筏型基礎(chǔ)下黏性土地層控制性勘探孔深度確定方法探討

張云，陳煥軍，劉佳

（湖北省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊，湖北黃石 435100）

0 引言

在巖土工程詳細勘察工作中，黏性土地層設(shè)計采用筏型基礎(chǔ)的勘探孔深度的確定，是勘察方案制定的重要環(huán)節(jié)。對需作變形驗算的地基，控制性勘探孔的深度不僅要考慮地基承載力的要求，也要考慮變形驗算的要求。目前，在勘察工作中，針對控制性勘探孔深度的確定方法，較為成熟的主要有理論公式法和經(jīng)驗公式法。其中，理論公式法是以土力學(xué)相關(guān)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合實際案例總結(jié)出來的方法，主要有應(yīng)力比法和沉降比法；經(jīng)驗公式法是基于大量工程案例總結(jié)出來的經(jīng)驗公式。這三種計算方法均在現(xiàn)行規(guī)范中有所介紹，但針對三種方法的內(nèi)在聯(lián)系缺少說明，本文結(jié)合三個擬采用筏型基礎(chǔ)的工程案例，針對不同黏性土地質(zhì)條件進行討論，尋找三種方法的相互聯(lián)系，為控制性勘探孔深度方法的確定提供更經(jīng)濟合理的依據(jù)。

1 考慮變形驗算的勘探孔深度的計算方法

1.1 應(yīng)力比法

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）（2009年版）第4.1.19條規(guī)定[1]，地基變形計算深度，對中、低壓縮性土而言，可取附加壓力等于上覆土層有效自重壓力20%的深度；對于高壓縮性土層，可取附加壓力等于上覆土層有效自重壓力10%的深度。

1.2 經(jīng)驗公式法

《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 72—2017）第4.2.2條規(guī)定，控制性勘探點深度，對于箱型基礎(chǔ)或筏型基礎(chǔ)，在不具備變形深度計算條件時，可按公式（1）計算：

式中：H——考慮變形計算深度的勘探孔深度（m）；d——基礎(chǔ)埋置深度（m）；αc——與土的壓縮性有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)基礎(chǔ)下的地基主要土層按相關(guān)經(jīng)驗取值；β——與建筑物層數(shù)或基底壓力有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)；b——基礎(chǔ)寬度（m）。

1.3 沉降比法

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）第5.3.5條——第5.3.7條規(guī)定[2]，地基變形計算深度zn應(yīng)滿足公式（2）的要求：

式中：△s′i——在計算深度范圍內(nèi)，第i層土的計算變形值（mm）；△s′n——由計算深度向上取厚度為Δz的土層計算變形值（mm），Δz按表1確定。

表1 Δz取值表

地基最終變形量可采用公式（3）進行計算：

式中：s——地基最終變形量 （mm）；s′——按分層總和法計算出的地基變形量 （mm）；ψs——沉降計算經(jīng)驗系數(shù)；p0——相應(yīng)于作用在準(zhǔn)永久組合時基礎(chǔ)底面處的附加壓力（kPa）；Esi——第i層土的壓縮模量（MPa）；zi——基礎(chǔ)底面至第i層土的距離；——基礎(chǔ)底面計算點至第i層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。

2 工程實例

2.1 工程案例一概況及地層資料

擬建工程位于江西省龍南市，區(qū)域地貌屬渥江Ⅱ級階地地貌，形成于沖洪積作用。擬建建筑主要為宿舍樓，采用變形設(shè)計，相鄰柱基沉降差為0.002l[l為相鄰柱基的中心距離（mm）]，控制平均沉降量≤200mm。擬建建筑基本概況見表2。

表2 擬建建筑基本概況表

根據(jù)前期勘察資料可知，場區(qū)未見地下水，擬建建筑物基礎(chǔ)持力層為②層含礫粉質(zhì)黏土，采用筏板基礎(chǔ)。擬建場地地層巖性從上至下共分為4層，各土層物理力學(xué)參數(shù)詳見表3。

表3 各土層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 工程案例二概況及地層資料

擬建工程位于湖北省黃岡市，區(qū)域地貌為長江中下游沖洪積平原。擬建建筑主要為辦公樓。擬建建筑基本概況見表4。

表4 擬建建筑基本概況表

根據(jù)初步勘察資料可知，場區(qū)未見地下水，擬建建筑物基礎(chǔ)持力層為②層黏土，采用筏板基礎(chǔ)。擬建場地地層巖性從上至下共分為5層，各土層物理力學(xué)參數(shù)詳見表5。

表5 各土層物理力學(xué)參數(shù)

2.3 工程案例三概況及地層資料

擬建工程位于湖北省黃石市，區(qū)域地貌屬沖洪積平原地貌。擬建建筑主要為研發(fā)樓。擬建建筑基本概況見表6。

表6 擬建建筑基本概況表

根據(jù)收集資料可知，擬建建筑物基礎(chǔ)持力層為②層粉質(zhì)黏土，采用筏板基礎(chǔ)。擬建場地地層巖性從上至下共分為5層，地下水主要為第四系承壓水，賦存于細砂及礫砂中，各土層物理力學(xué)參數(shù)詳見表7。

表7 各土層物理力學(xué)參數(shù)

3 考慮變形驗算的勘探孔深度計算

3.1 按應(yīng)力比法計算

根據(jù)規(guī)范可知，采用應(yīng)力比法計算時[4]，對中、低壓縮性土可取附加壓力等于上覆土層有效自重壓力20%的深度確定地基變形計算深度，對高壓縮性土層可取附加壓力等于上覆土層有效自重壓力10%的深度確定地基變形計算深度。針對上述三個案例，擬建建筑基礎(chǔ)持力層及下臥層壓縮系數(shù)α1-2在0.1～1.0MPa-1之間，既有中壓縮性土，又有高壓縮性土。因此，為了更好地進行對比，地基變形計算深度分別取附加壓力等于上覆土層有效自重壓力20%的深度，和附加壓力等于上覆土層有效自重壓力10%的深度進行計算。

針對案例一，采用試算的方法進行計算，詳見表8。

表8 應(yīng)力比法計算表

根據(jù)表8的計算結(jié)果可知，在基礎(chǔ)中心點下深度z=14m處，應(yīng)力比為22%＞20%；z=16m處，應(yīng)力比為17%＜20%。在基礎(chǔ)中心點下深度z=20m處，應(yīng)力比為11%＞10%；z=22m處，應(yīng)力比為9%＜10%。

因此，當(dāng)按照20%控制時，采用應(yīng)力比法計算的控制性勘探孔深度H11=zn+d=16.0+1.0=17.0m；當(dāng)按照10%控制時，H′11=22.0+1.0=23.0m。

同理，當(dāng)按照20%控制時，針對案例二計算的控制性勘探孔深度H21=14.0m，針對案例三計算的控制性勘探孔深度H31=14.0m。當(dāng)按照10%控制時，針對案例二計算的控制性勘探孔深度H′21=18.0m，針對案例三計算的控制性勘探孔深度H′31=20.0m。

3.2 按經(jīng)驗公式法計算

針對案例一，當(dāng)擬建建筑采用經(jīng)驗公式（1）計算時，根據(jù)地層情況，可取αc=1.5，β=1.0，由此可計算得出：

因此，采用經(jīng)驗公式法計算的控制性勘探孔深度H12=19.0m。

同理，針對案例二計算的控制性勘探孔深度H22=14.0m，針對案例三計算的控制性勘探孔深度H32=17.0m。

3.3 按沉降比法計算

采用沉降比法計算，同樣假定不同計算深度，按照公式（3）計算基礎(chǔ)底面中點位置的地基變形量[3]，計算過程詳見表9。表中，△s′i為第i層地基變形量計算值（未乘沉降計算經(jīng)驗系數(shù)）。

表9 沉降計算表

因為b=12m＞8m，取Δz=1m，根據(jù)公式（2）進行驗算可知[5]：

當(dāng)計算深度取zn=22.0m時，

當(dāng)計算深度取zn=23.0m時，

因此，采用沉降比法計算的控制性勘探孔深度H13=zn+d=23.0+1.0=24.0m。

同理，針對案例二計算的控制性勘探孔深度H23=20.0m，針對案例三計算的控制性勘探孔深度H33=24.0m。

4 計算結(jié)果的討論

4.1 各計算結(jié)果統(tǒng)計

統(tǒng)計上述三個案例的計算結(jié)果，并進行統(tǒng)計、分析，可得到表10、表11及圖1。

圖1 計算結(jié)果分析圖

表10 計算結(jié)果統(tǒng)計表

表11 計算結(jié)果分析表

4.2 各計算結(jié)果分析

通過對比計算結(jié)果可知，應(yīng)力比法Hi1（按20%應(yīng)力比控制）≤經(jīng)驗公式法Hi2＜應(yīng)力比法H′i1（按10%應(yīng)力比控制）＜沉降比法Hi3。

低壓縮性土與中等壓縮性土的沉降比法與其它計算方法的比值，相對于高壓縮性土同類型比值要小。其中，各類土的沉降比法與經(jīng)驗公式法的比值在1.4左右。

應(yīng)力比法是通過附加應(yīng)力與土層的有效自重應(yīng)力的比值來確定地基變形計算深度，其考慮了基礎(chǔ)的長寬與埋置深度、基礎(chǔ)底面的附加應(yīng)力以及土層的有效自重應(yīng)力的影響，但未考慮各土層壓縮性的影響。采用此方法計算時，需要收集上部荷載大小、各土層有效重度、地基承載力，以及估算基礎(chǔ)長度與寬度方可進行計算。用于估算時，相關(guān)計算參數(shù)均可采用經(jīng)驗值[6]。

經(jīng)驗公式法是建立在大量的實測資料上形成的公式，其綜合考慮了基礎(chǔ)的埋置深度與寬度、基底壓力、土層壓縮性等指標(biāo)的影響[7]。采用此方法計算時，所需參數(shù)主要是建筑物層數(shù)、基礎(chǔ)埋深、基礎(chǔ)寬度等基本信息以及基本地層資料，該方法所需參數(shù)均可在勘察前收集，可很好地用于勘察方案的制定。

沉降比法是通過計算地基變形量來確定變形計算深度，其綜合考慮了基礎(chǔ)的長寬與埋置深度、基礎(chǔ)底面的附加應(yīng)力、地基土的物理力學(xué)指標(biāo)等諸多因素的影響，該方法的計算結(jié)果較為準(zhǔn)確。采用此方法計算時，需要收集上部荷載大小、各土層有效重度、地基承載力，估算基礎(chǔ)長寬，并通過土工試驗獲取地基土的物理力學(xué)指標(biāo)方可進行計算。該方法計算精度較高，可在進行了部分野外勘察工作后，根據(jù)采集的相關(guān)數(shù)據(jù)更精確地確定變形計算深度，并及時調(diào)整控制性勘探孔深度，以滿足設(shè)計驗算的要求[8]。

對比上述幾種計算方法可知，應(yīng)力比法（按10%應(yīng)力比控制）計算結(jié)果與沉降比法計算結(jié)果最為相近，經(jīng)驗公式法計算結(jié)果乘以1.4的系數(shù)與沉降比法計算結(jié)果也很相近[9]。因此，針對黏性土地區(qū)，設(shè)計采用筏型基礎(chǔ)的勘察項目在勘察方案的制定與初步實施時，建議采用應(yīng)力比法（按10%應(yīng)力比控制）或1.4倍的經(jīng)驗公式法來確定控制性勘探孔的設(shè)計孔深[10]。

5 結(jié)語

在進行巖土工程勘察工作時，為了考慮設(shè)計時的變形驗算，控制性勘探孔深度可以通過應(yīng)力比法、經(jīng)驗公式法以及沉降比法等多種方法確認，以滿足變形計算要求。本文通過工程實例，分別對以上三種計算方法進行了闡述，通過分析對比可知，在筏型基礎(chǔ)下黏性土地層的勘察工作中，考慮變形驗算的控制性勘探孔深度，應(yīng)根據(jù)勘察階段的不同，結(jié)合收集到的資料和采集到的數(shù)據(jù)做好動態(tài)優(yōu)化調(diào)整，而非采用固化思維嚴(yán)格按照勘察方案執(zhí)行?？稍谇捌诘目辈旆桨钢贫ㄖ校捎脩?yīng)力比法和經(jīng)驗公式法估算控制性勘探孔的深度，在勘察外業(yè)施工時，優(yōu)先施工非控制性勘探孔，并及時采集樣品進行土工試驗，通過獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用沉降比法計算，并及時優(yōu)化調(diào)整控制性勘探孔的深度，這樣既能滿足設(shè)計要求，又能夠做到經(jīng)濟合理。