持力層為卵石層或卵石層交強風(fēng)化巖層時基礎(chǔ)工程設(shè)計與施工之見

張 春 （安徽新天柱工程規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，安徽 合肥 230001）

安徽南部某市保障性安居工程項目，位于皖南山區(qū)地帶，設(shè)計總建筑面積約12萬m2，由14棟11層～22層住宅塔樓及2棟3層商業(yè)和單層地下車庫組成。

地勘報告反映該場地的地層共分4層和1個亞層，具體構(gòu)造及相關(guān)場地參數(shù)如下（自上而下）。

①層：雜填土——灰黃色、雜色，濕～飽和，松散。以砂卵石、耕植土為主，含植物根系，含碎石、卵石、中粗砂以及建筑垃圾等，局部含有大量生活垃圾回填。

①1層：素填土（淤泥）——灰黑色、黑色，流塑狀，含腐殖質(zhì)，具腥臭味。

②層：卵石——灰黃色、褐黃色、雜色，中密～密實狀，充填物以中粗砂為主，填充物呈中密～密實狀。其母巖為砂巖，顆粒呈圓形～次圓形，顆粒大小以20～40mm為主，粒徑最大為60～100mm，重型動探實測擊數(shù)10～22擊，平均值15.4擊，重型動探修正擊數(shù)9.7～18.2擊，平均值13.7擊。分布于場地內(nèi)的大部分地段。該層天然地基承載力特征值為fak=320kPa，變形模量E0=25.0MPa。

③層：強風(fēng)化砂巖）——灰黃夾灰白、褐紅、紫紅夾深灰色等，顏色雜亂，巖性復(fù)雜，由砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等砂質(zhì)巖組成，大多數(shù)干鉆易進。含云母碎片，結(jié)構(gòu)已破壞，泥質(zhì)膠結(jié)。該層以強風(fēng)化巖為主，間夾有未風(fēng)化完全的中風(fēng)化巖塊。巖石節(jié)理裂隙發(fā)育。此層為極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。標貫實測擊數(shù)52～72擊，平均62.8擊。該層層厚0.40～2.60m，場地均有分布。該層天然地基承載力特征值為fak=350kPa，變形模量E0=26.0MPa。

④層：中風(fēng)化砂巖——深灰色為主，局部為灰黃色和棕紅色，顏色雜亂，巖性復(fù)雜，由砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等砂質(zhì)巖組成。含云母、石英、長石等礦物，鉆機干鉆不進。強度不均勻，結(jié)構(gòu)部分破壞，基本呈塊狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)較好，巖體較破碎，薄～中厚層狀，巖石質(zhì)量指標RQD一般為40

根據(jù)地勘資料建筑設(shè)計單位對該項目相關(guān)基礎(chǔ)部分的持力層選擇及基礎(chǔ)形式選擇如下。

a.持力層選擇：塔樓部分采用“②層部分③層”為持力層；地下車庫部分采用“②層”為持力層。

b.基礎(chǔ)形式的選擇：塔樓部分為厚度為1100mm的平板式筏板基礎(chǔ)，其中電梯井范圍及相關(guān)集水坑局部加深；地下車庫部分采用厚度為400mm的筏板基礎(chǔ)，其中在柱下采用局部加厚300mm以滿足抗沖切要求。不同厚度的筏板基礎(chǔ)其筏板結(jié)構(gòu)頂面標高相同。

實際施工過程中該項目五方責(zé)任主體配合的很好，尤其是勘察單位非常配合業(yè)主的工作，他們不厭其煩先后會同設(shè)計單位經(jīng)過4次部分5次驗槽方滿足勘察及設(shè)計要求，開始澆筑基礎(chǔ)墊層。眾所周知正常情況下基槽驗收經(jīng)過1～2次即可滿足勘察及設(shè)計要求，但是該工程之所以經(jīng)過4次部分5次驗槽才能滿足勘察及設(shè)計要求，期間一定在某個方面出現(xiàn)了影響工程質(zhì)量的技術(shù)問題。筆者作為該項目的項目負責(zé)人，自始至終參加了每一次的驗槽工作。為避免重復(fù)出現(xiàn)類似場地的情況下出現(xiàn)影響工程質(zhì)量和工期的類似事件的發(fā)生，針對類似地質(zhì)條件和場地及類似工程項目，談?wù)剛€人在設(shè)計和施工方面的見解。

1 現(xiàn)場“卵石土”的實際開挖特點

根據(jù)地勘報告的描述，該層土為“中密～密實狀，充填物以中粗砂為主，填充物呈中密～密實狀。其母巖為砂巖，顆粒呈圓形～次圓形，顆粒大小以20～40mm為主，粒徑最大為60～100mm”。實際開挖后發(fā)現(xiàn)填充物從粉細砂至粗砂均存在，且部分地區(qū)以粉細砂為主，狀態(tài)部分呈現(xiàn)稍密；卵石最大粒徑為200～300mm，與地勘報告略有不符。

目前基坑開挖均采用機械作業(yè)，加之本項目卵石粒徑較大填充物不均勻等因素，這種巖土在機械作業(yè)時對原狀土的擾動破壞是非常大的。尤其在卵石層、卵石層和強風(fēng)化巖（局部中風(fēng)化巖）層的交界面、強風(fēng)化巖（局部中風(fēng)化巖）層同時出現(xiàn)在基礎(chǔ)底板底標高上時，機器操作也較困難結(jié)果導(dǎo)致“卵石層擾動嚴重，中風(fēng)化較難開挖，強風(fēng)化較難成型”。按要求當機械操作至最后300mm～500mm時應(yīng)采用人工操作，此時人工操作也非常困難，尤其將擾動卵石從巖層面清除時其進度較緩慢，只有采用人海戰(zhàn)術(shù)手工操作，況且施工時也不好判斷各種土層，很難保證原狀卵石層完全不受擾動。由于上述各種巖土交織在一起，即使完全在卵石層當清除上層擾動層時緊鄰的下層又被擾動，完全無法像粘土一樣清理至原狀土，當卵石層和巖石層同時出現(xiàn)在基礎(chǔ)底板標高時由于巖面高低不平對巖面上卵石的清理也較困難。最后勘察單位只得同意“采用人工清理的卵石層面可以有擾動”其可以驗槽通過。

2 對塔樓部分基礎(chǔ)選型及持力層的選擇的建議

本工程塔樓部分采用“平板式筏板基礎(chǔ)”，應(yīng)該比較合理。其充分發(fā)揮天然地基的承載力，基礎(chǔ)造價相對較低。

本工程塔樓部分持力層選擇為“②層部分③層”巖土。本人認為不盡合理，首先同一基礎(chǔ)選擇在不同持力層上本身就不滿足規(guī)范要求，縱然兩層巖土的承載力特征值及壓縮模量相差不大，但那是在完全無擾動的未開挖的情況下的勘察報告數(shù)據(jù)。根據(jù)上述“卵石土”的實際開挖特點其和強風(fēng)化巖相比無論在承載力還是在壓縮性能方面還是有較大的區(qū)別，況且還有局部中風(fēng)化巖存在。這樣即使強度滿足設(shè)計要求其沉降量也很難控制，因此發(fā)生不均勻沉降的可能較大。眾所周知影響基礎(chǔ)安全的主要因素正是“不均勻沉降”而強度出問題的基礎(chǔ)很少見，因此對不均勻沉降的控制是基礎(chǔ)設(shè)計的核心；也是一個有經(jīng)驗的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員所最看重的一點，這方面僅憑書本知識是不夠的，要深入現(xiàn)場了解各種土質(zhì)對沉降的敏感性。同時筆者認為基礎(chǔ)的強度及沉降量計算不管采用什么軟件電算還是人工計算充其量為估算，其和實際還是有一定誤差的，這一點是基礎(chǔ)（包含支護）設(shè)計區(qū)別于上部設(shè)計的重點。因此基礎(chǔ)（包含支護）設(shè)計其工作經(jīng)驗往往比較重要。

筆者認為本工程平板式筏板基礎(chǔ)的持力層應(yīng)統(tǒng)一選擇③層強（中）風(fēng)化巖上；對基礎(chǔ)底板標高下面局部②層卵石土予以清除直至③層巖土，其清除厚度為0～700mm，然后采用C15混凝土找平至基礎(chǔ)底板底標高，其找平工程量很小，這樣一來不僅滿足規(guī)范要求，也避免了塔樓產(chǎn)生不均勻沉降的風(fēng)險。同時變繁為簡讓現(xiàn)場施工人員很容易判斷持力層的位置，其驗槽工作一次就能完成。

3 對單層地庫部分基礎(chǔ)選型及持力層的選擇的建議

本工程單層地庫采用“平板式筏板基礎(chǔ)”，筆者認為不盡合理。其縱然可以滿足設(shè)計要求但基礎(chǔ)造價相對較高。眾所周知，單層地庫較多層裙房地庫其面荷載較小，荷載標準值一般為（50～70）kN/m2。因此當?shù)鼗休d力特征值為100kPa以下時建議考慮筏板基礎(chǔ)，當?shù)鼗休d力特征值為100kPa以上時建議采用“獨立基礎(chǔ)加防水板”，這樣不僅滿足基礎(chǔ)設(shè)計要求同時基礎(chǔ)造價也降低了很多。而本工程地基承載力特征值為fak=320kPa，因此建議采用“獨立基礎(chǔ)加防水板”的設(shè)計較為合理。首先結(jié)合本工程柱距（5.4×5.4）m2得出柱下獨基軸力約為1800kN，這樣獨基平面尺寸約為（2.4×2.4）m2，厚度700～800mm和目前采用的筏板基礎(chǔ)柱下加厚平面尺寸（2.0×2.0）m2及（2.4×2.4）m2厚度700～800mm相當。其次當采用“獨立基礎(chǔ)加防水板”時結(jié)合本工程柱距防水板厚度約為250mm即可，這樣較目前采用的筏板基礎(chǔ)厚度400mm小了許多。因此本工程采用“獨立基礎(chǔ)加防水板”設(shè)計明顯經(jīng)濟合理。

本工程單層地庫持力層選擇為“②層巖土，超深部分采用砂石墊層其承載力不小于180kPa”。筆者認為選擇②層巖土方向是正確的，但超深部分采用承載力較低的砂石墊層，對天然地基承載力為fak=320kPa的卵石層來說明顯不合理，顯然降低了天然地基的承載力，這樣人為的提高了工程造價。分析各種基礎(chǔ)的利弊，這種情況較為復(fù)雜，應(yīng)多方案比較并結(jié)合基礎(chǔ)形式、持力層深度、換填厚度、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)標高等影響因素全面綜合考慮，因此在選擇上存在下列情況。

①“獨立基礎(chǔ)加防水板，其中防水板和獨立基礎(chǔ)板頂結(jié)構(gòu)標高一致”見圖1。這種情況“獨立基礎(chǔ)”以②層fak=320kPa的卵石層為獨立基礎(chǔ)持力層，當獨立基礎(chǔ)局部超深時采用C15混凝土找平。防水板下面采用回填現(xiàn)場擾動卵石作為軟墊層其中面層采用現(xiàn)場砂石找平人工壓實即可。

圖1

圖2

這種方法設(shè)計最常用，理論上也沒問題。但由于防水板底標高和獨立基礎(chǔ)底標高一般存在300～1000mm不等的高差，不太適合目前施工所采用的“土方機械開挖”的施工方法，因為在土方開挖階段很難讓技術(shù)人員去標出什么地方開挖的平面尺寸及不同的標高，現(xiàn)場一般采用大面積開挖至某一標高后采用人工修整，這樣防水板下不需要開挖的土方也被一次性取掉，導(dǎo)致這部分土需要二次回填，增加工程造價。綜合考慮各種因素及設(shè)計與施工相結(jié)合，本工程可以采用此種方法。

圖3

圖4

②“獨立基礎(chǔ)加防水板，其中防水板和獨立基礎(chǔ)板底結(jié)構(gòu)標高一致”見圖2。這種情況“獨立基礎(chǔ)”以②層fak=320kPa的卵石層為獨立基礎(chǔ)持力層，當獨立基礎(chǔ)局部超深時采用C15混凝土找平。防水板下100～150mm厚采用現(xiàn)場砂石找平作為軟墊層采用人工壓實即可。

這種方法設(shè)計采用的不太多，但理論上沒問題，可以滿足設(shè)計要求。這種方法最大的好處是獨立基礎(chǔ)和防水板底標高一致，非常適合目前施工所采用的“土方機械開挖”的施工方法，土方開挖時只需要讓技術(shù)人員給出一個土方開挖統(tǒng)一標高即可，現(xiàn)場土方施工非常方便，不會導(dǎo)致土方二次回填的問題。同時獨立基礎(chǔ)和防水板頂面的高差也可采用建筑做法（回填土）找平，這樣不僅方便集水坑和排水溝（不需要結(jié)構(gòu)留坑）的設(shè)置，同時由于地庫部分均采用框架結(jié)構(gòu)其柱距一般在6m～9m，因此回填土完全可以采用機械作業(yè)，不會像剪力墻結(jié)構(gòu)那樣采用人工回填采用人工作業(yè)，其工作效率不會降低。綜合考慮各種因素及設(shè)計與施工相結(jié)合，本工程推薦采用此種方法。

③“不同厚度的整體筏板基礎(chǔ)，其中不同厚度的筏板板頂結(jié)構(gòu)標高一致”見圖3。以②層fak=320kPa的卵石層為基礎(chǔ)持力層，當厚筏板基礎(chǔ)局部超深時采用C15混凝土找平。薄筏板下面采用：a.C15混凝土找平；b.fak明顯低于320kPa的砂石等材料找平。

這種方法設(shè)計較常用，理論上也沒問題，但也需要二次回填。由于采用筏板基礎(chǔ)，因此需要不同厚度的筏板其持力層承載力應(yīng)相同，這樣便存在以下兩種情況：a.C15混凝土找平，雖然可以以②層fak=320kPa的卵石層為基礎(chǔ)持力層，但大面積C15混凝土回填成本較高；b.以fak明顯低于320kPa的砂石等材料找平，本工程取fak=180kPa的砂石材料，這樣降低了天然地基的承載力，沒有充分發(fā)揮地基土的作用，人為的造成工程成本增加。本工程正是采用此方法的“b”種情況。綜合考慮各種因素及設(shè)計與施工相結(jié)合，本工程不建議采用此種方法。

④“不同厚度的整體筏板基礎(chǔ)，其中不同厚度的筏板板底結(jié)構(gòu)標高一致”見圖4。以②層fak=320kPa的卵石層為基礎(chǔ)持力層，當基礎(chǔ)局部超深時采用C15混凝土找平。

這種方法設(shè)計采用的不太多，但理論上沒問題，可以滿足設(shè)計要求。這種方法最大的好處是充分發(fā)揮天然地基承載力的優(yōu)點，基礎(chǔ)設(shè)計較經(jīng)濟，尤其適合荷載較大的帶多層裙房的地下室基礎(chǔ)。同時不同厚度的筏板底標高一致，也適合目前施工所采用的“土方機械開挖”的施工方法，土方開挖時只需要讓技術(shù)人員給出一個土方開挖統(tǒng)一標高即可，現(xiàn)場土方施工非常方便，不會導(dǎo)致土方二次回填的問題。同時筏板頂面的高差也可采用建筑做法（回填土）找平，這樣不僅方便集水坑和排水溝（不需要結(jié)構(gòu)留坑）的設(shè)置，同時由于地庫部分均采用框架結(jié)構(gòu)其柱距一般在6m～9m，因此回填土完全可以采用機械作業(yè)，不會像剪力墻結(jié)構(gòu)那樣采用人工回填采用人工作業(yè)，其工作效率不會降低。綜合考慮各種因素本方法比較適合多層裙房及多層地庫情況下的面荷載較大的基礎(chǔ)形式。

4 對于類似這種底板不同厚度基礎(chǔ)施工的建議

眾所周知高層塔樓基礎(chǔ)和多層裙房基礎(chǔ)，以及裙房柱下基礎(chǔ)范圍和非柱下基礎(chǔ)其底板設(shè)計厚度一般存在高差，其高差一般在300mm～1300mm不等甚至更大。目前施工圖設(shè)計大多采用“不同厚度的底板結(jié)構(gòu)頂面標高一致”的方法，這樣勢必造成持力層頂面標高不一致。

由于土方施工單位開始施工時總包單位甚至樁基單位還沒進場或剛剛進場，況且土方一般屬于單項分包，很難聽取總包單位意見，再者為了土方施工方便一般土方施工單位都統(tǒng)一取至一個標高，這樣勢必為后期總包施工帶來一定的麻煩，由于增加二次回填找平的工程量其成本也增加不少。為此業(yè)主尤其是總包單位應(yīng)提前介入，針對不同土質(zhì)明確開挖范圍及標高，最好根據(jù)場地地質(zhì)情況在設(shè)計階段參與。對不同土質(zhì)明確開挖范圍及深度，筆者認為：①當持力層為粘土或粉質(zhì)粘土以及砂土?xí)r，可按圖示不同范圍的基礎(chǔ)底板標高確定不同范圍的土質(zhì)標高來開挖，這樣避免發(fā)生二次回填找平的工作，明顯降低基礎(chǔ)工程造價，特別是高差相差較大或持力層承載力較高時，對成本的影響更大；②當持力層為圓礫或角礫等碎石土特別是其密實度呈現(xiàn)松散至中密狀態(tài)下，其持力層承載力不大且基礎(chǔ)高差相差也不大時時，為土方施工方便可以考慮整體開挖至某一標高；③其它情況下仍然建議分范圍分標高開挖，但此時一定要采取技術(shù)措施保證邊緣原狀土不被人為的擾動。

圖5 開挖后的持力層卵石土

圖6 壓實后的持力層卵石土

圖7 易擾動部位的持力層卵石土

就本工程基礎(chǔ)持力層為卵石層而言，由于前期采用大面積開挖，且設(shè)計采用“不同厚度的整體筏板基礎(chǔ)，其中不同厚度的筏板板頂結(jié)構(gòu)標高一致”再加上各種井、坑、溝等勢必需要超深開挖，因此對于這種卵石層土的施工應(yīng)注意以下幾點：①大面積回填應(yīng)控制砂石層的含水率及有機質(zhì)含量，目的是在分層壓實過程中避免出現(xiàn)橡皮土；②注意砂石層在厚度發(fā)生變化的地方，當不便采用機械壓實時應(yīng)采用局部人工壓實；③二次人工開挖的柱墩應(yīng)盡量避免對壓實土的擾動，必要時應(yīng)采用局部人工壓實；④基坑降水過程中應(yīng)避免細顆粒填充物流失；⑤基坑支護時增加護坡底部800mm范圍內(nèi)排水管的數(shù)量，依據(jù)地下水量增加2～3倍，同時排水管在護壁內(nèi)端嚴格按照支護施工圖要求做好濾水層施工必要時增加鋼絲球作為濾水層。