng)區(qū)附近有抽水井,有地下水運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,對(duì)建筑物的影響是我們十分關(guān)注的問(wèn)題。
    a.(5-1)屬場(chǎng)區(qū)巖溶軟土,從初勘和詳勘資料中可知,(5-1)層土并沒(méi)有在灰?guī)r面上呈層狀分布,僅分布于溶溝槽及巖面低洼處,即見(jiàn)軟土率為≈25%,可以說(shuō)場(chǎng)區(qū)巖溶地下水對(duì)復(fù)蓋土層雖有軟化、侵蝕作用,但并不普遍和強(qiáng)烈。且所有鉆孔中均未發(fā)現(xiàn)有土洞的存在。
    b.與場(chǎng)區(qū)灰?guī)r在同一條帶上的抽水井,附近只有武鍋一口井,且抽水量?jī)H為400噸/日,抽水量不大。據(jù)“工程地質(zhì)手冊(cè)”有關(guān)條文說(shuō)明,當(dāng)?shù)叵滤鞯乃μ荻龋↖)大于巖土層的臨界水力梯度(Io)時(shí),則易對(duì)巖土層產(chǎn)生潛蝕。由于武鍋井正在運(yùn)營(yíng),無(wú)法測(cè)量其水位降,如果我們假設(shè)其為最不利的降深40m(此水井抽水管安裝最深為40m),本場(chǎng)區(qū)3#孔水位降深為14.2m,兩點(diǎn)相距200m,則地下水流動(dòng)的水力梯度。

巖土層第(5)層的臨界水力梯度

  式中:Gs=巖土層顆粒的比重(取Gs=2.75)
  n=巖土孔隙度,以小數(shù)計(jì)算(取n=0.45)
    兩者相比,地下水流動(dòng)的水力梯度大大小于第(5)層土,包括(5-1)層土的臨界水力梯度,這說(shuō)明抽水引起的潛蝕現(xiàn)象是非常有限的。
    武鍋抽水井建于五八年,距今40余年,調(diào)查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)及抽水井周圍有地面塌陷現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)。另武漢三鎮(zhèn)正在運(yùn)營(yíng)的水井不少,據(jù)武漢市有記載的地面塌陷均分布在長(zhǎng)江一級(jí)階地地層中,而長(zhǎng)江三級(jí)地地層中的地面塌陷到目前為止還未有記載。

    (二)是基礎(chǔ)方案優(yōu)化的結(jié)
    前面已經(jīng)介紹,本場(chǎng)區(qū)無(wú)論選擇樁基礎(chǔ),還是天然淺基礎(chǔ),均存在諸多不利條件,而采用筏板+地基處理基礎(chǔ)是最經(jīng)濟(jì)合理的方案。
    即當(dāng)基礎(chǔ)的尺寸大于洞(或溝槽)的平面尺寸,并有足夠的支承長(zhǎng)度時(shí),可以不考慮溶洞(或溝槽)對(duì)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性影響。
    其二,對(duì)淺部Q4地層地基處理后,達(dá)到形成具有一定厚度的均勻的基礎(chǔ)持力層,使其上部荷載應(yīng)力傳至下面軟土或巖面時(shí)變得最小為目的。
    推薦的地基處理方案有以下幾種
    1、換土墊層:可采用高爐礦渣、砂、石級(jí)配料換填,此方法施工直觀、簡(jiǎn)單、易于操作,但需開(kāi)挖7.5-10.0基坑,場(chǎng)區(qū)兩側(cè)分布有溝塘,從安全、經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)需論證,慎重采用。
    2、碎石樁復(fù)合地基:預(yù)挖3.0米基坑,再進(jìn)行小直徑,高密度高置換率干法碎石樁。此法從受力機(jī)理分析,是除換填之外對(duì)地基應(yīng)力分配最有利的一種加固形式,但后因此法已逐漸在武漢淘汰,未能系用。
    3、水泥攪拌樁復(fù)合地基:可用滿堂正方形或三角形模式,高置換率布樁。此法施工較易實(shí)施,質(zhì)量也較易控制,但從地基應(yīng)力分配的受力機(jī)理上分析,大大不如前兩種形式。
    4、人工素砼復(fù)合地基:此法是采用洛陽(yáng)鏟成孔、人工攪拌素砼鏟入孔內(nèi),不進(jìn)行搗實(shí)工藝,施工質(zhì)量均由人工操作,完全不用機(jī)械,其受力機(jī)理上同前第3種。后經(jīng)對(duì)比后,采用了此種方案。

七、地基承載力及變形計(jì)算

    (一)地基承載力計(jì)算
    1、復(fù)合地基承載力,可根據(jù)建筑地基處理技術(shù)規(guī)范《JG79-2002》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。(注:在此從略)
    2、對(duì)第(5)層土按深寬修正,可得到以下設(shè)計(jì)值

  采用公式:
  其中     =19.7  m =19.2
  計(jì)算結(jié)果,其設(shè)計(jì)值fa=600kPa
    (二)變形計(jì)算
    第(5)層土以下有(5-1)軟土的不均勻分布,能導(dǎo)致基礎(chǔ)的不均勻沉降及傾斜超規(guī)。以下試算了基礎(chǔ)各點(diǎn)的沉降及基礎(chǔ)整體變形。

圖四 沉降計(jì)算圖(注:僅供設(shè)計(jì)參考)

    從上圖的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn):a基礎(chǔ)的計(jì)算傾斜值是在國(guó)家有關(guān)規(guī)范規(guī)定的允許變形值范圍之內(nèi);b雖各點(diǎn)計(jì)算值差異較大,但只要基礎(chǔ)的剛度有足夠的大,不發(fā)生整體超規(guī)的傾斜,則基礎(chǔ)的整體變形,只會(huì)以小變形值體現(xiàn)出來(lái)。

八、建議與結(jié)束語(yǔ)

    由于擬建物的工程重要性等級(jí)較高,我們?cè)诳辈靾?bào)告的建議中提出:為使建筑物的主樓地基更安全,建議對(duì)1-4號(hào)鉆孔一帶已探明的巖溶、軟土分布較集中地帶,采用體積限量注漿處理。
    該建筑物于2000年建成,使用至今,據(jù)后期沉降現(xiàn)測(cè)資料反映,其使用效果很好??梢运愕蒙鲜莻€(gè)成功的建筑案例。

發(fā)布:2007-07-27 11:42    編輯:泛普軟件 · xiaona    [打印此頁(yè)]    [關(guān)閉]
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