粵東沿海地區(qū)花崗巖地質(zhì)特征及成因分析

1常見的地質(zhì)問題廣東省東部的花崗巖分布區(qū)是一個(gè)明顯的陸架構(gòu)造區(qū)。受區(qū)域斷裂地質(zhì)構(gòu)造、礦物組成和濕熱氣候的影響，花崗巖風(fēng)化不均勻，形成了一個(gè)球形風(fēng)化體（孤立石）?；◢弾r孤石大小不一、埋深不一、缺乏規(guī)律性,這些地質(zhì)問題給工程建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工帶來極為突出的困難。堅(jiān)硬隱伏的孤石易被誤判為基巖,并造成樁基工程成樁困難,或給工程增加安全隱患。針對(duì)如此復(fù)雜的地質(zhì)條件,如何做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便、工期可控地選擇符合工程結(jié)構(gòu)荷載特點(diǎn)的基礎(chǔ)形式,已成為工程建設(shè)中基礎(chǔ)選型和優(yōu)化的決策性步驟。本文結(jié)合汕頭某工程實(shí)例,對(duì)比分析該工程原設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ),經(jīng)檢測出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)后修改調(diào)整為預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基的基礎(chǔ)形式,介紹預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基在花崗巖孤石地區(qū)應(yīng)用和處理的方法,希望對(duì)類似地區(qū)工程建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工提供參考。2工程總結(jié)2.1多層復(fù)合群、高層率擬建工程位于粵東沿海的汕頭市朝陽區(qū),小區(qū)規(guī)劃建筑面積達(dá)70萬平方米,包括別墅群、高層建筑群、多層建筑群、商場和學(xué)校等;場區(qū)北、南、西三面環(huán)山,東側(cè)面臨國道。其中一期B區(qū)3棟建筑(5#~7#)所在地段原為水庫壩址,擬建為15層的高層住宅樓群,設(shè)置相連的大底盤2層地下室,基礎(chǔ)選型原設(shè)計(jì)擬采用預(yù)引孔法靜壓管樁基礎(chǔ)。2.2地層結(jié)構(gòu)及巖性場地巖土工程勘察報(bào)告揭示,本場地的地質(zhì)構(gòu)造處于閩粵東部沿海差異性明顯的斷塊區(qū)內(nèi),對(duì)區(qū)內(nèi)影響較大的斷裂帶主要有北東向的錢東-惠城斷裂帶、北西向的汕頭-興寧斷裂帶(榕江斷裂)和馬晏山-河浦?jǐn)嗔褞А１緢龅氐幕鶐r為侵入的花崗巖體及其風(fēng)化巖和殘積地層,巖體因受上述區(qū)域斷裂的影響出現(xiàn)北東向和北西向兩組主要節(jié)理,節(jié)理切割后的巖塊因風(fēng)化程度不同形成大量花崗巖孤石群體。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)背景,結(jié)合建設(shè)區(qū)的邊坡和房建勘察資料,未發(fā)現(xiàn)有明顯的活動(dòng)斷層跡象,地質(zhì)構(gòu)造總體穩(wěn)定。但因周邊為高邊坡體,且各棟建筑的標(biāo)高高差較大,屬于建筑抗震不利地段。根據(jù)總體規(guī)劃,一期B區(qū)主要位于小區(qū)的東中部,場地標(biāo)高為14.0~20.0m。場地的地層結(jié)構(gòu)及巖性:(1)素填土:場地大部分地段分布,少數(shù)地段缺失,層厚0.20~14.75m;黃褐色,大部分地段為新近填積,唯水庫壩址地段為年代較長厚度較大的填土,填積物為區(qū)內(nèi)花崗巖的風(fēng)化殘積礫質(zhì)粘性土,其壓實(shí)程度不一,大部分地段呈松散~可塑狀態(tài)。(2)含砂粉質(zhì)粘土、粗砂、礫砂層:場地僅部分地段分布,厚度為0.50~7.30m。該層以含砂粉質(zhì)粘土為主,灰黃~黃褐色,以可塑狀態(tài)為主,本層下部見透鏡體狀流塑~軟塑狀的淤泥質(zhì)土或灰色粘土;砂土呈松散~稍密狀,呈不均勻的透鏡體出現(xiàn)。該層成因類型屬山前洪積~沖積扇沉積物,組成物質(zhì)較簡單,碎屑物搬運(yùn)距離較近,分選性差,故其含砂量變化較大,部分地段可過渡為含粘土粗砂及礫砂,所含碎屑物多呈棱角~次棱角形狀。(3)礫質(zhì)粘性土(殘積)層:基本全區(qū)分布,厚度2.70~29.20m,雜色,可塑~硬塑狀態(tài),以粗?；◢弾r風(fēng)化殘積物為主,穿插中、基性巖脈的風(fēng)化殘積物。原巖已風(fēng)化成土狀,石英、斑晶保存較完好形成砂顆粒;長石類礦物則風(fēng)化為粘粒;原巖結(jié)構(gòu)及礦物組分仍能分辨。由于原巖受節(jié)理切割不等和風(fēng)化程度的差異,故該層中普遍遇到風(fēng)化程度淺的中風(fēng)化巖球狀體(孤石)及強(qiáng)風(fēng)化巖。(4)全風(fēng)化黑云母花崗巖帶:場地內(nèi)局部分布,大部分缺失,厚度0.70~12.70m。雜色,濕,硬,呈土狀。原巖為粗粒結(jié)構(gòu)花崗巖,花崗結(jié)構(gòu)及礦物組合可辨。層中夾中風(fēng)化巖球狀體(孤石)或強(qiáng)風(fēng)化巖。(5)強(qiáng)風(fēng)化黑云母花崗巖帶:全區(qū)分布,鉆入厚度0.50~21.55m。黃褐色,灰綠、灰白色,堅(jiān)硬狀態(tài),為斑狀粗粒結(jié)構(gòu),部分地段穿插中、基性輝綠巖脈;強(qiáng)風(fēng)化巖中常見中、微風(fēng)化球狀體(孤石)。(6)中(微)風(fēng)化黑云母花崗巖:淺灰斑色,灰綠色,塊狀構(gòu)造;巖體較破碎~較完整,巖體裂隙面多鐵質(zhì)充填,巖石組成礦物以石英、長石及其斑晶、黑云母為主;巖體節(jié)理、裂隙及細(xì)脈較發(fā)育。綜上所述,結(jié)合詳勘報(bào)告,場地一期B區(qū)的巖土力學(xué)參數(shù)建議值如表1所示。勘察期間測定綜合水位標(biāo)高11.00~16.78m(黃海高程系),水位埋深0.90~3.30m(孔口以下)。3初期基本工程的施工分析3.1管樁引孔情況由于本期的建筑為15層住宅樓群,結(jié)構(gòu)荷載不大,因此原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁形式,針對(duì)場地孤石無規(guī)律分布的情況,施工采用先機(jī)械預(yù)引孔再結(jié)合靜壓法成樁,管樁直徑500mm,主體結(jié)構(gòu)部分單樁設(shè)計(jì)承載力為2100kN,非主體部分單樁設(shè)計(jì)承載力為1900kN,設(shè)計(jì)要求樁端持力層為碎石狀強(qiáng)風(fēng)化黑云母花崗巖。根據(jù)一期現(xiàn)場前期的施工資料,引孔總數(shù)299個(gè),已施打管樁數(shù)63根;其中管樁長度大于引孔深度的樁數(shù)為54根,樁長小于引孔深度的樁數(shù)有9根;引孔過程中遇到孤石的有256根(孔),無孤石的43根(孔),部分樁孔遇到多層孤石,遇孤石概率達(dá)到86%。管樁施工有效深度小于引孔深度的情況如表2所示。3.2試驗(yàn)結(jié)果分析按照原設(shè)計(jì)要求,需對(duì)工程樁進(jìn)行靜載檢測試驗(yàn),試樁標(biāo)準(zhǔn)為:(1)對(duì)于有效樁長入土深度小于15m的樁,終壓值不小于4800kN。(2)有效樁長入土深度為15~20m,終壓值不小于4500kN。(3)有效樁長入土深度大于20m,終壓值不小于4300kN。靜載試樁檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3的試驗(yàn)結(jié)果可見,部分樁體靜載試樁沉降量較大,結(jié)合施工過程,經(jīng)專家組分析認(rèn)為管樁不宜作為一期工程基礎(chǔ)選型的方案。其原因分析如下:(1)實(shí)際地質(zhì)條件更為復(fù)雜,前期勘察資料還不夠完善,現(xiàn)有鉆孔資料難以反映真實(shí)的地質(zhì)情況,應(yīng)補(bǔ)充超前鉆等勘察孔。(2)花崗巖球狀風(fēng)化孤石體沿地層分布離散性大,規(guī)律性不強(qiáng),呈明顯的各向異性,球狀孤石大小不一、傾角大,有時(shí)呈串珠狀分布,實(shí)際成孔可預(yù)見性差,難度大。(3)引孔鉆進(jìn)工藝單一,長螺旋鉆桿剛度不足,垂直度控制難度大,容易發(fā)生斜孔偏孔,引孔風(fēng)險(xiǎn)性大。(4)引孔施工對(duì)地層的擾動(dòng)作用大,造成樁周土體的工程性狀遠(yuǎn)不如管樁施工前的原土層性狀,造成樁身承載力下降。(5)引孔成孔與管樁施工的連續(xù)作業(yè)性較差,工藝不能相互跟進(jìn),造成部分引孔與成樁間隔時(shí)間較長,形成塌孔;同時(shí),長時(shí)間未能跟進(jìn)成樁易造成孔段土層遇水軟化而影響樁身承載力。(6)因引孔直徑小于管樁直徑,造成管樁懸浮于孤石孔之上,對(duì)樁身質(zhì)量無法保證。4后期基礎(chǔ)工程的處理方案4.1復(fù)合地基的作用復(fù)合地基是在充分發(fā)揮天然地基承載力的基礎(chǔ)上,通過設(shè)置豎向加強(qiáng)樁體來提高整體持力層地基的強(qiáng)度,減少地基的總體沉降和不均勻沉降,同時(shí)利用附加應(yīng)力隨深度變化逐漸減小的特點(diǎn),調(diào)整隨深度設(shè)置的加強(qiáng)樁體的長度,以符合附加應(yīng)力的隨深度擴(kuò)散的特點(diǎn),減少樁長,加強(qiáng)樁深度范圍的復(fù)合地基作為整體承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的荷載。根據(jù)目前的勘察資料分析,本場地孤石基本殘存于硬塑和堅(jiān)硬狀的花崗巖殘積土和全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化巖中,這些地層的天然地基承載力已經(jīng)滿足要求,因此孤石體可作為地基的加強(qiáng)體參與工作,從而管樁可不必強(qiáng)行穿過孤石體,只需成樁時(shí)樁體穩(wěn)定即可終樁。同時(shí),復(fù)合地基還需要在樁體的頂部設(shè)置褥墊層以充分發(fā)揮地基土體承載力,調(diào)整樁體與土體的應(yīng)力并協(xié)調(diào)變形,對(duì)承載力采用“缺多少,補(bǔ)多少”的原則進(jìn)行布樁,在具有較強(qiáng)靈活性的同時(shí),保證工程的經(jīng)濟(jì)性并確保工期。而在墊層上面則按照筏板基礎(chǔ)進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì),利用筏板自身較大的強(qiáng)度和剛度起到均衡應(yīng)力和協(xié)調(diào)變形的作用。對(duì)于高層建筑的地基處理,復(fù)合地基已經(jīng)是成熟的方法,而對(duì)于本建設(shè)場地和建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)該是理想的地基處理方案。4.2樁頂墊層變形根據(jù)管樁復(fù)合地基的布置原則,結(jié)合一期B區(qū)場地建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),由于3棟建筑(5#~7#)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式相似,因此在區(qū)內(nèi)選取5#樓作為本區(qū)設(shè)計(jì)計(jì)算分析案例。場地區(qū)域,設(shè)計(jì)管樁采用C80高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁,呈正方形布置,樁徑為500mm和400mm,主樓區(qū)樁距2.5m,非主樓區(qū)(主建筑外側(cè)地下室)樁距3.5m,設(shè)計(jì)樁長不小于13m,管樁進(jìn)入花崗巖強(qiáng)風(fēng)化持力層1m。計(jì)算得到主樓區(qū)上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)底面巖土體作用的附加荷載P0為262kPa,計(jì)算荷載取值270kPa;非主樓區(qū)上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)底面巖土體作用的附加荷載P0為78kPa,計(jì)算荷載取100kPa。在計(jì)算時(shí),僅考慮新施工的復(fù)合地基管樁的作用,已經(jīng)施工的管樁暫不作考慮(作地基土加強(qiáng)體考慮)。按照最不利鉆孔進(jìn)行分析計(jì)算,依據(jù)廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(DBJ15-38-2005)有關(guān)剛性樁復(fù)合地基計(jì)算公式得到的結(jié)果如表4所示。樁頂?shù)娜靿|層由碎石與粗礫砂按7:3比例混合鋪墊200mm厚作為復(fù)合地基的一部分,經(jīng)壓實(shí)處理后較為密實(shí)(相當(dāng)于強(qiáng)風(fēng)化巖的特性),變形模量較大(一般為200~300MPa),此處對(duì)墊層沉降單獨(dú)計(jì)算,墊層的變形模量取220MPa,上部結(jié)構(gòu)荷載取270kPa。褥墊層的變形量:式中:hc———墊層厚度;Ec———墊層變形模量。由此可知計(jì)算所得的中點(diǎn)沉降,ZK382代表巖面埋藏最深,沉降為32.96+0.25=33.21mm;鉆孔ZK380-2代表巖面埋藏最淺,樁體最短,沉降為22.66+0.25=22.91mm。差異沉降為10.30mm,因此對(duì)上部結(jié)構(gòu)不會(huì)造成影響,傾斜也將控制在規(guī)范的要求內(nèi)。5聯(lián)合土壤樣品測試和結(jié)果分析5.1豎向承載力分析本次單樁承載力靜載試驗(yàn)共檢測7根工程樁,設(shè)計(jì)樁長18.0~24.0m,樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖。其中,直徑400mm管樁單樁豎向承載力特征值為800kN,最大試驗(yàn)荷載2000kN;直徑500mm管樁單樁豎向承載力特征值為1250kN,最大試驗(yàn)荷載3000kN。按照廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)檢測規(guī)范》(DBJ15-60-2008)有關(guān)規(guī)定,其檢測結(jié)果匯總表如表5所示。5.2土的承載力分析本次樁間土平板荷載試驗(yàn)共有6個(gè)檢測試驗(yàn)點(diǎn),地基為礫質(zhì)粘性土層,樁間地基土的承載力特征值要求不小于100kPa,最大試驗(yàn)荷載為200kPa,壓板面積1.0m2(1.0m×1.0m),按照廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)檢測規(guī)范》(DBJ15-60-2008)有關(guān)規(guī)定,其檢測結(jié)果匯總表如表6所示。5.3極限承載力與平板荷載根據(jù)設(shè)計(jì)提供的地基承載力要求,結(jié)合試驗(yàn)檢測成果,試驗(yàn)的結(jié)果與計(jì)算結(jié)果接近。對(duì)于單樁豎向靜載試驗(yàn),靜載沉降量在合理范圍內(nèi),而個(gè)別試樁存在沉降量較大現(xiàn)象,考慮到全部試樁極限承載力均大于2.2倍設(shè)計(jì)承載力特征值,而且該地層部分管樁施工過程中可能遇到淺層孤石,由于打樁壓力過大,往往致使樁體壓碎或斜斷的現(xiàn)象發(fā)生,但總體均滿足設(shè)計(jì)要求。而對(duì)于平板荷載試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果地基極限承載力均不低于200kPa,試驗(yàn)場地管樁大量施工,樁間土體受擠密,同時(shí)上部土層經(jīng)過回填、反復(fù)輾壓等處理,地層承載力穩(wěn)定性也有較大幅度的提高,滿足常規(guī)的可開發(fā)利用的目的;因此,綜合本次復(fù)合地基檢測結(jié)果分析,管樁復(fù)合地基的布置方案滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)地基承載力和沉降的控制要求。6經(jīng)現(xiàn)場建筑沉降監(jiān)測及結(jié)果分析6.1沉降監(jiān)測點(diǎn)布置本次監(jiān)測主要針對(duì)主體建筑在施工過程中對(duì)復(fù)合地基的影響程度而進(jìn)行沉降監(jiān)測,驗(yàn)證本方案的實(shí)踐可行性。監(jiān)測方案對(duì)3棟(5#~7#)主體建筑共布置27個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)(每棟9個(gè)),結(jié)合主體建筑施工的進(jìn)度安排共16次監(jiān)測。監(jiān)測情況可見圖1、圖2、圖3。6.2沉降位移對(duì)比監(jiān)測中未發(fā)現(xiàn)基點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)松動(dòng)現(xiàn)象,觀測結(jié)果可靠。從觀測數(shù)據(jù)結(jié)果和施工過程沉降曲線分析,施工過程中主體建筑沉降量較為均勻,沒有較大的沉降量以及不穩(wěn)定的沉降速率,也未見不均勻的下沉和突然上升等異?，F(xiàn)象,表明基礎(chǔ)抗沉效果良好。圖1中表示對(duì)5#棟7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在施工過程中隨時(shí)間推移的沉降變化曲線,最大累積沉降點(diǎn)為5-2(11mm),最小累積沉降點(diǎn)為5-6(4mm),所有觀測點(diǎn)平均累積沉降量為7.67mm,最大沉降量點(diǎn)“5-2(11mm)”和相鄰最小沉降量點(diǎn)“5-6(4mm)”的沉降差為7mm,小于0.002×12590mm=25.2mm(兩點(diǎn)間的距離為12590mm),小于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2002)中規(guī)定的建筑物相鄰柱基的沉降差允許值0.002l(l為相鄰柱基的中心距離mm)。圖2中表示對(duì)6棟5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在施工過程中隨時(shí)間推移的沉降變化曲線,最大累積沉降點(diǎn)為6-4(9mm),最小累積沉降點(diǎn)為6-5(6mm),所有觀測點(diǎn)平均累積沉降量為7.42mm,最大沉降量點(diǎn)“6-4(9mm)”和相鄰最小沉降量點(diǎn)“6-5(4mm)”的沉降差為5mm,小于0.002×10430mm=20.86mm(兩點(diǎn)間的距離為10430mm),小于規(guī)范允許值。圖3中表示對(duì)7棟7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在施工過程中隨時(shí)間推移的沉降變化曲線,最大累積沉降點(diǎn)為7-6(11mm),最小累積沉降點(diǎn)為7-9(6mm),所有觀測點(diǎn)平均累積沉降量為8.44mm,最大沉降量點(diǎn)“7-6(11mm)”和相鄰最小沉降量點(diǎn)“7-9(6mm)”的沉降差為5mm,小于0.002×16470mm=32.94mm(兩點(diǎn)間的距離為16470mm),小于規(guī)范允許值。從以上分析可知,3棟主體建筑平均沉降量均在10mm范圍內(nèi),且區(qū)內(nèi)建筑整體差異沉降量控制效果較好,證明該復(fù)合地基筏板基礎(chǔ)方案具備較好的可行性。7管樁復(fù)合地基的應(yīng)用總結(jié)花崗巖孤石地層因其地質(zhì)構(gòu)造的特殊性,往往給工程建設(shè)帶來較為復(fù)雜的工程環(huán)境,造成施工困難、工期無法保證,造成投資風(fēng)險(xiǎn)性的增加。本文通過該類型地層基礎(chǔ)工程實(shí)例前后引孔管樁基礎(chǔ)與管樁復(fù)合地基方案的比較,結(jié)合檢測試驗(yàn)的分析,驗(yàn)證管樁復(fù)合地基在花崗巖孤石區(qū)地層環(huán)境應(yīng)用的可行性和有效性,從而取得良好的效益。現(xiàn)對(duì)花崗巖孤石地層管樁復(fù)合地基的應(yīng)用總結(jié)如下:(1)在花崗巖地層采用管樁復(fù)合地基需結(jié)合地層的特點(diǎn)合理布置。選用這種地基處理形式時(shí),除