貴州省都勻市某工程勘查區(qū)工程地質(zhì)特征及地基穩(wěn)定性評價

周天林

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局104地質(zhì)大隊)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，在城市化改造建設(shè)中，高層建筑越來越多，而越來越多的工程位于鬧市中，為降低工程建設(shè)過程中對周邊環(huán)境的影響，有必要對擬建工程的地基穩(wěn)定性進(jìn)行詳細(xì)分析[1-3]。本研究以貴州省都勻地區(qū)某大廈工程勘查區(qū)(研究區(qū))為例，對區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)特征進(jìn)行分析，并對區(qū)內(nèi)地基穩(wěn)定性進(jìn)行評價，為區(qū)內(nèi)后續(xù)其他工程建設(shè)提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)大地構(gòu)造位置處于黔南古陷褶斷束，該構(gòu)造位于松桃—獨(dú)山深大斷裂帶以西、紫云—婭都斷裂帶以東、馬場—貴陽斷裂帶以南、開遠(yuǎn)—平塘隱伏斷裂帶以東，大致呈北寬南窄梯形[4]。在該構(gòu)造單元內(nèi)，震旦系至三疊系地層發(fā)育齊全，沉積厚度大，達(dá)6 000～9 000 m，最大達(dá)10 000 m，是地質(zhì)歷史上的強(qiáng)烈凹陷區(qū)，以典型的箱狀褶曲為主，部分為彎隆和短軸狀褶曲，少許為倒轉(zhuǎn)褶曲。區(qū)域上處于貴州高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶，地勢北高南低，最高點(diǎn)位于貴定、都勻之間的斗篷山，海拔1 961 m，最低海拔位于羅甸紅水河出境處，海拔242 m，相對高差1 719 m；大部分海拔為800～1 400 m，屬于中山地貌[5]。區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖分布廣泛，在溫暖多雨的氣候條件下，巖溶地貌在全州各地廣泛發(fā)育，形成了類型復(fù)雜多樣的地表、地下巖溶景觀。巖溶地貌類型有峰林、峰叢、槽谷、洼地、落水洞、溶洞、地下暗河以及石溝、石芽等[6]。

2 研究區(qū)工程地質(zhì)特征

2.1 地形地貌

研究區(qū)處于都勻劍江河一級階地上，位于都勻市區(qū)中心地帶，南側(cè)、西側(cè)為市區(qū)道路，地形平坦、開闊。劍江河位于研究區(qū)西側(cè)、南側(cè)，與研究區(qū)相距約350 m，總體自北向南徑流貫穿都勻市區(qū)，勘察期間測得的河水水位標(biāo)高為765.00～768.40 m，水深1～2 m，區(qū)內(nèi)自然地面高程為771.20～771.60 m，與河水水位高差為3.20～6.60 m，屬河流侵蝕切割、沖洪積堆積地貌。

2.2 地層巖性

由于研究區(qū)位于都勻市區(qū)內(nèi)，其周邊均有建筑物，故區(qū)內(nèi)及其周邊未見基巖裸露，全為雜填土層及第四系河流沖、洪積層(粉細(xì)砂層、卵石層)所覆蓋。鉆探揭露顯示區(qū)內(nèi)下伏基巖為二疊系吳家坪組(P2w)褐黃色、灰白色薄層狀泥巖夾硅質(zhì)巖，巖層產(chǎn)狀正常，呈單斜產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀為110°∠45°?，F(xiàn)將地層巖性特征由上至下分析如下。

2.2.1 覆蓋層

研究區(qū)內(nèi)覆蓋層包含3層(圖1)：①雜填土層(Qml)，灰、灰黃色，顏色成分雜，主要由黏土、碎石、建筑垃圾及混凝土地坪構(gòu)成，雜亂堆積，結(jié)構(gòu)松散，基坑開挖后，少部分分布，該層厚度為0.50～4.00 m，平均為1.29 m；②粉細(xì)砂層(Qal)，灰黃色，稍濕，由河流沖積所形成，中密狀，手捻有明顯砂感，底部夾有砂卵石，基坑開挖后，少部分分布，該層厚度為0.60～3.10 m，平均為2.34 m；③卵石層(Qal)，灰黃、褐黃色，濕至飽和，中密，骨架顆粒主要由卵石構(gòu)成，粒徑為20～200 mm顆粒約占65%，粒徑為2～20 mm顆粒約占15%，含少量粒徑大于200 mm的漂石，其中各級配砂礫充填間隙，為河流沖、洪積所形成，全區(qū)分布。研究區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度為1.70～3.80 m，平均為2.77 m。

圖1 覆蓋層巖土分層照片

2.2.2 基 巖

研究區(qū)內(nèi)下伏基巖巖性變化較小，風(fēng)化程度差異較大，巖性均為強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾硅質(zhì)巖層(P2w)，可分為2個亞單元：第1巖性單元呈褐黃色、灰白色，薄層狀，節(jié)理較發(fā)育，巖體破碎，層理模糊可見，巖芯呈碎石土柱狀、砂狀，鐵鎬挖掘呈土塊狀、砂狀及少量強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖塊狀，主要由泥巖風(fēng)化黏土及強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖角礫構(gòu)成，屬軟質(zhì)巖石強(qiáng)風(fēng)化層，巖體基本質(zhì)量等級為V級；第2巖性單元呈褐黃色、灰白色，薄層狀，節(jié)理較發(fā)育，巖體破碎，層理模糊可見，巖芯呈砂狀及顆粒狀，鐵鎬挖掘呈砂狀及少量強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖塊狀，主要由泥巖風(fēng)化黏土及強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖角礫構(gòu)成，偶夾中風(fēng)化硅質(zhì)巖，全區(qū)分布。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震

研究區(qū)構(gòu)造上位于川黔SN向褶皺構(gòu)造帶都勻復(fù)式向斜西翼，區(qū)內(nèi)及附近無斷裂通過。該區(qū)屬抗震設(shè)防烈度Ⅵ度分布區(qū)，地震加速度值為0.05 g，歷史上該區(qū)未發(fā)生過有較大破壞的地震，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造總體穩(wěn)定性良好。

2.4 構(gòu) 造

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭露結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)及附近無活動斷裂通過，區(qū)內(nèi)地基無巖溶、土洞現(xiàn)象，無滑坡、危巖、崩塌、泥石流、地陷、地裂縫等不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災(zāi)害。

2.5 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地表水主要為自北向南徑流的劍江河，相距約350 m，根據(jù)本研究調(diào)查及近10 a觀測，劍江河水位豐枯變幅一般小于1.50 m，豐水期河水水位一般低于擬建物0 m標(biāo)高(771.80 m)1.90～5.30 m，故該河水一般不會影響擬建物。但如遇特大洪水時，劍江河沿河兩岸一級階地普遍遭受洪水侵襲，區(qū)內(nèi)洪水水位標(biāo)高達(dá)到772.10 m，高于擬建物0 m標(biāo)高。因此，擬建工程設(shè)計、施工中需考慮可能遭受特大洪水的影響。

研究區(qū)地下水主要賦存于砂卵石孔隙中，補(bǔ)給源為地表河水、大氣降水下滲，砂卵石富水性強(qiáng)。下伏強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾硅質(zhì)巖層為相對隔水層，富水性弱，埋藏類型屬潛水。區(qū)內(nèi)地下水與河水直接相關(guān)，呈互補(bǔ)關(guān)系，與河水水力聯(lián)系密切。根據(jù)都勻市區(qū)類似場地勘查施工資料，區(qū)內(nèi)地下水位豐枯變幅按1 m 考慮，地下水位與河水水位豐枯變化成正相關(guān)性，地下水位升降滯后于河水水位。受地形、地貌、地層等因素的控制，研究區(qū)地下水主要為側(cè)向河水及都勻向斜東翼地勢較高處地下水補(bǔ)給、次為大氣降水及生活廢水直接入滲補(bǔ)給，總體由北向南徑流，劍江河為侵蝕、排泄基準(zhǔn)面。

本研究地下水水文地質(zhì)參數(shù)通過人工開挖探井進(jìn)行抽水試驗(大井法抽水試驗)獲得，在此基礎(chǔ)上預(yù)測基坑涌水量。抽水試驗利用研究內(nèi)1#載荷試驗孔進(jìn)行，通過抽水試驗求取卵石土層水文地質(zhì)參數(shù)。抽水試驗井(1#載荷試驗孔)井徑為1.5 m，井深7.30 m，孔口標(biāo)高768.31 m，靜止水位標(biāo)高767.36 m，降深1.25 m，涌水量234.58 m3/d。經(jīng)計算得卵石土層滲透系數(shù)K=187.71 m/d，影響半徑R=38.29 m。按最不利條件組合進(jìn)行基坑涌水量預(yù)測，假設(shè)基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)，豐水期開挖基坑，筏板及墊層總厚1.90 m，最高水位標(biāo)高為768.36 m，研究區(qū)內(nèi)擬建大樓的負(fù)一樓頂板標(biāo)高為767.90 m，地下室基坑開挖至766.00 m標(biāo)高時，按大口徑井潛水非完整井基坑涌水量公式預(yù)測的基坑涌水量Q=4 701.70 m3/d。

都勻地區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，場地環(huán)境類型為Ⅱ類，區(qū)內(nèi)地下水賦存于卵石層孔隙中，長期浸水。根據(jù)研究區(qū)地下水水質(zhì)分析結(jié)果，按《巖土工程勘查規(guī)范》(GB 50021—2001)對研究區(qū)內(nèi)地下水對混凝土構(gòu)件及鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性進(jìn)行了分析評價，并根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果判定區(qū)內(nèi)地下水的水質(zhì)類型為碳酸鹽鈣質(zhì)水，地下水水質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性。

3 研究區(qū)地基穩(wěn)定性評價

一般來說，地基穩(wěn)定性評價主要包括地基強(qiáng)度評價和地基變形評價2個部分[7-11]。地基強(qiáng)度評價主要是評價地基土承載力是否滿足上部結(jié)構(gòu)荷載的要求，地基承載力一般可以分為允許承載力和極限承載力，確定地基承載力的方法有載荷試驗法、理論計算法、規(guī)范查表法、經(jīng)驗估算法等[12]。在工程設(shè)計中為了保證地基土不發(fā)生剪切破壞而失去穩(wěn)定，同時也為了使建筑物不致因基礎(chǔ)產(chǎn)生過大的沉降和沉降差，而影響其正常使用，必須限制建筑物基礎(chǔ)底面的壓力，使其平均壓力不得超過修正后的地基承載力特征值。對于一般建筑物，承載力可以按相關(guān)規(guī)范確定；對于重要的或結(jié)構(gòu)特殊的建筑物，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場載荷試驗、理論公式計算以及其他原位試驗方法進(jìn)行綜合確定[13-16]。

3.1 場地類別劃分與抗震設(shè)防

研究區(qū)內(nèi)地勢平坦、開闊，覆蓋層為雜填土，第四系河流沖、洪積的粉細(xì)砂以及卵石土層，根據(jù)都勻地區(qū)同類場地的巖土結(jié)構(gòu)，并結(jié)合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)，綜合確定區(qū)內(nèi)土類型屬中軟場地土，厚度大于5.00 m，場地類別為Ⅱ類。研究區(qū)內(nèi)及周邊地形較平緩，無斷裂通過，地基土分布較為連續(xù)、穩(wěn)定的中軟土，屬建筑抗震一般地段，而卵石層不具備震動液化特征，在地震動力作用下不會發(fā)生地基失效。更重要的是，區(qū)內(nèi)下伏巖石地基為泥巖夾硅質(zhì)巖，抗震性能較好。因工程區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，地震加速度值為0.05 g，特征周期為0.35 s，而區(qū)內(nèi)土類型為中軟土，場地類別為Ⅱ類，故場址屬建筑抗震一般地段，擬建物抗震設(shè)防類別為丙類，應(yīng)按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行抗震設(shè)防，擬建工程應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)措施。

3.2 地基穩(wěn)定性及均勻性

研究區(qū)內(nèi)無泥石流及活動斷裂通過，巖層呈單斜產(chǎn)出，不具備發(fā)生滑移變形失穩(wěn)的條件。該區(qū)地基上覆土層為雜填土以及第四系河流沖、洪積層，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾硅質(zhì)巖。鉆探揭露表明，各巖土層分布連續(xù)，層面展布平緩，厚度變化不大，強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾硅質(zhì)巖為非可溶巖類，巖溶不發(fā)育，地基穩(wěn)定性好。根據(jù)鉆探巖芯鑒別、載荷試驗及動力觸探測試結(jié)果綜合分析，地基承載力特征值取fak=608.0 kPa，因此，地基承載力可滿足建筑物要求，且?guī)r土結(jié)構(gòu)分層顯示地基均勻性較好。

3.3 地下室基坑邊坡穩(wěn)定性評價

本研究勘查工作開展之前，擬建工程地下室基坑沿擬建筑主樓邊線已基本開挖完畢，開挖深度約3.5 m，全部開挖至卵石層層面，接近地下室底板?；舆吰轮饕呻s填土和粉細(xì)砂層構(gòu)成，基坑邊坡坡度為 70°～90°，在工程勘查結(jié)束長達(dá)1個多月的時間段內(nèi)，基坑周邊未出現(xiàn)明顯垮塌現(xiàn)象，現(xiàn)狀條件下基坑邊坡較穩(wěn)定。

根據(jù)施工經(jīng)驗，當(dāng)基坑邊坡遭受雨水浸泡、沖刷時，極易發(fā)生滑塌、坍塌，加之研究區(qū)較為狹窄，北側(cè)和東側(cè)均有建筑物分布，南側(cè)和西側(cè)為市政道路。根據(jù)相關(guān)調(diào)查，研究區(qū)北側(cè)、東側(cè)建筑基礎(chǔ)均位于卵石上，采用條形基礎(chǔ)、磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)埋置深度約3.00 m，西側(cè)、南側(cè)分別為水果巷和工人路，擬選筏板基礎(chǔ)，地下室基坑開挖深度自0 m標(biāo)高起算至少5.80 m，核心筒(電梯井)位置深度約7.60 m，邊坡由雜填土、粉細(xì)砂、卵石層構(gòu)成，安全等級為二級，邊坡坡角需小于各層土的內(nèi)摩擦角，邊坡方可穩(wěn)定，因此無論采用何種基礎(chǔ)形式，地下室基坑采取垂直開挖方式后，邊坡都不穩(wěn)定。根據(jù)研究區(qū)周邊工程環(huán)境條件，如果基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)，在考慮筏板基礎(chǔ)外延寬度、施工工作面(主樓部分筏板外延寬度按1.00 m、南側(cè)一層地下室部分筏板外延按0.60 m考慮)及排水溝渠后，周邊均不具備放坡條件，場地工程環(huán)境條件較為復(fù)雜。

根據(jù)設(shè)計方案，按筏板基礎(chǔ)考慮，地下室基坑開挖深度為5.80～7.60 m(標(biāo)高為764.20～766.00 m)(電梯井位置)，位于地下水位之下，按邊坡高度(小于10 m)、邊坡類型(土質(zhì)邊坡)、破壞后果(嚴(yán)重)綜合確定邊坡安全等級為二級?；娱_挖、基礎(chǔ)施工降水等易誘發(fā)基坑周邊建筑、道路地基沉降破壞，從而引發(fā)建筑物、道路破壞，因此必須進(jìn)行基坑邊坡支護(hù)，確?；舆吰路€(wěn)定。

根據(jù)邊坡物質(zhì)組成及工程地質(zhì)特征、水文地質(zhì)條件，結(jié)合基坑周邊環(huán)境工程條件，建議研究區(qū)北側(cè)和東側(cè)按60°、南側(cè)和西側(cè)按75°放坡后對雜填土層、粉細(xì)砂層進(jìn)行錨網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，高度約3.50 m，對粉細(xì)砂層下伏的卵石層采取重力式擋墻支護(hù)，高度約2.50 m，施工時視坑壁穩(wěn)定性采取分段跳挖支護(hù)，該方案下部擋土墻可同時起到部分止水的作用，或者研究區(qū)南側(cè)、西側(cè)采用抗滑樁(排樁)支護(hù)方式。

4 持力層選擇及地基基礎(chǔ)方案

4.1 地基條件分析

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)擬建物的結(jié)構(gòu)、荷載特征，地下室開挖后，地基內(nèi)出露的巖土為卵石層，厚度較薄，承載力較高，下伏基巖在鉆探控制深度范圍內(nèi)均為強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾硅質(zhì)巖，厚度較大，承載力較高，分布連續(xù)穩(wěn)定。根據(jù)研究區(qū)巖土工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件以及擬建工程的結(jié)構(gòu)荷載特征，可供選擇的持力層為卵石層及強(qiáng)風(fēng)化基巖層，基礎(chǔ)形式有獨(dú)立(墩)基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。

4.2 持力層選擇及基礎(chǔ)方案

根據(jù)研究區(qū)巖土工程地質(zhì)特征并結(jié)合擬建物的結(jié)構(gòu)、荷載特征，對持力層選擇及基礎(chǔ)方案比選如下：

(1)方案Ⅰ。選擇強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾硅質(zhì)巖作為地基持力層，基礎(chǔ)形式采用獨(dú)立(墩)基礎(chǔ)。該方案基礎(chǔ)施工時基坑開挖需穿越卵石層，由于單柱荷載較大，部分基礎(chǔ)邊緣將重疊或接近，存在應(yīng)力疊加的可能，邊軸部分柱位基礎(chǔ)邊緣與軸線的距離將大于1 m，基坑開挖深度一般為6～7 m，局部大于7 m，基礎(chǔ)之間尚余的卵石層難以保留，需進(jìn)行基坑大開挖方可施工，增加了基坑邊坡的支護(hù)難度，加大了降水深度。

(2)方案Ⅱ。選擇強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾硅質(zhì)巖作為地基持力層，基礎(chǔ)形式采用筏板基礎(chǔ)。該方案基礎(chǔ)施工時基坑開挖需穿越卵石層，開挖深度一般為6～7 m，局部大于7 m，需按強(qiáng)風(fēng)化基巖層層面標(biāo)高進(jìn)行基坑邊坡支護(hù)設(shè)計。

(3)方案Ⅲ。選擇強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾硅質(zhì)巖作為地基持力層，基礎(chǔ)形式采用樁基礎(chǔ)。該方案基礎(chǔ)施工時基坑開挖需穿越卵石層，根據(jù)勘查時開挖載荷試驗孔觀測結(jié)果，卵石層段孔壁極易垮塌，成孔難度較大，加之基巖層承載力不高，要求樁徑較大并需考慮樁側(cè)壁的摩擦阻力，方可滿足柱荷載要求，但根據(jù)強(qiáng)風(fēng)化基巖層的工程地質(zhì)特征，人工挖孔樁側(cè)壁的摩擦阻力難以保證。

(4)方案Ⅳ。由于卵石層與強(qiáng)風(fēng)化基巖層的力學(xué)指標(biāo)相近，建議根據(jù)卵石層埋深、厚度及強(qiáng)風(fēng)化基巖層埋深，采用筏板基礎(chǔ)，根據(jù)筏板厚度要求分別選擇卵石層及強(qiáng)風(fēng)化基巖層作為持力層。該方案可減小基坑開挖深度，降低基坑支護(hù)難度，減小基坑降水深度及抽排水量，能夠有效降低因基坑開挖對周邊建筑、市政設(shè)施的安全影響，減小基礎(chǔ)施工難度，節(jié)約施工時間。

綜上所述，方案Ⅳ較為經(jīng)濟(jì)，且對研究區(qū)周圍環(huán)境的影響較小，施工難度也較小，從而縮短了工程建設(shè)周期。因此，通過綜合比較、論證后，本研究建議采用方案Ⅳ，即采用筏板基礎(chǔ)，根據(jù)筏板厚度要求分布選擇卵石層及強(qiáng)風(fēng)化層泥巖夾硅質(zhì)巖作為持力層。

5 結(jié) 語

詳細(xì)分析了貴州省都勻地區(qū)某大廈勘查區(qū)的工程地質(zhì)特征，并對地基穩(wěn)定性進(jìn)行了評價，分析結(jié)果對于該區(qū)后續(xù)建筑物設(shè)計及施工有一定的參考價值。