| zgjy1992 |
2010-12-20 14:13 |
山地住宅小区有关岩土工程设计的若干经验
山地住宅小区有关岩土工程设计的若干经验
付文光，李鑫权，卓志飞
（中国京冶工程技术有限公司深圳分公司，深圳，518054）
摘 要：山地住宅小区建设往往会产生高边坡、高填土等岩土工程问题，有一些细节或作法对解决这些问题很重要，但常常不被了解或被忽视了。文中提供了不同设计阶段一些有关岩土工程问题的考虑方法和处理经验。
关键词：山地住宅 岩土工程 设计
中图分类号：TU4 文献标识码：A 文章编号：
Some experiences of geotechnical design about mountainous residences
Fu Wenguang，Li Xinquan，Zhuo Zhifei
( ShenZhen Branch of China JingYe Engineering Corporation Limited Company, ShenZhen, 518054 )
Abstract: There are some high slope, high-filling and other geotechnical problems usually when residences are built on mountanious terrain. Some details or methods for solving these problems are very important, but often are little understood or ignored. They are recommended in the different design stage in this article.
Key words: Mountanious residences , Geotechnical engineering, Design
1 概述
随着城市建设用地的日益减少，越来越多的住宅小区修建在山地（包括丘陵，下同）地区。住宅小区一般占地较大，区内建筑成群，往往要在较大区域内形成高切坡、高填方等，产生了较多的岩土工程问题。有些困难、复杂的问题，如果能事先预见到、并采取了有效的预防措施，会变得容易、简单些，能起到事半功倍的效果，不过对于那些开发商、建筑专业及经验不丰富的岩土专业设计者来说，这是很难做到的。如果对容易忽视的一些重要细节或事项没有给予重视或做了不恰当的选择，有些并不复杂的问题也可能会变成难题，要花更大的代价去解决，甚至给工程造成一定的损失。不同的工程阶段，应重点考虑的问题不同，需要相关人员有相应的处理经验。
2 建筑方案设计阶段应考虑的岩土工程问题
(1) 在建筑方案设计阶段岩土工程师就要尽早介入
小区的规划设计及方案设计一般由规划或建筑专业的设计师完成，通常流程是：在规划及方案设计阶段，结构、岩土、机电、园林等其它专业工程师较少介入，设计方案在得到政府建设规划设计行政主管部门批准后，再组织其它专业进行下一步的初设、扩初及施工图设计。在平地等地形地质条件简单时，这种作法并无不妥，但在山地，这种作法通常会带来一定的风险。由于建筑设计师往往缺少岩土经验，在建筑总平面布置上可能会形成一些不合理的高填方、高切坡，处理起来往往造价高、难度大、工期长、安全风险大。岩土工程师通常在设计方案报批后才介入工程设计，发现这些问题后，开发商进退两难：要么重新规划设计重新报批，要么花较大的代价来处理。广东增城永和余家庄某小区B地块，原方案总平面图中某条小区道路离建筑红线最近仅约1m，而该路堑边坡高度大于20m，岩土工程师进行边坡设计时发现根本无法进行边坡支护，该地块最终只能重新进行方案设计重新报批，给开发商造成了至少半年的工期损失。深圳观澜观湖园小区设计时岩土工程师介入较早，原二期设计方案在场地东北角形成长约150m、高约18m的填方边坡，上面修建六栋多层建筑，岩土工程师估算边坡支护工程造价近一千万元，开发商测算利润后认为不合算，送报批之前及时修改了方案，没有造成任何损失。众所周知，设计阶段是决定工程成本的关键阶段，高切坡、高填方、土方平衡、基础选型是山地住宅项目岩土工程设计四大基本问题，岩土工程师介入得越早，对解决问题越有利，越能减少浪费成本的机会，可惜大多数开发商及建筑设计师没有这种经验。
(2) 方案设计时要进行土方平衡计算
方案设计阶段土方挖填平衡计算的主要目的之一，是用来帮助总图竖向设计，达到建筑物合理布局及工程造价最低之目的。土方平衡计算成果反馈给建筑设计师，建筑师调整竖向设计，然后再进行土方平衡计算，如此反复。土方平衡计算时要注意：①植被层要被铲除，地表下一定深度内的土中因含有植物根系，通常也要被挖除，且一般不能用于回填。该耕植层厚度随植物种类的不同而异，通常可按草本植物0.5m、灌木1.0m、乔木2.0m计算。水体底部通常会有一层软泥，也需挖除外运。②要考虑建筑物基础及基坑开挖产生的土方。山地地基土承载力一般较高，建筑物采用天然地基的可能性较大，由于建筑物抗滑移、抗倾覆、抗震等要求，需要基础有一定的埋置深度，故天然地基的土方开挖量较大。深圳大鹏鹅公吓某小区，场地交通不便，土方外运成本很高，开发商要求方案设计尽量做到土方平衡。因种种原因设计者没有估算建筑物基础开挖产生的约3m3土石方，开发商最终只能外运，在工期及经济上均造成了损失。③要考虑到土石方的松散系数。土方挖出后从实方变为虚方，方量加大，土的最初松散系数一般1.1~1.3[1]，通常可按1.3估算；石方一般1.3~1.5，通常可按1.5估算。虚方运到填方区回填，夯击或碾压处理后又转化为实方，压实土的密度很难达到原状土的密度，土的最终松散系数一般1.0~1.1，通常可按1.1估算；石方一般1.1~1.3，通常可按1.2估算。
(3) 要尽早、准确地进行边坡勘察、地质测绘及地形图测绘
①方案设计阶段就应对沿红线的边坡进行边坡勘察、地质测绘及地质调研，粗略判断边坡的稳定性，评估不良地质现象，以帮助建筑总平面合理布置。②由于边坡上植被层较厚较密搬移钻机困难、水源补给困难、有时岩质破碎取样困难等原因，施工难度大、效率低、施工人员不愿干，容易造成勘察成果不准确甚至造假。深圳平湖凤凰山南坡某小区，边坡勘察成果不准确，致使边坡支护设计不合理，施工过程中边坡发生中型滑坡，使开发商蒙受了巨大损失。③地形图是山地工程最重要的设计基础资料之一，是建筑总平面设计、边坡支护设计、土方平衡、地基处理设计、基础选型等的重要依据，地形图的准确与否，直接影响着设计质量。有时相关部门提供的地形图是未经修测的航拍图，图示高程是植被层顶面高程并非边坡坡面高程，植被层较高时可能相差较大，故在使用前需对地形图进行修测。前例小区边坡施工时发现地形图比实际高程高1~5m，给工程造成了较大经济及工期损失。地形图修测时要对水体进行调查，测量水深及了解水底以下地质资料。
(4) 设计方案总平面要给边坡支护留出足够的空间
开发商为了利润最大化，希望用尽红线内每一寸土地，所以小区沿红线往往会形成高边坡。通常情况下，坡顶坡脚要设置截洪沟、排水沟等排水措施，截洪沟离坡肩要有一定的距离以保证坡肩土不坍滑，边坡需要一定的坡率及中间平台，等等，建筑师在平面上要考虑到这些因素，在建筑物（包括道路）与红线之间为边坡及排水措施留出足够的空间。深圳西丽塘朗山某小区，建筑物离红线仅2m多，红线外为中风化碎裂结构岩质边坡，最大高度17m，需爆破重直开挖。岩土工程师进行边坡支护设计时，建筑已进入施工图设计阶段，无法再调整平面布置，故边坡支护只能采用预应力锚索＋抗滑桩方案，不能采用较为经济的格构式锚索挡墙方案，工程成本增加数千万元，开发商懊恼不已。
(5)高填方区边坡，应将高挡土墙与高架结构进行方案经济对比
需要填高后才能利用的场地，通常采用挡土墙＋填土方案。但挡土墙有一定的经济高度，超过后工程造价增幅迅猛，故在土质地基上不宜修建过高。可考虑采用桩柱梁板高架结构，在架空板上填土或直接作为建筑场地使用。东莞长安山水城某栋别墅的花园正好位于山谷，原方案在谷口修建高约16m的挡土墙，谷内坡洪积物深厚，挡土墙造价昂贵，经方案对比，最终采用了高架方案，节省了约一半造价。高架方案在填土不高时慎用。深圳南澳洋畴湾某小区，设计时没有进行方案对比，部分回填高度6~8m的区域也采用了高架方案，后经与挡土墙方案相比，工程造价增加了约230元/m2。按珠三角地区经验，回填高度不超过8m时，挡土墙方案较为经济；超过12m后，高架方案一般较为经济。
3 土方平整设计的几点经验
为了加快工程进度，开发商通常要求岩土工程专业在施工图设计前增加土方平整设计，开发商在建筑（包括结构、机电等专业）施工图设计的同时，可进行土方平整设计及施工。建筑施工图设计、提交、报批及土建招标期间，场地土方工程也基本完成，开发商不用等待，可立即进行土建施工。在土方平整设计阶段，高切坡、高填方区域已大体确定，但边坡的平面及竖向位置尚不能明确，故形成的边坡一般为临时性边坡，应以无支护放坡为主；地基土下层一般为永久性的，表层以后要二次处理，多为临时性的。土方平整阶段的注意事项有：①土方尽量少挖少填，石方争取一次到位以尽量避免二次爆破。为此，土质地基的土方平整设计标高应高于建筑设计标高0.5~1.0m作为预留层，一则可保护地基土不受扰动，二则可给建筑物竖向设计留出一定的调整余地。因已有预留层，为节省工程造价，地面可考虑不采用素砼垫层等防护措施。如采用砼垫层，最小厚度不应小于5cm，否则很难施工。石方一般需爆破开挖，为了尽量避免在土建施工期间二次爆破，石方地基土方平整设计标高可按建筑设计标高控制。②做好排水措施。山地地区汇水面积较大，雨水量较大，水流较急，而土方平整阶段永久性截排洪设施一般尚不能完善，需要结合临时性截排洪措施以妥善处理雨水。临时边坡的坡顶坡底均宜设置排水沟。挖方边坡为原状土，抗雨水冲刷能力相对较强；填方边坡表面土体松散，易出现坡面沟蚀，更要防止雨水自上而下冲刷。此外，由于植被层已被破坏，水土流失不可避免，为了防止泥土被带入河道或市政管道，有时需要设置较大的沉淀过滤设施。③可考虑采用植草绿化作为坡面防护措施。边坡表面临时防护一般采用挂网水泥砂浆，但填土边坡水泥砂浆有个缺点：由于填土不可能很密实，雨水从坡顶渗入后，容易使砂浆面层脱空失效。在深圳等多雨地区，选择合适的草种，2~3周即可成形起到防护作用。草皮护面也要防止雨水直接冲刷，尤其在成形使用前。④填土地基表层质量指标不宜过高。小区用地大体分为建筑物、道路及绿化用地三部分，建筑物要从建筑设计标高向下开挖埋置基础，道路通常要从路面设计标高向下开挖埋设管线及设置结构层，地表土均要被破坏；而绿化用地的表层土不需要有较高的压实度，压实度高反而不利植被生长。通常土方平整设计标高2~3m以内可采用较低的地基处理设计指标，以下采用较高的指标。统一采用较高的指标会造成浪费。
4 岩土工程设计的几点经验
①高边坡支护采用大承载力预应力锚杆（索）时，重点解决锚头防腐难题。建筑边坡通常为永久性工程，要求材料耐久性较好，而永久性预应力锚杆施工的最大难点即锚头的防腐。在空气湿度较大的地区，在高应力作用下，锚头与自由段之间的杆体材料容易锈蚀断裂，故预加应力不宜过大，要允许边坡发生小变形。深圳龙华某工程预应力锚杆防腐施工没做好，锚杆挡土墙1992年完成，仅10年，锚杆就因锚头处锚筋锈断而失效，导致边坡倒塌。香港地区很多锚杆挡土墙都不施加预应力。②裂隙发育的边坡（包括填土边坡）慎用喷射混凝土护面，如采用，边坡宜设置深层排水孔。土体中裂隙是地下水渗透的通道，在水头作用下地下水从砼面层下渗出，携带走砼面层下细小土颗粒，使砼面层下出现空隙。空隙越来越多、越来越大，渗进去的水量也越来越多，携带走的土粒也就越来越多，使砼面层与土体逐渐脱开，最终失去防护作用。雨水可以从高处、远处向下渗透，再从面层下渗出，故很难阻止。深圳盐田下洞某边坡采用喷锚支护，完工后仅一年多，砼面层下已多处被雨水淘空，边坡出现险情。二次处理又采用喷锚支护，几年后出现了同样现象。最后采用框架式锚杆支护＋片石护面解决了问题。此外，喷射砼不美观，很难与周边环境协调，吸附在上面的攀缘性藤蔓植物容易被晒死。③岩质边坡一般需爆破开挖，爆破对锚杆（索）、抗滑桩、毛石挡土墙、钢筋砼梁及挡土墙、喷锚等支护结构的影响不大，但对碎裂状结构及散体状结构的岩体、毛石格构梁等有较大影响，为保护边坡，常需采用控制爆破工艺。控制爆破的技术关键之一即是不耦合装药，但因不耦合装药工艺稍复杂、效率稍低等原因，很多爆破公司不愿采用。IV类岩体[2]的岩质边坡应设置一定的坡率，不宜小于0.3，越大越好，以减少落石或崩落破坏的机会、减轻爆破震动的不良影响。结构类型不同的岩体对爆破震速的敏感程度不同，很难定量，如需确定，应现场测试。④支护设计计算时要考虑到施工中可能会发生的最不利工况。例如，采用格构式锚杆挡墙逆作法施工时，通常要求分层施工，每层锚杆张拉后再开挖下一层土方，施工下一层锚杆、腰梁，这样做工期较长，且竖向格构梁的钢筋连接困难，故施工中很难做到。常见作法是：边坡通常会按8~12m的竖向间距分为数级，每级之间设置平台，施工时以级为单位，每级边坡的锚杆完工后整级施工格构梁，然后整级张拉锚杆。设计时要考虑到这种不利工况下边坡的稳定安全系数。⑤边坡支护设计前现场踏勘时，要仔细观察山谷、凹形坡等低洼处有无坡积物、坡积物的状况如何，需要时补充勘察。坡积物的土力学性质一般较差，不如原状土，但因为分布面积往往不大，在边坡勘察时易被遗漏。深圳宝安尖岗山某边坡，某处看似缓坡其实是坡积物，勘察设计时没有被探明，按原状土进行设计施工，结果修坡时发生了滑坡。⑥不要对填土质量期望太高。土石料种类、粒径、级配、压实度等都很难达到理想状况，要根据实际地质条件估算填土质量指标。山土高处含水量较低，一般小于最优含水量，大面积挖运、回填时，基本上做不到洒水增加含水量，故填土压实度不会很高，很多时候压实系数能达到0.9就已经很不错了。低洼处土壤含水量较大，将其晾晒至最优含水量也是很困难的。故填土的综合内摩擦角不会很高，边坡如采用重力式挡土墙支护，应降低综合内摩擦角取值，或提高挡土墙稳定安全系数，当墙较高时尤其要如此。一些资料[3]中提供的填料综合内摩擦角取值是以填料的压实系数较高（一般要求为0.94~0.97）为前提的，不能机械搬用。⑦高填方边坡慎用仰斜式挡土墙。仰斜式挡土墙墙身向填土方向倾斜，造成墙后一定宽度范围内的填土很难压实或夯实，填土的实际主动土压力偏高，对挡土墙的安全不利。深圳布吉三联村某小区边坡，采用8m高仰斜式挡土墙支护，墙背填土较松散，填完后不久大雨，填土严重下沉，挡土墙严重开裂，不得不对填土进行二次地基处理。⑧经强夯法处理的高填方地基慎用独立基础等浅基础型式。分层碾压法及强夯法是山地填土最常用的地基处理方法，因为施工速度快、设备及工艺简单、施工方便（可不用电）、工程造价低、对填料要求低等优点，强夯法是处理大面积深厚填土的首选。然而强夯法也有较大缺点：一、强夯后的地基土均匀性不好。夯点下地基土承载力、压实度、压缩模量等力学指标相对高，夯点间较低；表层（强夯起夯面）指标高，越向下越低。二、建筑物及道路范围内地表土要挖除，强夯效果最好的表层土反而用不上，造成浪费。如填土较厚需分层强夯时，可采用下层强夯法＋表层碾压法处理，降低碾压技术要求，有时能取得较好经济效果。三、强夯后的地基土仍会产生沉降。山地地势高差变化大，同一栋建筑物下填土的厚度可能变化较大，薄厚不均的填土会产生不均匀沉降。四、山地填土地基易在局域范围内产生不均匀沉降。对某一小范围的挖方区来说，土料粒径一般较为均匀、单一，作为填料，可视为级配不良。山地挖方强风化、中风化岩石较多，易在填方区小范围内形成填石层。强夯时，表层的石块被夯锤直接击碎形成细小颗粒，形成土石混合料，较为密实；而下层石块及夯点间石块被随深度增加越来越弱的夯击能击碎成为碎屑或碎石，其粒径并不会很小，尤其是硬质岩石很难被击碎，碎屑间存在着较大的空隙。这种地基土承载力高但孔隙率大。下雨时，碎屑在地下水的作用下排列得更紧密，同时表层的土颗粒随雨水向下运动，渗入填充到碎屑间的空隙，下层土得到进一步密实，但造成了地表土下沉开裂。填石层在场地内的分布具有随机性，故对于整个场地而言，这种不均匀沉降有随机性。深圳宝安库坑某小区深厚填土采用强夯法处理，几场雨后地表多处出现沉降裂缝。沿裂缝向下开挖，发现每条裂缝下面几乎都有局部填石区，而填土区或土岩混合区地表则没有沉降裂缝。防止这种情况发生的有效措施之一就是分层回填，把同一土源的土石料分散摊铺，每层厚度不宜超过2m，同时要考虑上下层土料的粒径搭配。此外，如果对拟作为建筑地基的填土区域进行沉降监测，有时大大有助于基础选型。五、为了防止填土边坡被夯塌，坡肩1~2m范围内一般不布置夯点，故坡面下填土较为松散，边坡易沉降、失稳及产生沟蚀破坏。填土时向边坡外多填3~5m，强夯后再将多余的填土挖除，可以解决这个问题，但会增加工程造价。⑨坚持动态化设计。山地地质变化大，有限的勘察孔及工程地质测绘不可能揭露出所有地质状况，岩体特征、尤其是结构面特征要开挖之后才清晰可见。一般的开发商、施工及监理人员对工程地质的知识不够丰富，故应要求勘察人员常去现场，将开挖暴露出来的地质特征与原勘察报告对比，如有不同，及时反馈给设计者进行设计复核及修改。⑩还有一些细节供岩土设计经验不足者参考，如：边坡分级时应综合考虑施工临时道路；排水孔内不要设计有砂滤层，因钻孔仰斜很难填入；滤水管外不要设计金属过滤网，金属网腐蚀很快；急流槽内宜设置踏步，以供维修人员上下；岩质边坡如要绿化，坡率不宜过陡，否则难以固土；格构梁嵌入土中不宜过深，斜坡上的深土槽容易坍塌；小区道路爆破开挖深度要考虑到管线埋深；高层建筑物如靠近边坡，因其基础埋深较大或设有地下室，边坡设计时要考虑总支护高度中应加入基坑深度；斜坡上填土时，雨水会从填土中渗透到斜坡面上然后沿坡面排走，因此为防止填土失稳，可将斜坡修成台阶状；填土较薄时不宜采用强夯法加固，否则容易造成下伏原状土被扰动，承载力降低；岩质地基爆破开挖时，要外运石方、填回土方，独立基础的工程造价不一定比桩基础高，应进行方案的经济对比分析；填土薄厚变化较大时宜采用桩基础以避免较大的差异沉降；挡土墙与独立基础距离较近、先修建挡土墙时，要预估到独立基础的埋深，挡土墙基础埋深一般不应浅于独立基础埋深；等等。
5 结束语
总之，山地住宅小区的岩土工程有一定的特殊性，在不同的工程阶段，表现出不同的特点。岩土工程相关人员，主要是岩土工程师，应能够抓住不同阶段的特点，提出相应的解决方案。一些具有前瞻性的预案，对工程大有裨益。
参考文献(References)：
[1] 国家标准. 工业企业总平面设计规范(GB 50187-93) . 北京：中国计划出版社, 1994.
[2] 国家标准. 岩土工程勘察规范(GB 50021-2001). 北京：中国建筑工业出版社，2001
[3] 行业标准. 建筑地基处理技术规范(JGJ 79-2002). 北京：中国建筑工业出版社，2002
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