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浅析岩溶强发育区低层厂房地基基础方案选型

2023-08-13陈朝华

智能建筑与工程机械 2023年6期
关键词:石灰岩

陈朝华

摘 要:西部地区以山地地形为主,工业厂房的工程建设普遍出现大挖大填、岩溶强发育地段现象。以贵州某工业厂房工程建设为例,通过勘察,确定工程区岩土构成以第四系填土、红粘土和三叠系大冶组薄至中厚层石灰岩,石灰岩为可溶岩,工程区处于岩溶强发育地段。结合相关规范及地区工程经验,对于厂房基础方案选型做浅析。

关键词:石灰岩;岩溶强发育;基础方案选型

中图分类号:TU475.9                               文献标识码:A                               文章编号:2096-6903(2023)06-0013-03

0 引言

贵州地区岩土以石灰岩、白云岩及粘土岩为主。工程建设中,在石灰岩、白云岩的可溶岩地区,常常存在岩溶强发育地段,建筑基础穿越岩溶进入完整基岩施工难度大,费用高,基础施工质量难以控制,施工工期长。因此,对于低层厂房,在建筑荷载不大情况下,从经济、施工、质量等方面控制采用地基处理,尽可能利用处理后的岩土体采用浅基础。

1 工程概况

项目总用地面积97 449.45 m2(约146.17亩),建设用地面积73 265.62 m2(约109.89亩),包括24栋3~5层厂房及一栋宿舍楼,建筑结构形式均为框架结构,建筑物对地基不均匀沉降敏感。其中13号厂房建筑高度18.3 m,建筑层数为-2+3F,最大单柱荷载7 000 kN,设计基准±0.00为1 254.70 m,地下室底板标高为1 242.00 m。

2 地形地貌及工程地质

场地为溶蚀残丘、冲沟、溶蚀洼地、坡地地貌单元,整体呈北低南高,地势起伏较大,原始地形标高为1 279.20~1 233.80 m,场地最大高差为45.4 m,场地内自然坡率约为10%~30%。

拟建场区位于斗篷山背斜东翼南端,南侧距场区50~100 m有一条断层穿过,西南-东北走向为逆断层,场地下伏基岩主要为三叠系大冶组(Td)石灰岩。受区域地质构造影响,场区内微局部小型褶皱发育,产状较为凌乱,现场实测产状为350°~30°∠54°~67°;210°~220°∠30°~40°。优势产状355°∠54°。场地内岩体构造及风化节理裂隙较发育,以浅部风化节理为主,发育规模小,构造节理较少,以闭合隐节理为主,贯通性多较差,结构面结合差。

根据钻探成果,拟建场区覆盖层主要为杂填土、红粘土,下伏基岩为三叠系大冶组(Td)薄至中厚层石灰岩。岩土构成自上而下构造如下。

第一,耕植土(Pd)。灰黄色-灰黑色,含大量植物根系,结构较松散。局部零星有分布,厚度为0.5 m。

第二,杂填土(Q4ml)。杂色,结构松散,分布于场地表层范围内,主要为房屋拆迁堆积的建筑垃圾,分布极无规律性,场地大部分地段均有分布。钻探揭示该层厚约为0.2~6.0 m,平均厚度为1.80 m。

第三,淤泥、淤泥质粘土(QPd)。灰色-灰黑色,有腐臭味,长期受水浸泡软塑-流塑状,主要分布在 17#、19#厂房范围内溶蚀洼地区域内鱼塘及水田里,为确保建筑及施工安全,根据场平时工程建设条件,需进行清除。

第四,红粘土(Q4el+dl)。褐黄色,可塑状,残坡积成因,含强风化团块,裂隙较发育,厚度不均,致密-块状结构,偶见铁锰质结核,土质均匀, 根据室内试验液限大于50%,为原生红粘土。场地内大部分地段均有分布,厚度变化较大,钻探揭示厚度为0.3~22.5 m,平均厚度为5.5 m。

第五,三叠系大冶组(Td)石灰岩。强风化石灰岩,灰色,薄-中厚层,节理裂隙发育,岩体极破碎,岩芯呈砂状。仅部分钻孔有分布,钻探揭示厚度为0.4~4.3 m,平均厚度为1.9 m。岩体基本质量等级为Ⅴ级。

第六,中风化石灰岩。灰色、深灰色,薄厚-中厚层,节理裂隙发育,岩体较破碎,岩芯呈柱状、短柱状、块状、少量碎块状。根据钻孔波速测及室内岩块波速测试,计算出岩石完整性指数为0.41,为较破碎岩体。根据室内岩石实验,岩块饱和单轴抗压强度标准值为34.747 MPa,属较硬岩,岩体基本质量指标为306.741,岩体基本质量级别为IV级。

3 水文地质

3.1 气象、水文

贵阳市属亚热带湿润季风气候,冬季受北部寒潮影响较弱,夏季受东南海洋季风气候影响显著,具有四季温和、雨量丰富、热量充足、日照率低、风力较弱及逆温天多的特点[1]。

年平均气温15.3℃,一月平均气温4.9℃,七月平均气温24.0℃,最高气温39.4℃,最低气温-7.8℃。年平均降雨量1 197~1 248 mm。年平均日照时数1 277.74 h。年平均相对相对湿度77%,年平均无霜期261 d。年平均风速2.2 m/s,全年以NE风为多,全年静风频率为24%,30年一遇最大风速21.9 m/s,基本风压值为0.35 kN/m2,自然地理气候良好。

3.2 地表水

拟建场区范围外北西侧约300 m处有一出水点,水流顺既有排水沟(宽约1.2 m、深约1.5 m)从场地北侧由西向東侧低洼处径流,水量受季节及降水影响较大。勘察期间,测得流量约为12 L/s。水渠在后期场平施工前将进行设计改迁,水流大致由西向东,途径拟建场区散排,经场区向北侧距场地约100 m处落水洞排泄。

场区南侧约100 m左右位置存在出水点,经询问及现场调查原位泉点为断层泉,常年溢水,枯水季节水量约4~10 L/s,水流自南向北沿冲沟向场区内散排。因工程建设场平,该泉点已填埋。在填土与原始地面交界面上溢出地下水,出水标高1 252.87 m,降雨后溢流地下水量约4 L/s,水流大致由南向北途径拟建场区散排经场区向东北侧距场地约100 m处落水洞排泄。

场区西北角有一鱼塘,水深约0.5~0.8 m,实测水位1 236.07 m。拟建场区25#生产厂房范围内存在一岩溶漏斗,北侧距22号生产厂房60 m处存在一落水洞,标高为1 232.65 m,周边地表水均汇入该落水洞。

3.3 地下水

3.3.1 第四系松散土层孔隙水

本场区孔隙水均賦存于杂填土孔隙中和红粘土裂隙中,水位、水量具明显的季节性特征,丰水和枯水季差异大,主要分布于场区溶蚀沟槽或低洼地带,富水性弱,埋深深浅不一。

3.3.2 碳酸盐岩岩溶水

拟建场地区域下伏基岩石灰岩,为可溶岩,为区域性含水岩组,含水层为碳酸盐岩,主要为周边地表水体、大气降雨通过溶蚀裂隙渗入补给,属潜水。多以岩溶裂隙、管道形式赋存和运移,向北侧地势较低的低洼地带排泄。岩溶水赋存于石灰岩基岩中,属溶洞-裂隙型含水层,富水性中-强,埋藏较浅,受大气降雨影响变化明显。

通过钻孔水位观测,地下水位标高在1233.0~1238.0 m。拟建场地稳定水位埋深较浅,受大气降雨影响变化明显,其主要来源于大气降雨、泉点、生活用水等,地下水季节性变幅为1.0~2.0 m。

4 岩溶强发育地段

13#厂房区域地下水埋藏较浅,区域地表水体丰富,降雨丰富,地表水向下渗流形成流动的地下水为岩溶发育提供必要条件。受区域地质构造影响,13#厂房区域地质情况差,岩溶不良地质情况强烈发育。

13#厂房现场钻探结果钻孔见洞率达82.8%,为岩溶强发育,岩溶以串珠状的竖向岩溶为主,竖向岩溶发育深度30~60 m不等,岩溶软塑粘土充填,局部无充填。13#厂房场地表面回填土厚度2.5~5.5 m,填土厚度分布不均匀,以建筑垃圾和生活垃圾为主,结构松散。填土以下基岩表面以上存在4~12 m红粘土,根据室内试验成果判别为可塑红粘土,含强风化团块,裂隙较发育,厚度不均,致密-块状结构,偶见铁锰质结核,土质均匀。

根据勘察资料钻孔水位观测资料,13#厂房位置区域地下水水位埋深3.0~4.0 m,如图1所示。

5 基础方案分析

13#厂房基础方案技术经济对比如表1所示。

5.1 天然浅基础

13#厂房地下室底板标高为1 242.00 m,勘察阶段现场标高1 239.00~1 239.50 m,场平需回填约3 m。根据勘察成果资料,可塑红粘土地基承载力特征值fak=150 kPa,小于建筑设计筏板基础均布荷载要求的180 kPa地基承载力,且红粘土厚度分布不均匀,地基均匀性较差,不宜采用天然筏板基础、条形基础或独立基础。

5.2 桩基础

根据现场钻探揭露,竖向岩溶发育深度多在1.5~45 m,局部深度最深将达到约60 m,平均深度超30 m。13#厂房区域施工区域较狭小,多台桩基施工设备难以施展开,地下水位埋藏较浅,易产生垮孔现象,桩基础成本高、难度大,从工期、经济、可实施性均不太具备可实施性。

5.3 地基处理后浅基础

综合上部荷载,最大柱荷载约7 000 kN,建筑结构设计筏板基础荷载180 kPa。结合场地地质情况,对填土及部分原状土挖除采用级配碎石分层碾压回填后,对地基进行强夯处理,基础采用浅基础,从工期、经济性、施工质量控制、可实施性方面看,较桩基础更优。

对于桩基础与地基处理后筏板基础从工期、经济性、施工质量控制、可实施性比较,地基处理费用浅基础较桩基础节约573.9万元,工期缩短约20 d,浅基础施工质量可控性可实施性优于桩基础,故采用地基处理后筏板基础更适合于13#厂房基础方案。

6 地基设计要求

经同建筑设计单位确认,地基处理目标值:压实系数≥0.97,承载力≥180 kPa,压缩模量≥20 MPa。填料采用级配碎石,地基处理采用碾压(6~8遍)回填后再强夯,地基处理深度6.8 m,采用强夯能级5 000 kN·m。根据设计提供需求的岩土指标,工程回填要求如下。

6.1 开挖回填深度及范围

根据设计提供的初步基础方案,本次换填开挖底标高为1 235.0 m,考虑夯沉量0.8 m,回填顶标高为1 241.8 m,换填及回填范围为设计筏板基础边外扩不小于5 m。

6.2 填料土石比例

本次仅13#厂房的面积达3950㎡,考虑混合回填工序对工期的影响,本次回填均采用级配碎石回填及换填。

6.3 填土分层厚度

填筑地基采用分层堆填,分层厚度一般为1.2~1.5 m,推平回填碾压后碾压6~8遍。

6.4 粒径要求

根据回填高度,回填区为主要受力层,最大粒径30 cm,不均匀系数Cu>10,曲率系数1<Cc<3。

6.5 强夯能级

根据场地回填的深度,初步判断采用能级为5 000 kN·m,后续出具体地基处理方案。

6.6 基础形式

考虑上部荷载及避免建筑不均匀沉降情况,设计方案为筏板基础。

7 施工质量检测

现场采用灌砂法进行压实系数检测,处理后填土选取3点检测压实系数分别为0.974、0.975、0.979,压实度满足要求。

7.1 现场载荷实验

现场进行三点平板载荷实验[2],要求最大加载量不小于设计承载力特征值的2倍,载荷实验加载至360 kPa均未出现以下4点情况即可:①地基荷载无法保持稳定且逐渐下降情况,承压板周边土层侧向挤出。②本级沉降量大于前一级荷载的5倍,沉降曲线明显陡降。③某级荷载下,24 h内沉降速率不能达到相对稳定。④累计沉降≥承压板直径6%,或累计沉降≥150 mm。

最终,载荷实验检测结果显示,地基处理后地基承载力特征值大于180 kPa,计算地基压缩模量大于20 MPa,满足设计要求。

7.2 实验验算

软弱下卧层验算[3]结果为267 kPa,验算结果>180 kPa,满足设计要求。

8 结束语

随着西部地区制造产业发展,越来越多单层、低层厂房拔地而起,在经过经济性、工期、施工质量控制、可实施性比较下,西部山地地形、岩溶强发育区域厂房利用填土作为地基也越来越普遍。制定出合适的地基基础方案,并严格按设计进行施工,能满足工程要求,可确保建设工程顺利实施,早日为经济建设作出贡献。

参考文献

[1] DBJ22-01-87,贵州省建筑气象标准[S].

[2] JGJ 79-2012,建筑地基处理技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[3] GB50007-2011,建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

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