兰州新区地基方案选型探讨

2012-08-06王勤军张培利

城市道桥与防洪 2012年12期

王勤军，张培利

（兰州市城市建设设计院，甘肃兰州 730030）

0 引言

兰州新区位于甘肃省兰州市永登县秦王川盆地，距兰州市约40 km。该盆地南北长约42 km，东西宽15～20 km，面积达720 km2，是兰州、白银两市的接合部，地处兰州、西宁、银川三个省会城市共生带的中间位置，也是甘肃对外开放的重要窗口和门户。在秦王川建设兰州新区，不仅有利于在更高层次、更大范围优化配置生产要素，促进兰白两个城市的经济合作，加快推进兰白核心经济区发展，也有利于加强兰州乃至全省对外交流与合作，特别是对建立西宁-兰州-银川省会都市经济圈，进一步提升兰州和甘肃对外开放新形象具有重要意义。

1 区域地质

秦王川盆地属山间凹陷盆地，处于永登-河口凹陷中的次级构造。该盆地形成于第三纪，在中更新世晚期，由于受东、西二侧边界断裂挤压逆冲活动的影响而成为一个封闭式的断陷盆地。中更新世晚期～晚更新世早期，金强河及黑马圈河沿盆地二侧古河道穿过秦王川盆地注入黄河，从而使盆地内堆积了较厚的冲～洪积砂砾石层；晚更新世晚期～全新世早期，由于坪城盆地的持续抬升，河流改道，使秦王川盆地成为一个干旱盆地。盆地北部为低山，东、西、南三面为低缓的黄土丘陵，相对高出盆地约40～60 m。盆地内主要为洪积平原，其间分布有低缓的南北向展布的陇岗残丘。盆地内堆积有10～60 m厚的第四系冲洪积土、砂、碎石层，盆地的基底由砾岩及第三系泥岩组成，厚约400～500 m。

2 地层分布特点

通过对兰州新区综合服务中心、兰州新区100万m2保障性住房、兰州新区住宅小区、纬一路、纬三路、纬十六路、经十路、经十三路等大量项目的勘察，结果表明，场区地层上部主要为第四系全新统（Q4）冲洪积碎屑沉积物，由素填土、粉土、砾砂、粉砂、细砂互层及其透镜体组成，下部为第三系泥岩，一般埋深40 m～60 m。场区上部地层整体上为土、砂互层，在空间分布上呈现犬牙交错，杂乱无序（见图1）。现将场区分布的主要地层描述如下：

（1）素填土（Q4ml）：层厚0.5～2.5 m，以粉土及砂土为主，含有砾石及植物根须，稍密，稍湿。

（2）粉土（Q4al+pl）：该层与砾砂、粉砂、细砂透镜体交互切割，层位连续性及均匀性较差。黄褐色，以粉粒为主，砂粒含量较大，土质不均匀，干强度低，韧性差，摇振反应中等，冲～洪积成因。一般8m以上具Ⅰ～Ⅱ级自重湿陷性[1]，8m以下含水量普遍较高，15～19 m以下呈饱和状。稍密～中密，稍湿～湿～饱和。

（3）细砂（Q4al+pl）：层厚2.0～4.0 m，埋深介于2.9～4.5 m，褐黄色～青灰色，以细砂粒为主，砂质较纯，含个别砾石。稍密，稍湿～湿。

（4）粉质粘土（Q4al+pl）：该层层厚0.60～12.60m，褐黄色，粉粒为主，粘粒含量较大，土质较纯，切面稍有光泽，夹砾砂、粉细砂薄层或透镜体。稍密～中密，湿～饱和。

（5）砾砂（Q4al+pl）：该层主要以层状或透镜体状产出。层厚0.4～8.2 m，杂色～青灰色，以砾砂及粗、细砂为主，砂质不纯，含土量较大，夹薄层粉土及粉细砂，含个别角砾及碎石，粒径大于2 mm的砾石含量占总质量的35%以上，冲～洪积成因。稍密～中密～密实，稍湿～湿～饱和。

经试验测试判定[2]，场区饱和粉土层、细砂及砾砂层属非液化土层。

图1 兰州新区综合服务中心典型的地质剖面图

（6）砾岩（Q1）：该层埋深 40.0～43.0 m，相应顶板标高介于1 869.80～1 872.20 m，呈尖灭状产出，青灰色～杂色，骨架颗粒以砾石为主，粗、细砂充填，钙质胶结，钻进较为困难。

（7）泥岩（N）：该层埋深 42.0～58.0 m，相应顶板标高介于1 858.10～1 870.80 m，褐红色，泥质结构，块状构造，半成岩状，上部约4～5 m呈强风化状，随深度增加风化程度逐步减弱。

对地下水位以上的粉土进行取样试验，物理力学试验指标统计见表1所列。

表1 土的物理力学性质指标统计表

通过室内试验，结合标准贯入、旁压试验及动力触探等原位测试，对各类地基土的承载力特征值予以统计，见表2所列。

表2 地基土承载力特征值及压缩（变形）模量一览表

3 水文条件

场区普遍存在地下水，属潜水类型，含水层主要为粉土层及砾砂层。地下水位埋深20 m左右，部分区域随地势埋藏较浅。地下水的补给来源主要为上游地下水、地表渗水，流向整体上由北向南。地下水位随季节变化，一般春、冬季较低，夏、秋季较高，枯水和丰水季节之间波动幅度一般为±1.5m。

经水质分析，PH一般为6.4～7.0，总碱度为1.8～7.6me/L，总硬度为 12.5～59.5me/L，暂时硬度为0.5～6.7 me/L，游离CO2为0～13.2mg/L，侵蚀CO2为 0～20mg/L，Mg2+为 88.8～465.6mg/L，Ca2+为28.0～798.0 mg/L，Cl－为 273.4～4011.5 mg/L,SO42－为 657.6～3417.6mg/L，HCO3－为 85.4～451.4mg/L，CO32－为0～12.0mg/L。地下水对混凝土具中等～强腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱～中等腐蚀性。

4 地基方案选型

由于工程场区地质条件极为复杂，所以，在新区建设初期，对建筑物地基方案选型都有着不同的观点。若采用浅基础，以上部土、砂层作为基础持力层时，由于上部约40 m～60 m地层不论从空间分布上还是从力学性能上，都有着很大的差异性，加上上部黄土状粉土的湿陷性、土-砂层中含水量的不均匀性，给地基处理带来了一定的难度。若采用深基础，以下部泥岩作为基础持力层时，桩长达50 m左右，对于一般的建筑物而言，工程造价是非常高昂的。同时,部分区域地下水对混凝土具强腐蚀性，根据规范[3]规定，不应采用混凝土灌注桩基础。如何进行地基方案选型呢？目前，兰州新区建设才刚刚起步，没有成熟的经验可循，因此，现场试验检测成了不可缺少的环节。在新区建设初期，结合实际工程，从建筑物的特点、场区地质条件、工程造价等多方面综合考虑，有针对性地提出了一些地基方案选型，并进行现场试验检测。

4.1 地基处理

4.1.1 强夯法

对于一般的建筑，在上部地层含水量较小的场区(天然含水量一般小于18%)，可直接采用强夯法处理地基。强夯法是使用吊升设备，将具有较大质量（一般为8～14 t，最重可达200 t）和一定结构规格的夯锤起吊至一定高度（一般为8～20 m，最高可达40m）后，使其自由下落，强大的冲击能量（一般为1 100～4 000 kJ，最高可达8 000 kJ）使地基产生强烈的振动和很高的动应力，从而在一定范围内使土体强度提高，压缩性降低[4]。

兰州吉利汽车工业有限公司位于兰州新区纬三路北侧，纬一路南侧，在二期厂区建设中，建筑物多为钢结构动力夯击车间，高度12 m，设计荷载220 kPa。该区域上部地层主要为土、砂混层，承载力特征值一般为fak＝120 kPa。地基处理方法拟采用强夯法，试夯夯击遍数为先点夯3遍，夯击能为4 000 kJ，再以低能量满夯2遍，满夯采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印搭接。夯点位置布置采用等腰三角形网格布置，呈梅花形，强夯范围为基础边缘不小于3 m，其中第一遍夯点间距为5 m，第二遍夯点位于第一遍夯点之间，以后各遍夯击点间距可适当减小至锤印搭接。强夯处理后的地基，采用重型动力触探（N63.5）测试，测试深度为4～6 m。检测结果表明，承载力特征值达250 kPa，承载力提高幅度较大，完全满足工程建设的需要，该项目最后采取强夯法处理地基。

4.1.2 强夯置换

对于一般的建筑，在上部地层含水量较大的场区(天然含水量一般大于18%)，拟采用强夯置换处理地基。强夯置换的加固机理是利用重锤高落差产生的高冲击能将碎石、片石、矿渣等性能较好的材料强力挤入地基中，在地基中形成一个个粒料墩，墩与墩间土形成复合地基，以提高地基承载力，减小沉降。

兰州新区一经济适用房项目，由于工程建设场地多位于农田内，受灌溉等因素的影响，上部约6 m地层含水量较大，天然含水率达18%～26%。针对这种地层，地基处理方法推荐了强夯置换法进行试验。工程建设前期选择了一20 m×20 m的试夯区，共布设25个夯点，夯点按正方形布置，夯点距离4 m，排距4 m，锤径2.5 m，强夯置换材料为天然级配砂石，换填1.1 m，夯击分3遍完成，第一、二遍夯击能量4 000 kN·m；第三遍以夯击能量1 500 kN·m进行满夯，单点夯击次数2次，夯击搭接重叠1/3。对强夯置换处理的场地进行重型动力触探试验和平板式载荷试验检测。

通过重型动力触探试验，强夯置换墩下部地层动探锤击数均较高，回填碎石密实度达到中密～密实，墩间土经强夯后亦被挤密，密实度达到中密～密实程度。重型动力触探锤击数N63.5统计见表3所列。

表3 强夯置换地基重型动力触锤击数N63.5统计表

通过静载荷试验，强夯置换地基的极限承载力一般为637 kPa，根据规范规定[5]，承载力特征值fak为318 kPa，变形模量E0为39 kPa。由于试验在冬季进行，考虑到冻融的影响，最后建议承载力特征值fak按280 kPa取值，提供了较为准确的设计依据。强夯置换地基静载荷试验部分P－S曲线见图2所示。

图2 强夯置换地基静载荷试验部分P－S曲线图

4.2 复合地基

4.2.1 载体桩

载体桩是将外管振动（或螺旋引孔）沉管至预定标高，在管内放入一定量的砖块或建筑硬垃圾（旧砖、瓦片、混凝土块、石块等），将内夯锤砸下，落差通常在10 m以上，夯扩头成型后，灌入干硬性混凝土，然后灌注混凝土作为桩身。

在兰州新区一住房项目中（高度45m），选择了载体桩试验区，试验总桩数8根，桩长大于13 m，桩型分为两种，其中Ф450mm的桩5根，Ф600mm的桩3根，桩间距5 m，桩身混凝土强度为C30，通长配筋，Ф450 mm的主筋7Ф14，Ф600 mm的主筋9Ф14，箍筋为Ф6＠300的螺旋箍。在桩顶3m范围内Ф6＠100，加劲筋为Ф12＠2000，填充料为砖块及干硬性混凝土，填充量以三击贯入度不大于5 cm进行控制[6]。

通过对载体桩进行静载荷试验，Ф450 mm的桩极限承载力最大为3 240 kN，最小为2 160 kN，平均值2 790 kN，极差一般超过平均值的30%，故应进一步进行研究。Ф600 mm的桩极限承载力最大为4 140 kN，最小为3 680 kN，平均值3 790 kN，极差未超过平均值的30%，综合考虑，承载力特征值可按1 840 kN取值。目前，Ф600 mm载体桩已在兰州新区部分建筑物地基处理中得以应用。静载荷试验部分Q－S曲线见图3和图4所示。

图3 Ф450 mm静载荷试验部分Q－S曲线图

图4 Ф600 mm静载荷试验部分Q－S曲线图

4.2.2 混凝土夯扩桩

混凝土夯扩桩是将内外管同时捶击（或振动）进入预定标高，然后提起内管，灌注一定量的混凝土，放入内管，进行捶击，在桩底部形成一个类球形扩大头，增加桩体的端承力，桩身施工同钢筋混凝土灌注桩。

在兰州新区住宅小区项目中，采用了混凝土夯扩桩基础进行试验。桩长大于15 m（深入水位以下1 m），桩身直径Ф450 mm，桩身混凝土强度为C45，通长配筋，主筋8Ф14，箍筋为Ф8＠300的螺旋箍。在桩顶3 m范围内Ф8＠100，加劲筋为Ф12＠2000，填充料为干硬性混凝土，填料量以三击贯入度不大于5 cm进行控制，且不得大于1.8m3。通过对混凝土夯扩桩进行静载荷试验，桩极限承载力最大为3 180 kN，最小为2 420 kN，平均值2 740 kN，考虑到各种因素影响，承载力特征值可按1 200 kN取值。后来设计部门采用了该基础类型进行设计，通过施工表明，效果良好。

4.2.3 CFG桩

CFG桩又称水泥粉煤灰碎石桩，由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和，用各种成桩机械制成的可变强度桩，是介于刚性桩与柔性桩之间的一种桩型。

甘肃信源软件信息股份有限公司拟建的地理信息大厦，主楼9层，选择了CFG桩复合地基，成孔方式采用长螺旋钻成孔，桩长11～13 m，呈正方形布置，桩径Ф400 mm，桩间距1 600 mm，桩身混凝土强度C20，采用筏式基础，设计要求复合地基承载力特征值不小于260 kPa，单桩竖向抗压承载力特征值不小于440 kN。为确定CFG复合地基承载力特征值及单桩竖向抗压承载力特征值，主楼部位进行了现场试验。单桩竖向静载试验采用慢速维持荷载法，单桩复合地基静载试验采用分级维持荷载相对稳定法。试验表明，单桩竖向承载力特征值Ra为500 kN，复合地基承载力特征值fspk最大为 402 kPa，最小为 391 kPa，取值 300 kPa，复合地基变形模量为26 MPa。完全满足设计要求，试验数据统计分别见表4和表5所列。

表4 CFG桩单桩竖向抗压承载力参数统计表

表5 CFG桩复合地基承载力试验结果统计表

在施工过程中，由于上部地层不同深度分布有各类砂层，给桩孔施工带来了很大的难度。

4.2.4 其它类型

在新区建设过程中，也有一些建筑物推荐采用其它类型的基础形式进行试验，如灰土挤密桩等。试验表明，由于上部地层不同深度分布有砂层，桩孔施工难度大，同时灰土挤密桩针对砂层挤密效果不明显，故未能推广采用。

4.3 桩基础

针对兰州新区上部地层分布比较复杂的特点，对一些高层建筑、大型桥梁等重大项目，一般采用了钻孔灌注桩基础，基础持力层为泥岩层，桩长达40～60 m，根据工程需要，桩径达800～1 500 mm。如兰州新区综合服务中心、兰州新区东立交、赵家铺立交桥等工程均采用了钻孔灌注桩基础，经静载荷试验表明，完全满足设计要求。

目前兰州新区钻孔灌注桩的成孔方式是多样的，如旋挖钻成孔、长螺旋钻成孔等，通过大量的实践证明，旋挖钻、长螺旋钻针对密实的砾砂层及砾岩层，很难穿越成孔，同时清底难度大，沉碴厚度不易控制，已逐渐被其它的成孔工艺所取代。