第四節 高層建築勘察

上海市最早建造的高層建築,是民國2年(1913年)建成的有利大樓和亞細亞大樓,都是8層,高度分別為29米、33米,採用樁基礎。20~30年代,是上海高層建築建設興旺時期,共建成各類高層建築91幢,最高建築為民國23年建成的國際飯店,24層,高83.8米。對一些重大的高層建築曾做過簡易地基勘察和樁的靜載試驗,但資料多為承包工程設計施工的外商掌握。解放後,上海高層建築起步於70年代,大發展於80年代末,特別是1990年浦東開放以後。截止1995年,已建成各類高層1500餘幢,68~88層超高層大廈正在施工中。相應的勘察技術在20多年來有很大的發展。承擔高層勘察任務的單位有上海民用院、上海勘察院、中船勘察院、華東電力院等。

1973年,上海民用院負責勘察、設計的康樂大樓,為12層住宅,板牆框架結構,箱形基礎,基底平面尺寸為69.64米×14.1米,砌深5.8米,以淤泥質粉質粘土為地基持力層,基底有效壓力85千帕。為取得箱形基礎在上海軟土地基建造的工程經驗,由北京建築科學研究院地基所、上海市政工程研究所、同濟大學地基教研組、上海民用院、上海市第四建築工程公司合作,進行了系統的地基應力和沉降觀測工作,在基底土體中埋設了大量壓力盒,箱基底板中埋鋼筋應力計。地基變形觀測自1974年7月19日基坑開挖觀測基底土體回彈開始,至每層加高建成,直到1979年3月13日為止,經歷了1698天,觀測趨於穩定沉降值為16厘米,計算值為21厘米,取得極有價值的觀測數據。接著,四平大樓(12層)、華盛大樓(12層)、胸科醫院大樓(10層)先後建造,均採用箱形基礎,砌深5米左右,都進行了系統地基反力,沉降觀測工作,其中胸科醫院大樓位於上海市西區,箱基砌置在高壓縮性淤泥質粘土層上,建成後,累積沉降大於35厘米(大於計算沉降值),但未影響正常使用。陸家宅5座13層高層住宅,採用箱形基礎,箱基置於厚約8米的砂質粉土、粉砂層上,其下為淤泥質粘土層。1978年該高層群建成後,基礎穩定沉降值7厘米左右。70年代上海地震基本烈度按6度計,所以對此粉砂層未作液化判定。

1979年,上海輕工院負責勘察設計的中國鍾廠鍾殼大樓,位於肇嘉浜路,8層箱形基礎兼地下室,基礎座落在厚層的淤泥質粘土層上。埋設了壓力盒、深層標,進行了基底壓力地基變形觀測。由於該區淤泥質粘土層軟弱,產生沉降值50餘厘米,引起不均勻沉降,大樓向西北傾斜,後進行糾偏處理,恢復正常。70年代期間,採用箱形基礎建造的高層建築還有長陽飯店(10層),共和新路住宅樓4幢(9層)等。在上海軟土地基採用箱形基礎,建造8~14層高層建築的勘察設計經驗有:要著重查清地基的不均勻性,每幢高層建築物勘察孔不得少於5個,其中控制孔不少於2個,宜採用原位測試驗證和補充鑽孔資料的不足,在平均地下水(潛水)位以下的箱基部分應扣除浮力,以使基底有效壓力減少,基底有效壓力應根據土質情況,控制在40~80千帕,下臥層強度宜控制在πcu公斤/平方厘米以內,其中cu為軟粘性土不固結快剪強度值;基礎平均沉降量不宜大於35厘米,橫向整體傾斜的計算值按建築物的高度,取值不宜大於3~4‰等。這些經驗均編入1980年國家建築工程總局批准頒發的《高層建築箱形基礎設計與施工規程》(jgj6-86)內。1980年,由上海工業建築設計院負責編制《上海市軟土地基上高層建築箱形基礎(天然地基)設計試行規定》(dbj08-1-81),內容包括地基勘察、基礎設計、施工3個主要方面,適用於14層以內高層建築物。經上海市建委於1981年組織評審,1982年3月正式批准試行。

上海地區超過14層的高層,基本採用樁基礎。70年代中後期上海民用院完成了漕溪北路高層(16~17層)住宅群、烏鎮路6幢20層高層住宅群、曹楊路20層北海飯店等勘察設計。樁的類型多為預製樁。1981~1982年建設的上海賓館是當時上海最高的建築,基礎為箱基加樁基,高90.5米,26層。開挖深度8米,用截面450毫米×450毫米、長40.5米的鋼筋混凝土預製樁,打入至-44.85米,穿過暗綠色粘土層,進入其下灰綠色粉細層內1米,單樁容許承載力達140噸,建成後實測沉降12厘米。70年代後期,上海勘察院、中船勘察院分別研製液壓和機械傳動的深層靜力觸探設備,貫入深度可達60~70米,有效提高了中——長樁基勘察測試水平。1982年,同濟大學等5個單位,繼續完成以靜力觸探估算打入樁單樁極限承載力的科研成果,充實了估算≥30米長樁承載力的內容,該成果被迅速推廣套用,為勘察設計、施工單位熟悉認同。結合在寶鋼工程勘察中已掌握套用過深層鑽探取土技術、深層連續標準貫入試驗、室內精密力學試驗等技術,相互配套套用,已能適應重大超高層地基勘察的技術需要,滿足國內外設計單位所提出的技術要求,並漸趨完善。

1980年,上海勘察院承擔了上海電信大樓(地上21層,地下3層)和聯誼大廈(29層,地下1層)勘察任務,這是當時上海最高建築。上海勘察院組織全院最強技術力量,並走訪國內有名地基專家,確定了勘探方案。勘察中,採用深層靜力觸探、連續標準貫入試驗、現場抽水試驗(淺井簡易抽水試驗和多降深群井抽水試驗)、前期固結壓力試驗等原位測試和室內試驗技術,確定樁基和深基坑設計所需的地基參數,取得高層地基許多開創性勘察經驗。同年,華東電力院勘察處承擔華亭賓館地基勘察任務。主樓28層,高90米,地下1層,最大挖土深度10.7米,副樓4層。工程勘察中,進行了深60~100米全斷面取芯鑽探,查出深50~60米粉砂層粘性土夾層;採用深層靜力觸探試驗,最深貫入深度為66米,貫入中密粉砂層內16米;進行了70米深連續標準貫入試驗。還進行了十字板剪力試驗、塊體自由振盪試驗,以測定土層動態抗壓係數。注水試驗,測定開挖基坑土體的滲透係數。水力破裂試驗,測定13米以內各土層的靜止土壓力係數。室內試驗對各土層進行了三軸不排水剪力和先期固結壓力等力學試驗。根據以上多種原位測試和室內力學試驗,綜合確定高層地基深基坑、樁基設計所需的動靜地基力學參數,進行了岩土工程評價,套用靜力觸探比貫力,估算打入樁單樁極限承載力的科研成果,提出最佳持力層和鋼筋混凝土單樁承載力的明確建議。根據比貫入阻力和標準貫入擊數,提出了沉樁可能性的分析與判斷。對開挖基坑臨時邊坡支護的穩定性進行了驗算,提出了場地地基深101.2米內土體的卓越周期,供高層結構抗震設計用。對打樁和井點抽水對鄰近建築的影響,提出了建議。華亭賓館於1983年施工,1987年建成。該勘察獲1991年國家優秀勘察金質獎。

1984年,上海民用院承擔了靜安希爾頓酒店地基勘察任務。該樓42層,由港人設計,港方派人在現場監督勘察,並帶來部分勘察設備。該院精心組織,高效完成任務,勘察周期僅為規定時間的80%。所做工程地質鑽孔,深達122.5米,是當時鑽孔深度的最高紀錄。高壓固結壓力最大達128公斤/平方厘米,直接剪下試驗垂直壓力最大達6公斤/平方厘米,在當時都是少見的。該勘察獲1989年國家優秀勘察銀質獎。1987年,上海勘察院承擔了花園飯店工程地質勘察。該樓34層,由日本投資。地質鑽孔最大孔深120米,按日方要求,標準貫入試驗深度要達120米,靜力觸探孔深度73.5米。為保證孔的垂直度,採用了下套管的工藝措施,反覆下了5次套管,達到預定深度,創造了上海靜力觸探的新記錄。隨後,上海勘察院接受日方委託,在1986~1994年,進行了施工期及使用期的岩土工程監測。主要有:建立深達75米的沉降觀察基準點,對周圍建築物、煤氣管、上水管、鋼板樁頭部和背部的水平、垂直位移,建築物傾斜和裂縫觀測,鋼板樁的變形及在開挖支撐處的位移觀測,地基土孔隙水壓力觀測,地基土土中變位觀測,側向土壓力、基坑外圍地下水位、建築物和地基土分層沉降觀測,基礎底板鋼筋應力、鋼管樁樁頭應力觀測等項目。測試手段之完整,在上海高層施工中是少見的。沉降觀測基準點及分層沉降標的深度都開創了新記錄。通過這一監測活動,較全面地提高了監測技術和方法,對在建築物密集地段,解決深基坑施工的技術難點,積累了經驗。該監測獲1990年上海市優秀工程三等獎。來源:考試大

90年代,上海勘察院還完成國際貿易中心大樓(地上37層)、錦滄文華大酒店(地上30層,地下2層)、新錦江大酒店(地上43層,地下1層,高153.4米)、上海商城(48層,高164.8米);上海民用院還完成瑞金大廈(27層)、業泰廣場(28層)、羅馬花園(16~17層);中船勘察院完成包兆龍圖書館(20層)、聯合大廈(36層,地下1層)、物資貿易中心大廈(31層,地下2層)、金橋大廈(30層,地下2層)等約300餘幢高層和超高層建築的地基工程勘察任務。其中不少獲市優秀勘察二、三等獎。1984年,中船勘察院承擔的上海電影藝術中心樁基施工監測,獲1991年國家優秀勘察銅質獎。

上海高層建築地基勘察的方法,自1980年開始經勘察單位探索,到80年代中期,趨於統一和成熟。隨著高層建設的發展,推動了深孔鑽探,深層原位測試、土工試驗技術的提高與發展,加深了岩土工程勘察觀點,並開拓了環境監測、動力測樁等新業務。80年代取得的主要經驗是:對重大單體超高層和高層群工程地基勘察,初勘時布置少量控制性鑽孔和靜力觸探與標準貫入試驗孔。控制性取試樣鑽孔,應超過擬定樁基受壓層一定深度,對30層或以上的高層,孔深一般為80~100米。靜力觸探孔,應貫入擬定樁基持力層一定深度,一般貫穿埋深30餘米以下粉砂層(⑦層),到埋深50米以下粉、細砂層(⑨層)內,貫入深度一般為50~70米或以下不等。標準貫入試驗一般結合鑽孔,在砂層中進行,或者按控制性孔深進行連續性標準貫入試驗。詳勘時每幢高層建築的勘探點不應少於5個,其中靜力觸探孔不少於2個,其他原位測試項目可結合鑽孔或專門進行。高層建築基礎,採用箱基加樁基,常見30層或以上高層建築,基坑開挖深8~13米,採用大於30米以上的長樁。以靜力觸探比貫入阻力結合土的物理力學性質,標準貫入試驗擊數,是確定樁基持力層、估算單樁極限承載力、判定沉樁可能性等方面的主要依據。由於第⑦2層粉細砂層有較高的端阻力,一般以該層上半部⑦1層和下半部⑦2層,分別作為≤24層和≥30層的高層建築最適當的樁基持力層。對重大深基坑開挖設計,一般尚須進行十字板剪力試驗和注(抽)水試驗,以準確測定土體的自然強度和滲透係數。對近40層或更高的超高層建築,一般要進行跨孔法剪下波速測定試驗,以確定各土層動力參數和地基卓越周期,供抗震設計用。土工試驗除進行常規土的物理力學性質試驗外,尚應測定開挖深度內土的靜止側壓力係數、各粘性土層三軸不固結不排水剪力試驗,提供擬定樁基下土層的壓縮模量,或進行高壓固結試驗,提供壓縮係數、超固結比供樁基沉降計算用。對重大超高層建築地基勘察報告,一般應按岩土工程勘察報告要求編寫,充實地基與基礎分析和評價內容,根據綜合考慮確定的地基參數,對樁基方案持力層的選定,樁基沉降估算、沉樁判定,深開挖設計與基礎施工及其對環境影響等,進行評述與分析,提出確切的結論建議。這些有效方法和經驗,都已編入1989年頒發的《上海市地基基礎設計規範》內。

1986年以前,上海高層建築一般均採用打入式預製鋼筋混凝土樁或鋼管樁,由於高層建築多位於市區建築及地下管道密集區,打樁與深開挖施工降水,對周圍環境產生不利影響,為此,上海勘察單位於80年代初便開展了高層建築施工環境監測業務,對施工期間周圍地表、土體位移進行觀測,成為市區高層建築施工不可缺少的工作環節。1986年以後,由於新的鑽孔灌注樁施工工藝研製成功,市區高層建築便迅速推廣採用鑽孔灌注樁,以減少對周圍環境的不利影響。為了檢驗鑽孔樁樁身施工質量和承載力,由此開展了大小應變動測樁試驗業務,尤其以小應變動測檢驗樁身質量成為不可缺少的工序。重大高層建築採用打入樁,一般要進行靜載荷試驗,核實所估算的單樁承載力,採用鑽孔灌注樁後,一般均需進行樁的靜載荷試驗檢驗。為此樁的靜載試驗成了量大面廣的試驗項目。

進入90年代,上海高層建築仍方興未艾,且規模加大,高度增高。80年代總結的勘察經驗得到全面貫徹,有些技術又有新的發展。

1991年上海勘察院完成上海東方明珠廣播電視塔勘察任務。該塔高468米,屬超高、超重、超大的複雜構築物,對地基土強度和變形要求很高。上海勘察院利用陸家嘴小區規劃的地質資料,安排了初勘和詳勘方案。工程勘察除一般鑽探取土和常規試驗外,還布置了靜力觸探、標準貫入、十字板、現場抽水試驗,跨孔波速及地脈動試驗,室內靜止側壓力係數試驗,共振柱及動三軸試驗等。跨孔波速試驗深度達80米,創造了當時上海最深紀錄。在技術措施上,採用電火花震源,用鑽孔方位測斜儀校正孔斜,保證了測試精度。勘察報告根據地層分布和工程特性,建議⑦2粉細砂層為樁基持力層,為設計採納。實踐證明樁基選擇符合經濟、安全、合理、可靠的建設要求。該勘察獲1994年上海市優秀勘察一等獎。項目負責人施開林。

1993年,上海勘察院承擔勘察的浦東金茂大廈,是上海在建的最高建築,地上88層,高420.5米,地下5層,開挖深度18米。這項工程對所有勘察要求都很高,特別引人注目的是旁壓試驗。上海勘察院顧國榮副總工程師利用國產儀器進行改進,成功地將旁壓試驗深度達到地面下135米,創造了全國之最。連美國設計專家也說,他們從未做過如此深的旁壓試驗,沒想到中國有如此高水平的岩土工程隊伍。90年代中期進行勘察的超高層建築,還有中船勘察院承擔的68層協和大廈。這些超高層建築一般以埋深50米以下的密實細、中砂層(第⑨層)為樁基持力層,勘察的孔深達120~150米,進一步發展了深層土體的鑽探、取土和測試技術,使上海岩土工程達到或接近世界先進水平。

1994年,上海民用院承擔勘察的南京西路商業辦公大樓(恒隆廣場),是兩座大樓加兩區裙房的建築群,擬建第一辦公大樓地面以上62層,第二辦公大樓36層,a區裙房5層。兩大樓和裙房不設沉降縫,為整塊基礎。擬建物有2層地下室,深10.5米。基礎底板厚度4~6米。由於基底荷重相差很大,最高樓達1300千帕,最低裙房(b區)僅80千帕,對勘察提出了極高要求。上海民用院利用了齊全的現場鑽探和測試手段,有取土孔、標準貫入試驗孔、靜力觸探孔、注水試驗、十字板剪下試驗、旁壓試驗、波速試驗、地脈動等。室內土工試驗也項目齊全,除常規的物理力學性試驗外,還有高壓固結試驗、滲透試驗、靜止壓力係數試驗、無側限抗剪強度試驗、三軸uu、cu試驗。工程地質鑽孔最深達170米,創上海市浦西地區最深記錄。旁壓試驗孔深130米,最大試驗壓力70千帕,在國內也是少見的。

1995年底~1996年3月,上海勘察院完成上海環球金融中心勘察任務。該項目位於浦東陸家嘴金融貿易開發區z4-1地塊,建築物主樓高度460米,地上95層,地下3層,建成後為世界建築之最。這次勘察的主要目的是查清場地的地基土結構及其力學性質(靜態、動態),為超高層建築及其周圍設施的設計和施工提供資料,並作出工程評價。勘察中,有多項原位測試及鑽探深度創下了上海地區工程地質勘察史的新記錄,主要的有:鑽探深度277.8米(進入花崗岩0.8米),土體彈性波速試驗深度250米(用懸掛式p-s檢層儀),標準貫入試驗深度150米,靜力觸探試驗深度90米,地脈動試驗深度82米。還進行了100米深的旁壓試驗、現場十字板試驗、鑽孔降水頭注水試驗、電測井及孔徑測斜工作。為結構抗震分析,考慮了上海市及鄰近地區地質構造和地震活動情況,進行了工程場地地震效應和設計反應譜的分析、計算,並首次作了樁頂在軸向荷載作用下,樁土間應力應變變化規律的室內光彈模型試驗。