高层建筑岩土工程勘察勘探孔布置及深度确定

时间：2024-05-18

杜朋

（上海京海工程技术有限公司，上海 201208）

随着中国城市化建设持续高速发展，现高层建筑已成为工程建设领域内一种主流趋势，相比较普通建筑，高层建筑岩土工程易受到工程地质条件的影响[1]，因此，在勘察期间，能够准确查明场地工程地质情况对保障高层建筑整体结构的稳定性显得尤为重要。岩土工程勘察成果不仅是影响勘察质量的重要环节，也是为后续设计、施工提供经济合理参数的重要支撑。在接到建筑工程勘察项目意向后，首先要确定建设工程勘察方案，勘察方案的合理性决定着勘探工作量，也显著影响着岩土工程勘察质量。

勘探孔布置和深度确定是岩土工程勘察中非常重要的一环，也是提高勘察技术工作质量的需要。在岩土工程勘察阶段，通过根据规范缩短勘探孔之间的距离，加深勘察点深度的方式来了解现场施工环境是不可取的，既增加了勘探工作量和勘探工作的周期，同时也降低了技术工作布置的科学性。勘探孔的布置间距和勘探孔深度与场地土层分布特性密切相关，勘探孔的合理布置决定场地土层的完整性，而勘探孔深度的合理确定能够在探明地基土层情况下减少勘察工作量。因此，勘探孔布置间距和勘探孔深度应共同发挥作用，以查明建设场地的地质情况。

本文主要对勘探孔布置、地基压缩层深度计算及场地勘探孔深度确定进行了详细分析，本文的论述对高层建筑下岩土工程勘察的方案确定具有借鉴意义，同时为岩土工程勘察工作者确定勘察方案提供了多种思路。

1 场地勘探孔布置

场地勘探孔布置的主要目的是保证勘探孔所揭露地层能准确反映场地土层分布特征及地下水存赋形态。对于高层建筑，规范规定勘探孔间距为15～35 m，当上层建筑要求等级较高时，勘探孔间距应当取小值，工程经验及工程案例表明，此方式总体上是符合工程要求的，但勘探孔间距与场地土层的复杂程度并无对应关系，钻孔间距不能保证揭露场地土层结构与有关参数在水平和竖直方向上的变化规律，仅考虑了高层建筑类型和等级。

在勘探孔间距布置时，由于高层建筑总平面内在层高、荷载分布和结构形式上变化很大，应结合设计单位勘察技术要求，对拟建工程高差变化大及轴力大的部位应缩小勘探孔间距，同时在建筑角点上以及上部荷载附加压力较大的部位应留有勘探孔。一、二级的基坑勘探孔间距为20～35 m，同时应考虑坑外周边地层的变化，搜集周边建（构）筑物的勘察和施工资料，适当增补勘探孔。对带有裙房或外扩地下室的高层建筑摩擦型桩勘探孔布设，应与主楼一致，勘探孔间距取值为20～35 m，对端承桩勘探孔按柱列线布置，勘探孔间距取值为12～24 m。

在勘探期间，应综合建筑要求与拟建场地特征2个方面进行场地勘探孔布置，当场地土层突变较明显时，应当缩小勘探孔间距，上部载荷较大时从整体上布置符合规范要求的勘探孔，同时应以事实为依据，不断变更完善方案，以查明场地工程地质情况，消除勘察不明带来的工程安全隐患。

2 地基压缩层深度计算

在上部荷载作用下地基土必然要发生变形，考虑到地基土受力变形的复杂性，规范从总体上来控制地基土的受力和变形，主要从建筑条件和基底荷载分布2个方面计算地基压缩层的深度。实际上，场地勘探孔深度的确定就是以地基压缩层的深度为依据。

2.1 应力控制法

在地基下部，始终存在一个最小垂直深度，使得荷载附加压力不能够克服土颗粒间结合力，该深度以下的土颗粒之间可以达到没有相对移动，该临界深度为地基压缩层深度。

在自重应力作用下，土层完成了固结与沉降变形，建造高层建筑带来的附加应力会重新引起新的沉降变形，土层深度越大，附加应力随着深度增加以递减函数形式开始减小，当场地中高压缩性土层占比较大时，高压缩性土附加压力取等于上覆土层有效自重压力10%的深度，均匀性和整体性良好的一般性土附加压力取上覆土层的有效自重压力20%的深度。由其引起的沉降值在总的沉降变形中的占比可忽略不计，因此以地基附加应力与自重应力的比值为0.2 或0.1 作为地基压缩层深度标准[2-3]。

对高层建筑进行岩土工程勘察，以应力作为主控因素对地基压缩层进行计算相对比较方便、实用和简单。但存在不足之处，即单独考虑荷载于地基压缩层深度之间的关系，忽略土层的分布与压缩特性，存在软弱下卧层或土层压缩模量较小时，地基压缩层深度计算与实际情况会有偏差的问题。

2.2 应变控制法

将地基和基础作为一个整体进行考虑，地基压缩层计算深度决定于基础型式和宽度、地层结构和土层压缩特性。目前国家标准地基基础规范是应变控制法[4-5]，对地基进行变形验算时，基础最终沉降量S按分层总和法确定，为：

式（1）中： ΔS′n为计算深度向上1.0 m 土层的计算变形值； ΔS′i为在计算深度内第i层土的计算变形值。

当向上取厚度Δz的土层计算变形值不超过计算深度范围内各土层计算变形值之和的0.025 倍时，其变形值大小对土层的变形影响很小，可忽略不计。但应变控制法受基础宽度影响较大，当基础宽度大于10 m时，计算结果准确性更高。

应变控制法综合考虑了应力、基础大小、总体变形、下部土层分布。该方法计算比较复杂，并且在勘察阶段由于设计条件不明确无法实施。目前该方法具有实践可靠性，用于高层建筑地基压缩层计算深度的唯一可靠判据，同时也是最终确定地基压缩层计算深度衡量的标准。

2.3 经验公式法

经验公式法作为一种简单且应用广泛的确定勘察钻孔深度的方法，其与实践经验结合较为紧密，直接反映现场实际特征较强。该方法简单明了，但具有一定的主观性，忽略了地基土和荷载因素的影响，且不适用于基础宽度较大的情况。

研究人员根据实测资料发现地基压缩层深度与基础大小之间存在一定的变化规律[6]，利用回归方程得出了地基压缩层深度与基础宽度的经验公式，而何颐华等[7]认为方形与矩形基础地基压缩层深度与基础宽度和土的类别有密切关系，通过分析进一步得到了地基压缩层深度经验公式：

式（2）中：Zm为根据经验公式法确定的基本压缩层深度；b为基础宽度；Zn为地基压缩层换算深度；ξ为基础长宽比折减系数；β为地基土土类别调整系数。

该方法可作为选取勘察孔深度的一种界限，结合由应力应变理论来确定勘察孔深度的方法，判定勘察孔深度合理性。

3 场地勘探孔深度的合理确定

由于高层建筑钻孔较深，正确地确定布孔深度对建筑安全以及勘探费用和勘探周期都有很大影响，鉴于岩土工程勘察是以规范规程为依托，并且服务于后续的设计与施工，勘探孔深度大小需考虑规范规程，除此之外，建设工程设计是否需要该深度处参数的要求也是一个容易被忽略的方面。设计是完成勘察工作最重要的一步，勘察人应当将拿到的设计方案作为勘察方案大纲，并结合具体的场地条件、建筑条件和地区经验，全程兼顾设计的方案变更，以求确定出最符合设计要求同时又合乎规范规定的合理经济的勘探孔深度。

3.1 天然地基勘探孔深度

对于场地内门卫、垃圾房等设备用房以及荷载小、对变形要求不高建（构）筑物，常采用天然地基；经过地基处理的人工地基，如预压地基、换填地基、压实地基、注浆加固地基，同样按天然地基考虑。

对于采用天然地基，高层建筑控制性勘探孔深度应大于天然地基压缩层深度[2]。天然地基压缩层深度可由上一章节的方法来确定，按地基压缩层计算得到的控制性勘探孔深度基本上能够满足地基变形验算要求。一般勘探孔深度为基础埋置深度和0.5～1.0 倍基础宽度的和，并且应满足小于2/3 压缩层厚度，土较软情况下取大值，同时应保证孔深已达到稳定地层。

3.2 桩基勘探孔深度

高层建筑自重较大，下部地基土主要受到上部荷载产生的附加压力的影响，地基的稳定性决定了上层建筑的安全性。荷载的大小与建筑高度有密切关系，建筑高度越大，场地地基土需抵抗荷载的能力越强，对地基土的承载力要求越高。

场地拟建房屋的区域，若考虑采用天然地基，已无法承受上部荷载作用，可能会引起地基发生大面积沉降，最终因地基失去承载力而导致建筑倒塌。因此，高层建筑桩基础是解决此类问题的关键。桩基础勘探孔深度确定是岩土工程勘察的核心，高层建筑下桩基础勘探孔深度的确定首先要确定地基压缩层厚度，桩基勘探孔深度只需将桩基地基压缩层厚度与基础埋置深度相加即可得出。事实上，桩基地基压缩层厚度只不过是增加了桩长的影响，把承台底的附加压力等效到桩端，仍可采用分层总和法计算桩端以下土层的压缩部分[8-9]，桩端以下地基压缩层深度确定于桩端平面下的附加压力有关，可由应力控制法确定：

与此同时，在勘察阶段尚不明确上部结构荷载的条件下，可按照高层建筑结构的类型对荷载标准值和梅花形布桩预估单桩荷载进行取值。同时依据场地的实际地层情况设计桩径和桩长，估算有效桩长范围内平均桩端承载力及侧摩阻力，估算出单桩承载力。需要特别关注的是，在确定桩径和桩长时，应保证单桩承载力必须大于单桩荷载，同时确保桩端在稳定的持力层上，最后依据估算的桩长，确定桩基勘探孔深度，一般勘探孔深度=基础埋深+预计桩长＋3～5 倍基础宽度且不小于3 m，大直径桩不小于5 m，控制勘探孔深度=基础埋深+预计桩长+桩端平面下2～3 倍基础宽度。再与用应力比法验算勘探孔深度做比较，选较大值作为桩基勘探孔深度。

3.3 基坑勘探孔深度

当基坑开挖深度大于3 m 时，应进行基坑工程勘察工作。一般基坑工程通常考虑上部建（构）筑物，深基坑和纯外扩地下室基坑工程需考虑抗浮，应采取抗浮措施，抗浮桩或抗浮锚杆长度一般为10～15 m。因而勘探孔深度的确定应依据设计对抗浮力的要求来综合确定。基坑勘探孔深度应满足基坑支护体系和工程降水设计的要求[10]，主要涉及基坑边坡整体稳定性、支档结构嵌固稳定性、地下水渗透稳定性、坑底隆起稳定性等验算。基坑勘探孔深度按2 倍基坑深度确定可满足要求，但在一些软土地区，需要布置大角度锚索需要区别对待。因此，需要比较各种情况，最后按最不利条件确定基坑勘探孔深度。

3.4 液化勘探孔深度

为了判定场地液化等级，常需布置场地液化判别钻孔进行探测，勘探孔深度应能够直接反映土层的液化程度，同时液化判别钻孔深度应满足抗震设计的要求[11]。国家规范规定勘探孔深度应保证液化判别的深度，用于液化判别的勘探孔深度为15 m 和20 m，当建筑性质为高层建筑，其上部结构应进行抗震验算。因此，液化勘探孔深度应为20 m。