岩土工程勘察中地基土压缩性分析与应用
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作者:梁冠宇 胡俊杰
摘 要：如实弄清拟建场区的水文地质与工程地质条件，提供准确的地基土压缩性指标是岩土工程勘察的核心环节之一，其中压缩模量是判断土的压缩性和计算地基压缩变形量的重要指标;桩基沉降估算是对地基土压缩性的重要应用。本文通过工程实例论证，加强地基土压缩性研究工作，提供准确全面的压缩性指标的重要性。
关键词：地基土 压缩性 压缩模量 沉降
中图分类号：TU195 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（a）-0056-04
Abstract： It is one of the core links of geotechnical engineering investigation to accurately understand the hydrogeological and engineering geological conditions of the proposed site and provide accurate compressibility index of foundation soil. Among them， compression modulus is an important index to judge the compressibility of soil and calculate the compression deformation of foundation. Pile foundation settlement estimation is an important application to soil compressibility of foundation. This paper demonstrates the importance of strengthening the study of foundation soil compressibility and providing accurate and comprehensive compressibility indexes through engineering examples.
Key Words： Foundation soil; Compressibility; Compression modulus; Settlement
1 工程实例
工程项目为浙江广播电视集团建造的影视后期制作中心，位于杭州市萧山区宁围镇，钱塘江南岸。建筑物概况如下表1。
2 场地地层结构
勘察区位于杭州市萧山区宁围镇高教园区，拟建场地地貌属于钱塘江冲海积平原区。地形开阔平坦，地势相对较低，场地为荒地，现状黄海高程为5.80～7.36m。
①-1杂填土（meQ4）
杂色，湿，松散-稍密状态。主要为碎石、砖块及砼等建筑垃圾，局部为素填土。局部分布，主要分布在场地的南侧，层厚0.40～2.30m。
①-2素填土（meQ4）
褐灰色，湿，松散状态。含较多植物根系、少量小碎石。局部分布，层厚0.20～1.00m。
②-1粘质粉土（al-mQ42）
灰黄～黄灰色，湿～很湿，稍密。切面粗糙，含云母碎屑，摇震反应较快，韧性和干强度较差。属中压缩性土。孔隙比=0.924，qc=2.18MPa，fs=21.7kPa，N=7.7。全场分布，层顶标高4.59～6.81m，层厚0.90～3.30m。
②-2砂质粉土（al-mQ42）
黄灰色，湿～很湿，稍密。切面粗糙，含云母及贝壳碎屑，摇震反应较快，韧性和干强度较差。局部为粘质粉土。属中压缩性土。孔隙比=0.884，qc=3.67MPa，fs=39.9kPa，N=8.3。全场分布，层顶标高1.92～4.99m，层厚2.30～8.90m。
②-3砂质粉土（al-mQ42）
黄灰～灰色，湿～很湿，稍密。切面粗糙，含云母碎屑，搖震反应迅速，韧性和干强度较差。局部为粘质粉土或粉砂。属中压缩性土。孔隙比=0.852，qc=2.88 MPa，fs=44.8kPa，N=10.1。全场分布，层顶标高1.28～3.90m，层厚1.10～3.90m。
②-4粉砂（al-mQ42）
青灰色，湿～很湿，稍密-中密。切面粗糙，含少量贝壳碎屑，摇震反应迅速，韧性和干强度较差。局部夹有粉土。属中压缩性土。孔隙比=0.780，qc=7.68MPa，fs=91kPa，N=19.1。全场分布，层顶标高-4.50～0.69m，层厚1.90～7.00m。
③-1粘质粉土（mQ41）
灰色，很湿，稍密。切面粗糙，夹薄层状粉砂，含云母碎屑，摇震反应较快，韧性和干强度较差。局部为粉质粘土。属中压缩性土。本层为过度层。孔隙比=0.964，液性指数=1.06，塑性指数=10，qc=1.77MPa，fs=32.7kPa，N=5.8。全场分布，层顶标高-13.48～-10.04m，层厚0.40～3.80m。
③-2淤泥质粉质粘土（mQ41）
灰色，流塑～软塑。切面较光滑，夹薄层状粉砂，含少量有机腐殖质及贝壳碎屑，有臭味，无摇振反应，韧性及干强度中等。局部为淤泥质粉质粘土或粉土。属高压缩性土。孔隙比=1.193，液性指数=1.073，塑性指数=17.1，qc=0.96MPa，fs=14kPa，N=1.3。全场分布，层顶标高-16.48～-11.70m，层厚8.00～20.20m。 ⑤-1含粉砂粉质粘土（mQ32-1）
青灰色，软塑，切面较光滑，局部夹有粉土或粉砂，见云母及贝壳碎屑，含有机质，韧性中等，干强度中等。局部为粉土。属中压缩性土。孔隙比=0.872，液性指数=0.854，qc=3.9MPa，fs=46.8kPa，N=8.1。局部分布。层顶标高-33.33～-21.55m，层厚0～13.40m。
⑤-2粉砂（mQ32-1）
灰-灰黄色，湿～很湿，中密。切面粗糙，含云母碎屑及少量腐殖质，局部夹有层状粉质粘土，摇震反应迅速，韧性和干强度较差。局部为粉土。属中压缩性土。孔隙比=0.811，qc=7.29MPa，fs=70.4kPa，N=17.3。局部分布，层顶标高-34.43～-21.79m，层厚0～11.80m。
⑤-3粉质粘土（alQ31）
褐灰色，软塑，切面较光滑，局部夹有粉土或粉砂，见贝壳碎片及腐木，韧性中等，干强度中等。局部为粉土。属中压缩性土。孔隙比=0.921，液性指数=0.791，qc=2.96 MPa，fs=37.6kPa，N=8.6。局部分布。层顶标高-34.68～-24.99m，层厚0～9.70m。
⑥-1圆砾（alQ31）
灰色，中密-密实。粒径在20～40mm，约占27.5%，成分为中风化石英砂岩、石英岩、凝灰岩等;粒径在2～20mm，约占32.8%;粒径在0.5～2mm，约占5.5%;粒径在0.075～0.5mm，约占5.3%;粒径小于0.075mm，约占24.5%;粒间充填中粗砂和少量粘性土，胶结较差～一般，磨圆度中等。本层土土质不均，上部局部为砾砂。属中低压缩性土。qc=19.84 MPa，fs=88.3kPa，N63.5=22.3。全场分布，层顶标高-44.13～-29.54m，层厚6.10～19.30m。
⑥-2圆砾（alQ31）
灰色，密实。粒径在20～40mm，约占28.1%，成分为中风化石英砂岩、石英岩、凝灰岩等;粒径在2～20mm，约占34.3%;粒径在0.5～2mm，约占6.8%;粒径0.25～0.5mm，约占5.2%;粒径小于0.075mm，约占26.3%;粒径在0.075～0.25mm，约占6.2%;其余为砂粒和粘粒，胶结一般～较好，磨圆度较好。属低压缩性土，N63.5=42.1。全场分布，层顶标高-52.35～-31.34m。
⑧-1全风化含砾粉砂岩（K1）
灰绿色-灰紫色，软可塑～硬可塑，原岩已完全风化成砂土状，见铁锰质结核。具中等压缩性，N63.5=32.3。层顶标高-64.75～-59.74m，层厚1.10～6.80m。
⑧-2强风化含砾粉砂岩（K1）
灰绿色-灰紫色，粉砂质结构，块状构造。含砾石约20%～45%，粒径以0.5～3cm为主，泥质胶结，风化强烈。原岩风化强烈，裂隙极发育，裂隙面见氧化铁斑点，岩芯呈碎块状，N63.5=62.5。层顶标高-68.87～-60.84m，层厚1.70～4.60m。
⑧-3中风化含砾粉砂岩（K1）
灰紫色，砂质结构，块状构造，原岩风化强烈，裂隙较发育，裂隙面见氧化铁斑点，岩芯呈碎块状或短柱状。岩芯锤击易碎，遇水易软化。天然单轴抗压强度在0.63～1.18MPa，岩体坚硬程度为软岩，完整程度属破碎，其基本质量等级为V级。
3 地基土物理力学指标及设计参数确定
压缩模量（Es）：考虑到本工程体量大，主楼与裙楼高差大等特殊性，为了保证设计参数的准确性与全面性，我院综合分析土工试验、原位测试及静力触探相关成果，提供多种压缩模量参考值[1]。计算公式取自表2所示。最后结合周边类似工程经验综合确定压缩模量，见表3所示。
4 桩基沉降量估算
对于超高层建筑的沉降计算，由于观测资料较少，导致理论计算沉降与实测沉降经常出现较大差别。采用以下三种沉降计算的方法进行沉降量估算，提供沉降计算参考。
方法1：浙江省标准《建筑地基基础设计规范》（DB33/T1136-2017）[2]，采用实体深基础法（单向压缩分层总和法）估算桩基础最终沉降量：
式中 S——桩基最终沉降量（mm）;
——沉降估算经验系数，根據计算深度范围内土层压缩模量的当量值确定，本次取0.30;
n——地基变形估算深度范围内所划分的土层数;
Po——对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加应力（kPa），对于桩基础，应为桩底平面处的附加应力;
Esi——基础底面第i层土的压缩模量，按实际应力范围取值（MPa）;
Zi、Zi-1——基础底面至第i层和至第i-1层地面的距离（mm）：
αi、αi-1——基础底面估算点至第i层和第i-1层土底面范围内的平均附加压力系数。
其中实体深基础底面的长度：
B=b0+2ltan（φ/4）
式中B——实体深基础底面的长度（m）;
b0——基础长度（m）;
l——有效桩长（m）;
φ——土的内摩擦角，按桩长范围内各层土厚度的加权平均值（m）。
实体深基础底面的宽度：
A=a0+2ltan（φ/4）
式中A——实体深基础底面的宽度（m）;
a0——基础宽度（m）;
l——有效桩长（m）;
φ——土的内摩擦角，按桩长范围内各层土厚度的加权平均值（m）。
方法2：行业标准《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）[3]：
S =ψ×ψe×S’ 式中 S——桩基最终沉降量（mm）;
ψ——桩基沉降计算经验系数，主要根据沉降计算范围内压缩模量的当量值确定，此处钻孔灌注桩取0.32，钢管桩取0.40;
ψe——桩基等效沉降系数，根据群桩距径比、长径比以及基础长宽比确定;
S’——采用Boussinesq解，按实体深基础分层总和法计算出的桩基最终沉降量（mm）。
方法3：行业标准《高层建筑岩土工程勘察规程》（JGJ/T 72-2017）[4]：
式中 S——桩基最终沉降量（mm）;
η——桩端入土深度修正系数，按η=1-0.5pcz/po计算;
pcz——桩端处土的有效自重压力（kPa）;
po——对应于荷载效应准永久组合时的桩端处的有效附加压力（kPa）;
ψs1——桩侧土性修正系数，这里取0.7;
ψs2——桩端土性修正系数，这里取0.8;
Spc——采用Boussinesq解，考虑土体应力历史的分层沉降量（mm）。
5 影视后期制作综合大楼差异沉降分析与控制
本工程底板尺寸大（面积约1908㎡），且上部结构荷载大，如采用统一桩长，主楼底板将不可避免产生一定的差异沉降，根据大量高层建筑物的实测沉降结果表明，基础的平均沉降越大，基础的差异沉降越大，因此，控制好总沉降量是减少差异沉降的关键，本工程应合理调整核心区主樓与扩展区裙楼桩长，并使两者之间的差异沉降控制在合理范围。方案一对沉降量和沉降差控制最理想，但桩端入土较深，桩基施工困难;方案二，沉降差偏大，不宜考虑;方案三虽沉降量稍大，但对沉降差控制理想，且桩端入土深度小;方案比选后，建议采用方案三。
6 结语
地基土承载力参数及其他设计参数的确定，考虑到本工程体量大，主楼与裙楼高差大等特殊性，为了保证设计参数的准确性与全面性，我院综合分析土工试验、原位测试及静力触探相关成果，提供多种压缩模量参考值。最后结合周边类似工程经验综合确定压缩模量。
针对综合大楼跨度大，基底荷载大，主楼与裙房荷载差异大等特点，从桩基沉降估算与差异沉降等多个方面详细进行了桩基础分析与评价。重点针对目前因观测资料较少，超高层建筑的理论计算与实测沉降经常出现较大差别的现状，采用多种沉降计算的方法对桩基进行沉降量估算。通过计算发现，如采用统一桩长，综合大楼底板将不可避免产生一定的差异沉降，因此建议工程基础采用变刚度调平设计，主楼以⑥-2圆砾为桩基础持力层，裙房以⑥-1圆砾为桩基础持力层，既可减小两者之间的差异沉降，又可节约工程造价。桩基分析全面，方案建议合理、经济可行。
参考文献
[1] 化建新.工程地质手册[M].5版.北京：中国建筑工业出版，2018.
[2] （DB33/T1136-2017）建筑地基基础设计规范[S].中国建筑工业出版社，2017.
[3] （JGJ94-2008）建筑桩基技术规范[S].中国建筑工业出版社，2018.
[4] （JGJ/T 72-2017）高层建筑岩土工程勘察规程[S].中国建筑工业出版社，2017.
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