高层建筑勘察钻孔布置与控制性勘探孔深度的讨论

来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文
发布时间：2012-12-17浏览：269次

　　摘要：本文讨论现行规范框架内几种控制性勘探孔深度的估算方法，对其适用条件及影响因素进行分析，给出了一些可供参考的计算参数假设值,高层建筑钻孔布置要求。

　　关键词：岩土工程勘探孔深度,钻孔布置,地基变形计算深度

　　高层建筑一般是指层数超过10层，住宅高度超过28m或其它建筑(公建)超过24m的建筑物，30层以上或高度超过100m为超高层。

　　对高层建筑而言，详细勘察的勘探点布置应按岩土工程勘察等级确定，布置1∕3~1∕2的勘探点为控制性勘探点，对安全等级为一级、二级的建筑物，宜按建筑物周边线布置,角点和中心点及凹凸点应有勘探点，勘探点的布置还应满足纵横方向对地层结构和均匀性的评价要求，其间距宜取15~35m，特殊体型的建筑物应按体型变化布置勘探点，且单栋高层建筑的勘探点不应少于4个，其中控制性勘探点不宜少于3个。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层情况及地下水存赋形态等等，而不是单纯由建筑物安全等级决定孔距。

　　高层建筑设计等级均为甲、乙级，需按地基变形进行设计。对应的岩土工程勘察，所布设的勘探孔按二种情况考虑，对于一般性勘探孔，以揭穿地基土主要受力层为原则，一般深度为基底下0.5～1.0倍基础宽度;再就是控制性勘探孔，其深度必须满足压缩层计算深度要求，深度过小不能满足要求;深度太大则无谓增加勘察成本。勘探深度实际上由三方面因素决定;①基础埋深;②预计桩长;③压缩层深度。对于基础埋深可根据场地条件及土层冻深初步确定。对于桩基础而言，可参照临近建筑经验，预估桩的类型，初步选定桩长。关于压缩层深度应自基底算至附加压力等于土层自重压力的10%-20%，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。

　　在现行规范框架内，以下几项规定(强制性条文)至关重要，是制定勘察方案所必须遵循的原则：

　　建筑地基基础技术规范 3.0.2.(2)：设计等级为甲级、乙级的建筑物均应按地基变形设计。

　　岩土工程勘察规范4.1.18.(2)：对高层建筑和需作变形计算的地基，控制性勘探孔的深度应超过地基变形计算深度;高层建筑的一般性勘探孔应达到基底下0.5～1.0倍的基础宽度并深入稳定分布的地层。

　　高层建筑岩土工程勘察规程4.1.4 1 控制性勘探孔的深度应超过地基变形的计算深度。

　　建筑地基处理技术规范9.2.9：地基变形计算深度应大于复合土层的厚度，并符合现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007中地基变形计算深度的有关规定。

　　建筑桩基技术规范3.2.2 2 1)：控制性孔应穿透平面以下压缩层厚度。

　　由于体制和历史原因，我国现行的几部规范(程)，对控制性勘探孔深度定义原则基本一致，但在具体操作实施中，又体现出各自的特点，目的是将变形计算这一复杂问题简化，以利于岩土工程师在实际工程中方便使用。鉴于理论依据和考虑因素不同，各规范给出的方法(公式)存有差异，形成目前“五部规范四种提法”的现状，对同一项工程，不同的工程师在制定勘察方案时，往往会给出不同的控制性勘探孔深度，为什么会出现这样的结果，有哪些因素在发挥作用，分析并深入讨论这些问题，对我们制定科学合理的勘察方案会有帮助。

　　1. 地基变形影响因素

　　控制性勘探孔深度以控制地基变形计算深度为原则，所以，有必要对决定变形计算及计算深度的各种因素进行分析，以利于勘察方案既安全合理又简便实用。

　　(1)地基土的压缩性

　　根据土工试验得到的压缩系数，可划分为高、中、低三类，不同压缩性的土，变形计算深度是不同的，压缩性越高，相应的变形计算深度越大。这方面，高层建筑岩土工程勘察规程的经验公式法给出了一个经验系数，在一定程度上体现了土的压缩性对压缩层深度的影响，其他的计算方法对该因素基本忽略，建筑地基基础技术规范则认为，地基土类别对压缩层的深度的影响无明显规律。

　　(2)基础宽度

　　基础宽度大小对压缩层深度的影响较大，这一点在土力学的等应力线图上(Boussinesq解)有直观表达。在荷载相同条件下，基础宽度越大，地基压缩层深度也就越大。地基规范的简化公式中，基础宽度表达最为直接，是唯一的变量，按照地基规范条文说明，该表达式有实测和试验数据支持。另外，经验公式法也考虑了这一因素，直接与经验系数成倍数关系。可以说，在诸多影响因素中，基础宽度的影响是公认的。

　　(3)计算点位置

　　高层建筑平面形状各异，有方形、圆形、矩形及不规则形状等。在不同部位之下地基中，其应力分布和大小是不同的，从而地基压缩层计算深度亦有所不同。一般情况下，基础中心点计算深度最大，边点次之，角点最小。相应地，布设在不同部位的控制性勘探点深度也就有所不同。例如，常见的“板楼”用整体倾斜控制，控制性勘探孔布置在基础的角点部位，深度要求较浅，而“塔楼”中心点要求有控制性勘探孔，深度就要相对大一些。

　　(4)基础埋深

　　由于抗震、人防和使用功能的要求，高层建筑一般都设有地下室。近年来城市土地稀缺，建筑地下部分层数和深度呈现增大的趋势，对建筑地基，勘探孔有效深度从基础底面起算，基底以上钻探不是有效进尺。所以，基础埋深越大，勘探孔的深度亦随之增加。但另一方面，地基变形计算时，基底压力取荷载效应准永久组合，随着基础埋深增大，附加压力变小，相应的计算变形量亦随之减小。

　　除上述因素之外，诸如基础形式也会对地基压缩变形深度产生影响;另外，工程施工速度等因素也间接地发挥作用，但都不是主控因素，在此不一一列举。

　　2. 地基变形计算深度讨论

　　控制性勘探孔深度与地基压缩层计算深度之间存在密切联系，控制性勘探孔取决于地基变形验算深度。看以下二个公式：

　　公式(1)这就是我们熟知的分层总和法变形计算公式，从基础底面起算，当满足公式(2)

　　条件时，即可认为达到计算深度。用文字表述公式②的含义是：自某一计算深度向上取厚度为△Z的土层计算变形值小于等于0.025倍的累计变形值，以此作为计算深度的下限。相应的控制性勘探孔深度应该等于或略大于这个深度。

　　为了简化计算，地基规范还给出了一个简化的公式，当无相邻荷载影响，基础宽度在1～30m范围内时，基础中心点的地基变形计算深度Zn可以按下式考虑：

　　公式中唯一变量是基础宽度b ，工程中比较容易掌控。

　　3 。控制性勘探孔的其它确定方法

　　上述地基规范给出的方法称之为变形比法，除此之外，还有一些其他方法可以推算控制性勘探孔的深度，

　　(1)经验公式法

　　经验公式法来自高层建筑岩土工程勘察规程，该规程对控制性勘探孔深度采取了比较宽泛的规定，可按变形比法计算，原则是深度应超过变形计算深度。在不具备变形计算条件时，可以按以下经验公式计算。

　　与地基规范中简化公式不同的是，公式(4)引入了以下二个参数：

　　1) —与建筑层数或基底压力有关的经验系数，勘察等级为甲级的取1.1，乙级取1.0，其含义是：重要建筑慎重考虑，勘探孔适当加深。

　　2) —与土的压缩性有关的经验系数，和土的成因年代、密实度、地下水位等因素有关。该规程表4.1.4中给出了的范围值，如何选取依赖于对工作地区勘察实践经验的把握，地质条件较好时取较小值，反之取较大值。

　　4 。复合地基

　　高层建筑由于荷载较大，天然地基往往不能满足设计要求，故多采用复合地基或桩基础，而复合地基相比桩基造价低，经济效益显著，近年来得到越来越多的应用，以铁岭市建设工程为例，高层建筑采用复合地基的超过10%，面对这种状况，岩土工程勘察时就必须要考虑复合地基的作用机理，以及由此而引发的控制孔深度问题。

　　《建筑地基处理技术规范》3.0.5条规定：按地基变形设计或应作变形验算且需进行地基处理的建筑物或构筑物，应对处理后的地基进行变形验算。9.2.9条就验算方法和计算深度作如下说明：地基变形计算深度应大于复合土层的厚度，并符合现行国家标准《建筑地基基础设计规范》中地基变形计算深度的有关规定。

　　5 。桩基础

　　桩基础的勘探孔深度取决于桩的受力状态，控制性勘探孔深度要求应满足地基变形计算深度的要求。由于桩端持力层大多选用工程性能良好的低压缩性岩土层，如密实状态的砂类土、碎石或基岩等，此类地层压缩模量值很大，比较容易达到稳定。对此，高层建筑勘察规范建议，群桩桩基础沉降计算深度宜取桩端平面以下附加应力为上覆土有效自重应力20%的深度，或按桩端平面以下假象实体基础宽度的1.0～1.5倍的深度考虑。

　　对以基岩等不可压缩地层作为持力层的端承桩，可以不进行变形验算，控制性勘探孔深度进入桩端平面以下3～5倍桩径即可，其目的并非是变形计算需要，而是查明在此深度内是否存在破碎带、软弱结构面、岩溶、采空区等不良地质条件对桩基整体稳定性的影响。

　　6 。小结

　　通过分析对高层建筑控制性勘探孔深度，我们大致可以总结出以下一般规律：

　　群桩基础>刚性复合地基>天然地基

　　上硬下软的地层结构>均质地基>上软下硬地层结构

　　软土>一般土>低压缩性岩土

　　荷载较大建筑>荷载较小的建筑

　　基础宽度大>基础宽度小

　　基础中心点>边缘>角点

　　上述比较结果，是荷载、基础形式、基础尺寸、地基土性质等相关因素对地基变形计算深度影响的综合反映，属于定性的概念分析。对于每项具体工程，不同的因素相互交叉，情况千变万化，要找到一个对所有工程都适用的计算公式或方法几乎是不可能的，需要具体问题具体分析。一般情况下，在勘察方案中控制性勘探孔深度确定，可以按如下思路展开：

　　(1)收集了解项目所在地的工程经验，包括地层条件、土层性质、同类型工程的地基基础形式等，在此基础上初步建立该项目的地基基础模式(桩基，复合地基，天然地基);

　　(2)通过技术委托任务书和总平面图，了解相关设计意图，包括基础形式、形状、埋深、长度和宽度、基底压力等。

　　(3)在完成以上准备工作后，可按以下条件估算控制性勘探孔深度：

　　1)在有工程经验的地区(如城市建成区)，控制性勘探孔深度H=基础埋深+地基压缩层厚度+补充深度。所增加的补充深度，是考虑到计算参数误差可能导致的深度误差，一般可取2～5米，计算深度下限为土层时取较大值，砂层或卵石层取较小值。

　　2)在缺乏经验的地区，可采用简化公式法估算，因为该计算公式唯一的变量是基础宽度，这是比较容易把握的。

　　3)如遇特殊情况，岩土工程师可根据场地条件现场估算勘察工作量。对铁岭市区的高层建筑勘察，控制性勘探孔深度取基础埋深+基础宽度的1.2～1.5倍，15层以下取较小值，15～25层取中间值，25层以上取较大值。如果是复合地基，在此深度基础上再增加5～10m。

　　总之，控制性勘探孔深度涉及到的因素十分复杂，包括地基土的不同组合，以及拟建建筑各种各样的设计条件，同时，还要考虑方案本身的经济性和竞争力。在这个问题上，需要把握的基本原则是：控制性勘探孔深度应略大于地基变形的计算深度。

　　参考文献

　　1. 陈希哲《土力学地基基础》.北京：清华大学出版社，2004

　　2. 《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ72—2004).中国建筑工业出版社

　　3.《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002.中国建筑工业出版社

　　4.《建筑地基基础技术规范》DB21—907—2005.中国建筑工业出版社