1、超高层建筑砂土、碎石土地基承载力试验研究 舒昭然 刘旭 刘忠昌 辽宁省建筑设计研究院岩土工程公司 沈阳市勘察测绘研究院 摘 要： 超高层建筑对地基承载力的要求较一般高层建筑明显高出很多, 目前, 勘察报告提供的深层砂土、碎石土地基承载力偏低, 无法满足超高层建筑对地基承载力和变形的要求, 因此对深层地基承载力的试验研究越发重要。通过现场静载试验及重型动力触探试验对深层地基土承载力的确定方法进行研究, 结合现场试验结果和已有超高层建筑选用天然地基得到的沉降资料, 得出砂土、碎石土地基承载特性和地基承载力特征值。研究结果可供深层砂土、碎石土地基上的超高层建筑地基基础设计参考。关键词： 超高层建筑;
2、 地基承载力; 载荷试验; 作者简介：舒昭然, 本科, 高级工程师, 注册土木工程师 (岩土) , Email:。Experimental study on bearing capacity of sand and gravel foundation of super high-rise buildingsShu Zhaoran Liu Xu Liu Zhongchang Liaoning Provincial Building Design Research Institute Geotechnical Engineering Co.; Shenyang Geotechnical Inves
3、tigation Abstract： The requirements of the foundation bearing capacity for super high-rise buildings are obviously higher than that of ordinary high-rise buildings.At present, the bearing capacity of deep sand and gravel foundation offered by geotechnical investigation report is usually lower than i
4、ts actual condition, and it can not satisfy the requirement of bearing capacity and deformation for super high-rise building.Therefore, it s important to study the foundation bearing capacity of deep layer.The method to determine the bearing capacity of foundation soil in deep layer was studied thro
5、ugh the field static load test and heavy dynamic penetration test, and the foundation bearing capacity and the bearing capacity characteristic value of the sand and gravel foundation were obtained based on the field test results and the settlement data of the existing super high-rise building adopti
6、ng natural foundation.The study results can provide references to the foundation design of super high-rise building on deep layer sand and gravel base.Keyword： super high-rise building; foundation bearing capacity; static load test; 0 引言超高层建筑由于建筑结构荷载大, 对地基基础的承载能力以及刚度要求较高。天然地基是最为绿色环保的的地基基础方案, 因此合理选用地
7、基承载力特征值是超高层建筑采用天然地基进行设计的关键问题, 有部分学者对这个问题进行了一些研究1-3, 但目前对此问题的处理方式普遍还是较为笼统和保守, 尤其缺少针对沉积年代较远如 Q3期的地基承载力及砂土、碎石土地基承载力的研究。本文依据沈阳裕景中心超高层建筑进行的多组载荷试验结果, 对超高层建筑砂土、碎石土地基的承载力进行研究。1 工程概况沈阳裕景中心 (图 1) 位于沈阳市沈河区, 市府广场南侧, 青年大街东侧。该工程包括 10 栋 5080 层超高层建筑, 建筑高度 178350m, 地下 34 层。设计采用框架-剪力墙结构, 基础采用筏板基础和天然地基, 筏板基础持力层为 (6) 层
8、砾砂, 设计要求地基承载力特征值 fak=8001 000k Pa。图 1 沈阳裕景中心建筑效果图 下载原图2 场区工程地质构造、条件及水文地质条件2.1 区域地质构造及地形地貌沈阳市位于新华夏系第二巨型隆起带和第二巨型沉降带交接处的鼻状突起部位。受新构造作用掀斜性、间歇性的影响, 现今突起强度正逐渐减弱, 沈阳城区冲洪积扇经历多次沉积和侵蚀, 加之扇顶古河道的不断变迁, 就造成了沈阳第四系地层具有多个沉积旋回。除顶部较薄的全新统地层外, 上更新统地层占具优势层位, 该层厚度大约为 3540m, 在不同地段又可分成 23 个沉积旋回4。2.2 工程地质条件工程场地土层性状和地基承载力特征值见表
9、 1。2.3 水文地质条件场区水文地质条件简单, 主要是赋存于砂土、碎石土层之中的孔隙潜水, 主要由大气降水及地下径流补给, 正常年水位埋深 10m 左右。3 超高层建筑深层地基承载力取值探讨地基承载力的取值可以通过现场原位试验、理论公式计算以及根据地基土的物理力学性质指标从相关规范中直接查取等方法确定。高层建筑深层砂土地基承载力取值通常采用原位试验如重型动力触探试验来确定。高层建筑物对地基承载力的要求低于超高层建筑, 一般地基承载力达到600k Pa 便可满足设计要求, 对于砂土、碎石土, 按现行规范5-6, 通过重型动力触探试验确定其地基承载力特征值, 再经过深度和宽度修正后, 基本可以满
10、足 600k Pa 要求。而对于超高层建筑, 要求其地基承载力要达到 8001 200k Pa, 甚至更高, 一般采用两种办法来满足上述要求:一是采用桩基础;二是挖掘天然地基承载潜力。根据实际工程的经验, 沈阳市一些超高层建筑以砂土、碎石土作为天然地基而未采用桩基础, 其地基承载能力也达到了设计要求。这在减少资源消耗、降低经济成本的同时也减少了在地下埋置大量的混凝土桩, 符合国家可持续发展要求, 同时省去了桩基础施工和检测所必须的工期。可见, 如能通过载荷试验测试出深层砂土、碎石土的承载能力, 使其得以充分利用, 是一件十分有意义的事情。对于相同的地基土, 通过目前常用的重型动力触探试验查表得
11、到的承载力特征值 (经验值) 往往不能满足超高层建筑的设计要求, 且低很多, 这主要有以下几方面原因:(1) 在对地基土进行重型动力触探试验时, 钻探深度以下几十厘米范围内的岩土体结构已受到扰动, 触探击数较实际状态偏低, 而触探到下部结构未受扰动的岩土体后, 击数很快就超过了 50 击, 现场认为其已达到密实状态, 便停止了试验, 这致使所记录的实测击数偏低。再利用经过杆长修正和数据统计后所得的击数平均值来判定砂土、碎石土的密实度, 就会把原本密实甚至很密的砂土、碎石土判定成密实、甚至中密状态, 对应的地基承载力特征值也偏低。(2) 目前对动力触探试验所用的杆长修正方法, 规范5仅给出了杆长
12、不超过20m 的适用范围 (沿用工业与民用建筑地基基础设计规范 (TJ 774) 的规定) , 且对击数的修正偏于保守, 导致实测击数修正后降低很多, 故依据此击数查得的地基承载力特征值也就偏低。(3) 以往建筑以多层、高层为主, 对地基承载力的要求较低, 按现行方法得到的地基承载力特征值经深度和宽度修正后可满足设计要求, 但满足设计要求即可的思想面对近几年越来越多的超高层建筑变得不再适用。以往工程中即便进行地基土载荷试验, 也多是面积为 0.250.5m 的小载荷板试验, 试验最大荷载均按设计要求地基承载力的 2 倍设计, 未能进行深入的研究。(4) 沈阳地区的深层砂土、碎石土属于老扇沉积物
13、, 为 Q3期沉积而成, 年代较早, 颗粒级配好, 充填紧密, 在沉积过程出现过多次间断, 间断期形成较厚的上覆黏性土层保护砂土、碎石土层未受风化, 且后期无承压水影响, 自重压密好, 因此老扇沉积的砂土、碎石土能达到密实很密状态。表 1 场地土层性状及地基承载力特征值 下载原表 4 砂土、碎石土地基承载力试验及结果分析沈阳裕景中心工程包括多栋超高层建筑, 基底埋深 22.0028.45m 不等, 持力层为 (6) 砾砂层, 为了确定该地基的承载能力并挖掘其潜力, 在该地基上采用不同面积 (0.5, 1.0, 2.25, 4.0m) 的载荷板进行了多组试验, 采用锚桩法或堆载法施加反力。此外还
14、进行了多组重型动力触探试验进行对比。4.1 载荷试验及结果地基承载力静载试验按照建筑地基基础设计规范 (GB 500072011) 附录规定进行, 静载试验现场见图 2。图 3 为在设计基底深度处 (地面以下埋深 22.00m) (6) 砾砂层中进行静载试验所得的典型荷载-沉降 (p-s) 曲线, 图 4 为在地面以下埋深 22.00m 处, 但其下部存在土夹层时进行静载试验所得的荷载-沉降 (p-s) 曲线, 图 5 为将土夹层挖除, 挖至地面以下埋深 28.45m 进入稳定 (6) 砾砂层中进行静载试验所得的荷载-沉降 (p-s) 曲线。图 35 中 d 为圆形载荷板直径, b 为正方形载
15、荷板边长。图 2 静载试验现场 下载原图4.2 重型动力触探试验及结果参照建筑地基基础技术规范 (DB21/T 9072015) 6中的有关条文, 对于地基土可采用重型动力触探试验确定其持力层和下卧层深度及承载力, 对 6 号楼先后两次在载荷试验点旁 1m 的位置进行重型动力触探试验, 试验在基槽开挖后的基底进行, 将其与在地表进行的重型动力触探试验相比, 其影响因素更少, 结果更为接近实际。试验结果按建筑地基基础技术规范 (DB21/T 9072015) 附录 B 进行杆长修正后, 击数及地基承载力特征值见表 2。4.3 地基承载力特性和取值分析由载荷试验的荷载-沉降 (p-s) 曲线, 并
16、结合重型动力触探试验结果, 可以发现如下规律:表 2 重型动力触探试验击数及地基承载力特征值 下载原表 图 4 6 号楼试验点荷载-沉降 (p-s) 曲线 (先期试验) 下载原图图 3 5 号楼试验点荷载-沉降 (p-s) 曲线 下载原图图 5 6 号楼试验点荷载-沉降 (p-s) 曲线 (后期试验) 下载原图(1) 当载荷板以下影响深度范围内存在土夹层时 (图 4 的 6 号楼先期试验) , 加载到 1 200k Pa 及 2 100k Pa 后荷载-沉降 (p-s) 曲线会开始出现陡降段, 土体出现破坏, 这是由于下卧的土层在受力过程中伴随着荷载的加大, 其结构发生破坏, 形成塑性滑动区,
17、 随着剪切滑裂面向浅部发展, 变形加大, 达到剪切破坏状态。根据不同面积载荷板静载试验结果可知, 粉质黏土下卧层距载荷板距离较近、层厚较厚时, 下卧层对试验结果影响较大。(2) 载荷板以下没有软弱土层或土夹层埋深距载荷板较远时 (图 3 的 5 号楼试验和图 5 的 6 号楼后期试验) , 载荷试验荷载-沉降 (p-s) 曲线呈缓慢变化趋势。载荷板直径 0.8 或板边长在 1.02.0m 时, 距板 4.0m 以下深度分布的软弱下卧透镜体已超出了载荷板影响范围, 对地基承载力试验结果的影响很小。对于稳定的 (6) 砾砂层、 (6) 3圆砾层, 当荷载加至 2 400k Pa 甚至更高时, 荷载
18、-沉降 (p-s) (图 3, 5) 曲线也未出现陡降段。在 Z5-1, Z5-2 试验点中, 最大荷载已经达到 3 200k Pa, 荷载-沉降 (p-s) 曲线 (图 3) 均未出现陡降段。如在沈阳市府恒隆广场工程深层砾砂载荷板试验中, 终压加载至 3 600k Pa 时荷载-沉降 (p-s) 曲线仍未出现陡降。当基底下主要受力层范围内存在软弱薄层或透镜体时, 其不利影响应区别对待, 若只机械地按下卧层强度验算, 其承载力很难满足要求。在刚度很大的厚筏板基础下, 将透镜体和软弱薄层当作持力层中的小包裹体, 与持力层共同受力、协同变形, 在满足持力层不出现整体剪切破坏的条件下, 可不进行下卧
19、层强度验算。(3) 砂土、碎石土地基载荷板试验的荷载-沉降 (p-s) 曲线多呈缓变形, 其承载力特征值并非定值, 且随变形控制取值的大小而变化。目前规范7规定:对没有出现比例界限的荷载-沉降 (p-s) 曲线, 当载荷板面积为 0.250.5m 时, 可按沉降为载荷板边长 (b) 或直径 (d) 的 0.01 倍所对应的荷载取地基承载力特征值。对大于此面积的载荷板, 规范7尚未明确变形控制的取值, 如承载力特征值仍按载荷板边长 (b) 或直径 (d) 的 0.01 倍所对应的荷载取值, 则随载荷板面积增大, 对应承载力特征值有所增大, 总体上遵循尺寸效应规律。超高层建筑在长期上部荷载作用下产
20、生的总体沉降通常大于常用的载荷板边长 (b) 或直径 (d) 的 0.01 倍, 如沈阳茂业大厦, 其主体结构高度 300m, 筏板基础, 持力层为密实砾砂层, 实测最终沉降量仅为 57mm。因此, 对于超高层建筑物, 载荷试验中按变形控制法确定地基承载力特征值时, 变形控制取值不宜过大, 应结合设计要求控制的最终沉降量和实体建筑物总沉降量综合确定地基承载力特征值。(4) 不同载荷板的试验结果反映出地基承载力大小与试验载荷板面积有关, 随载荷板面积增大, 地基承载力提高, 载荷板面积越大, 受力机理愈趋近工程实际受力状态, 也就是说地基对实际建筑物所提供的承载力比通过载荷试验得到的地基承载力特
21、征值还要高。钟辉虹8通过离心模型试验也得出基础直径在0.13.0m 范围时, 砂土地基承载力随基础直径增大而显著提高。(5) 根据现行规范、标准的规定, 通过重型动力触探试验击数来确定深层砂土、碎石土密实程度及地基承载力, 结果均偏于保守, 这对于一般高层建筑尚可满足设计要求, 但对于超高层建筑往往无法满足。沈阳裕景中心工程在基坑底面对地基土进行的重型动力触探试验结果表明:该部位砂土呈很密状态, 碎石土呈密实状态;而原勘察报告提供的资料为:砂土呈密实状态, 碎石土呈中密状态。本工程重型动力触探试得到的地基承载力特征值及变形模量也较原勘察报告有较大提高 (提高 30%左右) 。(6) 在确定超高
22、层建筑物地基承载力时, 必须考虑到各种因素影响, 尤其是以下因素:地层分布不规律、地质条件变化复杂、软弱下卧层分布不规律以及上部建筑荷载分布特点、实际荷载长期作用下地基土的变形规律。对地基采用载荷试验的同时辅以重型动力触探试验, 进一步查清地基以下有无软弱下卧层及其分布情况, 并结合重型动力触探试验结果与载荷试验结果, 更加准确地分析地基的承载能力及变形特征。5 结论(1) 根据辽宁省地方标准建筑地基基础技术规范 (DB21/T 9072015) 规定, 对重型动力触探试验的杆长修正系数进行了调整, 依据调整后的系数对重型动力触探试验的击数进行修正, 利用修正结果查得的地基承载力及变形模量较以
23、往更为合理, 但与载荷试验结果相比, 仍偏低 30%左右。(2) 通过载荷试验可以得到较为准确的地基承载力特征值、变形模量等参数值, 很密的粗砂承载力特征值 fak可达 700k Pa 以上, 密实的砾砂、圆砾承载力特征值 fak可达 1 000k Pa 以上, 可为超高层建筑更好地利用天然地基承载力提供依据。载荷试验中载荷板面积越大, 受力机理越贴近工程的实际受力状态。对于超高层建筑物应结合设计要求控制的最终沉降量和实体建筑物总沉降量综合确定地基承载力特征值。(3) 当基础底面下分布有软弱下卧层且距基础底面较近或软弱下卧层较厚时, 软弱下卧层对地基承载力的影响很大, 在确定超高层建筑物地基承
24、载力时, 必须充分考虑这种不利因素的影响;当刚度很大的厚筏板基础下有软弱下卧层, 且软弱下卧层呈透镜体或软弱薄层分布时, 软弱下卧层对地基整体的承载力和刚度影响不大, 砂土、碎石土层仍能发挥较大的承载能力。参考文献1杨洁啸, 张克恭.高层建筑采用天然地基的探索J.东南大学学报 (自然科学版) , 1997, 27 (S1) :133-137. 2金云平, 顾晓鲁.高层建筑天然地基基础形式的运用J.岩土力学, 2001, 22 (2) :189-191. 3刘陕南, 黄绍铭, 梁志荣, 等.上海软土天然地基极限承载力的试验研究与分析J.建筑结构, 2009, 39 (S1) :746-749. 4于丹, 苏艳丽, 刘琦.沈阳地区环境地质条件极其岩土工程问题分析C/2010 年城市地质环境与可持续发展论坛.上海:2010. 5岩土工程勘察规范:GB 500212001S.2009 年版.北京:中国建筑工业出版社, 2009. 6建筑地基基础技术规范:DB21/T 9072015S.沈阳:辽宁科学技术出版社, 2015. 7建筑地基基础设计规范:GB 500072011S.北京:中国建筑工业出版社, 2012. 8钟辉虹, 黄茂松, 吴世明.密实砂土地基承载力性状分析与研究J.长沙交通学院学报, 2002, 18 (2) :76-79.
