滨海沉积土地区高层建筑岩土工程勘察实例分析

滨海沉积土地区高层建筑岩土工程勘察实例分析_深圳地质工程三十

滨海沉积土地区高层建筑岩土工程勘察实例分析

陈邦尧¹，魏玉江²

（1.深圳市市政设计研究院有限公司，深圳518029；

2.深圳市勘察测绘院海南分院，海口570208）

摘　要:滨海沉积区的地层结构和岩土性质具明显的地域特征。本文以海口市某工程为例，介绍了在滨海沉积土地区进行高层建筑的勘察经验和笔者参与完成岩土工程勘察和服务的一些切身体会。

关键词:滨海沉积土；高层建筑；岩土工程勘察

Case Study in Geotechnical Investigation of Tall Buildings in Coastal Sedimentary Area

Chen Bangyao¹，Wei Yujiang²

（1.Shenzhen Municipal Design ＆Research Institute Co.，Ltd.，518029；

2.Shenzhen Geotechnical Investigation ＆Surveying Institute Co.，Ltd.Hainan Branch，Haikou，570208）

Abstract:It was founded that the stratum structure and the geotechnical property with obvious regional characteristics in coastal sedimentary area.A project in Haikou was taken as an example，the experience in geotechnical investigation of tall buildings in coastal sedimentary area was recommended，personal experience was introduced in the geotechnical investigation and the post site services.

Key words:marine deposit；tall buildings；geotechnical investigation

1　工程概况

建于琼州海峡南岸海甸岛的海南省海口市人民医院，其场地原始地貌属滨海滩涂、湿地，地表为人工填土，下部为深厚而软弱的第四系海陆交互沉积地层和巨厚的上第三系海积黏性土。项目所在区域抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.30g，设计地震分组为第一组，场地抗震类别为Ⅲ类。该工程拟建主楼1栋和另外两栋单体建筑，总建筑面积106 534m²。主楼为综合楼，高21层，并附4层裙楼；其他2栋分别为4层高的门诊楼、体检中心楼。综合楼及门诊楼设地下室，基坑周长约470m，开挖深度约11m。

2　工程特点与勘察重点、难点及勘察手段

该工程属强震区滨海土基上的高层建筑，特点主要是:主楼基底荷载大，地基较软弱，抗震要求高，选择合适的地基基础方案甚为关键；主、裙楼荷载差异大，消除过大的地基不均匀沉降也是重要的课题；深大基坑涉及范围内的土层条件和地下水条件均较差，周边环境也较复杂，基坑开挖与支护难度较大。

勘察的重点是要查明场地工程地质条件及周边环境条件，对场地与地基的适宜性、基坑侧壁稳定性等作出正确的评价，提出合理可行的岩土治理措施和地基基础方案等建议。

由于滨海地层本来就比较复杂，加之场地在原始地貌和地形上又历经多年的人工堆填改造，如何查明场地的工程地质条件包括水文地质条件，合理选择地基基础方案和解决深基坑的支护与地下水控制问题，以及预测地基沉降量等，便成了勘察工程的难点。

针对工程实际，本次勘察采用多种勘察手段——现场钻探、原位测试、室内试验相结合的方法。其中，实施的原位测试项目主要有标准贯入试验、十字板剪切试验、静力触探试验、土层剪切波速、场地地脉动测试、钻孔抽水试验等；室内试验除采用常规土工试验外，还对主要土层进行了三轴试验和高压固结试验等。

3　场地工程地质条件

3.1　地层与岩性

由图1可见，新近系上新统为巨厚的海积（Nm₁）黏性土，据区域地质资料，当地称海口组地层，厚度达100m；新近系上新统至全新统地层中间缺失了上更新统（Q₃）和中更新统（Q₂）地层，只有下更新统（Q₁）和全新统（Q₄）地层。也就是说，第四系地层由老至新明显地表现为由粗到细的两个沉积旋回。

3.2　岩土的物理力学性质

场地地基土的各项物理力学性质试验指标统计结果分别见表1～表4。

由表1可见，②层含砂淤泥和④层淤泥质黏土的含水量大于液限，孔隙比大于1.0，液性指数均大于1.0，呈流塑状态，属于软弱黏性土；⑤层黏土含水量为53.7%（小于液限64.9%），孔隙比为1.443，压缩系数0.45，其压缩性中等偏高；⑦层粉质黏土含水量仅为28.5%，孔隙比较小，为0.819，压缩系数0.28，虽具中等压缩性，但缩性明显低于⑤层黏土，内摩擦角即强度指标也明显高于⑤层黏土。需要说明的是，表1中⑤层黏土和⑦层粉质黏土的液性指数分别为0.452和0.494，显示均呈可塑状，然而实际上后者的新鲜岩芯特征则并非可塑状，却是硬塑甚至坚硬状。

图1　地层综合柱状图

表1　黏性土主要物理力学指标

由表2可见，③层粉细砂的标准贯入试验击数平均值为7.0击，属松散状态，而⑥层中粗砂的标准贯入试验击数平均值为24.50击，属中密状。

据太沙基（Terzaghi）和佩克（Peck）提出的标贯击数N与黏性土液性指数I_L的关系和与稠度状态的关系^［1］，由表2中②层含砂淤泥、④层淤泥质黏土的实测平均击数换算出液性指数为1～0.75，则稠度状态为软塑，而不同于表1所反映的流塑状态；同理，据表2可换算出⑤层黏土液性指数为0.25～0.50，稠度状态为中等（可塑），⑦层粉质黏土液性指数为0.0～0.25，稠度状态为很硬（硬塑），也有异于表1所反映的结果。

表2　各层土标准贯入试验锤击数统计表

注:统计时已经删除异常值，修正值经杆长修正后的击数。

据相关分类图［^2］，可利用静力触探双桥探头的指标q_c、R_f等，对土层进行分类。据表3，②层和④层的q_c值均小于0.7MPa，可划分为软土；③层q_c＝4.25MPa，f_s＝0.035MPa，R_f＝100f_s/q_c＝0.823，满足Rf＜1.5，分类图只有粉土和砂土的临界公式Rf＝0.101 3q_c＋0.32，其临界值为0.75（＜0.823），因此该层土偏向粉土；⑤层q_c＝1.85MPa，f_s＝0.042MPa，R_f＝100f_s/q_c＝2.27，满足2＜Rf＜3，分类图只有粉土和粉质黏土的临界公式Rf＝0.297 3q_c＋1.6，其临界值为2.15（＜2.27），因此该层土偏向粉质黏土；⑥层q_c＝15.94MPa，f_s＝0.177MPa，Rf＝100f_s/q_c＝1.11，满足Rf＜1.5，分类图只有粉土和砂土的临界公式Rf＝0.101 3q_c＋0.32，其临界值为1.93（＞1.13），因此该层土属砂土；⑦层q_c＝9.41MPa，f_s＝0.367MPa，Rf＝100f_s/q_c＝3.90，满足Rf＞3.2，分类图只有粉质黏土和黏土的临界公式Rf＝0.591 5q_c＋2.8，其临界值为8.37（＞3.90），因此该层土属粉质黏土。

表3　双桥静力触探成果表

由表4可见，②层含砂淤泥和④层淤泥质黏土的十字板强度标准值C_uk分别为7.78kPa和12.43kPa，灵敏度分别为2.47和2.72。该两层土均具有中等灵敏性。

表4　十字板剪切试验成果统计表

续表4

由以上分析可见，无论是②层含砂淤泥和④层淤泥质黏土，还是⑤层黏土和⑦层粉质黏土，室内试验指标与原位测试结果不甚一致，前者反映土的物理力学性质稍差，后者则稍好。究其原因，主要是室内实验对土试样结构和成分的扰动，要远比原位测试对土体的扰动严重，所以原位测试成果应更接近客观真实。

其次，⑤层孔隙比偏大，接近于1.5，压缩系数偏高，而静探侧阻力偏大，静探的分层结果与定名不甚吻合。另外，③层粉细砂的颗分定名与静探结果分类定名结果有所差异，其主要原因是该层土中粉、黏粒含量较高，为10%～30%，且局部与淤泥质黏土呈互层状分布，甚至夹有粉土。

上述结果表明，太沙基（Terzaghi）和佩克（Peck）的换算关系由标贯试验判定的稠度状态，比较符合实际。尤其是⑦层粉质黏土的稠度状态，室内试验的判定结果偏差太大，而由标贯击数换算的结果才符合实际状态。这同时也说明，⑦层土在扰动或遇水浸泡后，工程性质迅速变差的特征更甚于一般黏性土。究其原因，这一特征应决定于该层土本身的特殊成分和特殊结构。

3.3　岩土参数与地基承载力

据文献^［2］及其他相关经验资料，可以根据不同测试手段得出地基土承载力特征值，再结合当地工程经验，给出各岩土层地基承载力综合评价结果，如表5所示。

表5　地基承载力特征值评价表

基于上述分析，根据勘察测试成果，结合当地工程经验，给出各岩土层的岩土参数和地基承载力如表5和表6所示。

表6　岩土参数建议值表

3.4　水文地质条件

地下水主要有两层，分别是赋存于③层粉细砂中的孔隙型潜水、赋存于⑥层中粗砂中的弱承压水。前者主要接受大气降水和地表灌溉水的垂直入渗补给及地表河渠——海甸溪的渗漏补给，排泄途径主要是地表蒸发和向水位较低处径流；后者主要接受区域地下水侧向径流补给，排泄途径主要是人工开采和向其他含水层的越流。

勘察期间测得地下水位埋深1.20～1.80m（标高为1.52～2.21m，秀英高程），根据当地经验，地下水位年变幅1.50～2.00m。潜水位于基坑开挖深度范围内，对基坑工程影响最直接和明显，承压水位于基坑底以下，⑤层黏土和④层淤泥质黏土构成其顶板，对基坑底是否会产生突涌也值得考虑。

4　岩土工程分析与评价

4.1　地基土的工程性质与地层结构特征

从总体上看，地基土自上而下由差渐好，除均匀性和工程性质较差的表层人工填土外，上部地层，尤其②层含砂淤泥和④层淤泥质黏土属软弱土层，工程性质最差，底部地层，即新近系上新统为巨厚的海积（N₁^m）黏性土，工程性质最好。

第四系两个沉积旋回的地层中，由于存在两层砂土，为其间的④层淤泥质黏土和⑤层黏性土提供了良好的排水固结条件，因此④层淤泥质黏土的十字板强度比②层含砂淤泥要高得多，表明其工程性质比②层要好；⑤层黏性土的力学性质和工程性质均较好，可以直接用作4层高的裙楼等多层建筑物的天然地基持力层。

③层粉细砂松散，根据地震效应分析，属可液化土层，工程抗震设计时须予以重视；⑥层中粗砂和⑦层粉质黏土，其工程性质很好，是良好的天然地基持力层，可用作高层建筑的桩端持力层。

4.2　岩土工程问题

由于主楼具有基底竖向和水平荷载大、对地基不均匀沉降敏感等工程特点，加之基坑深、地基岩土条件复杂（基底土层④层淤泥质黏土为软弱土，下伏地层为巨厚的中等压缩性土层），以及场地水文地质条件不理想（地下水位较浅且在坑底以下有承压水），本工程存在的主要岩土工程问题与对策建议如下:

（1）地基沉降，建议采用桩基础，合理确定桩端持力层和基桩参数。

（2）基坑边坡稳定性，应采取坑壁围护措施。

（3）软土流变问题，在开挖过程中应尽量减少土体扰动，基底对淤泥质黏土采取换填或加固措施。

（4）基坑回弹，应加强检测，注意土体回弹对基坑支护结构、周围邻近已有建筑物、地下管线等产生的不利影响等，可通过对承压水采取减压措施减少基坑回弹量。

（5）坑外地表变形，具体可表现为基坑周围土体发生沉降和侧移、基坑坑底隆起变形、基坑降水引起地表沉降，应充分利用土体时空效应规律，严格按岩土工程设计方案组织基坑挖方作业。

（6）流砂、管涌，应严控止水帷幕的施工质量，同时采取适当的降水措施。

（7）基坑突涌，必须在施工时采取必要的措施，需降低承压水水头。

（8）地下水对地下室的上浮问题，建议采用抗拨桩或锚杆。

4.3　地基与基础方案

拟建主楼高21层，属重点抗震设防类建筑，竖向荷载及水平荷载都很大，对地基不均匀沉降较敏感。经综合分析，⑥层及其以上地基土工程性质均不能满足上部结构对地基强度及变形要求，加之饱和砂土具严重液化可能，因此，主楼不具备采用天然地基和浅基础的条件，建议采用桩基础。

针对上述工程特点和可能存在的岩土工程问题，我们在对比分析了灌注桩和预制桩方案后，重点推荐主楼采用钻孔灌注桩方案，以⑦层粉质黏土作为桩端持力层，并采用反循环成孔工艺，以最大程度地提高成桩质量和单桩承载力。

拟建的裙楼等多层建筑，尽管基底荷载不大，对地基土强度要求不高，但浅部土层工程性能差，均无法满足上部荷载的强度和变形要求，因此，不宜采用天然地基基础方案，建议采用震冲碎石桩或沉管碎石桩（干法）复合地基，基础形式可采用浅基础，如柱下独立基础或筏板基础，亦可采用与主楼相匹配的基础方案。

实际上，本工程主楼采用的是钻孔灌注桩基础，桩身混凝土强度C₃₅，桩径Φ700和Φ900，有效桩长分别为38.00m和50.00m。

4.4　基坑工程方案

经分析论证，我们提出采用桩锚体系的基坑支护方案和水泥土墙帷幕的止水方案，勘察报告给出了基坑工程设计所需的岩土参数，包括据抽水试验给出的渗透系数等。

5　部分岩土参数的验证与反演分析

施工图设计阶段，在拟建场地内进行了试桩，并以试桩结果为准进行了工程桩的设计。该工程现已建成4年，并积累了长期沉降监测资料。

5.1　单桩承载力的估算与验证

设计阶段，施工单位比较成功地完成了7条试验桩的施工。这7条桩编号分别为SZH-3、SZH-4、SZH-6、SZH-7、SZH-8、SZH-9、SZH-11。设计时估算单桩竖向极限承载力值分别为5 500kN、5 300kN、5 800kN、12 200kN、12 100kN、11 900kN、11 900kN。

据海口市建筑工程质量检测中心2005年8月29日《单桩静力荷载试验报告》，上述7条桩的单桩竖向极限承载力分别为5 500kN、5 475kN、6 019kN、9 700kN、8 400kN、8 300kN、9 600kN。

由上可见，这7条试验桩中，前3条直径700m，桩长37.80～38.00m，试桩结果与估算结果基本相符；后4条直径900m，桩长49.80.8～50.30m，试桩结果与估算结果相差较大。

检测单位推荐意见是:设计桩径Φ700，有效桩长38.00m的工程桩，极限承载力取5 400kN，设计桩径Φ900，有效桩长50.00m的工程桩，极限承载力取8 500kN。

5.2　桩基最终沉降量的估算与验证

5.2.1　桩基最终沉降量估算

由于作者的资料有限，仅依据文献^［3］给出的单桩沉降计算的分层总和法，以Φ900桩长50m的桩为例，以单桩沉降量计算近似代替桩基的沉降量估算。

假设单桩的沉降主要缘于桩端以下土层压缩，桩侧摩阻力以一定扩散角向下扩散，扩散到桩端平面处用一等代的扩展基础代替，扩展基础的面积为A_e，相应的沉降计算公式如下:

基坑开挖11m，桩顶至桩端地层主要为④淤泥质黏土、⑤层黏土、⑥中粗砂、⑦层粉质黏土，其有效重度分别为:6.827kN/m³、7.175kN/m³、10.69kN/m³、9.471kN/m³，平均层厚分别为3.31m、5.52m、8.13m和33.04m，则经计算:

桩身混凝土质量密度按2.45t/m³，经计算，等代扩展基础的面积和直径分别为:

A_e＝95.68m²，D_e＝11.04m（r＝5.52m）

桩顶设计荷载按　　　　　F＝f_ak＝4 250kN

则桩土自重　G＝G土＋G_桩＝43 885.70kN＋763.34kN＝44 649.04kN

基底附加应力　　　　　　σ₀＝49.36kPa

表7　地基最终沉降量计算表

5.2.2　工后沉降观测

主楼工程现已建成4年，沉降观测曲线见图2。由图2可见，主楼现已沉降稳定，最终沉降量范围值一般为22.3～27.0mm，平均值约25.5mm。个别点沉降偏大，达40.3mm，属于异常情况。

图2　时间-沉降量曲线（主楼）

5.2.3　估算沉降量与试桩和观测结果的比较

与沉降监测结果对比，可见估算的单桩最终沉降量为29.96～33.14mm，大于但接近于实测数据22.3～27.0mm。

据观测，上述7条试验桩（SZH-3、SZH-4、SZH-6、SZH-7、SZH-8、SZH-9、SZH-11）加载至极限荷载时，沉降量分别为40.11mm、31.73mm、13.14mm、65.04mm、65.69mm、73.74mm、74.73mm，而对应于承载力特征值（大约相当于极限荷载的1/2处），试桩沉降量则均不足10mm，远小于按承载力特征值设计的工程桩估算沉降量和实际沉降量。

值得说明的是，试桩和估算的单桩最终沉降量均未考虑群桩效应，其结果用于设计参考应是偏于安全的。另外，沉降监测结果（图2）显示，前一年内属于建筑物沉降调整期，沉降速率变幅较大，随后沉降逐渐趋于稳定；而个别测点沉降量比预期的大，说明该测点出现了特殊情况，应首先消除观测误差，并查明原因，必要时应及时进行处理。

5.2.4　岩土参数的反演分析与调整

试桩观测结果表明，估算的单桩最终沉降量偏大，反映据以估算的岩土参数是偏于保守和安全的。但是，在7条施工成功的试验桩中，长约38m的单桩竖向极限承载力与估算结果基本相符，长约50m的桩，试验结果比估算值却小得多，又说明据以估算的部分岩土参数偏高，即偏于不安全。

经多方比较分析，我们在施工勘察报告中对⑥层和⑦层土桩侧摩阻力参数作了调整，调整结果（表6）比详勘报告略低，而比兄弟勘察单位的经验数据略高。另外，我们指导施工单位改进技术，采用反循环成孔工艺，使桩孔沉渣厚度大大减少，提高了成桩质量。

据长期沉降观测，地基基础的沉降量已趋稳定，最终沉降量满足规范规定。实践证明，根据岩土特性和当地施工技术条件，经反演分析确定的岩土参数，是基本合理的。

6　结语

（1）滨海沉积区的地层结构和岩土性质具有明显的地域特征。海口市海甸岛原始地貌属滨海滩涂、湿地，深厚而软弱的第四系海陆交互沉积层之下，是属新近系上新统海积黏性土（），厚达100m左右。此类工程勘察手段应在适用的前提下尽量多样化，岩土参数的确定应结合工程实际和当地施工技术条件。本项目施工勘察阶段据试桩和经验资料，对某些岩土参数作了适当调整。

（2）海口市黏性土在室内试验测出的状态指标偏低，而原位测试结果则较高，说明该层土天然状态下工程性质很好，但在扰动或遇水浸泡后，工程性质则迅速变差。相对而言，原位测试成果更接近真实。太沙基（Terzaghi）和佩克（Peck）提出的“标贯击数N与黏性土液性指数I_L的关系”以及“N与稠度状态的关系”比较适用于该层土。

（3）本工程在试桩阶段，由于未能采用反循环成孔工艺，致使桩底沉渣厚度偏大，且桩侧壁土的摩阻力得不到充分发挥，单桩沉降量也偏大，部分单桩竖向承载力明显低于预期值。施工单位通过努力，改进了施工工艺，最终使桩基施工质量有了较为可观的提高。

参考文献

［1］石振明，孔宪立.工程地质学（第二版）［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［2］工程地质手册编写委员会.工程地质手册（第四版）［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［3］张雁，刘金波.桩基手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009.