郑州某高层建筑地基（含防空洞）的选择及处理

刘海学LIU Hai-xue

（中化地质河南局集团有限公司，郑州450011）

1 郑州市地质背景

1.1 区域构造

郑州市地处郑汴坳陷的西南部，与嵩山隆起衔接。因此郑州处于隆起与坳陷的过度地带。新生代以来坳陷区的构造运动，虽以大幅度的沉降运动为主，但沉降幅度在空间上是不一致的，总的趋势是东北大，西南小。

晚第三纪发生大面积的沉陷，整个华北平原连成一片。上第三系和第四系厚度由西南向东北逐渐增加，荥阳贾峪北为50m，郑州市内为600-1000m，到东北部增加到2800m。第四系上更新统底界深度在郑州市西南不足30m，而市区东北枣庄可达百米。全新统在市区东部厚度20-30m，其他地段没有沉积。

1.2 近场构造

老鸦陈断层北起黄河铁路桥，从邙山东侧通过，向南延伸经过省体育馆东缘穿过郑州市区。地形地貌上表现为邙山东侧为一陡坎，西为黄土丘陵，东为一望无际的平原。第四系上更新统与全新统地质界线基本沿此界限分布。该断层控制了下第三系地层的沉积，断距200-400m。

1.3 地震效应

郑州市抗震设防烈度7度，设计地震分组为第二组，设计地震加速度0.15g。市区覆盖层厚度42-72m。一般认为从五龙口路-南阳路-市体育馆-凤凰台-郑汴路一线北东建筑场地类别为Ⅲ类，南西为Ⅱ类。

西部晚更新世地层，不存在液化。东部浅部全新世地层，多轻微液化，液化层为黄河新近泛滥堆积的松散-稍密粉土、粉砂。

2 郑州市区工程地质条件

2.1 地形地貌

郑州市区位于河南省西部黄土丘陵与东部黄河冲积平原的交接地带，属华北平原的一部分，地势由西南向东北倾斜，地貌单元自西向东依次为：黄土台塬—塬间洼地—黄河冲积（泛滥）平原。

2.2 地层

郑州市区全部为第四系松散堆积物覆盖，从西向东变厚，整体地层层序较清楚。对第四系地层由新到老分述如下：

2.2.1 全新统

全新统地层分布于五龙口路-南阳路-铭功路-太康路-商城路-郑汴路一线北东的广大区域。沉积时间短，距今约1.2万年。最大厚度约32m。

2.2.2 上更新统（Q3）

为冲积成因的粉土、粉质粘土夹粉细砂透镜体，含较多姜石、钙质网文。主要分布在西部波状平原及山前冲积平原上部及东部30米以下深度，厚度30-40m。地基承载力特征值160-240kPa。

2.2.3 中更新统（Q2）

为冲洪积棕红、棕黄色粉质粘土夹粉土、粉砂，含较多钙质结核，局部富集成层或透镜体。该层西部分布在30m以下，东部在70m以下。厚度30-40m。

2.2.4 下更新统（Q1）

为冰水堆积灰白色砾石夹棕红、紫红、灰绿色粘土、粉质粘土层，砾石砾径1-7cm。分选差。该层西部分布在70米以下，东部在110m以下。厚度90-200m。

2.3 地下水

西南部10-40m。浅层含水层岩性东部主要为全新统粉土、粉砂，为晚更新统粉土层。粉土综合渗透系数为0.5m/d，粉砂渗透系数6-12m/d。一般来说，地下水对混凝土具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋及钢结构局部有微-弱腐蚀性（干湿交替）。

2.4 特殊土

郑州市区有特殊土分布，以表层填土及西部湿陷性黄土为主，局部冲沟具有厚层粉煤灰分布。

填土：可分为杂填土、素填土。杂填土分布在表层，无规律，市区一般厚度0.5-1.5m，在西部沟谷、市内挖土坑内厚度可达5.0m以上。素填土主要分布在管城区商代遗址附近区域，以粉土为主，松散，厚度3-5m；在西部中原路与西环路交叉口附近西流湖东侧冲沟内分布有电厂沉淀池，冲填土为厚达5.0-28.0m的粉煤灰。

湿陷性土：分布在郑州市区西半部黄土丘岗及山前冲积平原上，以上更新统及全新统湿陷性黄土状土为主，一般厚度4-8m，地基湿陷等级Ⅰ级轻微。

3 郑州市某高层建筑地基工程地质特征

3.1 地层结构特征

郑州某高层住宅建筑物地面以上18层，设1层地下室，基础埋深约5.5m。框架—剪力墙结构。高层住宅平面近方形，南北长29.9m，东西宽28.0m，建筑面积约15069.6m2。拟采用天然地基筏板基础或桩基础。

场地位于郑州市西部山前冲积倾斜平原。地层表层约3.0m为一层黄褐色黄土状粉土或粉质粘土，稍湿，含虫孔根系、钙质斑纹，具湿陷性；本层下为灰黄、褐黄色粉土，中密-密实，约5m以浅有湿陷性；约10-15m，夹薄层粉砂。15-20m往往有一层相对软层，以下逐渐变硬，以黄褐色、红褐色粉质粘土为主，多有数层钙质胶结透镜体，局部成层。地层一般为超固结土，具有较为复杂的应力历史。勘探深度55.0m范围内除浅部混凝土地坪外均为第四纪晚更新世沉积地层。按其不同的成因、时代及物理力学性质差异划分为10个工程地质单元层，典型指标见表1，分述如下：

表1 地基土物理、力学性质指标

①-1杂填土（Q4ml）：层底埋深0.7-1.0m，层厚0.7-1.0m。

表层约0.6m为混凝土地坪。下部以灰土、粉土为主，局部因分布有下水道，填土埋深2.5m。

①粉土（素填土）（Q4ml）：层底埋深2.0-3.0m，层厚1.0-2.0m。

地层呈褐黄色、灰黄色，中密，稍湿。摇振反应迅速，无光泽，干强度低，韧性低。具针孔状孔隙，见少量蜗牛碎壳，含小颗粒钙质结核，白色钙质斑点。

②粉土（Q3al）：层底埋深5.1-5.8m，层厚2.1-3.6m。

地层呈褐黄、黄灰色，中密，稍湿。摇振反应迅速，无光泽，干强度低，韧性低。含灰白色斑点，少量白色蜗牛碎片，小颗粒钙质结核。

③粉土（Q3al）：层底埋深9.8-11.0m，层厚4.7-5.5m。

地层呈黄褐色，密实，稍湿。摇振反应迅速，无光泽，干强度低，韧性低。见少量蜗牛壳，含有少量小块钙质结核。

④粉土（Q3al）：层底埋深11.3-13.8m，层厚1.5-3.1m。

地层呈黄褐色，密实，稍湿。摇振反应中，无光泽，干强度低，韧性低。含有较多白色钙质条纹，少量小块钙质结核。

⑤粉土（Q3al）：层底埋深16.0-16.8m。层厚2.9-4.7m。

地层呈黄褐色，密实，稍湿。摇振反应中，无光泽，干强度低，韧性低。含白色钙质条纹，见少量蜗牛碎壳，含有小块钙质结核。局部夹粉砂透镜体。

⑥粉土（Q3al）：层底埋深22.0-24.0m，层厚5.3-7.5m。

地层呈黄褐色，密实，稍湿。摇振反应中，无光泽，干强度低，韧性低。含白色钙质条纹，见少量蜗牛碎壳，含有小块钙质结核。

⑦粉砂（Q3al）：层底埋深26.8-27.3m，层厚3.3-4.8m。

地层呈黄褐色，密实，稍湿。主要矿物成分以石英、长石云母为主。夹粉土薄层，密实，稍湿。含白色钙质条纹，较多钙质结核。

⑧粉土夹粉质粘土（Q3al）：层底埋深29.6m，层厚2.3-2.8m。

地层呈黄褐色，密实，稍湿。摇振反应中，无光泽，干强度低，韧性低。含黑褐色铁锰质斑点，夹粉质粘土，密实，稍湿。含较多钙质结核。

⑨粉土（Q3al）：层底埋深35.0m，层厚5.4m。

地层呈褐色，密实，稍湿。摇振反应中，无光泽，干强度低，韧性低。含黑褐色铁锰质斑点，含较多钙质结核。

⑩粉土（Q3al）：本层未揭穿。

地层呈褐色、红褐色，密实，稍湿。摇振反应中，无光泽，干强度低，韧性低。含黑褐色铁锰质斑点，含较多钙质结核。局部夹粉质粘土。

3.2 地下水条件

本次勘察期间勘探深度35.0m左右，属第四系松散岩类孔隙潜水。地下水对拟建建筑物地基基础设计、施工无影响。

3.3 不良地质作用及对工程不利的地下埋藏物

本场地发现有防空洞、下水道（下水道埋深2.5m±），防空洞顶板埋深9.0m，洞底高程110.996m，洞宽2.0m，高2.0m左右，除此之外，无其它不良地质作用。

4 场地地震效应

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001），郑州市抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组。按抗震重要性分类，本工程属标准设防类（丙类）建筑。20m以浅的土层等效剪切波速Vse平均值为310.2m/s。该场地的设计特征周期0.40s，根据区域地质资料，场地覆盖层厚度小于50m，判定建筑场地类别为Ⅱ类，本场地地下水位埋深35.0m左右，且地基土主要为第四纪晚更新世沉积地层，判定场地土无地震液化性。

由于地基主要受力层存在防空洞，判断本场地为建筑抗震不利地段。

5 岩土工程分析与评价

5.1 工程环境与建筑适宜性

拟建场地位于郑州市伏牛路与岗坡路交叉口西200m左右路南。现拟建62#高层住宅，东距已有14#、15#住宅楼约10.0m，西距围墙约2.0m，南离已有41#住宅楼约10.0m，北约13.0m为岗坡路，工程环境条件一般。区域上位于华北地台南缘，基底地块完整，据区域资料，郑州地区的断裂大都为前新生代的非活动断裂，新生代以来活动断裂老鸦陈断裂距本场地较远，对拟建场地的稳定性无直接影响，所以场地稳定，适宜建筑。

5.2 地基土湿陷性评价

将探井所取原状样土工试验湿陷，结果显示3.5m以浅具湿陷土，根据《湿陷性黄土地区建筑标注》（GB50025），由于基础埋深5.5m，5.5m以上全部挖除，根据本场地地层条件结合附近场地经验，本场地可不考虑湿陷影响，可按一般地区设计。

5.3 地基土承载力及变形指标综合评定

根据原位测试及土工试验结果，结合地区建筑经验，综合确定地基土承载力特征值faK及压缩模量Es1-2（MPa）、抗剪强度（直剪）指标，见表2。

表2 地基承载力特征值faK建议值及压缩模量Es1-2抗剪强度指标建议值

5.4 地基基础方案评价

5.4.1 地基土均匀性评价

假定场地内拟建18层楼采用天然地基浅基础，基础埋深5.0m，持力层将位于第③层粉土，主要受力层底面坡度0.7%，持力层及下卧层在基础宽度方向厚度差0.2m，压缩模量当量比1.04，天然地基均匀。

根据以上分析综合判定本场地为天然地基均匀地基，但主要受力层内存在对工程不利的埋藏物废弃防空洞，防空洞若后期坍塌，势必造成高层建筑不均匀沉降，因此必须进行处理。

5.4.2 天然地基浅基础评价

5.4.2.1 持力层验算

拟建楼高18层，地下1层。每层荷载标准组合值按16kN/m2，若采用筏基，估算其基底压力Pk=328kPa。

假定基础埋深5.5m，采用筏板基础，以第③层粉土为持力层，第③层粉土经深宽修正后的地基承载力特征值：

（取 值：ηb=0.3，ηd=1.5，b=6m，d=5.5m，γ=16.1kN/m3，γm=16.2kN/m3）

另根据《JGJ72-2004》根据土的抗剪强度指标估算第③层粉土极限承载力为

式中Ck、Φk为持力层（第③层）代表性取值，分别取Ck=7.6kPa，Φk=20.0°，

如果安全系数取3.0，则fa=fu/K=1483.2/3.0=494.4kPa，两者相比，取fa=335.9kPa，

18层住宅楼基底压力Pk=328kPa，Pk＜fa，可满足。

其下存在第④、⑤层下卧软层，应进行下卧层强度验算。

以4#孔处为例：

第④层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值：

（取 值：ηd=1.5，d=10.7m，γm=16.2kN/m3）

第④层顶面处附加压力与自重压力值（未考虑应力扩散）：

Pz+Pcz=238.9+173.3=412.2kPa＜faZ=432.9kPa。

下卧层第④层粉土强度满足。

第⑤层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值：

（取值：ηd=1.5，d=13.8m，γm=16.2kN/m3）

第⑤层顶面处附加压力与自重压力值（未考虑应力扩散）：Pz+Pcz=238.9+223.6=462.5kPa＜faZ=503.2kPa。

下卧层第⑤层粉土强度满足。

5.4.2.2 变形预测

根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007）对天然地基筏板基础进行沉降验算。

经估算天然地基最终沉降量为42.0mm，沉降计算深度40.0m，整体倾斜估算为0.0002，满足《建筑地基基础设计规范》（GB50007的要求。

根据实际变形监测，运营3年累计沉降35mm，接近预测沉降值。

5.5 地基基础方案选择及防空洞处理措施

根据拟建建筑物荷载特点，结合场地土条件，建议高层住宅采用天然地基筏板基础，筏板基础应适当外扩，并加强刚度。由于主要受力层（基底下4.0m）存在不利埋藏物-废弃防空洞，废弃防空洞随时间推移，可能进水坍塌，对地基安全有不利影响，废弃防空洞应进行处理。具体可采用细石混凝土分段回填或灌碎石注浆处理并注意进行检测。实际采用灌填碎石，预埋注浆管，注浆充溢。具体施工是：在防空洞走向基础两端人工砌筑档墙，隔断。在开挖基坑中，根据防空洞走向，间隔3m开天窗，直径1.0m，人工灌入碎石，至天窗口与基底持平，最后注水泥浆，水灰比0.5，强度不小于C15。检测结果满足设计要求。监测显示，本工程经历郑州7.20大洪水，变形在预测范围，证明废弃防空洞处理效果良好。基坑开挖5.5m，1∶0.5放坡挂网喷砼，确保地基基础施工安全。

6 结论

①郑州市区地基土西部地质条件较好。由于存在较多废弃防空洞，对建设工程带来隐患。②废弃防空洞进行相应的处理加固。具体采用灌碎石注浆，为类似工程提供借鉴。③工程建设应利用较好的地层条件，对局部隐患进行处理，趋利避害。④工程施工、使用过程中应注意进行变形观测至关重要。