贵州省都匀市某工程勘查区工程地质特征及地基稳定性评价

2018-11-20周天林

现代矿业 2018年10期

周天林

(贵州省地质矿产勘查开发局104地质大队)

随着我国经济的飞速发展，在城市化改造建设中，高层建筑越来越多，而越来越多的工程位于闹市中，为降低工程建设过程中对周边环境的影响，有必要对拟建工程的地基稳定性进行详细分析[1-3]。本研究以贵州省都匀地区某大厦工程勘查区(研究区)为例，对区内工程地质特征进行分析，并对区内地基稳定性进行评价，为区内后续其他工程建设提供借鉴。

1 区域地质概况

研究区大地构造位置处于黔南古陷褶断束，该构造位于松桃—独山深大断裂带以西、紫云—娅都断裂带以东、马场—贵阳断裂带以南、开远—平塘隐伏断裂带以东，大致呈北宽南窄梯形[4]。在该构造单元内，震旦系至三叠系地层发育齐全，沉积厚度大，达6 000～9 000 m，最大达10 000 m，是地质历史上的强烈凹陷区，以典型的箱状褶曲为主，部分为弯隆和短轴状褶曲，少许为倒转褶曲。区域上处于贵州高原向广西丘陵过渡的斜坡地带，地势北高南低，最高点位于贵定、都匀之间的斗篷山，海拔1 961 m，最低海拔位于罗甸红水河出境处，海拔242 m，相对高差1 719 m；大部分海拔为800～1 400 m，属于中山地貌[5]。区内碳酸盐岩分布广泛，在温暖多雨的气候条件下，岩溶地貌在全州各地广泛发育，形成了类型复杂多样的地表、地下岩溶景观。岩溶地貌类型有峰林、峰丛、槽谷、洼地、落水洞、溶洞、地下暗河以及石沟、石芽等[6]。

2 研究区工程地质特征

2.1 地形地貌

研究区处于都匀剑江河一级阶地上，位于都匀市区中心地带，南侧、西侧为市区道路，地形平坦、开阔。剑江河位于研究区西侧、南侧，与研究区相距约350 m，总体自北向南径流贯穿都匀市区，勘察期间测得的河水水位标高为765.00～768.40 m，水深1～2 m，区内自然地面高程为771.20～771.60 m，与河水水位高差为3.20～6.60 m，属河流侵蚀切割、冲洪积堆积地貌。

2.2 地层岩性

由于研究区位于都匀市区内，其周边均有建筑物，故区内及其周边未见基岩裸露，全为杂填土层及第四系河流冲、洪积层(粉细砂层、卵石层)所覆盖。钻探揭露显示区内下伏基岩为二叠系吴家坪组(P2w)褐黄色、灰白色薄层状泥岩夹硅质岩，岩层产状正常，呈单斜产出，岩层产状为110°∠45°。现将地层岩性特征由上至下分析如下。

2.2.1 覆盖层

研究区内覆盖层包含3层(图1)：①杂填土层(Qml)，灰、灰黄色，颜色成分杂，主要由黏土、碎石、建筑垃圾及混凝土地坪构成，杂乱堆积，结构松散，基坑开挖后，少部分分布，该层厚度为0.50～4.00 m，平均为1.29 m；②粉细砂层(Qal)，灰黄色，稍湿，由河流冲积所形成，中密状，手捻有明显砂感，底部夹有砂卵石，基坑开挖后，少部分分布，该层厚度为0.60～3.10 m，平均为2.34 m；③卵石层(Qal)，灰黄、褐黄色，湿至饱和，中密，骨架颗粒主要由卵石构成，粒径为20～200 mm颗粒约占65%，粒径为2～20 mm颗粒约占15%，含少量粒径大于200 mm的漂石，其中各级配砂砾充填间隙，为河流冲、洪积所形成，全区分布。研究区内覆盖层厚度为1.70～3.80 m，平均为2.77 m。

图1 覆盖层岩土分层照片

2.2.2 基岩

研究区内下伏基岩岩性变化较小，风化程度差异较大，岩性均为强风化泥岩夹硅质岩层(P2w)，可分为2个亚单元：第1岩性单元呈褐黄色、灰白色，薄层状，节理较发育，岩体破碎，层理模糊可见，岩芯呈碎石土柱状、砂状，铁镐挖掘呈土块状、砂状及少量强风化硅质岩块状，主要由泥岩风化黏土及强风化硅质岩角砾构成，属软质岩石强风化层，岩体基本质量等级为V级；第2岩性单元呈褐黄色、灰白色，薄层状，节理较发育，岩体破碎，层理模糊可见，岩芯呈砂状及颗粒状，铁镐挖掘呈砂状及少量强风化硅质岩块状，主要由泥岩风化黏土及强风化硅质岩角砾构成，偶夹中风化硅质岩，全区分布。

2.3 地质构造及地震

研究区构造上位于川黔SN向褶皱构造带都匀复式向斜西翼，区内及附近无断裂通过。该区属抗震设防烈度Ⅵ度分布区，地震加速度值为0.05 g，历史上该区未发生过有较大破坏的地震，区内地质构造总体稳定性良好。

2.4 构造

根据工程地质调查及钻探揭露结果，研究区内及附近无活动断裂通过，区内地基无岩溶、土洞现象，无滑坡、危岩、崩塌、泥石流、地陷、地裂缝等不良地质作用和地质灾害。

2.5 水文地质条件

研究区地表水主要为自北向南径流的剑江河，相距约350 m，根据本研究调查及近10 a观测，剑江河水位丰枯变幅一般小于1.50 m，丰水期河水水位一般低于拟建物0 m标高(771.80 m)1.90～5.30 m，故该河水一般不会影响拟建物。但如遇特大洪水时，剑江河沿河两岸一级阶地普遍遭受洪水侵袭，区内洪水水位标高达到772.10 m，高于拟建物0 m标高。因此，拟建工程设计、施工中需考虑可能遭受特大洪水的影响。

研究区地下水主要赋存于砂卵石孔隙中，补给源为地表河水、大气降水下渗，砂卵石富水性强。下伏强风化泥岩夹硅质岩层为相对隔水层，富水性弱，埋藏类型属潜水。区内地下水与河水直接相关，呈互补关系，与河水水力联系密切。根据都匀市区类似场地勘查施工资料，区内地下水位丰枯变幅按1 m 考虑，地下水位与河水水位丰枯变化成正相关性，地下水位升降滞后于河水水位。受地形、地貌、地层等因素的控制，研究区地下水主要为侧向河水及都匀向斜东翼地势较高处地下水补给、次为大气降水及生活废水直接入渗补给，总体由北向南径流，剑江河为侵蚀、排泄基准面。

本研究地下水水文地质参数通过人工开挖探井进行抽水试验(大井法抽水试验)获得，在此基础上预测基坑涌水量。抽水试验利用研究内1#载荷试验孔进行，通过抽水试验求取卵石土层水文地质参数。抽水试验井(1#载荷试验孔)井径为1.5 m，井深7.30 m，孔口标高768.31 m，静止水位标高767.36 m，降深1.25 m，涌水量234.58 m3/d。经计算得卵石土层渗透系数K=187.71 m/d，影响半径R=38.29 m。按最不利条件组合进行基坑涌水量预测，假设基础形式为筏板基础，丰水期开挖基坑，筏板及垫层总厚1.90 m，最高水位标高为768.36 m，研究区内拟建大楼的负一楼顶板标高为767.90 m，地下室基坑开挖至766.00 m标高时，按大口径井潜水非完整井基坑涌水量公式预测的基坑涌水量Q=4 701.70 m3/d。

都匀地区属亚热带湿润季风气候区，场地环境类型为Ⅱ类，区内地下水赋存于卵石层孔隙中，长期浸水。根据研究区地下水水质分析结果，按《岩土工程勘查规范》(GB 50021—2001)对研究区内地下水对混凝土构件及钢结构的腐蚀性进行了分析评价，并根据水质分析结果判定区内地下水的水质类型为碳酸盐钙质水，地下水水质对混凝土结构具有弱腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性。

3 研究区地基稳定性评价

一般来说，地基稳定性评价主要包括地基强度评价和地基变形评价2个部分[7-11]。地基强度评价主要是评价地基土承载力是否满足上部结构荷载的要求，地基承载力一般可以分为允许承载力和极限承载力，确定地基承载力的方法有载荷试验法、理论计算法、规范查表法、经验估算法等[12]。在工程设计中为了保证地基土不发生剪切破坏而失去稳定，同时也为了使建筑物不致因基础产生过大的沉降和沉降差，而影响其正常使用，必须限制建筑物基础底面的压力，使其平均压力不得超过修正后的地基承载力特征值。对于一般建筑物，承载力可以按相关规范确定；对于重要的或结构特殊的建筑物，应结合现场载荷试验、理论公式计算以及其他原位试验方法进行综合确定[13-16]。

3.1 场地类别划分与抗震设防

研究区内地势平坦、开阔，覆盖层为杂填土，第四系河流冲、洪积的粉细砂以及卵石土层，根据都匀地区同类场地的岩土结构，并结合《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)，综合确定区内土类型属中软场地土，厚度大于5.00 m，场地类别为Ⅱ类。研究区内及周边地形较平缓，无断裂通过，地基土分布较为连续、稳定的中软土，属建筑抗震一般地段，而卵石层不具备震动液化特征，在地震动力作用下不会发生地基失效。更重要的是，区内下伏岩石地基为泥岩夹硅质岩，抗震性能较好。因工程区地震基本烈度为Ⅵ度，地震加速度值为0.05 g，特征周期为0.35 s，而区内土类型为中软土，场地类别为Ⅱ类，故场址属建筑抗震一般地段，拟建物抗震设防类别为丙类，应按相关规定进行抗震设防，拟建工程应加强结构措施。

3.2 地基稳定性及均匀性

研究区内无泥石流及活动断裂通过，岩层呈单斜产出，不具备发生滑移变形失稳的条件。该区地基上覆土层为杂填土以及第四系河流冲、洪积层，下伏基岩为强风化泥岩夹硅质岩。钻探揭露表明，各岩土层分布连续，层面展布平缓，厚度变化不大，强风化泥岩夹硅质岩为非可溶岩类，岩溶不发育，地基稳定性好。根据钻探岩芯鉴别、载荷试验及动力触探测试结果综合分析，地基承载力特征值取fak=608.0 kPa，因此，地基承载力可满足建筑物要求，且岩土结构分层显示地基均匀性较好。

3.3 地下室基坑边坡稳定性评价

本研究勘查工作开展之前，拟建工程地下室基坑沿拟建筑主楼边线已基本开挖完毕，开挖深度约3.5 m，全部开挖至卵石层层面，接近地下室底板。基坑边坡主要由杂填土和粉细砂层构成，基坑边坡坡度为 70°～90°，在工程勘查结束长达1个多月的时间段内，基坑周边未出现明显垮塌现象，现状条件下基坑边坡较稳定。

根据施工经验，当基坑边坡遭受雨水浸泡、冲刷时，极易发生滑塌、坍塌，加之研究区较为狭窄，北侧和东侧均有建筑物分布，南侧和西侧为市政道路。根据相关调查，研究区北侧、东侧建筑基础均位于卵石上，采用条形基础、砖混结构，基础埋置深度约3.00 m，西侧、南侧分别为水果巷和工人路，拟选筏板基础，地下室基坑开挖深度自0 m标高起算至少5.80 m，核心筒(电梯井)位置深度约7.60 m，边坡由杂填土、粉细砂、卵石层构成，安全等级为二级，边坡坡角需小于各层土的内摩擦角，边坡方可稳定，因此无论采用何种基础形式，地下室基坑采取垂直开挖方式后，边坡都不稳定。根据研究区周边工程环境条件，如果基础形式为筏板基础，在考虑筏板基础外延宽度、施工工作面(主楼部分筏板外延宽度按1.00 m、南侧一层地下室部分筏板外延按0.60 m考虑)及排水沟渠后，周边均不具备放坡条件，场地工程环境条件较为复杂。

根据设计方案，按筏板基础考虑，地下室基坑开挖深度为5.80～7.60 m(标高为764.20～766.00 m)(电梯井位置)，位于地下水位之下，按边坡高度(小于10 m)、边坡类型(土质边坡)、破坏后果(严重)综合确定边坡安全等级为二级。基坑开挖、基础施工降水等易诱发基坑周边建筑、道路地基沉降破坏，从而引发建筑物、道路破坏，因此必须进行基坑边坡支护，确保基坑边坡稳定。

根据边坡物质组成及工程地质特征、水文地质条件，结合基坑周边环境工程条件，建议研究区北侧和东侧按60°、南侧和西侧按75°放坡后对杂填土层、粉细砂层进行锚网喷射混凝土支护，高度约3.50 m，对粉细砂层下伏的卵石层采取重力式挡墙支护，高度约2.50 m，施工时视坑壁稳定性采取分段跳挖支护，该方案下部挡土墙可同时起到部分止水的作用，或者研究区南侧、西侧采用抗滑桩(排桩)支护方式。

4 持力层选择及地基基础方案

4.1 地基条件分析

根据研究区内拟建物的结构、荷载特征，地下室开挖后，地基内出露的岩土为卵石层，厚度较薄，承载力较高，下伏基岩在钻探控制深度范围内均为强风化泥岩夹硅质岩，厚度较大，承载力较高，分布连续稳定。根据研究区岩土工程地质条件、水文地质条件以及拟建工程的结构荷载特征，可供选择的持力层为卵石层及强风化基岩层，基础形式有独立(墩)基础、筏板基础和桩基础。

4.2 持力层选择及基础方案

根据研究区岩土工程地质特征并结合拟建物的结构、荷载特征，对持力层选择及基础方案比选如下：

(1)方案Ⅰ。选择强风化泥岩夹硅质岩作为地基持力层，基础形式采用独立(墩)基础。该方案基础施工时基坑开挖需穿越卵石层，由于单柱荷载较大，部分基础边缘将重叠或接近，存在应力叠加的可能，边轴部分柱位基础边缘与轴线的距离将大于1 m，基坑开挖深度一般为6～7 m，局部大于7 m，基础之间尚余的卵石层难以保留，需进行基坑大开挖方可施工，增加了基坑边坡的支护难度，加大了降水深度。

(2)方案Ⅱ。选择强风化泥岩夹硅质岩作为地基持力层，基础形式采用筏板基础。该方案基础施工时基坑开挖需穿越卵石层，开挖深度一般为6～7 m，局部大于7 m，需按强风化基岩层层面标高进行基坑边坡支护设计。

(3)方案Ⅲ。选择强风化泥岩夹硅质岩作为地基持力层，基础形式采用桩基础。该方案基础施工时基坑开挖需穿越卵石层，根据勘查时开挖载荷试验孔观测结果，卵石层段孔壁极易垮塌，成孔难度较大，加之基岩层承载力不高，要求桩径较大并需考虑桩侧壁的摩擦阻力，方可满足柱荷载要求，但根据强风化基岩层的工程地质特征，人工挖孔桩侧壁的摩擦阻力难以保证。

(4)方案Ⅳ。由于卵石层与强风化基岩层的力学指标相近，建议根据卵石层埋深、厚度及强风化基岩层埋深，采用筏板基础，根据筏板厚度要求分别选择卵石层及强风化基岩层作为持力层。该方案可减小基坑开挖深度，降低基坑支护难度，减小基坑降水深度及抽排水量，能够有效降低因基坑开挖对周边建筑、市政设施的安全影响，减小基础施工难度，节约施工时间。

综上所述，方案Ⅳ较为经济，且对研究区周围环境的影响较小，施工难度也较小，从而缩短了工程建设周期。因此，通过综合比较、论证后，本研究建议采用方案Ⅳ，即采用筏板基础，根据筏板厚度要求分布选择卵石层及强风化层泥岩夹硅质岩作为持力层。