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复杂深基坑坑底检测地基承载特性方案优化设计研究

339 2020-09-21 13:04:37

地基承载特性,包括地基承载力和地基沉降变形参数,是天然地基最重要的力学指标。现在全国各大城市的高层建筑日益增多,一些项目因地基地质条件较好,设计成独立基础或筏板基础,采用天然或人工地基作为基础持力层,不但可以节约造价成本,还可大大缩短基础工程施工工期,被一些建设单位所青睐。但很多项目天然地基承载特性直接采用地勘报告提供的经验值进行判定,只是简单地让勘察和设计单位根据以往经验进行验槽和验收,在基础施工前未得到有效检测和验证,导致建筑物竣工后出现沉降量过大、不均匀沉降、倾斜或开裂等现象。地基承载特性检测越来越得到行政主管部门和专家的重视。


目前地基承载特性的检测方法主要有载荷试验、静力触探试验、圆锥动力触探试验、标准贯入试验等。载荷试验虽费时费力,但不受土(岩)层类别的限制,是最可靠、最直接的地基承载特性确定方法,当前被普遍采用和认可,所以厦门地区规定:“天然地基的承载力必须采用现场浅层平板载荷试验进行检验”。


城市市区的基坑工程日益普遍,复杂深基坑坑底的地基或桩基础的承载特性检测随之涌现,这需要检测人员充分地收集资料,并运用专业知识,根据工程实际情况,趋利避害,设计优化最佳的检测试验方案,以实现检测的目的,更好地为工程建设服务。



01

工程概况

某综合办公大楼,主楼建筑层数为25层,建筑层高95米,裙楼3层,地下室4层。该项目周边老旧建筑和城市主干道路环绕,基坑开挖深度约16米,基坑支护采用坡顶放坡、单排桩(灌注桩)+压力分散型锚索+上下两道混凝土内(角)支撑的联合支护体系。该基坑长约120米,最宽处约75米,最窄处仅约11米。


基坑底部地层为强、中风化凝灰熔岩,裂隙和结构面发育,基岩出露深浅分布不均,基础型式采用筏板基础,设计地基基础总面积为5329m2,具体详见表1。

设计地基持力层相关情况


该项目基坑面积较小,形状不规则,有复杂的两道内(角)支撑,基坑平面内净空面积小,基坑工程施工完成、基坑内土石方全部开挖完毕至坑底后,现场无条

件预留施工临时道路或栈桥,这些客观因素加大了天然地基承载特性检测实现的难度。


3

选定试验方案及优化设计

3.1、选定试验方法、试验数量及试验承压板

该工程地基为强风化岩或中风化岩,地基承载特性检测采用载荷试验的方法最合适。


土(岩)地基载荷试验分为浅层平板载荷试验、深层平板载荷试验和岩基载荷试验。浅层平板载荷试验适用于确定浅层地基土、破碎、极破碎岩石地基的承载力和变形参数;深层平板载荷试验适用于确定深层地基土和大直径桩的桩端土的承载力和变形参数,试验深度不应少于5m;岩基载荷试验适用于确定完整、较完整、较破碎岩石地基的承载力和变形参数。


《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)只要求浅层平板载荷试验对同一土层试验点不应少于3点,未规定地基基础面积不同时相应的试验检测数量,而《建筑地基检测技术规范》JGJ340-2015的规定较具体:“单位工程检测数量为每500m2不应少于1点,且总试验点数不少于3点”,故本次试验选用此规范的要求进行。本工程土状、碎块状强风化凝灰熔岩地基各选取检测数量为3点进行浅层平板载荷试验,委托最大试验荷载均为地基承载力特征值的2.0倍即分别对应为800kPa和1400kPa;本工程中风化凝灰熔岩地基选取检测数量为6点进行岩基载荷试验,委托最大试验荷载为岩基承载力特征值的3.0倍即6600kPa。在基坑坑底具体选取的试验点位详见图1,其中1#、11#、12#点的试验地层为土状强风化凝灰熔岩, 2#、3#、7#点的试验地层为碎块状强风化凝灰熔岩,其余试验点试验地层为中风化凝灰熔岩。


载荷试验压板尺寸不同,影响深度就不同,尺寸越大,影响范围越深[3]。考虑尺寸效应,载荷试验压板尺寸的影响范围约为2.0~2.5倍承压板直径(或边宽)的深度范围,故承压板应尽量选择面积大的,但需把最大试验荷载控制在现场客观条件及设备的可承受范围以内。天然地基浅层平板载荷试验承压板面积不应少于0.25 m2,本次试验承压板设计采用面积为0.5 m2的圆形承压板(直径约798mm)。岩基载荷试验试验承压板采用直径 300mm 圆板(面积约0.07  m2)。承压板还需满足刚度和强度要求,以保证试验加载过程中不出现翘曲变形。根据选定的承压板面积及委托最大试验荷载值,得出本次土状强风化凝灰熔岩和碎块状强风化凝灰熔岩地基浅层平板载荷试验最大加载值分别为400kN和700kN,中风化凝灰熔岩地基岩基载荷试验最大加载值为467kN。

基坑支护结构平面图及选取的载荷试验点位分布图

基坑支护结构平面图及选取的载荷试验点位分布图


3.2、选取及设计反力装置

载荷试验的反力装置主要有:压重平台反力装置、锚桩反力装置、锚桩压重联合反力装置、地锚反力装置。地锚反力装置根据螺旋钻受力方向的不同可分为斜拉式(也即伞式)和竖直式 。


压重平台反力装置是目前地基基础检测行业使用最普通的反力型式,在试验现场较开阔平整、起重和运输车辆能正常行走的场地,运转效率高,被大量采用,尤其适用于最大加载量为2000kN~30000 kN的基桩静载抗压试验。本次的载荷试验最大加载值为400kN~700kN,吨位较小,且现场未预留施工临时道路或栈桥,基坑内有复杂的内(角)支撑系统,基坑平面净空太小,若采用压重平台反力装置进行试验,费时费力,需起用较大吨位的起重机械才能将压重设备就位,且压重设备在该基坑底无法运输及堆载,故选取竖直式地锚反力装置比较合适。它小巧轻便, 安装简单, 成本较低,但需注意要让地锚反力装置尽量居中,地锚需提前施打,且施打的地锚需有一定的安全系数和较高的可靠度,因为在试验过程中一旦地锚被拔出, 则试验将不能继续进行。因4根锚杆的反力装置相比两根锚杆的反力装置在结构上具有更好的安全稳定性,本次试验设计的地锚反力装置采用4根锚杆对称布设于以试验点位为中心的两边,锚杆与承压板的水平净距需大于2.0m,以消除因锚杆周边岩土体在试验过程中沉降或隆起对试验沉降量测试的影响。


地锚设计选用自锁式抗浮锚杆,锚杆公称直径为32mm,锚孔钻孔直径110mm,锚孔距试验点中心水平间距2500mm,锚孔进入中风化凝灰熔岩深度2.5m,锚孔内灌注M30水泥砂浆,全长灌浆,并采用二次高压注浆。依据岩土工程勘察报告提供的锚杆的极限粘结强度标准值,单根锚杆轴向锚固极限值约为800kN,4根地锚能提供的反力极限值约为3200kN,大于本次载荷试验最大加载量1.2~1.5倍的要求,且具有较高的安全系数。


3.3、优化后的综合检测试验方案

载荷试验的点位提前按坐标点位测量放样出来,每个点位需标识清晰,以试验点为中心7.0m*6.0m的范围内需整平。试验点下的土(岩)层开挖到设计标高后,需尽量保持其原状结构和天然湿度不变,可铺上一薄层水泥浆。以每个载荷试验点为中心对称施打4根地锚,地锚需按图2所示的位置布设,地锚的入岩深度及施工工艺需严格按上述设计要求进行,地锚预留钢筋出露试验地面1.5m,便于试验设备架设好后与锚头采用焊接或机械螺栓的方式牢固连接。地锚反力载荷试验需在注浆浆液强度达到设计强度80%以上时,才可开始进行试验。

地锚反力载荷试验地锚施工及试验设备架设布置图

 图2  地锚反力载荷试验地锚施工及试验设备架设布置图


选用重量较轻的合适反力钢梁,长6.0m、宽0.4m、高0.5m、重约1.4吨,能满足本次试验受力所需的强度和刚度要求,且该重量和尺寸能较好实现现场的吊装和运输。为了避免使用重量较重的混凝土块,设计采用钢筋或钢材焊制两个用于架设受力钢梁的简易支撑架(长1000mm、高600mm、宽600mm),用于支撑反力钢梁及锚头在载荷试验未开始前的正常架设。


为了保证试验的精度和可靠性,载荷试验所用的千斤顶和压力传感器(或压力表)除满足精度和测量误差要求外,其量程还不应大于最大加载量的3.0倍,且不应小于最大加载量的1.2倍,故采用量程为1000kN的常规油压千斤顶,可满足本次三种不同类型的载荷试验的要求。


安排80吨的吊车停靠于基坑边上的城市主干道路上,需避开交通高峰期,或用基坑内的施工塔吊将反力钢梁、载荷试验用房(本次试验吊装最重的设备,约1.8吨重)、支撑架、锚头、承压板和千斤顶等载荷试验用的重型设备吊设于基坑底。在试验点上铺设厚度小于20mm的中粗砂垫层找平,将承压板居中放置于试验点上。然后利用在基坑底施工用的挖掘机械或施工塔吊将试验设备按图2所示居中对称架设于试验点位上,后续的载荷试验均利用此挖掘机械或施工塔吊将试验设备在场地内运输与架设就位。载荷试验用房按离试验点位距离10m~20m处就位。


用冲击钻施打4个基准桩孔,孔深需大于400mm,基准桩孔与承压板的净距需满足大于2.0m的间距要求,基准桩应牢固固定于桩孔内,并将长为5.0m~6.0m具有一定刚度的基准梁架设于基准桩之上,基准梁需一端固定、一端简支于基准桩上。


地锚反力载荷试验现场具体架设安装图,详见图3所示。

地锚反力载荷试验现场具体安装图

图3  地锚反力载荷试验现场具体安装图


本次试验采用武汉岩海RS-JYB型静载仪自动采集,电动油泵自动加载。每级加载采用并联于千斤顶的压力传感器测定油压,并根据千斤顶率定曲线换算荷载。试点沉降量采用在两个对称方向安装在承压板上的2个或4个(承压板面积小于等于0.5m2安置2个,大于0.5 m2安置4个)位移传感器自动测读。


土状、碎块状强风化凝灰熔岩地基浅层平板载荷试验和中风化凝灰熔岩地基岩基载荷均采用慢速维持荷载法。试验加载卸分级、沉降量观测时间间隔、沉降稳定标准、终止加载条件及检测结果的评定等均按《建筑地基检测技术规范》(JGJ340-2015)执行。


04

试验情况及结果分析

采用上述优化后的检测试验方案进行试验,本次检测试验的12个点均成功完成,未出现地锚被拔出失效的情况。三个典型的试验点的试验结果情况详见表2。

三个典型试验点的载荷试验成果汇总表

从图4(p-s及s-Lgt关系曲线)可知,该1#试验点沉降量较小,其地基土承载力极限值不小于800kPa,因p-s曲线比例界限不明显,故取最大试验荷载的一半即400kPa为该试验点的地基土承载力特征值。同理,2#试验点的地基土承载力特征值取为700kPa。

1#试验点p-s及s-lgt关系曲线图

图4  1#试验点p-s及s-lgt关系曲线图


从图5可知,6#试验点p~s曲线上无法确定比例界限,承载力未达极限承载状态,取最大试验荷载的1/3所对应的荷载值2200kPa为该试验点的岩基承载力特征值。

6#试验点p-s及s-lgt关系曲线图

图5  6#试验点p-s及s-lgt关系曲线图


综合本次12个试验点的试验情况,经统计3个点土状强风化凝灰熔岩地基承载力特征值的极差未超过其平均值的30%,取此平均值400kPa为该单位工程土状强风化凝灰熔岩地基承载力特征值,满足设计要求;经统计3个点碎块状强风化凝灰熔岩地基承载力特征值的极差未超过其平均值的30%,取此平均值700kPa为该单位工程碎块状强风化凝灰熔岩地基承载力特征值,满足设计要求;经统计6个点中风化凝灰熔岩地基承载力特征值的极差未超过其平均值的30%,取此平均值2200kPa为该单位工程中风化凝灰熔岩地基承载力特征值,满足设计要求。


从表2可知,1#试验点经试验计算确定的地基变形模量E0为57.1MPa,与地勘报告提供的土状强风化凝灰熔岩为45MPa的地基变形模量E0经验值相比,基本接近;2#试验点经试验计算确定的地基变形模量E0为142.6MPa,与地勘报告提供的碎块状强风化凝灰熔岩100MPa的地基变形模量E0经验值相比,稍微偏大,这与现场碎块状强风化凝灰熔岩较坚硬,与中风化凝灰熔岩较接近的情况相符。


05

结语

(1)相比《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011),《建筑地基检测技术规范》(JGJ340-2015)规定的载荷试验检测数量比较合理,且该规范对试验需注意的细节及卸载阶段观测间隔时间有详细的规定,具有更强的可操作性。建议检测机构及检测人员优先选用该规范来指导进行天然地基的载荷试验。


(2)检测人员应应地制宜,合理克服工地现场的困难,充分利用现有的试验设备,优化设计合适的检测试验方案,以实现检测目的、完成检测任务。


(3)小吨位载荷试验采用地锚反力装置无需用大吊车堆载,组装方便,省时省力,缺点是需提前施打地锚,在复杂深基坑坑底进行载荷试验,值得推广。


(4)土(岩)地基载荷试验检测结果不但要给出每个试验点的承载力检测值,还需统计评价单位工程的地基承载力特征值,并得出是否满足设计要求的结论。