高层建筑勘察中控制性勘探孔深度问题讨论

 

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：

 

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：

 

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：

 

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。

 

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础，而复合地基相比桩基造价低，经济效益显著，近年来得到越来越多的应用，以石家庄市建设工程为例，高层建筑采用复合地基的超过80%，面对这种状况，岩土工程勘察时就必须要考虑复合地基的作用机理，以及由此而引发的控制孔深度问题。

《建筑地基处理技术规范》3.0.5条规定：按地基变形设计或应作变形验算且需进行地基处理的建筑物或构筑物，应对处理后的地基进行变形验算。9.2.9条就验算方法和计算深度作如下说明：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》中地基变形计算深度的有关规定。按照以上二条规定，高层建筑的复合地基应需进行变形验算，计算方法和计算深度与地基规范相同，即采用变形比法。那么，复合地基与天然地基比较，二者在变形计算深度上有何不同，不妨作如下分析。

高层建筑使用的复合地基，是在天然土层中，人为地植入刚性增强体，如水泥粉煤灰或素混凝土等，与桩间土共同作用承担基底压力。由于增强体的强度比天然土层要大得多，使得桩身段强度得以大幅度的改善，变形较天然地基减小，这主要得益于计算公式中压缩模量值的提高，按照规范规定，桩身段的压缩模量等于同层位天然土层的 倍， 由下式求出：

 

一般工程 值在2～4之间， Es相应增大了相同的倍数，如果桩的长度较大，用分层总合法计算变形比较容易满足（2）式条件，有时甚至会出现计算深度小于桩长的情况，这显然不合常理。为此，规范特别强调：地基变形计算深度应大于复合土层的厚度。这样，即便出现上述不合理情况，也要强制性地对桩端以下的天然土层进行变形比较，直至达到0.025倍的比值要求。从刚性增强体复合地基作用机理分析，如此计算是符合实际情况的。但这样一来，必然会对地基的变形计算深度产生影响，因为桩身段由于压缩模量的大幅提高，致使这部分的累积变形量减小，而桩端以下△Z厚度的天然土层计算变形量没有发生变化，要满足0.025倍的比值要求，就需要更深的计算深度。从这个意义上讲，复合地基的变形计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点深度，可能达不到复合地基变形计算深度要求。

5 桩基础

桩基础的勘探孔深度取决于桩的受力状态，对于拟采用摩擦型桩基础的勘察项目，控制性勘探孔深度要求与刚性增强体复合地基类似，亦应满足地基变形计算深度的要求。主要区别在于，由于作用机理不同，群桩基础（d≤6d）包括承台下的桩间土假想为一实体基础，荷载直接作用在桩的底端，等于压力面垂直下移，这样，无论是采用变性比法还是采用应力比法计算，深度都应从桩底算起，较之同等条件下的刚性复合地基，在理论上压缩层深度要大出一个桩长。但就实际工程而言，由于桩端持力层大多选用工程性能良好的低压缩性岩土层，如密实状态的碎石或基岩等，此类地层压缩模量值很大，比较容易达到稳定。对此，高层建筑勘察规程建议，群桩桩基础沉降计算深度宜取桩端平面以下附加应力为上覆土有效自重应力20％的深度，或按桩端平面以下假象实体基础宽度的1.0～1.5倍的深度考虑。

对以基岩等不可压缩地层作为持力层的端承桩，可以不进行变形验算，控制性勘探孔深度进入桩端平面以下3～5倍桩径即可，其目的并非是变形计算需要，而是查明在此深度内是否存在破碎带、软弱结构面、岩溶、采空区等不良地质条件对桩基整体稳定性的影响。

6 不同方法比较实例 

综合上述几种计算方法，以石家庄市区某工程实际情况为例进行对比试算，计算条件见表1，计算深度的对比结果如下表2。

 

7 小结

通过分析和进行同等条件下的对比计算，对高层建筑控制性勘探孔深度，我们大致可以总结出以下一般规律：

群桩基础＞刚性复合地基＞天然地基

应力比法＞变形比法

上硬下软的地层结构＞均质地基＞上软下硬地层结构

软土＞一般土＞低压缩性岩土

荷载较大建筑＞荷载较小的建筑

基础宽度大＞基础宽度小

基础中心点＞边缘＞角点

上述比较结果，是荷载、基础形式、基础尺寸、地基土性质等相关因素对地基变形计算深度影响的综合反映，属于定性的概念分析。对于每项具体工程，不同的因素相互交叉，情况千变万化，要找到一个对所有工程都适用的计算公式或方法几乎是不可能的，需要具体问题具体分析。一般情况下，在勘察方案中控制性勘探孔深度确定，可以按如下思路展开：

（1）收集了解项目所在地的工程经验，包括地层条件、土层性质、同类型工程的地基基础形式等，在此基础上初步建立该项目的地基基础模式（桩基，复合地基，天然地基）；

（2）通过技术委托（任务）书和总平面图，了解相关设计意图，包括基础形式、形状、埋深、长度和宽度、基底压力等。

（3）如果上述二项不明确，可以按本文第2章所列数值估计。

（4）在完成以上准备工作后，可按以下条件估算控制性勘探孔深度：

1）在有工程经验的地区（如城市建成区），场地附近有可借鉴的地层和模量等计算条件，可以事先在室内采用变形比方法估算地基压缩层深度，这在计算机及计算软件已经普及的情况下不难实现。控制性勘探孔深度H=基础埋深+地基压缩层厚度+补充深度。所增加的补充深度，是考虑到计算参数误差可能导致的深度误差，一般可取2～5米，计算深度下限为土层时取较大值，砂层或卵石层取较小值。

如果手头没有计算条件，但对场地地层有大致的了解，可以使用经验公式法，经验系数采用基底下1b深度内的加权平均值。

2）在缺乏经验的地区，可考虑使用应力比法，因为该方法基本排除了地层及压缩性的因素，所涉及到土的重度指标离散性很小，经验值的误差不大。具体计算可在Excel软件上编个小程序解决。

如果既缺乏工程经验，也没有计算条件，可采用简化公式法估算，因为该计算公式唯一的变量是基础宽度，这是比较容易把握的。

3）特殊情况下，例如需要现场拍板报价的，可口头估算。对石家庄市区的高层建筑勘察，控制性勘探孔深度取基础埋深+基础宽度的1.2～1.5倍，15层以下取较小值，15～25层取中间值，25层以上取较大值。如果是复合地基，在此深度基础上再增加5～10m。

总之，控制性勘探孔深度涉及到的因素十分复杂，包括地基土的不同组合，以及拟建建筑各种各样的设计条件，同时，还要考虑方案本身的经济性和竞争力。在这个问题上，需要把握的基本原则是：控制性勘探孔深度应略大于地基变形的计算深度。