重庆与上海建筑地基差异分析

夏季思睿 黄天泽 吕沁沁

指导老师:凌敏

内容摘要：

本研究性课题旨在通过对比分析上海地区与重庆地区土壤与地质差异分别对其地基基础建设的影响，同时探究人们分别应对不同情况下建筑地基建设的物质及技术手段，以此助力于理解相关原理及未来城市建筑发展启示。

通过实地前往两地考察采取土壤样本，通过控制变量、对比操作等实验以及数据样本计算列表等方式，最终得出土地的地基承载力受土壤含水量、土壤密度等因素的影响;又通过两地建筑地基的实例：上海中心与重庆解放碑区某商居两用楼，通过其位处的地质成因、地基数据分析以及两地地基建造的不同方式，得出了建筑地基建造的另一影响因素：土壤形成方式，以及认识了人们对桩基在不同情况下的应用。

关键字：建筑地基；建筑桩基；重庆地质；土壤含水量；地基承载力

1背景

1.1 重庆概况

重庆，又称为巴、蜀国，坐落于我国西南部的长江中下游地区。属于我国四大直辖市之一,面积超过8万平方千米，其常住人口多达3048万，位列四大直辖市之首。重庆所处地形自南向北沿着长江河谷展开，其中多丘陵、山地，山地地形面积约八成，被人们所称为“山城”。

1.2课题来源及意义

相关数据显示重庆至今已完工的超过两百米高度的高楼多达四十一栋，全国范围内重庆的高楼量也是名列前茅。重庆城区内楼房也普遍为高层建筑，经过查阅相关信息可得，重庆偏向建高楼的原因如下: 首先，重庆多丘陵、山地地貌，许多地区地理环境复杂、施工难度极大，现有条件下并不适宜建楼，因此重庆实际可用建筑面积偏小。其次，重庆常住人口数量是四个直辖市中最大的，尤其城区内人口密集，建高楼是将土地利用最大化的必然方向。

由此可见，像重庆和上海这样经济、人口飞速增长的城市，高楼对于城市的发展意义重大。本文通过理解建筑地基的相关原理，研究山城重庆和上海的地基物质差异以及分别采取的技术手段，最终探寻对于未来城市建筑发展的相关启示。

2初步探究使地基产生差异的因素

通过实地考察发现，重庆土壤与上海有肉眼可见的差异——重庆土壤呈红色，上海土壤呈灰黑色。取回部分重庆土壤样本，针对部分土壤性质设计了可操作的试验，有待后续数据分析，并与上海样本进行纵向比较，结论作为参考。实验过程如下：

2.1.1土壤含水量的测定

（一）烘干法

这是一种利用高温烘干机烘干土壤的方法，但是检测土壤含水量的实验有所误差，其误差大小与选用天平的精确程度以及土壤取样是否具有区域代表性相关，在较大面积地区测定时通常需要多处以及重复取样，所以在本法中增加了一份具有独特代表性的重庆土样（取于重庆市中心某在建工地），以两份重庆土样与上海土样进行比较，但增加的这份重庆土样的土量有限，故不参与到后续的实验中。

1．方法原理：

将土壤样品置于温度为103℃-105℃的烘箱中烘干6小时直至恒重，经过计算得出前后的土壤重量变动并且求出土壤失水分量与烘干分量的比值。

当仪器设备内的温度过于高，土壤当中的有机物质就会容易受到碳化导致影响实验的结果。

2．仪器设备

高温烘箱、若干烧杯、干燥器、天平（1/100）以及若干砝码、托盘、铲子。

3．操作步骤

（1）将烧杯洗净擦拭保持其干燥洁净，于天平上进行称量，同时标记烧杯号码为（A）。

（2）从重庆1、重庆2、上海三份原始样本土中分别取具有代表性的土样20g左右，装入烧杯中并称量重量（B），每个样品反复测量三份数据并取均值。

（3）将装有土的烧杯依次放在托盘上，记录好烧杯号码所相对的位置，置入103℃-105℃的恒温箱中进行烘干操作，持续时间接近六小时左右。

（4）当烘箱内温度降至约五十摄氏度时，取出土壤样本，按顺序将烧杯放入干燥器中30分钟左右待其温度接近室内温度时进行称量（C）。

（5）反复若干次上述操作，直到操作前后得出的两次数据大小相差幅度控制在0.01范围内（C）。 

图1 依次放有土样的托盘         图2 105℃±2℃的烘箱

4．结果计算

式中：A  —  烧杯重（g）

      B　—　烧杯加湿土重（g）

      C　—　烧杯加烘干土重（g）

实验数据和结果如下

由此可得初步结论，重庆土壤含水量远远小于上海，而含水量低则说明重庆土质较硬，某种程度上更有利于地基承载。

（二）酒精燃烧法

1.方法原理

该实验原理主要是利用酒精的可溶于水性与酒精的可燃性，在酒精与水充分溶解后将其点燃，待充分燃烧后通过称量计算得出实验前后两次土壤重量数据的差值从而计算出其含水量。

由于土壤表面的酒精在燃烧时会产生短时间的气化，因而燃烧产生的火焰会位于土壤表面上方并与土壤表面产生一段较小的距离，此时样本整体温度土约在七十到八十摄氏度范围内。之后即将燃烧殆尽的火焰会与土壤表面接触并将其加温到约两百摄氏度，之后重复此状态，并缓慢地冷却。若是土壤再次燃烧，样本温度也不会超过200℃并且持续高温的阶段也较短，所以土壤样本中的有机质及盐类损失微乎其微，从而达到测量效果。

此酒精燃烧法测定土壤含水量整个实验的实验时长不超过半个小时，相较于之前的烘干法而言，它是一个更为快捷的测量方法。

2.仪器与试剂

分析天平（1/100）、耐热瓷盒、酒精（纯度96%以上）、火柴、滴管、量筒（10mL）。

3.操作步骤

（1）在天平上称瓷盒重量，记录下其编号（A）。

（2）从重庆、上海两份原始样本土中分别取具有代表性的土样10g左右，装入瓷盒中，取样均匀，进行称重（B），称重若干次并取平均数据。

（3）向瓷盒中逐滴滴加酒精（约用7mL酒精）稍加振荡，使土壤样本均匀分布于盒中。

（4）将土壤表面的酒精点燃，待土样自然熄灭冷却后，再滴加酒精（2~3mL）进行第二次燃烧。经过恒重后称重（C）。

4．结果计算

式中： A——瓷盒重（g）；

       B——瓷盒加湿土重（g）；

       C——瓷盒加干土重（g）。

实验数据和结果如下

由此可得同样的初步结论，重庆土壤含水量远远小于上海，则说明重庆土质要硬于上海，上海的土质相比之下更为松软。

2.1.2土壤密度的测定

1.方法原理

用已知质量、内径及高度的类环刀切取代表性的原状土样，使土样在类环刀内被切割为平整的柱状，称量重量。测量类环刀口至内部土面的高度差，可知内部土柱的高度，即得土的体积。有质量与体积可计算密度。

2.仪器设备

类环刀、尺、烧杯、分析天平（1/100）

3.操作步骤

（1）从重庆、上海两份原始样本土中分别取较多土样装入烧杯中，将土样压实、平整，两者大约相同高度。

（2）测量类环刀内径（r）及高度（h），置于分析天平上称重（A），记录所有数值。

（3）将凡士林均匀涂抹在环刀刃口内壁中，使其竖直向下压入土中，直至环刀压至烧杯底部在其中形成一个柱体。

（4）小心地取出环刀，擦净环刀外围带出的土，在天平上称重（B），进行三次测量并取平均值。

（5）测量类环刀口至内部土面的高度差(h’)后，将土推出。打松复原烧杯中的土样，重复所有操作并记录。

4.结果计算

式中： A——类环刀重（g）；

       B——类环刀加土重（g）；

       r——类环刀内径（cm），为定值；

       h——类环刀高度（cm），为定值；

       h’——类环刀口至内部土面的高度差（cm）。

实验数据和结果如下

     类环刀内径r=1.50cm    类环刀高度h=10.00cm    Π取3.14 

由此可得初步结论，重庆土壤密度小于上海，说明重庆土壤土质更为疏松，压缩性很高，并不利于地基的稳固。

2.2结论与分析

根据以上实验可以得出科学的结论——重庆土壤含水量远远小于上海，密度也小于上海。自然界的土壤种类丰富多样，它们的物理特性对于建筑地基施工有着直接的影响。比如，土壤含水量以及其密度就紧密地影响着土壤的地基承载力。

普遍的来说，对于土壤，其含水量越大，其土质也相对性质较软，因而土壤的地基承载力便会小，比如上海；而对于含水量小的土壤，土壤性质较紧实，土壤地基承载力便会相对较大，比如重庆。然而，土的密度越大，土质紧实，土的压缩性越低，有利于增加地基承载力，如上海；土的密度越小，土质疏松，土的压缩性越高，反而不利于地基承载，如重庆。这样的性质差距在很大程度上决定了重庆与上海地基的不同，两者却也互相影响，似成悖论，终究无法促成相同的作用，有一种解释是重庆这样质硬的土可造高楼，却因土地压缩性过高难以达到最佳的稳固状态，则不适宜造超高楼。但与此同时，这样的矛盾也说明仅有土壤物理性质的差别是不足以完全影响到建筑地基的，还存在着更占据主导地位的因素在起作用，需要更深入的研究。

3   实例分析对比两地建筑地基结构与差异

在初步得出上海、重庆实地考察的土壤样本性质结论后，利用文献获取到了两地的实例建筑样本:上海浦江畔的上海中心以及位于重庆解放碑地区的某商居两用楼,通过分析它们分别所处的土壤环境与沿用建筑地基之间的差异性的方式，能够证实出所假设的合理性。

3.1实例数据及信息对比

两地对比信息如下： 

 从上表信息可以初步得出，对于地基桩基的打造，上海中心所选用的是以多、密、深为主的桩基打造结构，而重庆的桩基结构则相对较少、疏、浅。

实际上，在上海中心建造过程中对于桩基基础，施工团队还采用了注浆的方法来对上海中心的大量桩基进行稳固，工程师们用三根注浆管使得浆液得以从侧面挤出孔底，来填充桩基的缝隙，整体厚度为整整六米，否则，带有软土性质的上海则会出现譬如地面沉降、隧道坍塌以及周边楼倒塌等恶劣性质的后果。

而相比而言，位于重庆解放碑区的此楼无论是桩基密度还是楼高桩深比都比上海中心小。可见位于重庆解放碑，建筑对于地基桩基的依赖性小，换句话来说，重庆的岩土层比上海更为稳固，对于建筑的支撑性更强。

3.2结论与分析

通过上述信息的对比与，我们暂时可以得出以下结论：

对于上海而言，长江泥沙堆积所形成的潮沙泥、黄泥都是属于沪地的特有软土。其中夹杂松散沉积物，含有淤泥质粘土层，因而松散渍水，建筑土性差，需要大量桩基结构以及混凝土填充才得以承载譬如上海中心此类建筑的重量。

而对于重庆，岩土基础是优于纯土基础的，可作为天然岩土基。重庆具有的红土，根据第二章实验结论，土质硬，拥有稳固的天然地基，因而对于人工的加成地基需求并没有那么大，适宜建筑性高，且难度相比较小。

此外，以上实验结果的比较与联系，仅除土地密度这一项实验结果与实例结果不符以外，其他实验数值与实例信息均呈现符合结果，上海土地对建筑自然承载力相比重庆更低这个结论在两个项目中表现一致。

4   上海地区及重庆地区地质分析对比

根据上述问题分析及初步对比，已简要的看出上海地区及重庆地区地质的不同，接下来将根据上海地区及重庆地区具体两个地块的地勘进行分析对比。在查阅“上海市宝山区通河路周边”与“重庆两江新区地块”这两个地块的地勘文件，按照一系列对比实验包含地质，地基土的构造和物理力学性质，工地的稳固和适应性以及不同的结论建议。    

具体如下：

 上海地区及重庆地区地质分析对比表

重庆地区裂隙调查一览表

综上所述，上海地区地下水位埋深较高，持力层埋深较深，总体地基承载力较差，地质情况较差；重庆地区地下水位埋深较低，总体地基承载力较好，地质情况较好。故同等情况下考虑，重庆地区的基础类型就可以选择独立基础、条形基础等简单类型基础，而上海地区则需要选择筏板基础或箱型基础等复杂类基础类型。

5   总结及展望

5.1深入与总结

通过对于重庆与上海土壤的实验对比以及建筑地基实例对比，首先，上海与重庆的地基结构不同，终究是因为其所属的土地对其的承载力不尽相同，而实验得出土壤含水量以及土壤密度都是导致这种不同的因素。上海地区土壤含水量大密度大，虽然密度看似会使得上海土壤承载力变高，但事实上高密度土壤水分过大会变成形如淤泥粉质粘土状的低稳定性土壤，土地承载力因此而变得较低。重庆地区的土壤则具有低含水量与低密度的特征，低密度的土壤在水分少量的情况下极易压缩，而这样压实过后的土壤因其干燥且高密度的特性变得承载力较高且稳定，利于高重建筑的建造。其次，经过建筑地基实例对比，我们发现土地的形成方式对于其承载力的影响同样重要。上海地区的土壤是由于长江携带的大量泥沙与沉积物堆积所形成，土壤大多以潮沙泥、黄泥等软土成分组成，而重庆土壤则是由于土石沉积，其地表浅处便是大量沉积岩可以形成天然的地基基底，而其上的土壤又多砂土，所以天然承载力高于上海。

这两点也极大程度上的决定了一个地区的建筑地基建造方式。

5.2展望及启示

上海作为国际大都市，其建设发展对于全国各个城市都有着一定的普遍指导意义。而重庆作为西南地区的经济中心，因为其独特的地形地势，重庆的发展模式则更具有特殊性，更适合供目前较为落后的西南地区进行参考。鉴于当前文明城市仍要依托建筑作为发展的基础，希望其他城市能通过上海、重庆的地基塑成之路习得一些现成的经验或是吸取教训，避免因建筑难题使发展减速。其中重视自然依旧是我们应当遵循的第一原则，以顺应自然为前提地改造自然，才能够使建筑最终达到期望，真正发挥建筑在城市建设中的作用。当然这也并非是说，只要地理条件允许就一定要建与上海、重庆相似的楼，这还要与当地的经济发展水平和生产力相适应。或许有一天，结合自然数据和未来发达的技术，以及深入的研究与思考，人们还能创造出比现在更加稳固、合适的地基结构，而这值得每个建筑者的努力。

参考文献

1.张林飞.关于粘性土含水量与地基承载力的关系[J].城市建设理论研究（电子版）.2012（36）

2.邱伟兴.测定土壤自然含水量[EB].福建省上杭县农业局.2014

3.中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范[S].GB50021-2001

4.中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑桩基技术规范[S].中国建筑工业出版社.JGJ94-2008