高层建筑勘察中控制性勘探孔深度问题讨论.doc

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高层建筑勘察控制性勘探孔深度的讨论

杨昌绣孙会哲贾文华

（中兵北方勘察设计研究院石家庄050011）

摘要：

本文讨论现行规范框架内几种控制性勘探孔深度的估算方法，对其适用条件及影响因素进行分析，给出了一些可供参考的计算参数假设值。

通过工程实例，对不同方法的计算结果进行对比。

在此基础上，提出笔者在这个问题上的工作思路。

关键词：

控制性勘探孔深度；地基变形计算深度；变形比；应力比；简化公式；经验公式

0引言

高层建筑一般是指层数超过7层，或高度超过24m的建筑物，其中7～9层为中高层，10～30层为高层，30层以上或高度超过100m为超高层。

中、小高层多采用框架结构或短肢剪力强结构，高层则使用框架剪力墙或纯剪力墙结构，近年来采用钢结构的建筑也大量出现。

基础形式大多采用箱（筏）基础，刚筋混凝土基础底板厚度多在1m以上，有的还配有倒置梁。

这样的结构体系整体刚性好，抗变形能力较强，对于不大的地基差异变形，通过其结构体系调整可以消化掉一部分。

对高层建筑而言，设计等级均为甲、乙级，需按地基变形进行设计。

对应的岩土工程勘察，所布设的勘探孔按二种情况考虑，一是一般性勘探孔，以揭穿地基主要受力层为原则，一般深度为基底下0.5～1.0倍基础宽度；再就是控制性勘探孔，其深度必须满足地基变形验算要求，深度过小不能满足要求，是不合格工程；深度太大则无谓增加勘察成本，同时还会降低投标的竞争力，其重要性不言而喻。

在现行规范框架内，以下几项规定（强制性条文）至关重要，是制定勘察方案所必须遵循的原则：

地基规范3.0.2.

（2）：

设计等级为甲级、乙级的建筑物均应按地基变形设计。

勘察规范4.1.18.

（2）：

对高层建筑和需作变形计算的地基，控制性勘探孔的深度应超过地基变形计算深度；高层建筑的一般性勘探孔应达到基底下0.5～1.0倍的基础宽度并深入稳定分布的地层。

高层建筑勘察规程4.1.4

（1）：

控制性勘探孔的深度应超过地基变形的计算深度。

建筑地基处理技术规范9.2.9：

地基变形计算深度应大于复合土层的厚度，并符合现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007中地基变形计算深度的有关规定。

建筑桩基技术规范3.2.321）：

控制性孔应穿透平面以下压缩层厚度。

由于体制和历史原因，我国现行的几部规范（程），对控制性勘探孔深度定义原则基本一致，但在具体操作实施中，又体现出各自的特点，目的是将变形计算这一复杂问题简化，以利于岩土工程师在实际工程中方便使用。

鉴于理论依据和考虑因素不同，各规范给出的方法（公式）存有差异，形成目前“五部规范四种提法”的现状，对同一项工程，不同的工程师在制定勘察方案时，往往会给出不同的控制性勘探孔深度，为什么会出现这样的结果，有哪些因素在发挥作用，分析并深入讨论这些问题，对我们制定科学合理的勘察方案会有帮助。

1地基变形影响因素

控制性勘探孔深度以控制地基变形计算深度为原则，所以，有必要对决定变形计算及计算深度的各种因素进行分析，以利于勘察方案既安全合理又简便实用。

（1）地基土的压缩性

根据土工试验得到的压缩系数，可划分为高、中、低三类，不同压缩性的土，变形计算深度是不同的，压缩性越高，相应的变形计算深度越大。

这方面，高规的经验公式法给出了一个经验系数，在一定程度上体现了包括压缩性等土层特性对压缩层深度的影响，其他的计算方法对该因素基本忽略，地基规范则认为，地基土类别对压缩层的深度的影响无明显规律。

但是，自然界中完全均质的地基很少，地基压缩层往往是由具有不同压缩性的多层土构成，按照变形比法的计算思路，其不同组合对地基变形计算深度或多或少会产生影响，在一定条件下，持力层为压缩性较高的土层，而下卧层压缩性较低，这种地层组合比较容易达到稳定标准，反之亦然。

（2）基础宽度

基础宽度大小对压缩层深度的影响较大，这一点在土力学的等应力线图上（Boussinesq解）有直观表达。

在荷载相同条件下，基础宽度越大，地基压缩层深度也就越大。

地基规范的简化公式中，基础宽度表达最为直接，是唯一的变量，按照地基规范条文说明，该表达式有实测和试验数据支持。

另外，经验公式法也考虑了这一因素，直接与经验系数成倍数关系。

可以说，在诸多影响因素中，基础宽度的影响是公认的。

（3）基底压力

按照土力学理论，基底接触压力越大，地基中的附加应力也就越大，而地基的压缩变形是由附加应力引起的，随着深度增加，当附加应力衰减到一定程度，对地基变形不能产生影响时，即可将该深度视为变形计算深度。

对于基底压力的影响，在勘察规范的应力比计算公式中是主要控制因素，而地基规范的变形比法则认为：

对一定的基础宽度，地基压缩层深度不一定随着荷载P的增加而增加。

在这个问题上，二部规范的观点存有一定的差异。

（4）计算点位置

高层建筑平面形状各异，有方形、圆形、矩形及不规则形状等。

在不同部位之下地基中，其应力分布和大小是不同的，从而地基压缩层计算深度亦有所不同。

一般情况下，基础中心点计算深度最大，边点次之，角点最小。

相应地，布设在不同部位的控制性勘探点深度也就有所不同。

例如，常见的“板楼”用整体倾斜控制，控制性勘探孔布置在基础的角点部位，深度要求较浅，而“塔楼”中心点要求有控制性勘探孔，深度就要相对大一些。

（5）基础埋深

由于抗震、人防和使用功能的要求，高层建筑一般都设有地下室。

近年来城市土地稀缺，建筑地下部分层数和深度呈现增大的趋势，对建筑地基，勘探孔有效深度从基础底面起算，基底以上钻探不是有效进尺。

所以，基础埋深越大，勘探孔的深度亦随之增加。

但另一方面，地基变形计算时，基底压力取荷载效应准永久组合，随着基础埋深增大，附加压力变小，相应的计算变形量亦随之减小。

除上述因素之外，诸如基础结构、形状也会对地基压缩变形深度产生影响；另外，工程施工速度等因素也间接地发挥作用，但都不是主控因素，在此不一一列举。

2地基变形计算深度讨论

控制性勘探孔深度与地基压缩层计算深度之间存在密切联系，控制性勘探孔取决于地基变形验算深度。

看以下二个公式：

（1）

（2）

公式

（1）这就是我们熟知的分层总和法变形计算公式，从基础底面起算，当满足公式

（2）

条件时，即可认为达到计算深度。

用文字表述公式②的含义是：

自某一计算深度向上取厚度为△Z的土层计算变形值小于等于0.025倍的累计变形值，以此作为计算深度的下限。

相应的控制性勘探孔深度应该等于或略大于这个深度。

分析

（2）式中诸项因素，关键是△Z厚度的变形量，因为对某一计算点而言，在△Z之上的计算变形量是一定的，而△Z厚度的变形量与二个因素有关，一是随深度衰减的平均附加应力系数残余值，这个值相对固定；再就是取值厚度，厚度越大越大，也就越不容易满足②式的要求，反之亦然。

把么，△Z取多大合适呢，从地基压缩的概念考虑，这个值与基础宽度大小有关，小尺寸的独立基础和条基厚度比较小，相比之下，高层建筑的厚度就大的多。

通过一些工程事例和试验实测，经统计分析试算，得出以下经验公式：

（3）

公式（3）表达的函数以基础宽度b为变量，由于是对数关系，当b达到一定值后，△Z增长趋缓。

对高层建筑而言，常见的基础宽度15～30m，对应的△Z=1.1～1.3m，地基规范表5.3.6中，当基础宽度大于8m，△Z一律取1.0，这是一个大致的数据，比公式③计算结果略小一些。

但是，从计算与使用过程考虑，地基变形计算深度与控制性勘探孔深度又有顺序上的差别。

在勘察程序上，控制性勘探孔深度在勘察实施之前的方案制定时即已确定（不排除个别调整，但不能普遍改动），而变形计算则是在勘探工作完成后进行地基评价中出现，这种顺序上的倒置，使得变形计算需进行如下若干假设。

（1）：

在岩土工程勘察阶段，基底压力值不易获取准确的数值，可以按照建筑层数进行估算。

按照荷载效应标准组合，每层的荷载可取17～20kPa，纯住宅取较低值，商务建筑取较高值，底商结构的取中值，这样的估算结果有一定的安全度，用于地基计算是可以的。

（2）如果设计方面只给出地下室层数，而没有标明具体深度，可按一层3.5m，二层8m，三层12m的深度考虑，这个深度已包括基础底板和每层顶板的厚度，误差不会很大。

（3）高层建筑荷载大，小尺寸的独立基础无法满足要求，多采用箱（筏）基础，底板（筏板）平面尺寸与建筑平面尺寸基本一致，特殊情况下有基础外挑或上部结构突出的情况，但不常见。

如果设计方面没有给出基础尺寸，则确定勘探孔深度所需的基础宽度b可按建筑平面图划定的建筑宽度考虑，不规则形状等代为方形，取边长。

以上的假设条件，会使变形计算结果或多或少产生误差。

所以，看似严密的计算结果，在实际应用于控制性勘探孔深度时，也只能是一种估算值。

为了简化计算，地基规范还给出了一个简化的公式，当无相邻荷载影响，基础宽度在1～30m范围内时，基础中心点的地基变形计算深度Zn可以按下式考虑：

Zn=b（2.5－0.4lnb）（4）

公式（4）是根据设有分层深标的载荷试验和31个工程实际资料统计分析得出的，具有95%的置信度，公式中唯一变量是基础宽度b，工程中比较容易掌控。

另外，该公式代表基础中心点的计算深度，对于角点的计算深度偏于安全。

3控制性勘探孔的其它确定方法

上述地基规范给出的方法称之为变形比法，除此之外，还有一些其他方法可以推算控制性勘探孔的深度，都是现行规范规程所推荐，具有各自得特点，在此一并分析。

（1）应力比法

应力比法源自前苏联的127－55规范，在我国沿用多年，有大量的工程经验，现在仍为勘察规范、桩基规范和复合地基规范所采用。

按照土力学理论，地基中的竖向力有二种，一是由于土体自重产生的自重应力，随深度而增加。

另一种是附加应力。

在矩形面积均布荷载作用下，土中任一深度处的附加压力等于基底接触压力乘以附加应力系数，其中的附加应力系数α值与矩形尺寸（L/b）和计算点深度（Z/b）有关，当基础尺寸L、b一定时，取决于计算深度Z，深度越深附加应力就越小。

应力比法就是根据这一原理，认为经过一定深度的衰减，附加应力值已经比较小，不足以引发土体产生变形，这个深度即可认为是地基变形计算深度，其表达为：

（5）

或：

（6）

式中的值视土的压缩性而定，对高压缩性土（a1-2≥0.5Mpa-1）取0.1，中、低压缩性土取0.2。

应力比法相对简单明了，但用于实际工程亦需要做若干假设，包括基底压力、基础尺寸、土的重度等，这些计算参数变异范围有限，采用假设值得出的计算结果误差不大，从实用角度考虑，应力比法用于方案制定阶段是可行的。

（2）经验公式法

经验公式法来自高层建筑岩土工程勘察规程，该规程对控制性勘探孔深度采取了比较宽泛的规定，可按应力比法亦可按变形比法计算，原则是深度应超过变形计算深度。

在不具备变形计算条件时，可以按以下经验公式计算。

（7）

与地基规范中简化公式不同的是，公式（7）引入了以下二个参数：

1）—与建筑层数或基底压力有关的经验系数，勘察等级为甲级的取1.1，乙级取1.0，其含义是：

重要建筑慎重考虑，勘探孔适当加深。

2）—与土的压缩性有关的经验系数，和土的成因年代、密实度、地下水等因素有关。

该规程表4.1.4中给出了的范围值，如何选取依赖于对工作地区勘察实践经验的把握，地质条件较好时取较小值，反之取较大值。

实际工程中，建筑地基往往由多层土构成，不同土层的值是不同的，对此，可以将基底以下1.0倍基础宽度范围内的各层按厚度进行加权，取加权平均值为计算用值。

公式（7）由于增加了二个系数，特别是考虑了土层性质的因素，使其在原理上较公式（4）合理一些，也比较简便易行，在有经验地区，如大、中城市的岩土勘察中被广泛采用。

4复合地基

高层建筑由于荷载较大，天然地基往往不能满足设计要求，故多采用复合地基或桩基