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工程地质勘察案例分析

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工程地质勘察案例分析. 上海 450m 广播电视塔工程勘察. 1 、工程概况 上海广播电视塔拟建于浦东新区陆家嘴地区,北临黄浦江。上海广播电视塔总高度为 450 m ,塔体是由三个带斜撑的圆柱体和多个球体组成的特高巨型建(构)筑物,称为“东方明珠” ( 亚洲第一、世界第三高塔 ) 。. 上海东方明珠.

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工程地质勘察案例分析

上海450m广播电视塔工程勘察

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1、工程概况

上海广播电视塔拟建于浦东新区陆家嘴地区,北临黄浦江。上海广播电视塔总高度为450 m,塔体是由三个带斜撑的圆柱体和多个球体组成的特高巨型建(构)筑物,称为“东方明珠” (亚洲第一、世界第三高塔)。

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电视塔的上部结构由钢筋混凝土筒体结构与钢结构塔尖两部分组成,结构主体是三根直径为9.00 m,成正三角形布置的筒体,塔体下部设有三根直径为7.00 m,与地面交角为58°的斜筒支撑塔体,塔体上设有三个巨大的球体,各球体顶部标高为100.00 m、285.00 m和343.00 m,直径分别为50.00 m、45.00 m和14.00 m。

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拟建广播电视塔属超高、超重、超大的建(构)筑物,平面呈内、外多个圆和三角形,内圆直径40.00 m及其外切三角形部分为两层地下室,埋深为±0.00以下-18.50 m,地面以上设出塔大厅。以密集的桩基承受上部荷重,基础底面单位面积荷载达400 kPa,外圆直径100.00 m圆周上,有三根斜筒及柱基承受水平荷载。塔体受力情况复杂,对地基基础的设计要求严格。

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2、勘探测试工作

勘察的主要目的是查明拟建场地的土层分布规律及工程地质特性,为设计、施工提供各土层的物理力学性指标,为抗震设计提供各项土动力参数,对拟建场地的地质条件作分析与评价。并结合地基土的性状特征,选择适宜的基础持力层,计算桩基的单桩极限承载力,预估基础沉降量,为基础施工中降水、抗震等方面的设计方案提供依据。

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勘探孔间距一般为25~50 m,采用钻探、静力触探相结合的方法,在圆心及内、外圆周上共布置钻探孔7个,静力触探孔7个,其中外圆周上三个斜撑筒基础位置,布置3个钻孔(有一组钻探,静力触探对比孔)和4个静力触探孔,以控制整个塔基范围内土层性质的变化,同时也为可能因三个斜撑筒的位置绕圆心转动,仍有足够的勘察资料满足塔基设计的需要。勘探线沿正三角形三条中线方向布置。

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为了满足深基坑设计、施工的需要,在直径40.00 m圆周上分别布置了3个十字板 剪切试验孔及2个现场渗透试验孔。同时进行室内侧压力系数K0试验和渗透试验。

为了满足抗震设计要求,在塔中心布置钻孔,进行跨孔波速试验并在塔中心和三个斜撑筒基础处做了4个点的地微振测试,同时进行室内共振柱及动三轴试验。

勘察外业及室内土工试验自1991年3月开始至5月完成,1991年6月提交正式勘察报告。

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3、场地工程地质条件

1) 地形地貌。上海位于东海之滨,长江入海口处,属长江三角洲冲积平原,地貌单一,拟建上海450m广播电视塔地处浦东新区陆家嘴,黄浦江由南向东拐弯处,为黄浦江古河道的边缘地带,与浦西外滩建筑群隔江相望。拟建场地地势平坦,地面标高一般为3.26~4.49 m。

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2) 地基土的构成特征。拟建场地自然地面以下120 m范围内各土层均为第四系松散沉积物,整个场地主要由饱和粘性土、粉土、砂类土及砾石等组成。根据地基土的成因、结构及物理力学性指标综合分析,划分成11个层次。由于本场地曾为黄浦江河床,受水力冲刷和切割作用,上海地区原来普遍存在的褐黄色粉质粘土(俗称“硬壳层”)及第③层淤泥质粉质粘土均缺失。各土层的特征由上至下分述如下:

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第①层,填土,为近期人工堆填物,土层颜色较杂,上部夹碎砖、碎石、煤渣等杂物,下部以粘性土为主。第①层,填土,为近期人工堆填物,土层颜色较杂,上部夹碎砖、碎石、煤渣等杂物,下部以粘性土为主。

第②层,粉质粘土,场区普遍分布,为黄浦江地理位置变迁后的近代沉积物,呈褐灰色,饱和,软塑-流塑状态,含腐植物、煤渣屑,夹多量砂质粉土及粉砂团块,层理不明显,顶部含少量氧化铁条纹,偶见棕丝、朽木等杂物。本层沿水平、垂直方向土性都不均匀。

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第③层,淤泥质粉质粘土,场区缺失。

第④层,淤泥质粘土,呈灰色,饱和,流塑状态,含云母、有机质,夹薄层粉砂(粉砂单薄层厚约1~2 mm)及少量贝壳碎屑。

第⑤层,分为⑤1和⑤2分层两个分层。

第⑤1分层,粘土,呈褐灰色,饱和,软塑状态,含钙质结核、黑色有机质。

第⑤2分层,粉质粘土,呈褐灰色,饱和,软塑状态,含少量钙质结核和黑色有机质,下部夹薄层粉砂,底部夹黑色泥炭。

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第⑥层,粉质粘土,暗绿色,湿,硬塑-可塑状态,含氧化铁和腐植物,局部夹粘土.第⑥层,粉质粘土,暗绿色,湿,硬塑-可塑状态,含氧化铁和腐植物,局部夹粘土.

第⑦层,分为⑦1和⑦2分层两个分层。

第⑦1分层,砂质粘土夹粉砂,呈草黄-青灰色,饱和,中密,局部为密实,以砂质粉土为主,局部夹粘质粉土及薄层粘性土。

第⑦2分层,粉细砂,呈草黄-青灰色,饱和,中密和密实,以粉砂、细砂为主,局部夹薄层粘性土。厚度大,分布稳定。

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第⑧层,砂质粉土,本场地分布不均匀,仅见于1、3、6号孔。从整个场区看,该层为粉质粘土夹粉砂,而在拟建电视塔基础范围内,第⑧层土性主要为砂质粉土。呈灰色-青灰色,饱和,中密-密实,含云母、腐植物,夹少量贝壳碎屑。本层上部以砂质粉土为主,夹多量薄层粘性土,下部夹粉砂。第⑧层,砂质粉土,本场地分布不均匀,仅见于1、3、6号孔。从整个场区看,该层为粉质粘土夹粉砂,而在拟建电视塔基础范围内,第⑧层土性主要为砂质粉土。呈灰色-青灰色,饱和,中密-密实,含云母、腐植物,夹少量贝壳碎屑。本层上部以砂质粉土为主,夹多量薄层粘性土,下部夹粉砂。

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第⑨层,分为⑨1、⑨2和⑨3三个分层。

第⑨1分层,细中砂,灰黄色-青灰色,饱和,中密-密实,富含大小的砾石,其直径一般为3~5 mm,最大粒径8 mm。

第⑨2分层,粉细砂,呈青灰色,饱和,密实,以粉砂、细砂为主,底部夹粗砂及砾石。

第⑨3分层,粉质粘土,其厚度为2.00 m,呈灰色,饱和,可塑状态,含腐植物,夹薄层粉砂,见少量钙质结核。

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第⑩层,粘土,局部孔内缺失,呈暗绿色,湿,硬塑状态,含氧化铁和腐植物。第⑩层,粘土,局部孔内缺失,呈暗绿色,湿,硬塑状态,含氧化铁和腐植物。

第11层,粉质粘土,部分钻孔该层未钻穿,呈灰褐色,饱和,可塑状态,含云母,腐植物,夹薄层粉砂,局部夹砂质粉土及粘质粉土。4号孔内该层总厚度为13.70 m,其中88.50~92.90 m处夹4.40 m厚的青灰色粉砂层。

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第12层,分成121、122、123三个分层。

第121分层,砂质粉土,仅见于7号孔,呈青灰色,饱和,密实,夹薄层粘性土。

第122分层,粉细砂,仅4号孔钻穿,青灰色,饱和,密实,以粉砂、细砂为主,局部夹少量薄层粘性土。

第123分层,中粗砂,仅见于4号孔,未钻穿,呈灰黄色-青灰色,饱和,密实,夹砾石(砾石最大粒径约10 mm)。

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5) 地基土的物理力学性试验成果

①标准贯入试验。标贯击数N 63.5显示,场区土层分为三类:一是密实、坚硬的粉细砂(N≥50),二是中密、较硬的粉质土(20<N≤40),三是较软的淤泥质粘土、粉质粘土等(1<N<10)。一般埋深40m以下的土,硬度和密实度较大。

②静力触探试验。单桥探头测定的比贯入阻力ps显示,埋深40m以下的粉细砂,具有较高的比贯入阻力ps,其平均值为23.20。

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③波速试验。在均匀的、各向同性的、连续的弹性介质中,弹性波的传播速度,取决于介质密度和弹性参数。纵波(质点振动方向与波的传播方向一致)速度能反映介质的动力性质。一般,坚硬岩石的纵波速度为4000~5000m/s,软弱岩石的纵波速度为2000~3000m/s,土的纵波速度更低。

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第十二章 工程地质勘察

两个波速试验孔(跨孔法)选择在拟建电视塔中心附近,南北方向成一条线,孔距为5.0 m,浅层采用YB-4型电火花震源激震,深层采用LDZ1-10型电火花震源激震,用CJ-84A型充气贴壁三分量检波器接收,用ES-1225型信号增强型地震仪记录。波速测点在0~50 m范围内间隔1.0 m,50 m以下间隔2.0 m。跨孔波速试验时,先采用B1孔激震,B2孔接收,再以B2孔激震,B1孔接收,测试两次。

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④地微振测试。地基每时每刻都在微弱振动,简称微动。微动的源来自人为振动(各种机器、交通工具等)和自然力(风、雨、海浪等)。微动的周期从0.05s左右到数秒甚至更高范围,其振幅约0.05~10m,加速度为10-2~10-1伽(1伽=10-2m/s2)。通常把微动的周期在1~2s以下的,称为地微振(又称常时振动或环境振动)。

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由地微振测试获得波群波形,通过傅立叶谱分析,振幅最大值所对应的频率或周期,称为卓越频率和卓越周期。建筑物和地基都各有在自然振动时固有的周期和卓越周期。地微振测试得到的卓越周期,相当于建筑物或地基固有周期的震动的最大振幅。地基的地微振的卓越周期与地基的固有周期相当,可以用来划分地基和作抗震设计的依据。日本的新抗震设计法规定,按地微振的卓越周期可将地基分为三类。由地微振测试获得波群波形,通过傅立叶谱分析,振幅最大值所对应的频率或周期,称为卓越频率和卓越周期。建筑物和地基都各有在自然振动时固有的周期和卓越周期。地微振测试得到的卓越周期,相当于建筑物或地基固有周期的震动的最大振幅。地基的地微振的卓越周期与地基的固有周期相当,可以用来划分地基和作抗震设计的依据。日本的新抗震设计法规定,按地微振的卓越周期可将地基分为三类。

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采用CZ-S2拾震器,WLJ差容式力平衡加速度式,CZ-F放大器,SD-375频谱分析仪,根据上海450m广播电视塔建(构)筑物的基础形状,设计布置了4个地微振测点,每个测点上布置东西、南北、垂直三个传感器,同时进行三个方向的地微振测试,其测试成果如下:采用CZ-S2拾震器,WLJ差容式力平衡加速度式,CZ-F放大器,SD-375频谱分析仪,根据上海450m广播电视塔建(构)筑物的基础形状,设计布置了4个地微振测点,每个测点上布置东西、南北、垂直三个传感器,同时进行三个方向的地微振测试,其测试成果如下:

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⑤土工试验。常规土工试验按国家标准进行。土动力特性室内试验采用HX-100循环三轴仪和V. P. Drnevich共振柱仪进行动载荷试验。静止侧压力系数K0通常为计算建筑物地基在无侧向变形条件下的侧向压力的技术参数。采用K0系数自动测试仪进行K0系数试验。上海广播电视塔地基土的物理力学指标统计值如下:

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6)地下水

上海广播电视塔拟建场地浅层土中地下水属潜水类型,主要补给来源为大气降水、地表径流。在野外勘察期间于钻孔中测得地下水静止水位一般为0.55~1.70m,相应的绝对标高为3.33~2.78m。

对场区浅部土层的渗透性分别进行了室内渗透试验和野外简易抽水试验。室内测得的垂直和水平渗透系数如下:

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4、地基土的分析与评价

拟建上海450m广播电视塔塔体上部结构总荷载约为1285 MN,其中出塔大厅以下部分荷载为450 MN,基础单位面积荷载为400 kPa,对地基土强度和变形要求较高,拟采用桩基。

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1) 桩基持力层的选择

第②层粉质粘土为新近沉积物,土的结构较松,具气孔,其临塑荷载f值约为85kPa。

第④层淤泥质粘土,含水量很高,最高达59.7%;孔隙比大,压缩系数a1-2大,属高压缩性土,其临塑荷载f值为65kPa。

第⑤1和⑤2分层含水量高,孔隙比e大,压缩性中,临塑荷载f值分别为75~85kPa。

第②、④、⑤1和⑤2层均不能满足上海450m电视塔桩基持力层的要求。

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第⑥层粉质粘土的静力触探比贯入阻力ps平均为2.58MPa,临塑荷载f值为190kPa,在本地区可作为一般建筑物的桩基持力层,但不宜作为对地基土要求较高的450m电视塔的桩基持力层。第⑥层粉质粘土的静力触探比贯入阻力ps平均为2.58MPa,临塑荷载f值为190kPa,在本地区可作为一般建筑物的桩基持力层,但不宜作为对地基土要求较高的450m电视塔的桩基持力层。

第⑦1层砂质粉土夹粉砂,厚1.5~6.0m,其标贯击数N平均值为46.5击,静探比贯入阻力Ps平均值为10.39MPa,因⑦1层顶板和底板埋深起伏较大,且厚度分布不均匀,亦不适宜作为拟建电视塔的桩基持力层。

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第⑦2层粉细砂,场区分布较稳定,土层厚度大于20m,其层顶标高为-39.71~-43.78m,⑦2层顶板有一定起伏,但厚度较大,土质性状良好,N平均值大于50击,宜选作拟建上海450m电视塔的桩基持力层使用。第⑦2层粉细砂,场区分布较稳定,土层厚度大于20m,其层顶标高为-39.71~-43.78m,⑦2层顶板有一定起伏,但厚度较大,土质性状良好,N平均值大于50击,宜选作拟建上海450m电视塔的桩基持力层使用。

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2) 桩类型的选择

根据勘察场地工程地质条件、拟建电视塔工程的性质和已有的桩基施工经验,建议采用0.5m×0.5m规格的预制钢筋混凝土方桩,结合地层剖面分析,由于⑦1和⑦2两土层顶板有一定的起伏,当采用统一的桩长时,宜使桩尖进入第⑦2层内1.50m~2.00m为宜。

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3) 单桩极限承载力估算

根据土的三轴(UU)抗剪强度Cu值,十字板剪切强度Su值,无侧限抗压强度qu值及静探比贯入阻力ps值,并参照上海市《地基基础设计规范》标准综合考虑,提出各土层的桩周土极限摩阻力fi值与桩端土极限端承力fp值如下:

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5、结论与建议

1) 由于拟建上海450m电视塔属超高、超重、超大建(构)筑物,荷重大,而且有水平力(风载等)的影响,受力情况复杂,对地基基础设计要求严格,根据钻探、静探及标贯试验综合分析,选⑦2层作为拟建电视塔桩基持力层较为适宜。鉴于本场地⑦2层的顶、底板深度及标高有一定差异,建议将桩尖置入⑦2层1.50~2.00m为宜。

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2) 若⑦2层作为拟建电视塔的桩基持力层,有利条件是该层厚度大,砂层分布均匀,就整个桩基作为一个桩群实体来说,由于⑦2层土层很厚,并且土性均为密实的砂类土,可满足强度要求并有利于控制沉降。

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3) 拟建电视塔±0.00的设计标高为9.80m,基坑开挖深度为-18.50m(设计标高起算),桩基承台底板的绝对标高约为-8.70m。基坑开挖从自然地面以下约12.70m左右,基坑开挖时宜放坡,二次开挖,基础底面以上周围土层主要为第①层填土和第②层粉质粘土(江滩土),当基坑开挖时须做好板桩支护和降水工作,以防基坑周围土体滑塌。

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