探讨高层建筑岩土工程勘察方法

2023-08-01姚倩

建材发展导向 2023年9期

姚倩

（铜仁市万山区住房和城乡建设局，贵州铜仁 554300）

从高层建筑特点来看，主要可以用高度来概括、荷载大，基础深，并随着楼层建造而不断增高，使得基础在开挖时，基础开挖的深度更大，并由此导致岩土工程中基坑支护和施工降水方面的有关问题日益突出，这两个因素在很大程度上将会对建筑物的安全性以及稳定性产生比较大的影响。由于目前勘察设计人员通常会采用钻探等传统方式获取地基土参数，但其往往存在一定局限性，无法实现精准定位与监测目标。针对高层建设也需综合考虑特定的施工场地条件，对地基的处理方案进行合理的确定等等。另外，由于高层建筑本身具有一定特殊性，其内部结构较为复杂，因此在建筑工程施工过程当中也存在较多不稳定因素，这些都将严重制约着建筑工程整体水平的提高。因此，在建筑的建设过程当中，需要对拟建建筑场地进行更细致的岩土工程勘察，力求能够借助更加科学的方法，对岩土进行有效的分析，从而在最大程度上保证岩土勘察的质量。

1 高层建筑岩土工程勘察的特点

1.1 对地层结构有更高的要求

通常要求有比较详细，精确的勘察资料，争取能有效地证实地层结构，以及把握它们在空间上变化之相关法则，它不只是地基变形的计算问题、对整体倾斜实际需求进行估算，同时它又是有关基础类型选型设计中非常重要的先决条件。贵州大部分地区为喀斯特地貌区，岩溶发育，地质环境复杂，为了避免因复杂的地形地质条件造成的安全事故发生，必须要对岩土进行一定程度上的处理与改良。在地质勘察过程中全面满足平面控制需求的同时，还应采取有效措施，确保其纵深控制满足相关规定，为能有效地实现这一目标，勘探线和相关勘探点布设过程中，各点、线间距比普通建筑更小，且勘探孔比普通建筑深，从而更加精确的分析地层结构在空间上产生的某些改变，预测将来可能发生的几种变形，对于桩长或者是桩径等都应该按照一定的标准来确定。通过清晰地认识地基岩土性质，整理出相对充分完整的地层结构资料，以选择合适的持力层，并计算分析较适宜的地基基础类型[1]。

1.2 对于水文资料有更细致的要求

勘查工作开展期间，通常情况下，对水文地质资料需求相对较多，应尽可能做到详尽，如通过各地层所处位置的厚度，及其所含有关颗粒组成，通过试验测试分析，能最有效地得出各个地层水文地质有关参数。

1.3 原位测试手段要选好

在原位测试手段选用过程中，应根据实际情况，选用一些能最大限度地满足建筑实际的有关试验方法，该方法才能最大限度地利用原位测试的部分优点。

2 高层建筑岩土工程勘察的基本工艺要求等

2.1 强化考虑建筑物的特性

进入详细勘察阶段，应充分考虑高层建筑物部分特征，特别对后期可能发生的建筑结构倾斜，应引起高度重视。在勘测点布设过程中应采取足够措施，争取能确保基础的纵向、横向结构和均匀性能满足实际需要。

2.2 改进建筑周围布局

布设勘探孔时，需沿拟建建筑物四周布设，特别要注意一点，角点及中心点的位置要确保勘探孔，应确保所布置勘探钻孔数量1/3 为控制性钻孔，足以对后期分析工作起到较好的数据支持。针对某些不规则建筑物，应根据建筑物的实际地基承重点开展勘测工作。此外，在建筑工程项目的施工阶段当中，还应该重点做好地基处理方面的研究，这样才可以确保工程整体质量的有效提高。另要重点注意一点，在地基基础类型为桩基础时，所布勘探点深度应完全符合桩基基础评价和设计有关要求[2]。

2.3 室内实验

若开展的计算或评估工作以高层建筑地基为对象，那么土工室内试验过程中要严格按照如下一些比较特殊要求来做。

1）地基沉降固结试验问题，若能根据实际情况，决定最终压力的大小，然后以最后获得的压力大小为各试验代表土层所能承受的垂直有效应力。另外还要注意到，对于高层建筑或者是桥梁等大型设施建设当中，为了确保其稳定性，应该尽量避开地下水比较丰富的地方，这样就可以避免由于水位变化导致整个建筑工程出现较大程度上的沉降。毫无疑问，压缩模量是计算地基沉降的一项十分重要的指标，通常采用常规固结试验所得压缩模量，利用一维固结理论计算地基沉降最终成果，在当前绝大多数项目中也比较流行。因此可以说对土体压缩模量进行一定程度上的测定对于整个岩土力学领域来说有着极为重要的意义。但就其现实情况而言，压缩模量，也就是压缩系数，随压力段取值的不同，会有较为严重的改变，以便能得到比较精确的计算结果，在用压缩模量计算沉降时，所用压缩系数和压缩模量计算应取有效土自重压力到土自重压力及附加压力总和压力段。从以往的许多实践中可以明确地证明一点，即通过利用现场测试手段来测定土体的压缩性从而确定其随时间变化规律，最后计算出的压缩模量更接近实际情况。因此对于建筑地基基础工程而言，在实际施工时应当根据具体的实际情况来制定合理科学的施工方案，并且要尽可能地减小因为不正确施工操作导致地基出现过大变形或者破坏等现象发生的可能[3]。

2）探测所得地基土中含有高压缩性土层时，且仍需进行建筑物沉降历时关系之有效检测与预报，应在计算其深度时，恰当地选取部分土样，并且根据实际情况、预期应力状态等，开展固结系数的高效解算工作。此外，在确定了土体参数之后，还要考虑到建筑结构自身特性对于整个工程产生影响的因素。

3）若实际应用中还需充分考虑风荷载和地震荷载，需要有针对性地设计实验。同时对于场地内可能出现的各种复杂地质环境应该要根据具体工程的特点来制定相应的处理方案。

4）若要获得地基承载力，需要做现场堆载试验或者桩自平衡试验。对于本文而言最重要的就是要对所选用的各种试验方法和手段进行合理地分析与评价。通常应采用三轴剪切实验，该方法可全面，有效地研究土层受力状态，试验时应根据地基不同位置土层初始应力状态进行、应力施加方式等、对速率和排水条件作综合性考虑，筛选出最适用的试验方法。对于场地内可能存在的软弱夹层和破碎带等地质构造应该尽量避免使用三轴仪来进行测试。若荷载施加相对缓慢，则可采用三轴固结不排水剪切试验，而若地基土为相对饱和的软黏土，或实际加载过程较快速时，更适用于三轴不固结不排水剪切试验。除此之外，对于土体强度参数的获取来说，应该主要从其室内土工试验结果来获得的。而若所行试验为基坑边坡稳定试验时，还可开展三轴不固结不排水剪切试验。对于这两种形式的岩土工程实验应该尽量的选取同一个场地来实施相应的实验，并且在进行实验之前应对整个土体的性质做出一个详细的分析。最后一点是，勘察过程中，要全面考虑地基土变异性，应采取多样化原位测试方法[4]。

3 常用三大基本原位测试方法

3.1 标准贯入试验

标准贯入试验已被国外非常广泛地采用，就目前它所认可的范围而言，可归纳为如下几方面： 1）砂土相对密度的有效识别； 2）可以有效地分析粘性土的状态； 3）测定砂土和粘性土出所具备的承载能力； 4）结合工程实际，计算单桩承载力，并选取较适宜的桩端持力层，有效地评估砂土地震液化趋势等。以上，可以明显地看出标准贯入实验使用范围相对较广泛，岩土工程勘察过程中，可以起到非常大的促进作用，所以为能有效地确保最后所得试验品质与实际相符，在试验过程中确保可靠锤击数尤为重要。对于钻探技术来说，如果要想获得一个高质量的样品，那么就要充分做好相应的准备工作，其中最关键的一项内容就是必须要有良好的钻头设计，并且要尽可能地采用先进的钻具组合。从过去的时间工作中可以明确地发现一点，合理的钻孔工艺，能促进泥浆护壁与回转贴相结合，实际作业过程中采用冲击法钻进作业，在这一过程中，周边土层不可避免地会产生一些扰动，翻砂也常常难以避免，而且这一状况会呈现持续下降趋势，如果此时采用钻爆法进行钻进工作的话，那么所钻成的孔与自然形成的孔之间的差别就会很大[5]。

3.2 静力触探试验

静力触探实验较其他实验方法最突出的优点之一是它得到的资料相对连续，最后测定的有关指标，相对而言也是较为精确的。另外对于桩基础施工来讲，标准贯入度作为其中最为关键的一个参数，它不仅影响着桩基结构本身的稳定性，而且还会直接关系到整个建筑物的安全稳定问题。就其使用情况而言，能有效地对孔口处力学剖面实施有效检测，测定地基能承受的压力，有效地计算单桩的承载力，选取桩端持力层，并估算土层不排水剪切强度和压缩模量等有关力学性质指标。此外还可以作为一种原位测试方法来测定土的渗透系数和压缩性参数等等。根据近年来的研究现状，它还广泛应用于饱和砂土液化趋势评估工作，并且逐渐推广用于双侧图孔隙水压力测定。目前已经有很多学者将静力触探技术运用于工程勘察中并且获得良好的成果，但静力触探试验存在一些弱点，即对砂砾层的灌入能力有一定制约，如果注意配合标贯试验，则最后得到的结果可以比较理想。

3.3 旁压试验

许多研究学者相信，旁压试验过程中能够得到许多类型的有关资料，但就作者实际体会而言，通常只能得到2 组：一组为初始压力、流速压力与极限压力，另一组为旁压变形模量，在岩土工程勘察中得到较为广泛地运用。以上两组资料中，最高层建筑岩土工程评价尤为重要，因此就目前情况而言，国外在土层旁压试验过程中，均采用代替土样室内试验值，因为旁压侧移迁的压力可达20MPa，所能进行的深度也是相对较大的，从而可以验算某些较深硬土，乃至软岩的强度与变形，这样就可有效地避免前面提到的两种试验和室内试验中的某些缺点。

4 高层建筑岩土工程勘察的问题

4.1 钻孔深度问题

根据实践经验，我们可以明显看到，在对建筑岩土工程进行勘查的过程当中，它的深度和以下三个方面因素有着比较密切的关系，那就是桩长、基础埋深与压缩层的关系。结合工程实例介绍了高层建筑地基处理方法及施工质量控制要点。桩长，基础埋深等参数可以根据被调查地层实际状况和拟建建筑物的荷载情况合理估算。压缩层则主要取决于该地区土质的物理力学性质及其分布范围，因此需要对不同地质条件下的沉降量及变形规律等做出准确预测。在进行土层深度的推算时，采取的办法仍然很多，但是，相比于其他相关的方法，应力控制法最终得到的计算结果却是比较可观的，且基础的宽度是其计算的主要参数。此外，还应考虑土体具有某种压缩性对地基整体的作用，因此，基础类型查明后，也应妥善处理。有必要强调这一点，在实际的建设中，如果所采用的基础是桩筏板基础，进而需要控制勘查钻孔的深度超过压缩层的下限，并且采取了有效的措施，保证一般性勘察孔的深度，能够对主要受力层进行有效的控制，如果是用桩或者是嵌岩灌注桩，勘察钻孔的深度则有待进一步加深。

4.2 钻孔间距问题

按照我国岩土工程勘备规范中有关条款，在高层建筑勘查过程中，所设备勘察点间距应在15 ～30m处，而且这也说明高层建筑勘查点钻孔间距相对于普通建筑来说要小得多，具体勘察过程中，需根据建筑环境实际状况做出综合性判定。另外还应该将土体本身的力学性质和地质条件等因素作为一个重要影响因子来加以考虑，这样就会使整个工作变得更加具有针对性。该方法对有效地确保钻孔勘查地层将具有十分重要的意义，能最大限度地有效了解分析地层的岩土构成及水质地质实际状况，在对建筑地基施工中应该采用科学合理的方法来提高地质探测结果的准确性和可靠性。此外，要强调的一点是：为了有效控制特殊受力相对不均部位，如被测建筑物中有电梯井、在某些荷载或体型变化很大的部位，还应布设相关勘测点。通常若被测建筑物所在地层结构比较单一，而且地区建筑经验非常丰富，钻孔间距也能适当扩大，满足特定要求的前提下勘查孔甚至可以不开，但这一状况还需根据实际情况具体处理。

5 岩土工程勘察评价

5.1 基坑支护及施工降水

首先，基坑开挖支护过程中，首先要做的一点是有效地分析挖掘深度以及现场实际情况，将有关勘查点置于开挖边界外1 ～2 倍深度范围，有效监控勘查挖掘全过程。通常来说在对高层建筑进行勘探的时候会选择使用钻探技术，通过利用钻孔机来获取地质信息，进而将其应用到实际工作中去。而且对某些土质较为良好的地基基础，就更是如此，距离可选最小。如果是土层较为松软或者软弱的话就需要将土体中的水分以及孔隙度等有关因素考虑进去，然后根据具体的地质特征来合理地制定相应的设计方案，从而确保工程整体质量符合预期要求。针对施工过程中部分降水，有关工作人员要对目标区域水文地质相关信息进行全面了解，必要时，可使用一些较为科学的测试手段来勘察现场水文地质，该方法可以确保最后获得的设计参数与实际情况相符，如土体有效应力等、抗剪强度参数及不排水抗剪强度参数等均需进行有效测试。此外，还应该根据这些数据来确定出是否存在着地下水位下降或者上升现象，通过有关测量工作，也可得到地下水真实分布特征和渗流特征及其他有关参数，并且以此为基础，有效地分析施工期水位可能发生的变化，有针对性地采用某些支撑系统，尽量减少对相邻建筑物或其他设施的影响[6]。

5.2 地基的液化势及湿陷性

在建筑物地基基础为桩基基础时，相关勘察人员在实践过程中，还有一点要做就是增强液化趋势评价的深度，而需要强调的一点是，无论场地各地层间是否符合埋深，基础埋深及其他有关控制条件，均有必要从深层次上评价其液化趋势，该方法可为有效规避桩侧阻力提供最精确的信息。对于软土或者是硬岩这两种类型来说，在具体的操作过程当中应该按照不同地层之间的相对厚度来计算出相应的挖深。桩基埋深超过15m时，通常可用剪切波速法、标准贯入判别法等2 种试验方法，开展卓有成效的计划指派工作，另外还有一种方法就是通过室内土工试验来确定出相应土体的抗剪强度指标，然后根据这两种检测结果来计算出该区域地基土的承载力值。毫无疑问，有一点是高层建筑基础深度还相对较大，所以在评价过程中，需重点关注两方面： 1）二级湿陷性黄土层湿陷量比较小，很少考虑它，而不同类别地基土的承载力有着一定程度上的差异，所以要想保证结果的准确性就必须要根据具体地质情况来选择合适的计算方法； 2）若基础埋深较大时，计算公式中修正系数的存在，将使最后所得结果相对偏于保守。

5.3 钻探和坑探

就当前现实条件而言，地质勘查工作开展过程中使用的部分机械，可直接使建筑物布置范围内可能影响深度的工程地质条件得到全面揭示，该方法可为工程设计提供更精确的工程地质剖面勘查。对于高层建筑地基的处理来说，桩基础施工质量的好坏会直接影响到整个建筑物的稳定性以及安全性，所以要格外注重桩基的埋深设计与计算工作。它的主要任务是对施工过程中可能影响到的区域特定地理构造情况进行研究，试图通过此法，对地质岩层是否完整和可能发生某些损害有全面认识，寻找建筑物相对较好的持力层，并且确定不稳定性、局部不利影响岩土结构或部分结构面，全面揭开地下水真实面貌，并且切实地全面地考察了它们的动态。这就需要我们能够结合不同地区所具有的工程地质特点和相应的水文地质条件来合理选择勘察手段。同时，还要加强对岩土试样的收集工作，对现场测试或者长期观察提供有效钻孔。目前我国对于这方面的研究还是处于起步阶段，而其中最具有代表性的一种方式便是钻地雷达法。它现在已能被人们普遍使用，但它也有使用上的局限，即在夹层岩芯和河床软砾石层中进行有关试样的同步钻孔，亦不能用于大型现场有关试验。因为这些方面都是比较容易出现问题的地方，而这又往往是因为它们本身具有较大的厚度与较小的密度等特点造成的。所以，实际施工过程中，有时会结合实际情况，选择使用一些较大孔径的钻孔探测技术来对其进行全面检测，从而填补技术上的某些缺陷。

5.4 桩侧壁摩擦阻力

在确定桩基侧壁摩擦阻力的过程，需要着重解决以下两个问题： 1）在液化土层极限阻力测定过程，需要按照行业标准，认真做好各项准备工作；2）湿陷性黄土建筑单桩承载力的确定工艺，需要结合实际情况，对湿陷性黄土层，有效地考虑了桩侧的负摩擦阻力。因此，对于地基处理工作而言，应充分重视这三种要素之间的关系，从而为后续设计施工提供良好依据。因此，未能对工程建设整体情况以及相关数据信息有一个较为完整的把握，更高级的要求、为实现这一目标，采用科学勘探手段。另外，还强调了一点，即要充分注意施工段土层中正常侧摩擦阻力的影响，进行相关的记录工作，并且在随后的工程试桩过程中得到了有效的应用。