巖溶地區(qū)巖土工程評(píng)價(jià)及地基基礎(chǔ)方案的比選

張先華

(湖北地礦勘察有限公司,湖北武漢 430030)

巖溶地區(qū)巖土工程評(píng)價(jià)及地基基礎(chǔ)方案的比選

張先華

(湖北地礦勘察有限公司,湖北武漢 430030)

由于巖溶地基的極端復(fù)雜性,目前所見的巖土工程勘察報(bào)告中對(duì)巖溶地區(qū)的巖土工程評(píng)價(jià)及基礎(chǔ)方案比選的深度仍不能滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)與施工需要。針對(duì)巖溶地區(qū)地基極不均勻的工程特點(diǎn),簡(jiǎn)述了當(dāng)前巖溶地區(qū)巖土工程評(píng)價(jià)與地基基礎(chǔ)比選的一些常見方法,并指出了時(shí)下巖土工程勘察報(bào)告中的常見做法的不妥之處,同時(shí)提出了在巖溶地區(qū)巖土工程評(píng)價(jià)及地基基礎(chǔ)比選應(yīng)當(dāng)遵循的原則和方法,強(qiáng)調(diào)了巖土工程評(píng)價(jià)及基礎(chǔ)方案比選應(yīng)有明確的工程針對(duì)性。

巖溶;巖土工程評(píng)價(jià);基礎(chǔ)比選;淺基礎(chǔ);樁基礎(chǔ);復(fù)合地基

0 引言

巖溶(喀斯特)是可溶性巖石在水的溶(侵)蝕作用下,產(chǎn)生的各種地質(zhì)作用、形態(tài)和現(xiàn)象的總稱。根據(jù)目前建設(shè)行業(yè)通用的觀點(diǎn),按巖溶的埋藏條件可分為:裸露型巖溶(喀斯特)、覆蓋型巖溶(喀斯特)和埋藏型巖溶(喀斯特)。常見的巖溶(喀斯特)形態(tài)主要有坡立谷、孤峰、殘丘、天生橋、洼地、溶洞、溶溝、溶槽、溶隙、暗河、石林、石芽、落水洞、漏斗、豎井、石筍、石鐘乳及上覆土層中后來次生的土洞及塌陷等[1]。

一般說來,質(zhì)純層厚的可溶性巖層,巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,且形態(tài)齊全、規(guī)模較大,含雜質(zhì)的可溶性巖層巖溶發(fā)展較弱。結(jié)晶顆粒粗大的可溶性巖石,巖溶較為發(fā)育,結(jié)晶顆粒細(xì)小的可溶性巖石,巖溶發(fā)育較弱。在建筑物的使用年限內(nèi),巖層中巖溶的發(fā)育速度一般變化極微,大多數(shù)條件下可以認(rèn)為是不變的。某些機(jī)械作用強(qiáng)烈且正在急劇發(fā)展的巖溶(喀斯特)地段,覆蓋在巖溶巖層上部的第四系松散土層,在地表水下滲或地下水升降變化等作用下,可能會(huì)逐步形成土洞或塌陷(掩藏在地下或發(fā)展至地表),這個(gè)過程卻不應(yīng)一概被認(rèn)為是在建筑物的使用年限內(nèi)不發(fā)生變化的。顯然,對(duì)于這類場(chǎng)地與地基的巖土工程評(píng)價(jià)與基礎(chǔ)比選,是一項(xiàng)具有重大實(shí)際意義的課題,也是十分復(fù)雜和存在頗多疑難的課題。

眾所周知,對(duì)于一般的工業(yè)與民用建設(shè)工程,我們接觸最多的是碳酸鹽類巖石的巖溶地基的利用和處理,本文僅就這類場(chǎng)地地基與基礎(chǔ)問題的評(píng)價(jià)談點(diǎn)意見,以期與感興趣的同行交流。

1 巖溶地區(qū)的地基特點(diǎn)

根據(jù)巖溶的埋藏條件,巖溶地區(qū)的地基相應(yīng)地可劃分為裸露型巖溶(喀斯特)地基、覆蓋型巖溶(喀斯特)地基和埋藏型巖溶(喀斯特)地基,它們的表現(xiàn)形式既各不相同又常有類似之處,既有單一形式又有復(fù)合(疊加)形式,詳細(xì)分類可參見《巖溶地區(qū)地基分類》。巖土工程勘察的目的之一是提出地基基礎(chǔ)、基坑支護(hù)、工程降水和地基處理設(shè)計(jì)與施工方案的建議[2]。巖溶地基的最主要特點(diǎn)在于其非均勻性和超常的變異性,尤其是單體建筑物尺度范圍內(nèi)的不規(guī)律性,這給人們帶來了極大的認(rèn)知困難。在巖溶地區(qū),經(jīng)常遇到巖石表面高低起伏變化巨大的現(xiàn)象,基礎(chǔ)施工見巖深度屢見與勘探鉆孔見巖深度不一致。例如,筆者在某水泥廠和某高層建筑的人工挖孔樁基礎(chǔ)施工時(shí),曾遇到水平距離只有二三十厘米而巖面高差超過數(shù)米至數(shù)十米的工程實(shí)例,在同一根樁上抽芯,一個(gè)鉆孔一個(gè)樣,搞得建設(shè)方、施工方、設(shè)計(jì)方都和勘察單位扯皮;在覆蓋型巖溶(喀斯特)和埋藏型巖溶(喀斯特)場(chǎng)地,巖層上覆土層近巖面處多見軟化現(xiàn)象,巖層淺部常較破碎;在巖溶巖層的殘積與殘坡積土層中,易被誤判為基巖的蝕余孤石和石牙屢見不鮮;未充填、半充填或全充填軟堆積物的溶洞,因頂板厚薄變化較大,溶洞形態(tài)及性質(zhì)復(fù)雜,也常常給勘察人員帶來野外作業(yè)與判定難度……。由于按普通的詳細(xì)階段的勘察很難確切地反映場(chǎng)地的實(shí)際巖溶情況,故而在巖溶發(fā)育場(chǎng)地常常需要在施工階段進(jìn)行專門的巖溶勘察,即便如此,在施工過程中還是要有反復(fù)地針對(duì)巖溶問題進(jìn)行會(huì)診的情況,且仍然會(huì)給正常的地基與基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)帶來極大困難,施工質(zhì)量很難得到保證,工期一拖再拖的事情時(shí)有發(fā)生,甚至還出現(xiàn)有個(gè)別工程不得不放棄建設(shè)的情形。

2 目前巖溶地區(qū)地基與基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)方法及存在的主要問題

由于巖溶地區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件的極大變異性,使得巖溶地基常常具有極端的復(fù)雜性,雖然當(dāng)前定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)方法的成果較多,但具有可操作性良好的似乎多局限在定性或半定量評(píng)價(jià)的范疇,如經(jīng)驗(yàn)類比推定法、綜合因子判別法、經(jīng)驗(yàn)公式估算法等。常用的單個(gè)巖溶(洞體)的經(jīng)驗(yàn)公式法局限性較大,而有限元等定量評(píng)價(jià)的方法則僅在較重大的工程上有所應(yīng)用,且常須與現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)或足尺試驗(yàn)并行。

筆者在從事多年的勘察報(bào)告審查工作中,有幸拜讀了大量巖土工程勘察報(bào)告,然而,在所見到的大多數(shù)勘察報(bào)告中,所謂的巖土工程評(píng)價(jià),沿襲老的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)方法者為數(shù)眾多,有些勘察報(bào)告,讓緊接下道工序的設(shè)計(jì)人感到高深莫測(cè)、難得要領(lǐng),報(bào)告文字中類似于“大概”、“可能”“基本上”等泛泛而談的東西過多,而恰到好處、切中要害的精準(zhǔn)評(píng)價(jià)與建議卻是很少。而所謂的基礎(chǔ)比選,則自淺基礎(chǔ)到樁基礎(chǔ)平行羅列,沒有針對(duì)擬建工程特點(diǎn)去推薦安全、經(jīng)濟(jì)、可行的基礎(chǔ)方案,或者出以私心,根據(jù)自己的設(shè)備,一律推薦某種類型的樁等等。比如,某服裝廠區(qū)建筑勘察報(bào)告在相應(yīng)章節(jié)中,把《工程地質(zhì)手冊(cè)》中論述巖溶地基與基礎(chǔ)的文字做了大量抄錄,而對(duì)巖溶的基本形態(tài)、確切的空間分布,以及其對(duì)擬建工程各個(gè)基礎(chǔ)部分的影響大小等卻沒有具體的分析評(píng)價(jià)與必要的計(jì)算,給地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工帶來了極大麻煩,拖延工期達(dá)三個(gè)月之久,報(bào)告中的描述與分析評(píng)價(jià)也是堆砌羅列、不得要領(lǐng)、模棱兩可,其基礎(chǔ)方案比選與建議自然也就沒有任何實(shí)際意義了。又如,某紙品廠勘察報(bào)告的相應(yīng)章節(jié)中描述了地表約10 m以下的巖層中遇洞率為37%,而對(duì)溶洞的具體空間分布、穩(wěn)定性、發(fā)展趨勢(shì)與危害程度,對(duì)巖層以上的殘積紅粘土中是否存在或在建筑施工與使用基準(zhǔn)期內(nèi)可否產(chǎn)生危及安全的土洞卻只字未提,而該地段正處在曾出現(xiàn)過數(shù)起巖溶土洞塌陷的不穩(wěn)定工程地質(zhì)分區(qū)內(nèi)。由于勘察地段的土層強(qiáng)度較高,設(shè)計(jì)選用了獨(dú)立柱基礎(chǔ)(基底寬度為2.5 m),在其中一個(gè)基坑施工完畢待檢期間,突然發(fā)生基底土體下陷,坑壁土體坍塌,坑深超過5 m(地面至塌落物頂面的距離),且在數(shù)十分鐘內(nèi)即被地下水淹沒,水深近3 m。

3 巖溶地區(qū)的巖土工程評(píng)價(jià)及基礎(chǔ)方案比選

在進(jìn)行巖溶地區(qū)地基與基礎(chǔ)的分析評(píng)價(jià)前,首先應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確查明巖溶的空間形態(tài)與分布,明確擬建筑物的結(jié)構(gòu)荷載情況;然后根據(jù)已有的專家系統(tǒng)建立幾個(gè)比較適合實(shí)際情況的數(shù)學(xué)力學(xué)模型,逐步從定性的分析評(píng)價(jià)深入到定量的分析評(píng)價(jià);最后按照技術(shù)安全性、經(jīng)濟(jì)合理性與施工可行性的原則進(jìn)行優(yōu)選。

眾所周知,在準(zhǔn)確查明了擬建筑場(chǎng)地范圍內(nèi)巖溶的空間形態(tài)與分布的前提下,巖溶地區(qū)的巖土工程評(píng)價(jià)首先是在選址和初勘階段進(jìn)行建筑場(chǎng)地的穩(wěn)定性評(píng)價(jià),確定建設(shè)場(chǎng)地所在的工程地質(zhì)區(qū)段,并按工程地質(zhì)理論結(jié)合巖土工程勘察規(guī)范劃分穩(wěn)定、欠穩(wěn)定與不穩(wěn)定地段,對(duì)欠穩(wěn)定與不穩(wěn)定地段提供必要的防護(hù)與處理的總體措施建議。其次是施工圖與施工階段(詳細(xì)勘察及施工勘察)應(yīng)進(jìn)行建筑地基的穩(wěn)定性、地基承載能力與地基變形方面的量化評(píng)價(jià)[1,2]。地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)可依據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn),按巖溶形跡與結(jié)構(gòu)物的相對(duì)空間位置、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、巖體結(jié)構(gòu)類別、充填物、以及地下水等因素,綜合確定各個(gè)巖溶形跡個(gè)體的穩(wěn)定性,當(dāng)不能滿足穩(wěn)定性要求時(shí),則可根據(jù)各個(gè)巖溶形跡的具體條件,結(jié)合上部結(jié)構(gòu)荷載及當(dāng)?shù)亟ú呐c施工條件,因地制宜地分別考慮選用下述處理措施:對(duì)于洞隙,可鑲嵌塞補(bǔ)、灌注漿液、梁板跨蓋、清軟除淤、爆破不滿足要求的洞頂板、換填材料、砼楔、柱墩支撐、設(shè)樁及至調(diào)整基礎(chǔ)平面位置等;對(duì)于坡基,可采用反坡向臺(tái)階、褥墊層及支墩法處理[1,3];對(duì)于地下水,則應(yīng)采用滲溝引流等疏排設(shè)施;對(duì)于土洞,除應(yīng)做好地表與地下水的截流、改道與防滲堵漏外,尚可對(duì)其推薦選用挖填、灌砂、梁板跨越和樁基穿越等措施進(jìn)行處理;緊接下一步則應(yīng)依據(jù)巖石與巖體強(qiáng)度、巖土體表面摩擦系數(shù)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等評(píng)價(jià)基礎(chǔ)是否穩(wěn)定,在欠穩(wěn)定或不穩(wěn)定時(shí)應(yīng)采取那些可用的處理措施,并推薦其中經(jīng)過優(yōu)選的方案供設(shè)計(jì)與施工人員選用[3]。對(duì)于巖溶地區(qū)地基的承載力與變形的評(píng)價(jià),除了一般地基通常評(píng)價(jià)的內(nèi)容外,特別應(yīng)考慮巖溶(喀斯特)地基不均勻性的影響,應(yīng)根據(jù)巖溶形跡的幾何參數(shù)(空間分布)與力學(xué)參數(shù)(強(qiáng)度與模量或有較好相關(guān)關(guān)系或置信限度的其他指標(biāo))等給予量化評(píng)價(jià),而抽象籠統(tǒng)地以地基均勻和地基不均勻來評(píng)價(jià)是無法給設(shè)計(jì)人員一個(gè)具體印象的。事實(shí)上,釀成許多三級(jí)以下的建(構(gòu))筑物裂損和垮塌的事故,都可歸因于對(duì)這一點(diǎn)的忽視或注意不足。

巖溶地區(qū)地基基礎(chǔ)方案的比選,應(yīng)當(dāng)根據(jù)巖溶(喀斯特)地基類型、當(dāng)?shù)厥┕ちα颗c習(xí)慣、建筑材料和上部結(jié)構(gòu)荷載條件進(jìn)行(當(dāng)然也要考慮技術(shù)的先進(jìn)性等因素)。對(duì)于裸露型巖溶(喀斯特)地基,可參照一般巖石地基進(jìn)行基礎(chǔ)比選,但應(yīng)注意巖溶地基存在的巖面劇烈起伏和巖體內(nèi)部可能出現(xiàn)洞隙等地基缺陷的影響。如在石牙密布時(shí)可利用其作成支墩式基礎(chǔ),基巖表面坡度≥15%時(shí)可放臺(tái)階或作褥墊處理,再做獨(dú)立(或條形)基礎(chǔ),巖體較平緩穩(wěn)定可采用錨桿或錨樁基礎(chǔ)等等[1,3];對(duì)于覆蓋型巖溶(喀斯特)地基和埋藏型巖溶(喀斯特)地基,常常需采用樁(墩)式基礎(chǔ),由于完整穩(wěn)定巖層起伏劇烈或巖層中存在溶槽溶洞等缺陷,常需協(xié)調(diào)同一承臺(tái)下長(zhǎng)樁與短樁的應(yīng)力應(yīng)變問題[1,4]?，F(xiàn)行工程實(shí)例表明,較穩(wěn)妥的辦法是采用鉆(沖、挖)孔灌注樁基礎(chǔ)、后注(壓)漿灌注樁等[4],只是需要特別注意樁底下部巖層厚度必須滿足強(qiáng)度與變形計(jì)算要求,通常完整基巖的厚度不宜<1～3倍樁徑或5 m,當(dāng)洞跨超過樁底直徑時(shí),尚應(yīng)進(jìn)行沖切等計(jì)算;當(dāng)上覆土層超過了基礎(chǔ)要求的驗(yàn)算厚度且承載力符合要求時(shí),應(yīng)在確定土層中不會(huì)在建筑物使用期內(nèi)出現(xiàn)影響到主要受力層的土洞或軟化帶的前提下,盡量選用以土層作持力層的淺基礎(chǔ)或樁(墩)基礎(chǔ)方案,也可進(jìn)行地基缺陷加固處理,并以之作為基礎(chǔ)持力層,條件合適時(shí)還可以考慮復(fù)合地基方案。

4 結(jié)束語

目前所見的絕大多數(shù)巖土工程勘察報(bào)告中對(duì)巖溶地區(qū)的巖土工程評(píng)價(jià)及基礎(chǔ)方案比選的深度仍不能滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)與施工需要。

巖溶地區(qū)的巖土工程評(píng)價(jià)首先應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià),包括建筑場(chǎng)地的穩(wěn)定性評(píng)價(jià),巖溶地基的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和基礎(chǔ)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià);其次是巖溶地基承載力與變形的評(píng)價(jià);再次才是有明確針對(duì)性的結(jié)合上部結(jié)構(gòu)物與巖溶地基變異性極大的特點(diǎn)綜合進(jìn)行基礎(chǔ)方案比選,在安全、經(jīng)濟(jì)、可行的原則下推薦合理的地基與基礎(chǔ)方案。

致謝:本論文在編寫過程中得到黃石市圖審事務(wù)所高級(jí)工程師、總工肖南川的精心指導(dǎo)和審核,在此表示衷心感謝。

[1] 工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[S].第4版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

[2] GB50021—2001,巖土工程勘察規(guī)范[S].

[3] GB20007—2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] JGJ94—2008,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

(責(zé)任編輯:潘 瀟)

Evaluation of Geotechnical Engineering and Selection of Foundation Program in Karst Area

ZHANG Xianhua
(Hubei Construction and Investigation of Geology andMinerals Co.L td,.Wuhan,Hubei430030)

Aiming at the engineering characteristics of uneven foundation in karst area,this paper introduces some common methods about evaluating geotechnial engineering and selecting foundation program.And it points out the shortcomings of practice in geotechnical investigation report.The author proposes the principles and methods which this work should follow and emphasizes thiswork should have clear target.

karst;geotechnical engineering;footing selection;shallow footing;pile footing;composite foundation bed

P642.25;TU471.1

A

1671-1211(2010)03-0265-03

2009-11-20;改回日期:2010-05-21

張先華(1964-),男,工程師,巖土工程專業(yè),從事巖土工程勘察和施工工作。E-mail:zhangxianhua66@163.com