房屋建筑工程地质问题

第一节　房屋建筑工程地质问题

一、地基承裁力确定

地基承载力是指地基土单位面积上所承受的荷载，通常分为极限承载力和允许承载力两种。使地基土发生剪切破坏并最终导致地基失去整体稳定性的最小基础底面压力称为地基极限承载力。作用在基底的压应力不超过地基的极限承载力，有足够的安全度，而且所引起的变形不能超过建筑物的允许变形，满足以上要求的地基单位面积上所能承受的荷载为地基的允许承载力。

地基承载力不仅决定于地基土的性质，还受基础形状、荷载性质、覆盖层、地下水及下卧层等制约。在确定地基承载力时，应结合当地建筑经验综合考虑，对一级建筑物采用载荷试验、理论公式计算及原位试验方法综合确定，对二级建筑物可按当地有关规范查表，或原位试验确定，有些二级建筑物尚应结合理论公式计算确定，对三级建筑物可根据邻近建筑物的经验确定。

地基承载力的具体确定方法如下。

（一）载荷试验法

它根据载荷试验的P-s曲线确定（图10-1）。如果P-s曲线上能够明显地区分三个阶段，则可以较方便地定出该地基的比例界限荷载P cr和极限承载力P u。如果P-s曲线上没有明显的三个阶段，这时根据实践经验，可以取对应于沉降s＝0．01-0．02b（b为荷载板宽度或直径）时的荷载作为地基承载力。

（二）理论公式法

它根据地基承载力理论公式确定。根据土力学理论，由地基中的应力分布和土的极限平衡状态理论可以得到基础下塑性区开展的最大深度z _max，当z _max＝0时（也即地基中即将发生塑性区时）相应的荷载就是比例界限，也称为临塑荷载。当允许地基中塑性区发展到一定范围时相应的荷载称为临界荷载。对于极限承裁力，可在采用不同的假定条件下，可导得许多极限承载力公式，如普朗特尔地基极限承载力公式、斯肯普顿地基极限承载力公式、太沙基地基极限承载力公式等。

图10-1　载荷试验

（三）设计规范法

在地基基础等设计规范中给出了各类土的地基承载力经验值，通常又称经验法。这些经验值是根据各类土所做的大量载荷试验资料，以及工程经验经过统计分析而得到的，通常具有一定的代表性。

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）规定：由载荷试验测定的地基土压力变形曲线线性变形段内所对应的压力值，为地基承载力特征值。而从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值经深宽修正后的地基承载力值，称为修正后的地基承载力特征值。按理论公式计算得来的地基承载力特征值不需修正。

二、基础持力层选择

（一）承载力和变形要求

所选持力层及下卧层首先要满足承载力和变形要求。建筑物的用途、有无地下室、设备基础、地下设施等条件都会对基础持力层的选择产生影响。对不均匀沉降较敏感的建筑物，如层数不多而平面形状又较复杂的框架结构，应选择坚实、均匀土层作持力层。对主楼和裙房层数相差较大的建筑物，应根据承载力的不同选择两个不同的持力层，以保证沉降的相互协调。对有上拔力或承受较大水平荷载的建筑结构，桩基应尽量深埋，选择的桩基持力层要能满足抗拔要求。对动荷载作用的建筑物不能选择饱和疏松的砂土作持力层，以免发生砂土液化。

（二）地下水条件

选择持力层应注意地下水的类型、埋藏条件和动态。如果选择地下水位以下的土层作为持力层，则应考虑可能出现的施工与设计问题。例如，施工中排水出现涌土、流沙现象的可能性；地下水对基础材料的化学腐蚀作用等。对于地下水的升降问题尤其要注意，以免出现负摩阻力，降低桩基的承载能力。另外，还要考虑场地所在区域的地震地质条件的影响。根据区域地质构造、历史地震情况记录等资料，判断地层断裂活动的强烈程度，并对场地内的细砂、粉土等土层的稳定性进行评价。在此基础上，持力层的选择才更加合理，更加安全。

三、地基沉降变形

建筑物的地基变形计算值，不应大于地基变形允许值。地基变形特征可分为沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜。对于甲、乙级建筑物和部分丙级建筑物，应进行变形计算。房屋建筑与构筑物地基变形量（或地基最终沉降量）的计算，目前最常用的是分层总和法，地基内的应力分布，可采用各向同性均质线性变形体理论，具体计算可参见土力学等有关知识。

（一）计算深度确定

在确定的计算深度下部仍有较软土层时，应继续计算。若计算深度范围内存在基岩，计算深度可取至基岩表面。当存在较厚的坚硬黏性土层，其孔隙比小于0．5，压缩模大于50MPa，或存在较厚的密实砂卵石层，其压缩模量大于80MPa时，计算深度可取至该层土表面。

（二）相邻荷载影响

计算地基变形时，应考虑相邻荷载的影响，其值可按应力叠加原理，采用角点法计算。当场地、地基整体稳定且持力层为完整、较完整的中、微风化岩体时，可不进行地基变形验算。在地基沉降预测中宜考虑地基土层渗透性、后期地面填方和相邻建筑的影响。

四、基坑开挖问题

为了利用有限的空间及降低基底的净压力，地表以下往往设有1～3层地下室，有的甚至达6层。基坑开挖过程中，常遇到基坑壁过量位移而滑塌、基坑底回弹（或隆起）、坑底渗流（或突涌）、基坑流沙等基坑稳定性问题。为防止这些问题出现，使基坑开挖与基础施工顺利进行，需要采取相应的防护措施。

（一）基坑稳定性问题

1．基坑回弹变形

基坑开挖是一种卸荷过程，开挖越深，初始应力状态的改变就越大（图10-2），这就不可避免地引起坑底土体的隆起变形，有的甚至可能由于受到过大的切应力而导致基底隆起失效。基坑回弹（隆起）不只限于基坑的自身范围，对邻近建筑物或设施均产生影响。必要时在组织施工开挖过程中对坑内外地面进行变形监测，供及时分析和采取措施之需。

控制基坑回弹（隆起）的措施可采用降低地下水位、冻结法或在基坑开挖后立即浇注相等质量的混凝土，使基坑的回弹量尽可能减小。

2．基坑突涌问题

如果基坑在黏性土中开挖，且坑底下有承压水存在时，当上覆土层减到一定程度时，承压水水头压力便冲破基坑底板造成渗流或突涌现象，此时须进行坑底抗渗流稳定性验算。一般要求基坑底土层渗透稳定抗力分项系数大于1．2，如果验算的分项系数小于1．2，应采取必要的措施，如降水等。

3．基坑流沙问题

当基坑底以上黏性土中夹有砂土或粉土，或者当基坑底部为砂土或粉土，且地下水位较高，基坑开挖揭露这些夹层时，随着基坑开挖加深，水力坡度加大，当动水压力超过砂土或粉土颗粒自重使土颗粒悬浮时，砂或粉土与水一起涌入基坑中，便产生流沙现象。

图10-2　基坑开挖受力分析

影响流沙现象的因素较多，主要是土的颗粒级配、结构及埋藏条件等。开挖后当水力坡度超过临界水力坡度，又具有以下条件时，就更容易产生流沙现象。

（1）土的颗粒组成中，黏粒含量小于10%，粉、砂粒含量大于75%。

（2）土的不均匀系数小于5。

（3）土的含水量大于30%。

（4）土的孔隙比大于0．75或土的孔隙度大于43%。

（5）在黏性土有砂夹层的土层中，砂土或粉土层的厚度大于25cm。

4．基坑边坡稳定性

在房屋建筑与构筑物的基坑开挖中，在没有采用支护结构之前，基坑边坡整体稳定性一般采用极限平衡理论中的条分法（一般为黏性土）进行估算，从而可确定最危险的滑动面和稳定系数。对于岩质边坡可根据边坡主控裂隙采用平面滑动法进行计算。

（二）地下水控制

当基坑开挖至地下水位以下时，为了防止因地下水作用而引起的渗流、流沙、管涌、坑底隆起、边坡滑塌以及坑外地层过度变形等，保证施工过程处于疏干和稳定的工作条件下进行开挖，必须做好对地下水的控制工作。基坑工程控制地下水的方法有降低地下水位与隔离地下水两类。对于弱透水地层中的浅基坑，当基坑环境简单、含水层较薄、降水深度较小时，可考虑采用集水明排的方法；在其他情况下宜采用降水井降水、隔水措施隔水、降水与隔水综合措施。常用的控制措施包括以下几种。

1．基坑降水

基坑降水常用的方法是明沟排水和井点降水。明沟排水就是在基坑内或基坑外设置排水沟、集水井（坑），用抽水设备将地下水从集水井（坑）中排出；井点降水是将带有滤管的降水工具沉没到基坑四周的土中，利用各种抽水工具，在不扰动土结构的情况下，将地下水位下降至基坑底部以下，以利于基坑的开挖。

2．基坑隔水

基坑隔水就是采取隔离地下水的措施，阻止地下水向基坑内流动。主要措施有地下连续墙、连续排列的排桩墙、隔水帐幕、坑底水平封底隔水等。

采用隔水应因地制宜，必须查清场区及邻近场地的地层结构、水文地质特征，了解地下水渗流规律、基坑出水量、隔水帐幕内外的水压力差和坑底浮力，以此作为隔水帐幕或封底底板厚度设计的依据。隔水帐幕及封底底板设计应经过计算分析或结合已有工程经验进行，必要时应通过现场试验，确定设计方案、施工参数，并采取保证质量的措施。