控制性鉆孔深度的緣由

1、.高層建筑勘察控制性勘探孔深度的討論摘要：本文討論現(xiàn)行規(guī)范框架內(nèi)幾種控制性勘探孔深度的估算方法，對其適用條件及影響因素進行分析，給出了一些可供參考的計算參數(shù)假設(shè)值。通過工程實例，對不同方法的計算結(jié)果進行對比。在此基礎(chǔ)上，提出筆者在這個問題上的工作思路。關(guān)鍵詞：控制性勘探孔深度；地基變形計算深度；變形比；應(yīng)力比；簡化公式；經(jīng)驗公式0 引言 高層建筑一般是指層數(shù)超過7層，或高度超過24m的建筑物，其中79層為中高層，1030層為高層，30層以上或高度超過100m為超高層。中、小高層多采用框架結(jié)構(gòu)或短肢剪力強結(jié)構(gòu)，高層則使用框架剪力墻或純剪力墻結(jié)構(gòu)，近年來采用鋼結(jié)構(gòu)的建筑也大量出現(xiàn)?；A(chǔ)形式大多采用

2、箱（筏）基礎(chǔ)，剛筋混凝土基礎(chǔ)底板厚度多在1m以上，有的還配有倒置梁。這樣的結(jié)構(gòu)體系整體剛性好，抗變形能力較強，對于不大的地基差異變形，通過其結(jié)構(gòu)體系調(diào)整可以消化掉一部分。對高層建筑而言，設(shè)計等級均為甲、乙級，需按地基變形進行設(shè)計。對應(yīng)的巖土工程勘察，所布設(shè)的勘探孔按二種情況考慮，一是一般性勘探孔，以揭穿地基主要受力層為原則，一般深度為基底下0.51.0倍基礎(chǔ)寬度；再就是控制性勘探孔，其深度必須滿足地基變形驗算要求，深度過小不能滿足要求，是不合格工程；深度太大則無謂增加勘察成本，同時還會降低投標的競爭力，其重要性不言而喻。在現(xiàn)行規(guī)范框架內(nèi)，以下幾項規(guī)定（強制性條文）至關(guān)重要，是制定勘察方案所必須

3、遵循的原則：地基規(guī)范 3.0.2.（2）：設(shè)計等級為甲級、乙級的建筑物均應(yīng)按地基變形設(shè)計?？辈煲?guī)范4.1.18.（2）：對高層建筑和需作變形計算的地基，控制性勘探孔的深度應(yīng)超過地基變形計算深度；高層建筑的一般性勘探孔應(yīng)達到基底下0.51.0倍的基礎(chǔ)寬度并深入穩(wěn)定分布的地層。高層建筑勘察規(guī)程4.1.4（1）：控制性勘探孔的深度應(yīng)超過地基變形的計算深度。建筑地基處理技術(shù)規(guī)范9.2.9：地基變形計算深度應(yīng)大于復(fù)合土層的厚度，并符合現(xiàn)行國家標準建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB50007中地基變形計算深度的有關(guān)規(guī)定。建筑樁基技術(shù)規(guī)范3.2.3 2 1）：控制性孔應(yīng)穿透平面以下壓縮層厚度。由于體制和歷史原因，我國

4、現(xiàn)行的幾部規(guī)范（程），對控制性勘探孔深度定義原則基本一致，但在具體操作實施中，又體現(xiàn)出各自的特點，目的是將變形計算這一復(fù)雜問題簡化，以利于巖土工程師在實際工程中方便使用。鑒于理論依據(jù)和考慮因素不同，各規(guī)范給出的方法（公式）存有差異，形成目前“五部規(guī)范四種提法”的現(xiàn)狀，對同一項工程，不同的工程師在制定勘察方案時，往往會給出不同的控制性勘探孔深度，為什么會出現(xiàn)這樣的結(jié)果，有哪些因素在發(fā)揮作用，分析并深入討論這些問題，對我們制定科學合理的勘察方案會有幫助。1 地基變形影響因素控制性勘探孔深度以控制地基變形計算深度為原則，所以，有必要對決定變形計算及計算深度的各種因素進行分析，以利于勘察方案既安全合理

5、又簡便實用。（1）地基土的壓縮性根據(jù)土工試驗得到的壓縮系數(shù)，可劃分為高、中、低三類，不同壓縮性的土，變形計算深度是不同的，壓縮性越高，相應(yīng)的變形計算深度越大。這方面，高規(guī)的經(jīng)驗公式法給出了一個經(jīng)驗系數(shù)，在一定程度上體現(xiàn)了包括壓縮性等土層特性對壓縮層深度的影響，其他的計算方法對該因素基本忽略，地基規(guī)范則認為，地基土類別對壓縮層的深度的影響無明顯規(guī)律。但是，自然界中完全均質(zhì)的地基很少，地基壓縮層往往是由具有不同壓縮性的多層土構(gòu)成，按照變形比法的計算思路，其不同組合對地基變形計算深度或多或少會產(chǎn)生影響，在一定條件下，持力層為壓縮性較高的土層，而下臥層壓縮性較低，這種地層組合比較容易達到穩(wěn)定標準，反之

6、亦然。（2）基礎(chǔ)寬度基礎(chǔ)寬度大小對壓縮層深度的影響較大，這一點在土力學的等應(yīng)力線圖上（Boussinesq解）有直觀表達。在荷載相同條件下，基礎(chǔ)寬度越大，地基壓縮層深度也就越大。地基規(guī)范的簡化公式中，基礎(chǔ)寬度表達最為直接，是唯一的變量，按照地基規(guī)范條文說明，該表達式有實測和試驗數(shù)據(jù)支持。另外，經(jīng)驗公式法也考慮了這一因素，直接與經(jīng)驗系數(shù)成倍數(shù)關(guān)系?？梢哉f，在諸多影響因素中，基礎(chǔ)寬度的影響是公認的。（3）基底壓力按照土力學理論，基底接觸壓力越大，地基中的附加應(yīng)力也就越大，而地基的壓縮變形是由附加應(yīng)力引起的，隨著深度增加，當附加應(yīng)力衰減到一定程度，對地基變形不能產(chǎn)生影響時，即可將該深度視為變形計算深

7、度。對于基底壓力的影響，在勘察規(guī)范的應(yīng)力比計算公式中是主要控制因素，而地基規(guī)范的變形比法則認為：對一定的基礎(chǔ)寬度，地基壓縮層深度不一定隨著荷載P的增加而增加。在這個問題上，二部規(guī)范的觀點存有一定的差異。（4）計算點位置高層建筑平面形狀各異，有方形、圓形、矩形及不規(guī)則形狀等。在不同部位之下地基中，其應(yīng)力分布和大小是不同的，從而地基壓縮層計算深度亦有所不同。一般情況下，基礎(chǔ)中心點計算深度最大，邊點次之，角點最小。相應(yīng)地，布設(shè)在不同部位的控制性勘探點深度也就有所不同。例如，常見的“板樓”用整體傾斜控制，控制性勘探孔布置在基礎(chǔ)的角點部位，深度要求較淺，而“塔樓”中心點要求有控制性勘探孔，深度就要相對大

8、一些。（5）基礎(chǔ)埋深由于抗震、人防和使用功能的要求，高層建筑一般都設(shè)有地下室。近年來城市土地稀缺，建筑地下部分層數(shù)和深度呈現(xiàn)增大的趨勢，對建筑地基，勘探孔有效深度從基礎(chǔ)底面起算，基底以上鉆探不是有效進尺。所以，基礎(chǔ)埋深越大，勘探孔的深度亦隨之增加。但另一方面，地基變形計算時，基底壓力取荷載效應(yīng)準永久組合，隨著基礎(chǔ)埋深增大，附加壓力變小，相應(yīng)的計算變形量亦隨之減小。除上述因素之外，諸如基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、形狀也會對地基壓縮變形深度產(chǎn)生影響；另外，工程施工速度等因素也間接地發(fā)揮作用，但都不是主控因素，在此不一一列舉。2 地基變形計算深度討論控制性勘探孔深度與地基壓縮層計算深度之間存在密切聯(lián)系，控制性勘探孔取

9、決于地基變形驗算深度?？匆韵露€公式： （1） （2）公式（1）這就是我們熟知的分層總和法變形計算公式，從基礎(chǔ)底面起算，當滿足公式（2）條件時，即可認為達到計算深度。用文字表述公式的含義是：自某一計算深度向上取厚度為Z的土層計算變形值小于等于0.025倍的累計變形值，以此作為計算深度的下限。相應(yīng)的控制性勘探孔深度應(yīng)該等于或略大于這個深度。分析（2）式中諸項因素，關(guān)鍵是Z厚度的變形量，因為對某一計算點而言，在Z之上的計算變形量是一定的，而Z厚度的變形量與二個因素有關(guān)，一是隨深度衰減的平均附加應(yīng)力系數(shù)殘余值，這個值相對固定；再就是取值厚度，厚度越大越大，也就越不容易滿足式的要求，反之亦然。把么，Z

10、取多大合適呢，從地基壓縮的概念考慮，這個值與基礎(chǔ)寬度大小有關(guān)，小尺寸的獨立基礎(chǔ)和條基厚度比較小，相比之下，高層建筑的厚度就大的多。通過一些工程事例和試驗實測，經(jīng)統(tǒng)計分析試算，得出以下經(jīng)驗公式： （3）公式（3）表達的函數(shù)以基礎(chǔ)寬度b為變量，由于是對數(shù)關(guān)系，當b達到一定值后，Z增長趨緩。對高層建筑而言，常見的基礎(chǔ)寬度1530m，對應(yīng)的Z=1.11.3m，地基規(guī)范表5.3.6中，當基礎(chǔ)寬度大于8m，Z一律取1.0，這是一個大致的數(shù)據(jù)，比公式計算結(jié)果略小一些。但是，從計算與使用過程考慮，地基變形計算深度與控制性勘探孔深度又有順序上的差別。在勘察程序上，控制性勘探孔深度在勘察實施之前的方案制定時即已確

11、定（不排除個別調(diào)整，但不能普遍改動），而變形計算則是在勘探工作完成后進行地基評價中出現(xiàn)，這種順序上的倒置，使得變形計算需進行如下若干假設(shè)。（1）：在巖土工程勘察階段，基底壓力值不易獲取準確的數(shù)值，可以按照建筑層數(shù)進行估算。按照荷載效應(yīng)標準組合，每層的荷載可取1720kPa，純住宅取較低值，商務(wù)建筑取較高值，底商結(jié)構(gòu)的取中值，這樣的估算結(jié)果有一定的安全度，用于地基計算是可以的。（2）如果設(shè)計方面只給出地下室層數(shù)，而沒有標明具體深度，可按一層3.5m，二層8m，三層12m的深度考慮，這個深度已包括基礎(chǔ)底板和每層頂板的厚度，誤差不會很大。（3）高層建筑荷載大，小尺寸的獨立基礎(chǔ)無法滿足要求，多采用箱（

12、筏）基礎(chǔ)，底板（筏板）平面尺寸與建筑平面尺寸基本一致，特殊情況下有基礎(chǔ)外挑或上部結(jié)構(gòu)突出的情況，但不常見。如果設(shè)計方面沒有給出基礎(chǔ)尺寸，則確定勘探孔深度所需的基礎(chǔ)寬度b可按建筑平面圖劃定的建筑寬度考慮，不規(guī)則形狀等代為方形，取邊長。以上的假設(shè)條件，會使變形計算結(jié)果或多或少產(chǎn)生誤差。所以，看似嚴密的計算結(jié)果，在實際應(yīng)用于控制性勘探孔深度時，也只能是一種估算值。為了簡化計算，地基規(guī)范還給出了一個簡化的公式，當無相鄰荷載影響，基礎(chǔ)寬度在130m范圍內(nèi)時，基礎(chǔ)中心點的地基變形計算深度Zn可以按下式考慮：Zn=b(2.50.4lnb) （4）公式（4）是根據(jù)設(shè)有分層深標的載荷試驗和31個工程實際資料統(tǒng)計

13、分析得出的，具有95%的置信度，公式中唯一變量是基礎(chǔ)寬度b ，工程中比較容易掌控。另外，該公式代表基礎(chǔ)中心點的計算深度，對于角點的計算深度偏于安全。3 控制性勘探孔的其它確定方法上述地基規(guī)范給出的方法稱之為變形比法，除此之外，還有一些其他方法可以推算控制性勘探孔的深度，都是現(xiàn)行規(guī)范規(guī)程所推薦，具有各自得特點，在此一并分析。（1）應(yīng)力比法應(yīng)力比法源自前蘇聯(lián)的12755規(guī)范，在我國沿用多年，有大量的工程經(jīng)驗，現(xiàn)在仍為勘察規(guī)范、樁基規(guī)范和復(fù)合地基規(guī)范所采用。按照土力學理論，地基中的豎向力有二種，一是由于土體自重產(chǎn)生的自重應(yīng)力，隨深度而增加。另一種是附加應(yīng)力。在矩形面積均布荷載作用下，土中任一深度處的

14、附加壓力等于基底接觸壓力乘以附加應(yīng)力系數(shù)，其中的附加應(yīng)力系數(shù)值與矩形尺寸（L/b）和計算點深度（Z/b）有關(guān)，當基礎(chǔ)尺寸L、b一定時，取決于計算深度Z，深度越深附加應(yīng)力就越小。應(yīng)力比法就是根據(jù)這一原理，認為經(jīng)過一定深度的衰減，附加應(yīng)力值已經(jīng)比較小，不足以引發(fā)土體產(chǎn)生變形，這個深度即可認為是地基變形計算深度，其表達為： （5）或： （6）式中的值視土的壓縮性而定，對高壓縮性土（a1-20.5Mpa-1）取0.1，中、低壓縮性土取0.2。應(yīng)力比法相對簡單明了，但用于實際工程亦需要做若干假設(shè)，包括基底壓力、基礎(chǔ)尺寸、土的重度等，這些計算參數(shù)變異范圍有限，采用假設(shè)值得出的計算結(jié)果誤差不大，從實用角度考

15、慮，應(yīng)力比法用于方案制定階段是可行的。（2）經(jīng)驗公式法經(jīng)驗公式法來自高層建筑巖土工程勘察規(guī)程，該規(guī)程對控制性勘探孔深度采取了比較寬泛的規(guī)定，可按應(yīng)力比法亦可按變形比法計算，原則是深度應(yīng)超過變形計算深度。在不具備變形計算條件時，可以按以下經(jīng)驗公式計算。 （7）與地基規(guī)范中簡化公式不同的是，公式（7）引入了以下二個參數(shù)：1）與建筑層數(shù)或基底壓力有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)，勘察等級為甲級的取1.1，乙級取1.0，其含義是：重要建筑慎重考慮，勘探孔適當加深。2）與土的壓縮性有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)，和土的成因年代、密實度、地下水等因素有關(guān)。該規(guī)程表4.1.4中給出了的范圍值，如何選取依賴于對工作地區(qū)勘察實踐經(jīng)驗的把握，地質(zhì)

16、條件較好時取較小值，反之取較大值。實際工程中，建筑地基往往由多層土構(gòu)成，不同土層的值是不同的，對此，可以將基底以下1.0倍基礎(chǔ)寬度范圍內(nèi)的各層按厚度進行加權(quán)，取加權(quán)平均值為計算用值。公式（7）由于增加了二個系數(shù)，特別是考慮了土層性質(zhì)的因素，使其在原理上較公式（4）合理一些，也比較簡便易行，在有經(jīng)驗地區(qū)，如大、中城市的巖土勘察中被廣泛采用。4 復(fù)合地基高層建筑由于荷載較大，天然地基往往不能滿足設(shè)計要求，故多采用復(fù)合地基或樁基礎(chǔ)，而復(fù)合地基相比樁基造價低，經(jīng)濟效益顯著，近年來得到越來越多的應(yīng)用，以石家莊市建設(shè)工程為例，高層建筑采用復(fù)合地基的超過80%，面對這種狀況，巖土工程勘察時就必須要考慮復(fù)合地

17、基的作用機理，以及由此而引發(fā)的控制孔深度問題。建筑地基處理技術(shù)規(guī)范3.0.5條規(guī)定：按地基變形設(shè)計或應(yīng)作變形驗算且需進行地基處理的建筑物或構(gòu)筑物，應(yīng)對處理后的地基進行變形驗算。9.2.9條就驗算方法和計算深度作如下說明：地基變形計算深度應(yīng)大于復(fù)合土層的厚度，并符合現(xiàn)行國家標準建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范中地基變形計算深度的有關(guān)規(guī)定。按照以上二條規(guī)定，高層建筑的復(fù)合地基應(yīng)需進行變形驗算，計算方法和計算深度與地基規(guī)范相同，即采用變形比法。那么，復(fù)合地基與天然地基比較，二者在變形計算深度上有何不同，不妨作如下分析。高層建筑使用的復(fù)合地基，是在天然土層中，人為地植入剛性增強體，如水泥粉煤灰或素混凝土等，與樁間

18、土共同作用承擔基底壓力。由于增強體的強度比天然土層要大得多，使得樁身段強度得以大幅度的改善，變形較天然地基減小，這主要得益于計算公式中壓縮模量值的提高，按照規(guī)范規(guī)定，樁身段的壓縮模量等于同層位天然土層的倍，由下式求出： （8）一般工程值在24之間， Es相應(yīng)增大了相同的倍數(shù)，如果樁的長度較大，用分層總合法計算變形比較容易滿足（2）式條件，有時甚至會出現(xiàn)計算深度小于樁長的情況，這顯然不合常理。為此，規(guī)范特別強調(diào)：地基變形計算深度應(yīng)大于復(fù)合土層的厚度。這樣，即便出現(xiàn)上述不合理情況，也要強制性地對樁端以下的天然土層進行變形比較，直至達到0.025倍的比值要求。從剛性增強體復(fù)合地基作用機理分析，如此計

19、算是符合實際情況的。但這樣一來，必然會對地基的變形計算深度產(chǎn)生影響，因為樁身段由于壓縮模量的大幅提高，致使這部分的累積變形量減小，而樁端以下Z厚度的天然土層計算變形量沒有發(fā)生變化，要滿足0.025倍的比值要求，就需要更深的計算深度。從這個意義上講，復(fù)合地基的變形計算深度相比天然地基要大，用天然地基方案得出的控制性勘探點深度，可能達不到復(fù)合地基變形計算深度要求。5 樁基礎(chǔ)樁基礎(chǔ)的勘探孔深度取決于樁的受力狀態(tài)，對于擬采用摩擦型樁基礎(chǔ)的勘察項目，控制性勘探孔深度要求與剛性增強體復(fù)合地基類似，亦應(yīng)滿足地基變形計算深度的要求。主要區(qū)別在于，由于作用機理不同，群樁基礎(chǔ)（d6d）包括承臺下的樁間土假想為一實

20、體基礎(chǔ)，荷載直接作用在樁的底端，等于壓力面垂直下移，這樣，無論是采用變性比法還是采用應(yīng)力比法計算，深度都應(yīng)從樁底算起，較之同等條件下的剛性復(fù)合地基，在理論上壓縮層深度要大出一個樁長。但就實際工程而言，由于樁端持力層大多選用工程性能良好的低壓縮性巖土層，如密實狀態(tài)的碎石或基巖等，此類地層壓縮模量值很大，比較容易達到穩(wěn)定。對此，高層建筑勘察規(guī)程建議，群樁樁基礎(chǔ)沉降計算深度宜取樁端平面以下附加應(yīng)力為上覆土有效自重應(yīng)力20的深度，或按樁端平面以下假象實體基礎(chǔ)寬度的1.01.5倍的深度考慮。對以基巖等不可壓縮地層作為持力層的端承樁，可以不進行變形驗算，控制性勘探孔深度進入樁端平面以下35倍樁徑即可，其目

21、的并非是變形計算需要，而是查明在此深度內(nèi)是否存在破碎帶、軟弱結(jié)構(gòu)面、巖溶、采空區(qū)等不良地質(zhì)條件對樁基整體穩(wěn)定性的影響。6 不同方法比較實例 綜合上述幾種計算方法，以石家莊市區(qū)某工程實際情況為例進行對比試算，計算條件見表1，計算深度的對比結(jié)果如下表2。 表1 計算條件建筑物基礎(chǔ)長度基礎(chǔ)寬度基底壓力基礎(chǔ)埋深27層，筏板基礎(chǔ)66m20m550kPa10.5m土層及序號重度(kN/m3)承載力特征值fak(kPa)天然地基壓縮模量Es(MPa)復(fù)合地基壓縮模量Es(MPa)黃土狀粉土17.61205.9粉土19.91409.738.1粉質(zhì)粘土19.81609.633.0粉土20.016011.439.

22、2粉質(zhì)粘土19.818010.732.7粉土19.920015.843.4中砂18.528030.058.9卵石20.050040.040.0表2 幾種計算方法比較結(jié)果計算方法變形比法應(yīng)力比法經(jīng)驗公式法簡化公式法復(fù)合地基應(yīng)力比法變形比法計算深度m24.8m38m30.5m36.5m38m34m7 小結(jié)通過分析和進行同等條件下的對比計算，對高層建筑控制性勘探孔深度，我們大致可以總結(jié)出以下一般規(guī)律：群樁基礎(chǔ)剛性復(fù)合地基天然地基應(yīng)力比法變形比法上硬下軟的地層結(jié)構(gòu)均質(zhì)地基上軟下硬地層結(jié)構(gòu)軟土一般土低壓縮性巖土荷載較大建筑荷載較小的建筑基礎(chǔ)寬度大基礎(chǔ)寬度小基礎(chǔ)中心點邊緣角點上述比較結(jié)果，是荷載、基礎(chǔ)形式、基礎(chǔ)尺寸、地基土性質(zhì)等相關(guān)因素對地基變形計算深度影響的綜合反映，屬于定性的概念分析。對于每項具體工程，不同的因素相互交叉，情況千變?nèi)f化，要找到一個對所有工程都適用的計算公式或方法幾乎是不可能的，需要具體問題具體分析。一般情況下，在勘察方案中控制性勘探孔深度確定，可以按如下思路展開：（1）收集了解項目所在地的工程經(jīng)驗，包括地層條件、土層性質(zhì)、同類型工程的地基基礎(chǔ)形式等，在此基礎(chǔ)上初步建立該項目的地基基