高层建筑勘察中控制性勘探孔深度问题讨论.doc

高层建筑勘察控制性勘探孔深度的讨论杨昌绣 孙会哲 贾文华（中兵北方勘察设计研究院 石家庄 050011） 摘要：本文讨论现行规范框架内几种控制性勘探孔深度的估算方法，对其适用条件及影响因素进行分析，给出了一些可供参考的计算参数假设值。通过工程实例，对不同方法的计算结果进行对比。在此基础上，提出笔者在这个问题上的工作思路。关键词：控制性勘探孔深度；地基变形计算深度；变形比；应力比；简化公式；经验公式0 引言 高层建筑一般是指层数超过7层，或高度超过24m的建筑物，其中79层为中高层，1030层为高层，30层以上或高度超过100m为超高层。中、小高层多采用框架结构或短肢剪力强结构，高层则使用框架剪力墙或纯剪力墙结构，近年来采用钢结构的建筑也大量出现。基础形式大多采用箱（筏）基础，刚筋混凝土基础底板厚度多在1m以上，有的还配有倒置梁。这样的结构体系整体刚性好，抗变形能力较强，对于不大的地基差异变形，通过其结构体系调整可以消化掉一部分。对高层建筑而言，设计等级均为甲、乙级，需按地基变形进行设计。对应的岩土工程勘察，所布设的勘探孔按二种情况考虑，一是一般性勘探孔，以揭穿地基主要受力层为原则，一般深度为基底下0.51.0倍基础宽度；再就是控制性勘探孔，其深度必须满足地基变形验算要求，深度过小不能满足要求，是不合格工程；深度太大则无谓增加勘察成本，同时还会降低投标的竞争力，其重要性不言而喻。在现行规范框架内，以下几项规定（强制性条文）至关重要，是制定勘察方案所必须遵循的原则：地基规范 3.0.2.（2）：设计等级为甲级、乙级的建筑物均应按地基变形设计。勘察规范4.1.18.（2）：对高层建筑和需作变形计算的地基，控制性勘探孔的深度应超过地基变形计算深度；高层建筑的一般性勘探孔应达到基底下0.51.0倍的基础宽度并深入稳定分布的地层。高层建筑勘察规程4.1.4（1）：控制性勘探孔的深度应超过地基变形的计算深度。建筑地基处理技术规范9.2.9：地基变形计算深度应大于复合土层的厚度，并符合现行国家标准建筑地基基础设计规范GB50007中地基变形计算深度的有关规定。建筑桩基技术规范3.2.3 2 1）：控制性孔应穿透平面以下压缩层厚度。由于体制和历史原因，我国现行的几部规范（程），对控制性勘探孔深度定义原则基本一致，但在具体操作实施中，又体现出各自的特点，目的是将变形计算这一复杂问题简化，以利于岩土工程师在实际工程中方便使用。鉴于理论依据和考虑因素不同，各规范给出的方法（公式）存有差异，形成目前“五部规范四种提法”的现状，对同一项工程，不同的工程师在制定勘察方案时，往往会给出不同的控制性勘探孔深度，为什么会出现这样的结果，有哪些因素在发挥作用，分析并深入讨论这些问题，对我们制定科学合理的勘察方案会有帮助。1 地基变形影响因素控制性勘探孔深度以控制地基变形计算深度为原则，所以，有必要对决定变形计算及计算深度的各种因素进行分析，以利于勘察方案既安全合理又简便实用。（1）地基土的压缩性根据土工试验得到的压缩系数，可划分为高、中、低三类，不同压缩性的土，变形计算深度是不同的，压缩性越高，相应的变形计算深度越大。这方面，高规的经验公式法给出了一个经验系数，在一定程度上体现了包括压缩性等土层特性对压缩层深度的影响，其他的计算方法对该因素基本忽略，地基规范则认为，地基土类别对压缩层的深度的影响无明显规律。但是，自然界中完全均质的地基很少，地基压缩层往往是由具有不同压缩性的多层土构成，按照变形比法的计算思路，其不同组合对地基变形计算深度或多或少会产生影响，在一定条件下，持力层为压缩性较高的土层，而下卧层压缩性较低，这种地层组合比较容易达到稳定标准，反之亦然。（2）基础宽度基础宽度大小对压缩层深度的影响较大，这一点在土力学的等应力线图上（Boussinesq解）有直观表达。在荷载相同条件下，基础宽度越大，地基压缩层深度也就越大。地基规范的简化公式中，基础宽度表达最为直接，是唯一的变量，按照地基规范条文说明，该表达式有实测和试验数据支持。另外，经验公式法也考虑了这一因素，直接与经验系数成倍数关系。可以说，在诸多影响因素中，基础宽度的影响是公认的。（3）基底压力按照土力学理论，基底接触压力越大，地基中的附加应力也就越大，而地基的压缩变形是由附加应力引起的，随着深度增加，当附加应力衰减到一定程度，对地基变形不能产生影响时，即可将该深度视为变形计算深度。对于基底压力的影响，在勘察规范的应力比计算公式中是主要控制因素，而地基规范的变形比法则认为：对一定的基础宽度，地基压缩层深度不一定随着荷载P的增加而增加。在这个问题上，二部规范的观点存有一定的差异。（4）计算点位置高层建筑平面形状各异，有方形、圆形、矩形及不规则形状等。在不同部位之下地基中，其应力分布和大小是不同的，从而地基压缩层计算深度亦有所不同。一般情况下，基础中心点计算深度最大，边点次之，角点最小。相应地，布设在不同部位的控制性勘探点深度也就有所不同。例如，常见的“板楼”用整体倾斜控制，控制性勘探孔布置在基础的角点部位，深度要求较浅，而“塔楼”中心点要求有控制性勘探孔，深度就要相对大一些。（5）基础埋深由于抗震、人防和使用功能的要求，高层建筑一般都设有地下室。近年来城市土地稀缺，建筑地下部分层数和深度呈现增大的趋势，对建筑地基，勘探孔有效深度从基础底面起算，基底以上钻探不是有效进尺。所以，基础埋深越大，勘探孔的深度亦随之增加。但另一方面，地基变形计算时，基底压力取荷载效应准永久组合，随着基础埋深增大，附加压力变小，相应的计算变形量亦随之减小。除上述因素之外，诸如基础结构、形状也会对地基压缩变形深度产生影响；另外，工程施工速度等因素也间接地发挥作用，但都不是主控因素，在此不一一列举。2 地基变形计算深度讨论控制性勘探孔深度与地基压缩层计算深度之间存在密切联系，控制性勘探孔取决于地基变形验算深度。看以下二个公式： （1） （2）公式（1）这就是我们熟知的分层总和法变形计算公式，从基础底面起算，当满足公式（2）条件时，即可认为达到计算深度。用文字表述公式的含义是：自某一计算深度向上取厚度为Z的土层计算变形值小于等于0.025倍的累计变形值，以此作为计算深度的下限。相应的控制性勘探孔深度应该等于或略大于这个深度。分析（2）式中诸项因素，关键是Z厚度的变形量，因为对某一计算点而言，在Z之上的计算变形量是一定的，而Z厚度的变形量与二个因素有关，一是随深度衰减的平均附加应力系数残余值，这个值相对固定；再就是取值厚度，厚度越大越大，也就越不容易满足式的要求，反之亦然。把么，Z取多大合适呢，从地基压缩的概念考虑，这个值与基础宽度大小有关，小尺寸的独立基础和条基厚度比较小，相比之下，高层建筑的厚度就大的多。通过一些工程事例和试验实测，经统计分析试算，得出以下经验公式： （3）公式（3）表达的函数以基础宽度b为变量，由于是对数关系，当b达到一定值后，Z增长趋缓。对高层建筑而言，常见的基础宽度1530m，对应的Z=1.11.3m，地基规范表5.3.6中，当基础宽度大于8m，Z一律取1.0，这是一个大致的数据，比公式计算结果略小一些。但是，从计算与使用过程考虑，地基变形计算深度与控制性勘探孔深度又有顺序上的差别。在勘察程序上，控制性勘探孔深度在勘察实施之前的方案制定时即已确定（不排除个别调整，但不能普遍改动），而变形计算则是在勘探工作完成后进行地基评价中出现，这种顺序上的倒置，使得变形计算需进行如下若干假设。（1）：在岩土工程勘察阶段，基底压力值不易获取准确的数值，可以按照建筑层数进行估算。按照荷载效应标准组合，每层的荷载可取1720kPa，纯住宅取较低值，商务建筑取较高值，底商结构的取中值，这样的估算结果有一定的安全度，用于地基计算是可以的。（2）如果设计方面只给出地下室层数，而没有标明具体深度，可按一层3.5m，二层8m，三层12m的深度考虑，这个深度已包括基础底板和每层顶板的厚度，误差不会很大。（3）高层建筑荷载大，小尺寸的独立基础无法满足要求，多采用箱（筏）基础，底板（筏板）平面尺寸与建筑平面尺寸基本一致，特殊情况下有基础外挑或上部结构突出的情况，但不常见。如果设计方面没有给出基础尺寸，则确定勘探孔深度所需的基础宽度b可按建筑平面图划定的建筑宽度考虑，不规则形状等代为方形，取边长。以上的假设条件，会使变形计算结果或多或少产生误差。所以，看似严密的计算结果，在实际应用于控制性勘探孔深度时，也只能是一种估算值。为了简化计算，地基规范还给出了一个简化的公式，当无相邻荷载影响，基础宽度在130m范围内时，基础中心点的地基变形计算深度Zn可以按下式考虑：Zn=b(2.50.4lnb) （4）公式（4）是根据设有分层深标的载荷试验和31个工程实际资料统计分析得出的，具有95%的置信度，公式中唯一变量是基础宽度b ，工程中比较容易掌控。另外，该公式代表基础中心点的计算深度，对于角点的计算深度偏于安全。3 控制性勘探孔的其它确定方法上述地基规范给出的方法称之为变形比法，除此之外，还有一些其他方法可以推算控制性勘探孔的深度，都是现行规范规程所推荐，具有各自得特点，在此一并分析。（1）应力比法应力比法源自前苏联的12755规范，在我国沿用多年，有大量的工程经验，现在仍为勘察规范、桩基规范和复合地基规范所采用。按照土力学理论，地基中的竖向力有二种，一是由于土体自重产生的自重应力，随深度而增加。另一种是附加应力。在矩形面积均布荷载作用下，土中任一深度处的附加压力等于基底接触压力乘以附加应力系数，其中的附加应力系数值与矩形尺寸（L/b）和计算点深度（Z/b）有关，当基础尺寸L、b一定时，取决于计算深度Z，深度越深附加应力就越小。应力比法就是根据这一原理，认为经过一定深度的衰减，附加应力值已经比较小，不足以引发土体产生变形，这个深度即可认为是地基变形计算深度，其表达为： （5）或： （6）式中的值视土的压缩性而定，对高压缩性土（a1-20.5Mpa-1）取0.1，中、低压缩性土取0.2。应力比法相对简单明了，但用于实际工程亦需要做若干假设，包括基底压力、基础尺寸、土的重度等，这些计算参数变异范围有限，采用假设值得出的计算结果误差不大，从实用角度考虑，应力比法用于方案制定阶段是可行的。（2）经验公式法经验公式法来自高层建筑岩土工程勘察规程，该规程对控制性勘探孔深度采取了比较宽泛的规定，可按应力比法亦可按变形比法计算，原则是深度应超过变形计算深度。在不具备变形计算条件时，可以按以下经验公式计算。 （7）与地基规范中简化公式不同的是，公式（7）引入了以下二个参数：1）与建筑层数或基底压力有关的经验系数，勘察等级为甲级的取1.1，乙级取1.0，其含义是：重要建筑慎重考虑，勘探孔适当加深。2）与土的压缩性有关的经验系数，和土的成因年代、密实度、地下水等因素有关。该规程表4.1.4中给出了的范围值，如何选取依赖于对工作地区勘察实践经验的把握，地质条件较好时取较小值，反之取较大值。实际工程中，建筑地基往往由多层土构成，不同土层的值是不同的，对此，可以将基底以下1.0倍基础宽度范围内的各层按厚度进行加权，取加权平均值为计算用值。公式（7）由于增加了二个系数，特别是考虑了土层性质的因素，使其在原理上较公式（4）合理一些，也比较简便易行，在有经验地区，如大、中城市的岩土勘察中被广泛采用。4 复合地基高层建筑由于荷载较大，天然地基往往不能满足设计要求，故多采用复合地基或桩基础，而复合地基相比桩基造价低，经济效益显著，近年来得到越来越多的应用，以石家庄市建设工程为例，高层建筑采用复合地基的超过80%，面对这种状况，岩土工程勘察时就必须要考虑复合地基的作用机理，以及由此而引发的控制孔深度问题。建筑地基处理技术规范3.0.5条规定：按地基变形设计或应作变形验算且需进行地基处理的建筑物或构筑物，应对处理后的地基进行变形验算。9.2.9条就验算方法和计算深度作如下说明：地基变形计算深度应大于复合土层的厚度，并符合现行国家标准建筑地基基础设计规范中地基变形计算深度的有关规定。按照以上二条规定，高层建筑的复合地基应需进行变形验算，计算方法和计算深度与地基规范相同，即采用变形比法。那么，复合地基与天然地基比较，二者在变形计算深度上有何不同，不妨作如下分析。高层建筑使用的复合地基，是在天然土层中，人为地植入刚性增强体，如水泥粉煤灰或素混凝土等，与桩间土共同作用承担基底压力。由于增强体的强度比天然土层要大得多，使得桩身段强度得以大幅度的改善，变形较天然地基减小，这主要得益于计算公式中压缩模量值的提高，按照规范规定，桩身段的压缩模量等于同层位天然土层的倍，由下式求出： （8）一般工程值在24之间， Es相应增大了相同的倍数，如果桩的长度较大，用分层总合法计算变形比较容易满足（2）式条件，有时甚至会出现计算深度小于桩长的情况，这显然不合常理。为此，规范特别强调：地基变形计算深度应大于复合土层的厚度。这样，即便出现上述不合理情况，也要强制性地对桩端以下的天然土层进行变形比较，直至达到0.025倍的比值要求。从刚性增强体复合地基作用机理分析，如此计算是符合实际情况的。但这样一来，必然会对地基的变形计算深度产生影响，因为桩身段由于压缩模量的大幅提高，致使这部分的累积变形量减小，而桩端以下Z厚度的天然土层计算变形量没有发生变化，要满足0.025倍的比值要求，就需要更深的计算深度。从这个意义上讲，复合地基的变形计算深度相比天然地基要大，用天然地基方案得出的控制性勘探点深度，可能达不到复合地基变形计算深度要求。5 桩基础桩基础的勘探孔深度取决于桩的受力状态，对于拟采用摩擦型桩基础的勘察项目，控制性勘探孔深度要求与刚性增强体复合地基类似，亦应满足地基变形计算深度的要求。主要区别在于，由于作用机理不同，群桩基础（d6d）包括承台下的桩间土假想为一实体基础，荷载直接作用在桩的底端，等于压力面垂直下移，这样，无论是采用变性比法还是采用应力比法计算，深度都应从桩底算起，较之同等条件下的刚性复合地基，在理论上压缩层深度要大出一个桩长。但就实际工程而言，由于桩端持力层大多选用工程性能良好的低压缩性岩土层，如密实状态的碎石或基岩等，此类地层压缩模量值很大，比较容易达到稳定。对此，高层建筑勘察规程建议，群桩桩基础沉降计算深度宜取桩端平面以下附加应力为上覆土有效自重应力20的深度，或按桩端平面以下假象实体基础宽度的1.01.5倍的深度考虑。对以基岩等不可压缩地层作为持力层的端承桩，可以不进行变形验算，控制性勘探孔深度进入桩端平面以下35倍桩径即可，其目的并非是变形计算需要，而是查明在此深度内是否存在破碎带、软弱结构面、岩溶、采空区等不良地质条件对桩基整体稳定性的影响。6 不同方法比较实例 综合上述几种计算方法，以石家庄市区某工程实际情况为例进行对比试算，计算条件见表1，计算深度的对比结果如下表2。 表1 计算条件建筑物基础长度基础宽度基底压力基础埋深27层，筏板基础66m20m550kPa10.5m土层及序号重度(kN/m3)承载力特征值fak(kPa)天然地基压缩模量Es(MPa)复合地基压缩模量Es(MPa)黄土状粉土17.61205.9粉土19.91409.738.1粉质粘土19.81609.633.0粉土20.016011.439.2粉质粘土19.818010.732.7粉土19.920015.843.4中砂18.528030.058.9卵石20.050040.040.0表2 几种计算方法比较结果计算方法变形比法应力比法经验公式法简化公式法复合地基应力比法变形比法计算深度m24.8m38m30.5m36.5m38m34m7 小结通过分析和进行同等条件下的对比计算，对高层建筑控制性勘探孔深度，我们大致可以总结出以下一般规律：群桩基础刚性复合地基天然地基应力比法变形比法上硬下软的地层结构均质地基上软下硬地层结构软土一般土低压缩性岩土荷载较大建筑荷载较小的建筑基础宽度大基础宽度小基础中心点边缘角点上述比较结果，是荷载、基础形式、基础尺寸、地基土性质等相关因素对地基变形计算深度影响的综合反映，属于定性的概念分析。对于每项具体工程，不同的因素相互交叉，情况千变万化，要找到一个对所有工程都适用的计算公式或方法几乎是不可能的，需要具体问题具体分析。一般情况下，在勘察方案中控制性勘探孔深度确定，可以按如下思路展开：（1）收集了解项目所在地的工程经验，包括地层条件、土层性质、同类型工程的地基基础形式等，在此基础上初步建立该