场地稳定性及建筑适宜性评价方法研究

理论上而言,没有不能用于建筑的场地。但遵循技术经济原则,存在地基稳定性问题或其他不良条件的场地通常不适于建筑,为保证建设项目技术上可行,经济上合理,则必须在工程建设开始前了解场地工程地质条件,并对场地稳定性及建筑适宜性进行评价,以便确定适合建设区域,对项目建设方案及成本的预估提供切实的参考。

本文以山东青岛某项目为例,在正式展开工程建设前,通过对拟建场地的地形地貌、工程地质、岩土特性等的勘察,对拟建地块进行了场地稳定性及建筑适宜性的评价。

一、工程地质勘查方法及研究分析

本次勘察按可行性研究勘察进行工作布置,共在场区内布置8 个钻孔,同时布置了高密度电阻率法探查、面波测试、工程地质测绘调查、搜集场地周边已有工程资料等勘察工作。

1.工程地质测绘和调查

确定项目测绘与调查的范围后,采用一定比例尺的地形图作为底图,利用天然和已有的人工露头,对整个区域进行地质及工程地质测绘。测绘和调查内容包括地形的形态及变化情况,地貌形态特征,水井的位置、水位;调查收集区域有关地震、地质、勘察等方面的研究成果以及邻近建筑物的岩土工程勘察施工资料。

项目拟建场地整体地形较平缓,西南低、东北高,现地面标高约3.6~6.8 米。场区地貌类型属于侵蚀堆积缓坡,表层后经人工回填改造。

2.物探

1)高密度电阻率法

采用高密度电阻率测量系统,以岩、土导电性差异为基础,通过人工施加稳定电流场,研究地下传导电流分布规律以探查清楚场区第四系厚度及岩体的风化程度及断裂带的规模、产状及其发育情况。为保证足够的探查深度,场地北部、中部各布置1条东西走向的测线,北部测线长275米,中部测线长465米,探点间距5 米,最大测试深度约80米。测试结果如下图:

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1:北部测线视电阻率剖面图

 image.png

    2:中部测线视电阻率剖面图

    沿测线方向基岩面埋深5.59.0 米,测线测试范围内基岩面埋深整体变化较平稳,测线下方岩土层视电阻率随深度增加逐渐增高,岩土层呈层性较好。在北部测线330350米位置下方为电阻率高低阻过渡带及低阻带,推测该区间下方岩体节理较发育或受轻微构造影响,岩体强度明显低于周边正常岩体,对工程有一定的影响,此位置区间设计时应当格外注意。

2)面波测试

面波频谱分析法,也叫瞬态法,它是由震源产生一定带宽的脉冲,通过测线多道记录采集面波数据,根据记录上的同向轴来识别面波,利用相干函数和功率谱、相位展开谱,从而得到不同频率的面波相速度,同时由此得到该点的频散曲线,由频散曲线可以反演地下分层厚度和速度结构。用以查明各土层厚度及各土层的等效剪切波速。对于不具备钻探条件的场区采用面波测试方法查明地层。本次勘察共布置面波测试点8 个,点间距88~98米,测试线间距103~130 米,探测深度要求查明覆盖层厚度。

1  面波测试等效剪切波速统计表

勘探点号覆盖

等效剪切波速值Vse(m/s)

层厚度(m)

场地类别

m1

250.4

9.4

m2

193.7

9.5

m3

196.7

10.7

m4

188.9

7.4

m5

215.6

7.1

m6

164.5

8

m7

178.7

7.1

m8

164.8

9.5

根据《建筑抗震设计规范》GB50011-20102016 年版,结合场区地质资料及剪切波测试成果综合判定:该块场地类别属于Ⅱ类建筑场地,本工程场地特征周期值0.45s

3.钻探

采用XY-1 型钻机进行工程地质钻探,用以揭露地层,并在钻孔中进行原位测试,其目的是查明场区第四系成因、分布、厚度,查明基岩种类、风化程度。钻探揭示,第四系主要由全新统人工填土、洪冲积层及上更新统洪冲积层组成,第四系厚度约7.0~11.0 米,基岩为白垩系下统莱阳群砂岩。

4.原位测试

1)标准贯入试验

主要针对黏性土、砂土、强风化基岩进行测试,目的是评价岩土体密实程度及其均匀性,为力学指标的提出提供依据。共布置标贯钻孔2 孔。

2)重型动力触探测试

主要针对填土进行测试,目的是评价其密实程度及均匀性,为力学指标的提出提供量化依据。共布置重型动力触探测试孔2孔。

5.取样

在场地内内取土样(包括原状样、扰动样、岩样)进行室内试验,提供岩土层的物理、力学指标。 

6.室内土、水工试验

在钻孔内取土样进行常规、压缩、直剪试验;取砂样进行颗分、坡角试验;取岩样进行点荷载试验并换算岩石饱和单轴抗压强度,提供岩土层的物理、力学性质指标,评价岩石的坚硬程度。

通过以上方法了解场地内地层及其岩土特性。根据青岛市区地层统一编号,按地层自上而下、地质年代由新到老的层序分述如下:

1)第四系全新统人工填土(Q4ml)

①层素填土,层厚约0.5~4.0米,层底标高约2.0~3.5米。以回填黏性土为主,夹10%~20%砂土、碎石。该层回填年限大于15 年,成份差异性较大,均匀性差,未经处理不可作为基础持力层使用。该层填土无法进行原位测试,通过探坑侧壁的现场鉴别来判断密实度。

2)第四系全新统洪冲积层(Q4al+pl)

⑦层粉质黏土, 层厚约1.5~2.0米,层底标高约0.5~1.5米。黄褐色,塑性、韧性一般,干强度一般,含砂约5%~10%。该层地基承载力特征值fak=150~160kPa,压缩模量ES1-2=5.6MPa。推荐黏聚力标准值Ck=21kPa,内摩擦角标准值Φk=11°。

3)第四系上更新统洪冲积层(Q3al+pl)

11粉质黏土,层厚约2.0~4.0 米,层底标高约-2.5~-1.5 米。灰褐色~黄褐色,具有中等压缩性,韧性较好,干强度较高。该层地基承载力特征值fak=200~220kPa,压缩模量ES1-2=6.3MPa。黏聚力标准值Ck=26.9kPa,内摩擦角标准值Φk=14.8°。

12层粗砾砂,层厚约0.5~4.0 米,层底标高约-6.0~-2.0 米。褐黄色,中密~密实;矿物以长石、石英为主,局部含10~20%黏性土。该层进行标准贯入试验1次,击数为25击。地基承载力特征值fak=280~300kPa,变形模量E0=14~15MPa

4)基岩(K1L

根据调查获取的已有工程资料可知,场区基岩为白垩系下统莱阳群砂岩。

16层砂岩强风化带揭露厚度约1.0~5.5 米,层顶高程-6.0~-2.0 米。黄褐色,细粒结构,层状构造,主要矿物为长石、石英,裂隙较发育,风化较强烈,手搓呈砂土状~角砾状。该层进行了标准贯入试验5 次,50 击贯入深度8~20cm。地基承载力特征值fak=450~500kPa,变形模量E0=20~25MPa。砂岩强风化带为散体状结构岩体,属于极软岩,岩体极破碎,岩体基本质量等级为级。

18层砂岩微风化带,揭露厚度约4.00~20.00 米,层顶高程约-8.5~-3.5 米。青灰色~灰绿色,细粒结构,层状构造,主要矿物为长石、石英,岩芯呈块状~短柱状,裂隙稍发育,表面较光滑,矿物蚀变轻微,金刚石钻进,岩块坚硬,锤击声脆,不易碎。地基承载力特征值fa=4500~5000kPa,弹性模量E=20~25×103MPa。砂岩微风化带为块状结构岩体,属于坚硬岩,岩体较完整,岩体基本质量等级Ⅱ级。

7.水位观测

2个钻孔洗孔,进行提水试验并统一观测地下水位;观测场区周边水井水位。勘察期间处于青岛地区丰水期,钻孔内揭露地下水,其类型主要为第四系孔隙水及基岩裂隙水,均属潜水,主要赋存于第1层、第12层和基岩各风化带中。钻孔及周边水井内测得地下水稳定水位埋深约为0.30~2.37 米,水位标高为2.77~4.21 米。根据长期水文观测资料分析青岛地区历年水位最大变幅2.0 米。根据调查,场区内历史最高地下水位约为5.2 米,近35 年最高地下水位约为4.7 米。

场地稳定性、建筑适宜性评价

1.场地稳定性分析

工程拟建地所处大地构造单元相对稳定,历史地震观测资料表明,自有记载以来,未发生过破坏性地震,以弱震、微震为主,且震中离散,无明显线性分布,不具备发生破坏性地震的构造条件,地震危险性主要受远场区地震的影响,场地区域上属相对稳定地块。

拟建场地地貌类型属于侵蚀堆积缓坡,地形平缓,基岩面平缓,第四系各层分布较稳定,第四系厚度约7.0~11.0 米,根据上述勘察测绘方法及地区经验推测场区内存在小型构造带,综合判定场地为建筑抗震一般地段,场地稳定性一般。

本场地位于青岛市,地震基本烈度为7 度,设计基本地震加速度为0.10g,设计地震分组第三组,特征周期值0.45s

2.建筑适宜性分析

1)土体分析评价

场区第四系厚度中等,厚度7.0~10.7 米,主要为素填土、粉质黏土及粗砾砂组成。

素填土层由于回填时间较短,尚未完成自重固结沉降,强度较低,压缩性较高,稳定性较差,均匀性差,未经处理不能作为建筑物的基础持力层。

粉质黏土可塑状态为主,强度一般,均匀性较好,工程性状一般。该层可作为荷载较小的建筑物深基础的持力层。第11层粉质黏土,可塑状态,强度中等,均匀性较好,工程性状较好。第12层粗砾砂,强度中等,均匀性一般,分布不连续工程形状较好。此上二层可作为荷载中等的建筑物深基础的持力层。

2)岩体分析评价

场地内岩体根据不同的工程性状及质量状态可分为散体状、整体块状2 种结构岩体:

散体状结构岩体为砂岩强风化带。在强烈的风化或构造作用下,岩体破碎~极破碎,裂隙发育,岩石疏松,矿物间连结力显著降低,属密实的松散介质体,在垂直荷载作用下呈现塑性材料特征,具可压缩性和软弱岩石地基工程特性,遇水易软化。砂岩强风化带厚度较小,均匀性一般。

整体块状结构岩体为砂岩微风化带。岩体属坚硬岩,节理较发育~不发育,节理面紧闭,裂隙贯通较差,岩芯呈块状~短柱状。地下水活动微弱。岩体的整体强度高,完整性好,呈现弹性材料特征,在较大的垂直荷载作用下岩体的变形微小。砂岩微风化带强度较高,分布较连续,均匀性、稳定性较好,是良好的岩石地基。

建筑物基础类型选择建议

1.对于埋深较浅的一般建筑物:如荷载较大,可采用桩基,以基岩作为基础持力层;如荷载较小,可采用天然地基,以第7层粉质黏土作为基础持力层。

2.对于埋深中等的一般建筑物:如荷载较大,可采用天然地基,以基岩作为基础持力层;如荷载较小~中等,可采用天然地基,以第11层及第12层作为基础持力层。

3.对于埋深较大的一般建筑物:可采用天然地基,以基岩作为基础持力层