巖溶地面塌陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理及樁基設(shè)計(jì)探究

尚掩庫(kù)

(貴州大學(xué)喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550003)

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，地表的高層建筑物越來(lái)越多。由于人類的過(guò)度活動(dòng)，地表已經(jīng)越來(lái)越脆弱，在近幾年也相繼發(fā)生地面塌陷的事故。為了穩(wěn)定建筑物，控制建筑物的沉降范圍，一般采用樁基礎(chǔ)。由于地質(zhì)多種多樣、情況比較復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)、可靠、適合的新型樁基設(shè)計(jì)是地基界新興的一項(xiàng)重要課題。下文將結(jié)合案例，論述地表脆弱地區(qū)的地基模型和樁基沉降變形模型，完善樁基設(shè)計(jì)技術(shù)和積累經(jīng)驗(yàn)。

1 徐州巖溶地區(qū)高層建筑的地面塌陷

近年來(lái)，徐州加快城市發(fā)展腳步、高層建筑逐漸增多，建設(shè)高層建筑中遇到的巖土工程問(wèn)題也越來(lái)越復(fù)雜。下面將借鑒塌陷區(qū)高層建筑物的成功例子，分析地質(zhì)災(zāi)害的成因并對(duì)塌陷地區(qū)進(jìn)行勘察研究、治理災(zāi)害地區(qū)。另外由于巖溶洞的裂隙發(fā)育，樁基可以根據(jù)不同的潛入深度來(lái)保持地基的安全。

1.1 工程的背景

徐州電業(yè)局新生街道的高層住宅樓處于本地老城區(qū)的東南部，東邊接近故黃河和迎賓大道，西邊連著巖溶住宅的塌陷區(qū)，這里多次發(fā)生地面塌陷。這個(gè)場(chǎng)地是國(guó)家批準(zhǔn)立項(xiàng)確定的徐州市巖溶塌陷危險(xiǎn)亞區(qū)。

電業(yè)局里有4棟高級(jí)住宅樓，建筑總面積達(dá)到10萬(wàn)m2，樓層總高度是80 m，地上28層，地下2層。4棟樓采用箱—樁的基礎(chǔ)，分別在1999年，2001年相繼完工。治理工程的第一件事是對(duì)地質(zhì)進(jìn)行初勘、詳勘和施工勘探。

1.2 工程的地質(zhì)條件和巖溶地面的塌陷情況

1)工程的地質(zhì)條件。

該塌陷地帶位于故黃河西邊的高漫灘上，東邊距離河床60 m～80 m，地表海拔達(dá)37.30 m，地面平坦，巖土層結(jié)構(gòu)主要如下:

①層0.0 m～8.5 m以黃色粉土為主，夾雜一些粉質(zhì)粘土，稍密是雜填土。②層8.5 m～21 m是灰黃～灰色粉砂，中密，底部中含有小礫石、瓦塊。③21 m以下的是中厚層，以?shī)W陶系灰?guī)r為主、可見(jiàn)到部分角礫巖。巖溶裂縫發(fā)育過(guò)程中，青磚、砂石、瓦片填滿淺層的溶洞裂縫，強(qiáng)度大。④塌陷地帶的地下水中有少些上層滯水、巖溶裂隙弱承壓水和孔隙潛水。巖溶裂隙的水年變化幅度大于9 m，主要在灰?guī)r面上下波動(dòng)。這一層灰?guī)r水是徐州居民主要的供水來(lái)源。所以在它的南邊已經(jīng)開(kāi)采了4口井，每天的開(kāi)采量為0.8萬(wàn)m2，已經(jīng)超出了標(biāo)準(zhǔn)的2倍多，所以漏斗逐年在下降。根據(jù)此勘察報(bào)告可以確定了該場(chǎng)地確實(shí)已經(jīng)是巖溶地面的塌陷危險(xiǎn)區(qū)，急需治理地質(zhì)中存在的災(zāi)害。

2)巖溶地區(qū)的塌陷情況。

1992年4月12日左右，新生街發(fā)生大范圍的塌陷事故，塌陷的坑洞達(dá)8處、面積南北長(zhǎng)190 m、東西寬110 m，倒塌224所房屋和96戶民房，民房損壞、地面裂開(kāi)、地下水管破裂。用雷達(dá)和靜力觸探的方法發(fā)現(xiàn)有12個(gè)土洞情況異常，鉆探過(guò)程發(fā)現(xiàn)里邊沖洗液泄漏、溶洞裂開(kāi)。

3)樁基技術(shù)在治理地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用。

因?yàn)樗莸母邔咏ㄖ镉?層是地下室，所以要開(kāi)挖和支護(hù)基坑。先測(cè)試巖溶的裂隙情況，再確定樁基打進(jìn)的深度。在鉆孔前要對(duì)巖溶裂隙注漿，最終形成一個(gè)含水、土、巖的封閉單元體。

首先運(yùn)用高壓旋噴支護(hù)樁基坑。運(yùn)用高壓旋噴樁和百噴樁合成的止水帷幕在有效深度為5.2 m的基坑平面上，同時(shí)起支護(hù)作用。開(kāi)挖基坑用陡坡和放坡方式，高壓噴射注漿體要到巖面上。噴射器的鉆孔直徑是130 mm，遇到溶洞和漏液要先注漿，遇到裂隙要加深，特別是在基巖0.6 m～1.2 m處。

其次要進(jìn)行施工勘察。查明樁基附近巖溶的裂隙情況，確定樁基嵌入的深度，如果發(fā)現(xiàn)漏水就要進(jìn)行注漿，主要為了堵住各水力通道，保證取芯率達(dá)八成以上，并拍照和記錄水位。

最后是進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)。用鉆孔灌注嵌巖樁，保證樁基安全穩(wěn)定。剛開(kāi)始要檢查樁端下的基巖的完整性和強(qiáng)度，在3倍～5倍的樁徑范圍內(nèi)要達(dá)到要求。在施工中不斷調(diào)整樁和孔的位置，才能讓不同長(zhǎng)度的樁基符合要求。

4)質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。

質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)包括基巖注漿、試驗(yàn)樁靜荷載、檢測(cè)樁身質(zhì)量和觀測(cè)建筑物沉降情況。治理地質(zhì)災(zāi)害，判斷依據(jù)是能否形成封閉的巖土單元體、是否切斷地下水與外面的聯(lián)系。根據(jù)基坑內(nèi)外的觀測(cè)孔觀測(cè)得出:如果坑內(nèi)管井降水，可以疏水，直到降水井抽完水后停止抽水。水位依舊但外側(cè)觀測(cè)孔觀察不到水位變化，說(shuō)明止水帷幕順利。對(duì)巖溶裂隙進(jìn)行注漿，可延伸到10 m外。在鉆孔的后半階段，發(fā)現(xiàn)裂隙中有已經(jīng)凝固的注漿體。根據(jù)分析，進(jìn)行注漿前漏液率是9.6%，注漿后從未發(fā)生漏液，說(shuō)明施工順利，堵住了基巖的裂隙。分析巖溶地區(qū)塌陷的成因，再針對(duì)性地進(jìn)行勘察、支護(hù)和樁基設(shè)計(jì)，形成封閉的巖土單元體，才能真正治理地質(zhì)災(zāi)害。鉆孔前要勘探裂隙情況，才能確定樁基潛入的深度，保證工程安全、順利進(jìn)行。所以，徐州高層住宅樓的巖溶塌陷地質(zhì)治理是治理地質(zhì)災(zāi)害一個(gè)成功的例子，為以后高層建筑物的地質(zhì)災(zāi)害治理提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2 軟土地區(qū)高層建筑物的樁基技術(shù)分析

徐州的例子可以讓人更詳細(xì)更明確地認(rèn)識(shí)樁基技術(shù)在生活中的實(shí)際應(yīng)用，下面則根據(jù)實(shí)際情況，研究樁基設(shè)計(jì)的方法和計(jì)算方法，著重詳細(xì)論述軟土地區(qū)的地基模型和樁基的沉降變化模型。

2.1 樁基的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算方法

設(shè)計(jì)樁基第一步是選擇樁基材料。根據(jù)建筑物的具體情況，包括施工條件和地質(zhì)要求來(lái)選擇樁的尺寸和型號(hào)，還有計(jì)劃承臺(tái)的尺寸、埋深和樁基的數(shù)量和布置情況，計(jì)算各樁基的承受能力以及參考荷載標(biāo)準(zhǔn)。減少沉樁是因?yàn)殡m然承載力符合理論要求，但沉降量對(duì)于實(shí)際承受力卻過(guò)大，所以要減少樁量來(lái)減少沉降，這種稱為減沉樁，通過(guò)減少土中應(yīng)力來(lái)達(dá)到減沉目的。減沉樁幅度小，一般減少的數(shù)量很少，即使這樣減沉后地基的沉降情況相對(duì)于單樁的沉降量還是大很多，有些樁基沉降可以是150 mm，有些短樁沉降一般就小于50 mm。

城市地表上有高層建筑、下有水道或地鐵，活動(dòng)太過(guò)劇烈以致地表非常脆弱，所以很多情況屬于軟土地基。軟土地基屬于不良地基，其中軟土強(qiáng)度低、透水性差、壓縮性高。在軟土地上建設(shè)建筑物，要重視地基的穩(wěn)定情況、防止變形的不良影響。在軟土地上進(jìn)行建筑工程，首先要認(rèn)識(shí)地基強(qiáng)度和變形情況，處理地基使其滿足建筑要求。處理是為了提高軟土地基的強(qiáng)度，保持地基穩(wěn)定，從而減少軟土沉降或不均勻沉降、降低軟土壓縮性，可以使用換土、排水固結(jié)等方法。其中厚的軟土地基用鋼筋混凝土處理，含水較多的用砂樁、堆載預(yù)壓等方法處理。每種方法都有特定的作用，所以要合理選擇，才能正確處理好地基。

樁基礎(chǔ)的歷史使用時(shí)間悠久，在古時(shí)候經(jīng)常用木樁來(lái)解決建筑在軟土地上的建造問(wèn)題。樁一端承接著建筑物上層的荷載，一端連接著土地或基巖，把上方的載荷力移到下方巖土中，既有效地承載負(fù)荷又降低上部結(jié)構(gòu)，防止建筑物沉降。運(yùn)用樁來(lái)保證建筑物的穩(wěn)定，減少地基或其他振動(dòng)對(duì)建筑物的影響。總的來(lái)說(shuō)，樁基礎(chǔ)是脆弱地區(qū)建筑物廣泛應(yīng)用的方式，具有抗傾覆能力還有抗震的作用。

2.2 分析軟土地區(qū)的地基模型

地基模型，是用來(lái)反映土體受外力作用時(shí)，地基土應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系變化特點(diǎn)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。選擇地基模型，要依據(jù)建筑物的地基承載力和性質(zhì)、負(fù)載能力等情況進(jìn)行合理選擇。模型既要形象準(zhǔn)確描述受力情況和力學(xué)性質(zhì)，又要便于計(jì)算和分析。在計(jì)算中應(yīng)注意實(shí)際的基礎(chǔ)剛度處于柔性和絕對(duì)性基礎(chǔ)兩者之間，沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)值。運(yùn)用結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)分析得出地基反力的分布。如果建筑物荷載小而地基承受力大，可用線性彈性地基模型分析，常用的是分層地基模型。此方法分析地基土分散和變形的特點(diǎn)，著重考慮土層非均質(zhì)性，根據(jù)深度變化而分層，計(jì)算結(jié)果比較可靠。

確定場(chǎng)地和建筑物形式后，綜合分析荷載力、建筑類型和其他地質(zhì)條件來(lái)選擇地基模型。分析材料、荷載力、幾何形狀以及其他因素來(lái)選擇模型的參數(shù)，一般要考慮土層分布、土地變形和荷載在地基中引起的應(yīng)力、上層結(jié)構(gòu)剛度和埋置深度等因素。

2.3 分析軟土地地基沉降變形模型

樁基設(shè)計(jì)要充分考慮沉降量，作為評(píng)價(jià)地基設(shè)計(jì)適用的標(biāo)準(zhǔn)。先估計(jì)地基在靜荷載力作用后的沉降量，可用三部分相加進(jìn)行計(jì)算:S=Sd+Sc+Ss，即沉降量=畸變沉降量+固結(jié)沉降量+次壓縮沉降量。

在實(shí)際情況中，固結(jié)致使部分飽和土中樁發(fā)生沉降;一部分沉降和消散的孔隙水壓有關(guān)系，這部分變形稱為流變，所以計(jì)算時(shí)要考慮固結(jié)和流變兩種情況。從以上論述可以看出，合理建立樁基礎(chǔ)模型，要全面分析土的特點(diǎn)、孔隙水壓的變化和結(jié)構(gòu)應(yīng)力、樁基和建筑物的變形和受力變化。認(rèn)識(shí)這些，才能合理設(shè)計(jì)樁基、預(yù)測(cè)建筑物的安全。

計(jì)算樁基沉降的模型，一般有以下兩種模型:1)實(shí)體深基礎(chǔ)模型，它把樁與樁之間的地基土假設(shè)成一實(shí)體，所以建筑物的沉降就是整個(gè)實(shí)心體在地基下部分的壓縮變形。2)連續(xù)體模型，它把樁和土當(dāng)作兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。建筑物沉降是樁和土兩個(gè)介質(zhì)一起垂直變形，跟實(shí)際情況比較吻合。計(jì)算方法則有簡(jiǎn)易理論法和半理論半經(jīng)驗(yàn)法。

巖溶塌陷是目前建筑物密集帶的一種地理災(zāi)害，徐州治理塌陷地質(zhì)災(zāi)害的成功例子給我們指明一條治理道路。在實(shí)際工作中，影響樁基設(shè)計(jì)的因素既多又復(fù)雜多變，需要工程建設(shè)者選擇合理的方法和模型，注意選用合適的計(jì)算方法和參數(shù)，才能得出對(duì)實(shí)際工程有指導(dǎo)意義的數(shù)據(jù)和方法。

［1］江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì).江蘇省徐州市巖溶地面塌陷災(zāi)害地質(zhì)勘查報(bào)告［R］.

［2］高進(jìn)科.樁基設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題［J］.交通世界(建養(yǎng)·機(jī)械)，2008(1):18-19.

［3］胡金會(huì).樁基設(shè)計(jì)中計(jì)算公式的應(yīng)用［J］.山西建筑，2007，33(6):95-96.