鄭州某高層建筑地基（含防空洞）的選擇及處理

劉海學(xué)LIU Hai-xue

（中化地質(zhì)河南局集團(tuán)有限公司，鄭州450011）

1 鄭州市地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域構(gòu)造

鄭州市地處鄭汴坳陷的西南部，與嵩山隆起銜接。因此鄭州處于隆起與坳陷的過度地帶。新生代以來坳陷區(qū)的構(gòu)造運動，雖以大幅度的沉降運動為主，但沉降幅度在空間上是不一致的，總的趨勢是東北大，西南小。

晚第三紀(jì)發(fā)生大面積的沉陷，整個華北平原連成一片。上第三系和第四系厚度由西南向東北逐漸增加，滎陽賈峪北為50m，鄭州市內(nèi)為600-1000m，到東北部增加到2800m。第四系上更新統(tǒng)底界深度在鄭州市西南不足30m，而市區(qū)東北棗莊可達(dá)百米。全新統(tǒng)在市區(qū)東部厚度20-30m，其他地段沒有沉積。

1.2 近場構(gòu)造

老鴉陳斷層北起黃河鐵路橋，從邙山東側(cè)通過，向南延伸經(jīng)過省體育館東緣穿過鄭州市區(qū)。地形地貌上表現(xiàn)為邙山東側(cè)為一陡坎，西為黃土丘陵，東為一望無際的平原。第四系上更新統(tǒng)與全新統(tǒng)地質(zhì)界線基本沿此界限分布。該斷層控制了下第三系地層的沉積，斷距200-400m。

1.3 地震效應(yīng)

鄭州市抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計地震分組為第二組，設(shè)計地震加速度0.15g。市區(qū)覆蓋層厚度42-72m。一般認(rèn)為從五龍口路-南陽路-市體育館-鳳凰臺-鄭汴路一線北東建筑場地類別為Ⅲ類，南西為Ⅱ類。

西部晚更新世地層，不存在液化。東部淺部全新世地層，多輕微液化，液化層為黃河新近泛濫堆積的松散-稍密粉土、粉砂。

2 鄭州市區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

鄭州市區(qū)位于河南省西部黃土丘陵與東部黃河沖積平原的交接地帶，屬華北平原的一部分，地勢由西南向東北傾斜，地貌單元自西向東依次為：黃土臺塬—塬間洼地—黃河沖積（泛濫）平原。

2.2 地層

鄭州市區(qū)全部為第四系松散堆積物覆蓋，從西向東變厚，整體地層層序較清楚。對第四系地層由新到老分述如下：

2.2.1 全新統(tǒng)

全新統(tǒng)地層分布于五龍口路-南陽路-銘功路-太康路-商城路-鄭汴路一線北東的廣大區(qū)域。沉積時間短，距今約1.2萬年。最大厚度約32m。

2.2.2 上更新統(tǒng)（Q3）

為沖積成因的粉土、粉質(zhì)粘土夾粉細(xì)砂透鏡體，含較多姜石、鈣質(zhì)網(wǎng)文。主要分布在西部波狀平原及山前沖積平原上部及東部30米以下深度，厚度30-40m。地基承載力特征值160-240kPa。

2.2.3 中更新統(tǒng)（Q2）

為沖洪積棕紅、棕黃色粉質(zhì)粘土夾粉土、粉砂，含較多鈣質(zhì)結(jié)核，局部富集成層或透鏡體。該層西部分布在30m以下，東部在70m以下。厚度30-40m。

2.2.4 下更新統(tǒng)（Q1）

為冰水堆積灰白色礫石夾棕紅、紫紅、灰綠色粘土、粉質(zhì)粘土層，礫石礫徑1-7cm。分選差。該層西部分布在70米以下，東部在110m以下。厚度90-200m。

2.3 地下水

西南部10-40m。淺層含水層巖性東部主要為全新統(tǒng)粉土、粉砂，為晚更新統(tǒng)粉土層。粉土綜合滲透系數(shù)為0.5m/d，粉砂滲透系數(shù)6-12m/d。一般來說，地下水對混凝土具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)局部有微-弱腐蝕性（干濕交替）。

2.4 特殊土

鄭州市區(qū)有特殊土分布，以表層填土及西部濕陷性黃土為主，局部沖溝具有厚層粉煤灰分布。

填土：可分為雜填土、素填土。雜填土分布在表層，無規(guī)律，市區(qū)一般厚度0.5-1.5m，在西部溝谷、市內(nèi)挖土坑內(nèi)厚度可達(dá)5.0m以上。素填土主要分布在管城區(qū)商代遺址附近區(qū)域，以粉土為主，松散，厚度3-5m；在西部中原路與西環(huán)路交叉口附近西流湖東側(cè)沖溝內(nèi)分布有電廠沉淀池，沖填土為厚達(dá)5.0-28.0m的粉煤灰。

濕陷性土：分布在鄭州市區(qū)西半部黃土丘崗及山前沖積平原上，以上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)濕陷性黃土狀土為主，一般厚度4-8m，地基濕陷等級Ⅰ級輕微。

3 鄭州市某高層建筑地基工程地質(zhì)特征

3.1 地層結(jié)構(gòu)特征

鄭州某高層住宅建筑物地面以上18層，設(shè)1層地下室，基礎(chǔ)埋深約5.5m?？蚣堋袅Y(jié)構(gòu)。高層住宅平面近方形，南北長29.9m，東西寬28.0m，建筑面積約15069.6m2。擬采用天然地基筏板基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)。

場地位于鄭州市西部山前沖積傾斜平原。地層表層約3.0m為一層黃褐色黃土狀粉土或粉質(zhì)粘土，稍濕，含蟲孔根系、鈣質(zhì)斑紋，具濕陷性；本層下為灰黃、褐黃色粉土，中密-密實，約5m以淺有濕陷性；約10-15m，夾薄層粉砂。15-20m往往有一層相對軟層，以下逐漸變硬，以黃褐色、紅褐色粉質(zhì)粘土為主，多有數(shù)層鈣質(zhì)膠結(jié)透鏡體，局部成層。地層一般為超固結(jié)土，具有較為復(fù)雜的應(yīng)力歷史。勘探深度55.0m范圍內(nèi)除淺部混凝土地坪外均為第四紀(jì)晚更新世沉積地層。按其不同的成因、時代及物理力學(xué)性質(zhì)差異劃分為10個工程地質(zhì)單元層，典型指標(biāo)見表1，分述如下：

表1 地基土物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

①-1雜填土（Q4ml）：層底埋深0.7-1.0m，層厚0.7-1.0m。

表層約0.6m為混凝土地坪。下部以灰土、粉土為主，局部因分布有下水道，填土埋深2.5m。

①粉土（素填土）（Q4ml）：層底埋深2.0-3.0m，層厚1.0-2.0m。

地層呈褐黃色、灰黃色，中密，稍濕。搖振反應(yīng)迅速，無光澤，干強度低，韌性低。具針孔狀孔隙，見少量蝸牛碎殼，含小顆粒鈣質(zhì)結(jié)核，白色鈣質(zhì)斑點。

②粉土（Q3al）：層底埋深5.1-5.8m，層厚2.1-3.6m。

地層呈褐黃、黃灰色，中密，稍濕。搖振反應(yīng)迅速，無光澤，干強度低，韌性低。含灰白色斑點，少量白色蝸牛碎片，小顆粒鈣質(zhì)結(jié)核。

③粉土（Q3al）：層底埋深9.8-11.0m，層厚4.7-5.5m。

地層呈黃褐色，密實，稍濕。搖振反應(yīng)迅速，無光澤，干強度低，韌性低。見少量蝸牛殼，含有少量小塊鈣質(zhì)結(jié)核。

④粉土（Q3al）：層底埋深11.3-13.8m，層厚1.5-3.1m。

地層呈黃褐色，密實，稍濕。搖振反應(yīng)中，無光澤，干強度低，韌性低。含有較多白色鈣質(zhì)條紋，少量小塊鈣質(zhì)結(jié)核。

⑤粉土（Q3al）：層底埋深16.0-16.8m。層厚2.9-4.7m。

地層呈黃褐色，密實，稍濕。搖振反應(yīng)中，無光澤，干強度低，韌性低。含白色鈣質(zhì)條紋，見少量蝸牛碎殼，含有小塊鈣質(zhì)結(jié)核。局部夾粉砂透鏡體。

⑥粉土（Q3al）：層底埋深22.0-24.0m，層厚5.3-7.5m。

地層呈黃褐色，密實，稍濕。搖振反應(yīng)中，無光澤，干強度低，韌性低。含白色鈣質(zhì)條紋，見少量蝸牛碎殼，含有小塊鈣質(zhì)結(jié)核。

⑦粉砂（Q3al）：層底埋深26.8-27.3m，層厚3.3-4.8m。

地層呈黃褐色，密實，稍濕。主要礦物成分以石英、長石云母為主。夾粉土薄層，密實，稍濕。含白色鈣質(zhì)條紋，較多鈣質(zhì)結(jié)核。

⑧粉土夾粉質(zhì)粘土（Q3al）：層底埋深29.6m，層厚2.3-2.8m。

地層呈黃褐色，密實，稍濕。搖振反應(yīng)中，無光澤，干強度低，韌性低。含黑褐色鐵錳質(zhì)斑點，夾粉質(zhì)粘土，密實，稍濕。含較多鈣質(zhì)結(jié)核。

⑨粉土（Q3al）：層底埋深35.0m，層厚5.4m。

地層呈褐色，密實，稍濕。搖振反應(yīng)中，無光澤，干強度低，韌性低。含黑褐色鐵錳質(zhì)斑點，含較多鈣質(zhì)結(jié)核。

⑩粉土（Q3al）：本層未揭穿。

地層呈褐色、紅褐色，密實，稍濕。搖振反應(yīng)中，無光澤，干強度低，韌性低。含黑褐色鐵錳質(zhì)斑點，含較多鈣質(zhì)結(jié)核。局部夾粉質(zhì)粘土。

3.2 地下水條件

本次勘察期間勘探深度35.0m左右，屬第四系松散巖類孔隙潛水。地下水對擬建建筑物地基基礎(chǔ)設(shè)計、施工無影響。

3.3 不良地質(zhì)作用及對工程不利的地下埋藏物

本場地發(fā)現(xiàn)有防空洞、下水道（下水道埋深2.5m±），防空洞頂板埋深9.0m，洞底高程110.996m，洞寬2.0m，高2.0m左右，除此之外，無其它不良地質(zhì)作用。

4 場地地震效應(yīng)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001），鄭州市抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g，設(shè)計地震分組為第二組。按抗震重要性分類，本工程屬標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）建筑。20m以淺的土層等效剪切波速Vse平均值為310.2m/s。該場地的設(shè)計特征周期0.40s，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，場地覆蓋層厚度小于50m，判定建筑場地類別為Ⅱ類，本場地地下水位埋深35.0m左右，且地基土主要為第四紀(jì)晚更新世沉積地層，判定場地土無地震液化性。

由于地基主要受力層存在防空洞，判斷本場地為建筑抗震不利地段。

5 巖土工程分析與評價

5.1 工程環(huán)境與建筑適宜性

擬建場地位于鄭州市伏牛路與崗坡路交叉口西200m左右路南?，F(xiàn)擬建62#高層住宅，東距已有14#、15#住宅樓約10.0m，西距圍墻約2.0m，南離已有41#住宅樓約10.0m，北約13.0m為崗坡路，工程環(huán)境條件一般。區(qū)域上位于華北地臺南緣，基底地塊完整，據(jù)區(qū)域資料，鄭州地區(qū)的斷裂大都為前新生代的非活動斷裂，新生代以來活動斷裂老鴉陳斷裂距本場地較遠(yuǎn)，對擬建場地的穩(wěn)定性無直接影響，所以場地穩(wěn)定，適宜建筑。

5.2 地基土濕陷性評價

將探井所取原狀樣土工試驗濕陷，結(jié)果顯示3.5m以淺具濕陷土，根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)注》（GB50025），由于基礎(chǔ)埋深5.5m，5.5m以上全部挖除，根據(jù)本場地地層條件結(jié)合附近場地經(jīng)驗，本場地可不考慮濕陷影響，可按一般地區(qū)設(shè)計。

5.3 地基土承載力及變形指標(biāo)綜合評定

根據(jù)原位測試及土工試驗結(jié)果，結(jié)合地區(qū)建筑經(jīng)驗，綜合確定地基土承載力特征值faK及壓縮模量Es1-2（MPa）、抗剪強度（直剪）指標(biāo)，見表2。

表2 地基承載力特征值faK建議值及壓縮模量Es1-2抗剪強度指標(biāo)建議值

5.4 地基基礎(chǔ)方案評價

5.4.1 地基土均勻性評價

假定場地內(nèi)擬建18層樓采用天然地基淺基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深5.0m，持力層將位于第③層粉土，主要受力層底面坡度0.7%，持力層及下臥層在基礎(chǔ)寬度方向厚度差0.2m，壓縮模量當(dāng)量比1.04，天然地基均勻。

根據(jù)以上分析綜合判定本場地為天然地基均勻地基，但主要受力層內(nèi)存在對工程不利的埋藏物廢棄防空洞，防空洞若后期坍塌，勢必造成高層建筑不均勻沉降，因此必須進(jìn)行處理。

5.4.2 天然地基淺基礎(chǔ)評價

5.4.2.1 持力層驗算

擬建樓高18層，地下1層。每層荷載標(biāo)準(zhǔn)組合值按16kN/m2，若采用筏基，估算其基底壓力Pk=328kPa。

假定基礎(chǔ)埋深5.5m，采用筏板基礎(chǔ)，以第③層粉土為持力層，第③層粉土經(jīng)深寬修正后的地基承載力特征值：

（取 值：ηb=0.3，ηd=1.5，b=6m，d=5.5m，γ=16.1kN/m3，γm=16.2kN/m3）

另根據(jù)《JGJ72-2004》根據(jù)土的抗剪強度指標(biāo)估算第③層粉土極限承載力為

式中Ck、Φk為持力層（第③層）代表性取值，分別取Ck=7.6kPa，Φk=20.0°，

如果安全系數(shù)取3.0，則fa=fu/K=1483.2/3.0=494.4kPa，兩者相比，取fa=335.9kPa，

18層住宅樓基底壓力Pk=328kPa，Pk＜fa，可滿足。

其下存在第④、⑤層下臥軟層，應(yīng)進(jìn)行下臥層強度驗算。

以4#孔處為例：

第④層頂面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值：

（取 值：ηd=1.5，d=10.7m，γm=16.2kN/m3）

第④層頂面處附加壓力與自重壓力值（未考慮應(yīng)力擴散）：

Pz+Pcz=238.9+173.3=412.2kPa＜faZ=432.9kPa。

下臥層第④層粉土強度滿足。

第⑤層頂面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值：

（取值：ηd=1.5，d=13.8m，γm=16.2kN/m3）

第⑤層頂面處附加壓力與自重壓力值（未考慮應(yīng)力擴散）：Pz+Pcz=238.9+223.6=462.5kPa＜faZ=503.2kPa。

下臥層第⑤層粉土強度滿足。

5.4.2.2 變形預(yù)測

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007）對天然地基筏板基礎(chǔ)進(jìn)行沉降驗算。

經(jīng)估算天然地基最終沉降量為42.0mm，沉降計算深度40.0m，整體傾斜估算為0.0002，滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007的要求。

根據(jù)實際變形監(jiān)測，運營3年累計沉降35mm，接近預(yù)測沉降值。

5.5 地基基礎(chǔ)方案選擇及防空洞處理措施

根據(jù)擬建建筑物荷載特點，結(jié)合場地土條件，建議高層住宅采用天然地基筏板基礎(chǔ)，筏板基礎(chǔ)應(yīng)適當(dāng)外擴，并加強剛度。由于主要受力層（基底下4.0m）存在不利埋藏物-廢棄防空洞，廢棄防空洞隨時間推移，可能進(jìn)水坍塌，對地基安全有不利影響，廢棄防空洞應(yīng)進(jìn)行處理。具體可采用細(xì)石混凝土分段回填或灌碎石注漿處理并注意進(jìn)行檢測。實際采用灌填碎石，預(yù)埋注漿管，注漿充溢。具體施工是：在防空洞走向基礎(chǔ)兩端人工砌筑檔墻，隔斷。在開挖基坑中，根據(jù)防空洞走向，間隔3m開天窗，直徑1.0m，人工灌入碎石，至天窗口與基底持平，最后注水泥漿，水灰比0.5，強度不小于C15。檢測結(jié)果滿足設(shè)計要求。監(jiān)測顯示，本工程經(jīng)歷鄭州7.20大洪水，變形在預(yù)測范圍，證明廢棄防空洞處理效果良好?；娱_挖5.5m，1∶0.5放坡掛網(wǎng)噴砼，確保地基基礎(chǔ)施工安全。

6 結(jié)論

①鄭州市區(qū)地基土西部地質(zhì)條件較好。由于存在較多廢棄防空洞，對建設(shè)工程帶來隱患。②廢棄防空洞進(jìn)行相應(yīng)的處理加固。具體采用灌碎石注漿，為類似工程提供借鑒。③工程建設(shè)應(yīng)利用較好的地層條件，對局部隱患進(jìn)行處理，趨利避害。④工程施工、使用過程中應(yīng)注意進(jìn)行變形觀測至關(guān)重要。