第三系风化砂岩超高层建筑岩土工程勘察的实践——以兰州某超高层为例_蒋宗鑫.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-12-23修回日期 2019-12-24 第一作者简介 蒋宗鑫1988-， 男汉族， 甘肃会宁人， 工程师， 现从事岩土工程勘察设计工作。 第三系风化砂岩超高层建筑岩土工程勘察的实践 以兰州某超高层为例 蒋宗鑫*， 张茜媛， 李军鹏， 刘曦 （甘肃中建市政工程勘察设计研究院有限公司， 甘肃 兰州 730000） 摘要 随着兰州地区超高层的不断建设， 对第三系风化砂岩的工程特性， 尤其是承载力及其影响因 素的认识、 潜力的挖掘具有重要的意义。兰州某超高层主楼49层， 楼宇总高度230.4m， 核心筒基底 最大压力1100kPa， 建筑物基础坐落于第三系风化砂岩层。通过具体工程的岩土工程勘察， 采用多种 测试手段和岩石物理力学试验， 提供了第三系风化砂岩的性质指标， 对地基基础方案进行了比选和 建议， 为兰州地区同类工程的勘察和地基探索有针对性的评价方法。 关键词 风化砂岩； 超高层建筑； 岩土勘察； 地基评价； 旁压试验 中图分类号 TU470 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0015-05 兰州地区第三系砂岩分布在黄河两岸阶地第四系 覆盖层之下， 经受长期风化剥蚀及黄河的冲蚀切割作 用， 构成了黄河两岸阶地的基座， 具有半成岩、 遇水软 化、 崩解等特性， 为极软岩[1]。自20世纪80年代至21 世纪初， 兰州地区工程勘察单位对砂岩地基的工程特 性结合工程实践进行过一些试验研究， 综合确定了风 化砂岩承载力为450～550kPa， 超高层建筑砂岩地基基 础设计采用桩基础。近年来， 兰州地区超高层建筑主 楼高度、 基坑深度屡屡突破历史记录， 基底压力大幅上 升。因此， 对第三系砂岩地基的工程性质进行更深入 的研究， 采用不同试验测试方法合理评价风化砂岩地 基， 发掘承载力潜力， 是兰州地区风化砂岩地基评价迫 切需要解决的问题。 1工程概况 拟建某超高层场地近似呈正方形， 东西长约 129.60m， 南北宽约114.50m， 用地面积14511.1m2， 总建 筑面积 178285.3m2， 包含 1 栋 49 层办公楼 （超高层建 筑） 和1栋24层住宅楼 （高层） 及裙楼 （多层） 。本工程 各拟建建筑物的规模特征详见表1。 2勘探工作布置 建筑名称 办公楼 住宅楼 商业裙楼 层数/高度 49F/230.4m 24F/79.5m 4F/19.5m 结构类型 框架核心筒 框架剪力墙 框架剪力墙 基础型式 桩筏或筏基 桩筏或筏基 筏基柱墩 基础 埋深 （m） 25.00 23.05 21.65 基底 压力 （kPa） 1100 530 250 地下室 五层地下室 五层地下室 五层地下室 地下室基 底标高 （m） 1497.45 1499.40 1500.80 正负零标 高 （m） 1522.45 1522.45 1522.45 地基基础设 计等级 甲级 甲级 甲级 表1拟建建筑物规模特征一览表 岩土工程勘察等级为甲级， 按照建筑物边界线采 取方格网布孔， 超高层勘探点共9个， 间距约19～22m， 最大勘探深度 65m； 高层勘探点共 4 个， 间距约 18～ 30m， 最大勘探深度45m； 裙房和地下室部分勘探点共 6个， 布置间距略大， 最大勘探深度30m， 勘探点布置同 时考虑到突出塔楼主体并且兼顾裙房的原则。基坑勘 探点共10个， 沿拟建基坑周边线布设， 间距一般为42～ 48m， 最大勘探深度40m左右。 15 2020年第10期西部探矿工程 3工程地质条件 3.1场地地形地貌 拟建工程场地属于黄河南岸Ⅱ级阶地的后缘地 带 ， 场 地 地 势 较 平 坦 ， 地 面 标 高 介 于 1520.82～ 1522.35m。 3.2场地地层结构 拟建场地地层较为简单， 自上而下分别为杂填土、 粉土、 饱和粉土、 卵石、 细砂、 强风化砂岩、 中风化砂岩。 3.3地下水 地下水类型为孔隙性潜水， 主要赋存于卵石层及 风化砂岩中， 由大气降水、 高阶地地下径流、 区外侧向 径流和管沟渗水补给， 西南往东北流向， 排泄于黄河。 勘察期间地下水位稳定埋深约1.7～7.2m， 对应高程为 1515.07～1516.33m。地下水对混凝土结构具中腐蚀 性， 长期浸水条件下， 对混凝土结构中的钢筋具有微腐 蚀性， 干湿交替条件下， 对混凝土结构中的钢筋具有弱 腐蚀性。 4地基土工程性质 4.1风化砂岩物理力学性质 （1） 颗粒成分。风化砂岩颗粒分析曲线如图1所 示， 粒径大多集中于 0.075～0.25mm， 曲率系数介于 0.84～0.87， 不均匀系数介于2.04～2.36， 颗粒均匀。粒 径大于0.075的颗粒含量大于85， 可按砂土分类定名 为细砂岩。 （2） 物理性质。在不同深度位置采取岩石试样进 行试验， 分析结果见表2。 图1风化砂岩颗粒分析曲线 表2砂岩物理性质指标统计成果表 地层编号 ④1 强风化砂岩 ④2 中风化砂岩 统计 项目 最大值 最小值 平均值 标准值 最大值 最小值 平均值 标准值 含水率 22.00 6.00 15.41 16.19 12.51 8.69 10.79 11.26 块体密度 g/cm3 2.17 1.77 2.05 2.01 2.26 2.04 2.16 2.14 干密度 g/cm3 1.87 1.50 1.76 1.72 2.11 1.87 1.95 1.92 吸水率 30.39 29.26 29.84 / 29.90 28.74 29.39 / 弹性模量 104MPa 0.071 0.010 0.026 / 0.063 0.028 0.044 / 泊松比 0.42 0.21 0.28 / 0.23 0.22 0.23 / （3） 浸水崩解特征。通过现场简易崩解试验， 将天 然湿度状态的强风化和中风化砂岩试样浸水2h后， 强 风化砂岩浸水后完全崩解成颗粒状， 中风化砂岩则是 轻度崩解。 通过崩解试验 强风化砂岩耐崩解指数基本为0， 中风化砂岩耐崩解指数最大为4.39， 随深度增加有增 大趋势。 （4） 渗透性。室内渗透试验表明 强风化砂岩垂直 方向渗透系数介于 （4.31～9.57） 10-3cm/s， 平均值为 7.4510-3cm/s， 水平方向渗透系数介于 （2.31～5.34） 10-3cm/s， 平均值为4.1710-3cm/s， 中风化砂岩层垂直 方向渗透系数介于 （0.0206～3.12） 10-3cm/s， 平均值为 1.0410-3cm/s。依据 水利水电工程地质勘察规范 （GB50487-2008） 岩土体渗透性分级， 强风化砂岩属于 中等透水层， 中风化砂岩属于中等弱透水层。 （5） 单轴抗压强度。强风化砂岩④1层天然抗压强 度最大值为 0.16MPa， 最小值为 0.02MPa， 标准值为 0.05MPa， 中风化砂岩④2层天然抗压强度最大值为 0.59MPa， 最小值为0.94MPa， 标准值为0.72MPa。岩 石饱和单轴抗压强度Rc＜5.0MPa， 属于极软岩。岩石 的软化系数均小于0.75， 属于易软化岩石。 如图2所示， 强风化砂岩天然/干燥抗压强度随着 16 2020年第10期西部探矿工程 深度的增大不明显； 不同风化程度的砂岩， 其天然/干 燥抗压强度变化大， 中风化砂岩的天然/干燥抗压强度 大于强风化砂岩天然/干燥抗压强度8～10倍以上。 （6） 三轴压缩强度。对采取的风化砂岩试样进行 不固结不排水三轴压缩 （UU） 试验， 围压采用100kPa、 200kPa、 300kPa、 400kPa。 由图3可知 ①三轴强度随着围压的增加而增加， 随取样深度增加而增加。强风化砂岩在天然湿度状态 单轴抗压强度平均值0.06MPa， 三轴状态试验时， 即使 在最低围压 0.1MPa 时， 强度也提高了 6.9 倍； 在 0.4MPa围压下， 强度提高了28.5倍； 中风化砂岩在天 地层编号 强风化砂岩④1 中风化砂岩④2 指标 最大值 最小值 平均值 标准值 最大值 最小值 平均值 直剪试验 ckPa 13.00 2.00 8.00 6.52 / / / φ 41.30 25.00 29.84 28.00 / / / 三轴试验 ckPa 26.35 8.81 11.85 8.33 42.94 20.13 26.41 φ 44.5 31.00 35.34 32.28 52.00 46.60 48.20 表3砂岩层抗剪强度试验指标统计表 图2不同勘探点砂岩单轴抗压强度深度曲线 图3砂岩三轴试验应力应变曲线与强度包线 然湿度状态单轴抗压强度平均值0.72MPa， 三轴状态 试验时， 即使在最低围压0.1MPa时， 强度也提高了1.3 倍； 在0.4MPa围压下， 强度提高了3.4～4.7倍。②当围 压相同时， 随着风化程度的增大， 砂岩三轴强度逐渐减 小。③当围压差在一定范围内时， 不同风化程度的砂 岩的变形表现为弹性变形阶段， 当围压超过一定的范 围时， 才进入塑性变形阶段。 （7） 抗剪强度。将直剪试验和三轴试验测得的c、 φ 值统计见表3。 （8） 高压固结试验。为了评价砂岩在不同竖向压 力条件下的压缩变形性质， 进行室内压缩试验 （加荷至 3200kPa） ， 试验结果详见图4和表4。 在各级压力下， 砂岩均呈现低压缩性。在800～ 1600kPa压力段， 压缩系数介于0.01～0.03， 压缩模量介 于67.4～109.0MPa。随试验压力增加， 压缩性减小， 且 随压力增加到1.6MPa及以上， 中、 强风化砂岩压缩性 17 2020年第10期西部探矿工程 接近。 4.2原位测试 （1） 砂岩标准贯入试验。强风化砂岩标准贯入实 测击数N一般介于120～182J/30cm， 呈密实状态。 （2） 旁压试验。经现场旁压试验测定， 强风化砂岩 地基承载力特征值为1270kPa， 旁压模量为48MPa， 旁 压剪切模量为19MPa， 基床系数为719MPa/m； 中风化 砂岩地基承载力特征值为 1627kPa， 旁压模量为 78MPa，旁 压 剪 切 模 量 为 31MPa，基 床 系 数 为 图4强风化及中风化砂岩压缩e-p曲线 表4砂岩层高压固结试验指标统计表 P （MPa） ai强风化 ai中风化 Esi强风化 Esi中风化 0.05～0.15 0.09 0.06 12.7 24.3 0.1～0.2 0.07 0.06 21.3 26.2 0.3～0.4 0.04 0.03 39.8 44.3 0.8～1.6 0.03 0.01 67.4 109.0 1.6～3.2 0.01 0.01 128.0 142.8 1150MPa/m。 （3） 超声波测试。室内试验得出场区新鲜完整岩 块的压缩波波速为2397.62m/s， 通过超声波测试得出 各地层的压缩波波速见表5， 进而得出岩体的波速比 Kv， 测试结果与 岩土工程勘察规范 附录表A.0.3吻 合。 表5场地岩土体声波测试结果统计表 孔号 K05 深度m 0.0～3.0 3.0～8.0 8.0～12.4 12.4～35.0 35.0～64.6 地层岩性 杂填土 粉土 卵石 强风化砂岩 中风化砂岩 压缩波波速 范围值 390～410 480～532 1026～1124 1058～1408 1449～1835 平均值 400 507 1085 1282 1644 岩石完整性/风化程度 （波速比Kv） 范围值 / / / 0.44～0.59 0.60～0.77 平均值 / / / 0.53 0.69 完整性/风化程度 / / / 破碎/强风化 较破碎/中等风化 5地基土工程性质评价 5.1承载力与变形指标建议值 杂填土地基承载力特征值为80kPa， 压缩模量为 4MPa， 粉土地基承载力特征值为120kPa， 压缩模量为 8MPa， 饱和粉土地基承载力特征值为100kPa， 压缩模 量为6MPa， 卵石地基承载力特征值为500kPa， 变形模 量 为 40MPa， 强 风 化 砂 岩 地 基 承 载 力 特 征 值 为 1200kPa， 变形模量为50MPa， 中风化砂岩地基承载力 特征值为1500kPa， 变形模量为80MPa。 5.2地基均匀性 场地内超高层、 高层塔楼及裙楼基底持力层均为 强风化砂岩层， 工程性质良好， 水平向和垂直向工程性 质差异性小， 地基均匀性满足设计要求， 属均匀地基。 6地基基础方案分析与建议 可供选择的地基基础型式有强风化砂岩天然地基 变截面筏板基础、 桩端持力层为中风化砂岩的桩筏联 合基础、 超高层采用桩筏联合基础， 高层和多层裙房 采用变截面筏板基础三种型式。 6.1天然地基 天然地基变截面筏板基础适合于复杂柱网结构， 具有基础埋深大、 刚度大、 整体性强、 受力均匀、 抗震能 力好等特点， 能充分发挥地基承载力， 对地基反力和地 18 2020年第10期西部探矿工程 基沉降的调节能力强， 在核心筒或荷载较大的柱底易 通过改变筏板的截面高度和调整配筋来满足设计要 求， 同时板钢筋布置简单、 施工难度较小 （超厚度板施 工的温度控制除外） 、 施工工期短等特点， 而且可满足 地下空间 （如地下停车场、 地下商场等） 的要求， 对周边 环境干扰小、 造价低。 根据本次勘察结果， 强风化砂岩层承载力和变形 指标能够满足天然地基筏板基础设计条件， 但是强风 化砂岩天然地基变截面筏板基础对防水要求较高， 在 地基基础施工时须采取相应的保护措施， 最大限度地 减少施工对地基持力层的扰动。 6.2桩筏联合基础 场地内强风化砂岩层承载力和变形指标能够满足 天然地基筏板基础设计条件， 但若在核心筒及柱网底 部增加桩基础， 采用桩筏联合基础， 能保证在承担上 部结构荷载的同时， 可以降低建筑物沉降量， 降低塔楼 与裙楼间沉降差， 不产生过大的不均匀沉降， 较好地达 到控制变形的目的。桩筏联合中的桩基础采用泥浆 护壁钻孔灌注桩， 基桩进入中风化砂岩层中一定深度， 由桩、 筏板、 地基土三部分共同作用， 因此桩筏联合 基础承载力更高、 稳定性更好、 沉降稳定快、 沉降量更 小， 此外还能承受一定的上拔力和水平荷载 （如风荷 载、 地震荷载等） ， 缺点是造价较高， 不经济。 6.3超高层采用桩筏联合基础， 高层和多层裙房采 用变截面筏板基础型式 超高层采用桩筏联合基础， 高层和多层裙房采 用变截面筏板基础型式可以有对建筑物有针对性地选 用不同基础型式， 兼顾筏板基础和桩筏联合基础优 缺点， 经济造价介于上两种方案之间。 6.4本项目地基基础方案建议 根据各拟建建筑物基础埋深、 基底压力、 地层分布 情况， 住宅楼 （高层） 及裙楼 （多层） 建议采用持力层为 强风化砂岩的天然地基筏板基础， 办公楼 （超高层） 建 议采用持力层为强风化砂岩的天然地基筏板基础， 依 据载荷试验结果确定。 7结语 （1） 采用钻探、 原位测试和室内岩石试验等多种手 段分析了各层地基土的物理力学性质， 提供了各层地 基土承载力、 抗剪强度及变形指标等地基基础设计、 基 坑支护设计与施工有关的参数。 （2） 多年来， 兰州地区的勘察设计单位对风化砂岩 的承载力取值较低。通过对第三系风化砂岩的工程特 性进行系统研究， 将承载力提高至1200kPa以上， 可直 接作为本工程超高层的天然地基持力层， 充分发掘承 载力潜力， 具有重要的意义。 （3） 建议在基坑开挖后进行载荷试验， 复核勘察报 告中所提地基承载力、 变形指标及基础方案选择， 为工 程的设计和使用提供可靠依据。 参考文献 [1]张森安.第三系风化砂岩地基的评价[J].工程勘察，19956 11-16. [2]中华人民共和国国家标准. GB 50021-2001 岩土工程勘察 规范[S].北京中国建筑工业出版社，2009. [3]中华人民共和国行业标准.JGJ 72-2017 高层建筑岩土工程 勘察标准[S].北京中国建筑工业出版社，2017. [4]中华人民共和国国家标准.GB 5007-2011 建筑地基基础设 计规范[S].北京中国建筑工业出版社，2011. （上接第14页） 4防治建议 对于受泥石流灾害威胁的十户窑村， 根据地质灾 害发育特点、 地质灾害危险程度及活动强度， 认为宜采 用以治为主、 以防为辅的原则， 在加强周边居民、 流动 人口的防灾意识的同时， 通过防治工程的实施， 从而将 泥石流灾害造成的损失降至最低。“防” 可采取地质灾 害防治知识宣传、 地质监测等手段， 可在泥石流沟口处 设立泥石流动态动力要素监测站， 监测仪器主要为动 态立体摄影机与简易气象监测仪；“治” 可采用 “谷坊 坝排导渠” 工程防治措施进行处置。 参考文献 [1]高波，张佳佳，王军朝，陈龙，杨东旭，等.西藏天摩沟泥石流形 成机制与成灾特征[J].水文地质工程地质，20199. [2]江金涛，铁永波，王帅.冰碛补给型泥石流形成机制研究 以贡嘎山东坡小河子沟为例[J].地质灾害与环境保护，2016 12. [3]刘艳辉，唐灿，李铁峰，等.地质灾害与降雨雨型的关系研究 [J].工程地质学报，2009，175656-661. [4]王继康，黄荣鉴，丁秀燕.泥石流防治工程技术[Ｍ].北京中国 铁道出版社，199637-84. [5]DZ∕T0220-2006泥石流灾害防治工程勘查规范[S]. [6]崔国树，尹丽军，高新乐，王景深，刘组伟.小岭根泥石流地质 灾害特征分析[J].西部探矿工程，201211. [7]第八师地质灾害调查报告[R].2019. 19