淺析巖溶地區(qū)工程勘察與建筑物基礎(chǔ)選型

趙元

摘 要：可溶性碳酸鹽巖類分布地區(qū)巖溶等不良地質(zhì)作用發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)工程建設(shè)的危害性較大，如何查明建設(shè)場(chǎng)地巖溶發(fā)育情況并合理進(jìn)行基礎(chǔ)選型一直是工程建設(shè)的重點(diǎn)難題。文章探討了巖溶地區(qū)的主要巖土工程勘察方法和探測(cè)技術(shù)，分析了各種勘察技術(shù)方法的特點(diǎn)和適用范圍，并進(jìn)行了巖溶地區(qū)建筑物基礎(chǔ)選型的相關(guān)探討。

關(guān)鍵詞：巖溶；工程勘察；基礎(chǔ)選型

引言

我國(guó)幅員遼闊，可溶性碳酸鹽巖類分布廣泛，為巖溶的發(fā)育提供了基本條件。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)的廣西、四川、云南、貴州及廣東北部等地均有大量巖溶的出露。

巖溶又稱為喀斯特，是指水對(duì)可溶性巖石（如碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等）進(jìn)行以化學(xué)溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機(jī)械作用為輔的地質(zhì)作用，以及由這些作用所產(chǎn)生的現(xiàn)象的總稱。巖溶作用是一種緩變作用，對(duì)建設(shè)工程的主要危害是在巖溶區(qū)形成地下溶洞、上覆土體中形成土洞等造成巖溶塌陷，從而對(duì)建筑物造成破壞。同時(shí)，由于巖溶發(fā)育區(qū)往往地下水豐富且連通性較好，在地下工程施工中若遇到巖溶地質(zhì)，則可能會(huì)發(fā)生地下水突涌或地下泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，危及到工程建設(shè)。此外，部分巖溶地區(qū)基巖上覆土層為紅粘土，具有一定的膨脹性，可能會(huì)造成建筑物基礎(chǔ)變形和開(kāi)裂。

巖溶因其特殊的地質(zhì)特性和對(duì)工程建設(shè)的重要影響越來(lái)越受到相關(guān)專家和學(xué)者的重視，并對(duì)其逐步開(kāi)展了深入的研究，主要包括巖溶形成的條件、類型、影響因素、巖溶的地貌結(jié)構(gòu)和巖溶塌陷等方面。對(duì)于巖溶地區(qū)工程建設(shè)來(lái)說(shuō)，工程勘察和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，準(zhǔn)確查明場(chǎng)地的巖溶發(fā)育特征并采取合理的基礎(chǔ)方案才能避免巖溶作用造成的災(zāi)害。隨著巖溶地區(qū)大量工程建設(shè)項(xiàng)目的開(kāi)展，工程勘察也遇到了越來(lái)越復(fù)雜的技術(shù)難題，先進(jìn)的勘察技術(shù)的投入，使得工程技術(shù)人員能夠在工程實(shí)踐中逐步解決技術(shù)難題，并總結(jié)工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步提高巖溶地區(qū)的工程勘察技術(shù)和水平。巖溶地區(qū)的工程建設(shè)，必須先深入了解巖溶的發(fā)育規(guī)律和基本地質(zhì)特性，才能合理地選擇理論上和實(shí)際上都可行的工程地質(zhì)勘察方法和手段。應(yīng)針對(duì)不同巖溶發(fā)育的特點(diǎn)和規(guī)律采取不同的勘察方法與手段。

1 巖溶地區(qū)工程勘察方法及探測(cè)技術(shù)

在巖溶地質(zhì)發(fā)育地區(qū)，目前國(guó)內(nèi)通用的主流的巖土工程勘察技術(shù)方法及相關(guān)的探測(cè)技術(shù)手段主要包括：

1.1 工程地質(zhì)調(diào)查與測(cè)繪

主要是通過(guò)野外調(diào)查和測(cè)繪等方式，對(duì)包括巖溶區(qū)域的地表地貌形態(tài)、地層巖性、水文地質(zhì)狀況等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行勘測(cè)和試驗(yàn)，獲得巖溶發(fā)育的宏觀分布及其特性參數(shù)，以便深入進(jìn)行工程地質(zhì)野外勘測(cè)任務(wù)。工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)表明，該技術(shù)方法簡(jiǎn)單實(shí)用，能為建設(shè)工程項(xiàng)目獲得宏觀的基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

1.2 鉆探

鉆探工程是使用最廣泛的一類勘探手段，普遍應(yīng)用于各類工程勘察中。鉆探通過(guò)機(jī)械鉆孔取芯，可直接對(duì)場(chǎng)地地層進(jìn)行鑒別分析，從而直觀地獲得地層巖性等相關(guān)信息。但由于是“一孔之見(jiàn)”，它對(duì)一些重要的地質(zhì)體或地質(zhì)現(xiàn)象可能會(huì)有誤判、遺漏，所以也稱它為“半直接”勘探手段。

1.3 工程地質(zhì)原位測(cè)試

該技術(shù)的工程經(jīng)驗(yàn)較為豐富，在巖溶地區(qū)的應(yīng)用也較成熟。技術(shù)原理是采用原位標(biāo)準(zhǔn)貫入、動(dòng)力觸探等試驗(yàn)方式，測(cè)定出溶洞、土洞中的填充物、巖溶坍塌堆積物的地質(zhì)特性及工程地基土的承載力等。在工程實(shí)踐中，該技術(shù)因其勘察成本低、操作過(guò)程簡(jiǎn)便而得到廣泛應(yīng)用。

1.4 遙感勘測(cè)技術(shù)

該技術(shù)主要基于先進(jìn)的科技應(yīng)用，包括熱紅外遙感、航空遙感、地球資源衛(wèi)星遙感、側(cè)視雷達(dá)遙感等高科技技術(shù)。遙感勘測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大面積調(diào)查，調(diào)查結(jié)果的重復(fù)性好，在巖溶的地貌形態(tài)、層組劃分和地質(zhì)構(gòu)造等研究領(lǐng)域，能夠使得研究結(jié)果更為精確，因而被廣泛應(yīng)用在巖溶地區(qū)的野外勘測(cè)工作中。該技術(shù)通常應(yīng)用在大型工程的選址方面，一般的民用建筑工程和小型的工業(yè)建筑則較少采用此類技術(shù)。

1.5 示蹤試驗(yàn)

該技術(shù)主要是通過(guò)采用示蹤劑（如同位素、熒光染料等），對(duì)巖溶地區(qū)的地下水進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)，以研究巖溶的發(fā)育程度、分布特點(diǎn)及各溶洞之間的連通情況。該技術(shù)可靠性較強(qiáng)，實(shí)際應(yīng)用中操作簡(jiǎn)單方便，但只能應(yīng)用在有地下水的巖溶中。

1.6 插釬

該技術(shù)主要是通過(guò)在土層中按一定間距插入一定長(zhǎng)度的鋼釬，用以判斷土層中是否有巖溶土洞在發(fā)育形成。在巖溶地區(qū)，常常在新開(kāi)挖的地基基坑中采用插釬來(lái)判斷開(kāi)挖的土層地質(zhì)中是否有土洞或者塌陷軟弱層。大量的建設(shè)工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)表明，插釬技術(shù)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性較好，施工過(guò)程簡(jiǎn)單易操作。

1.7 地球物理勘探

該技術(shù)在建設(shè)工程中主要用于對(duì)巖體中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的巖溶洞穴進(jìn)行勘測(cè)。成熟的應(yīng)用技術(shù)方法主要包括電阻率法、無(wú)線電波透射法、高密度電法、聲波透射法等技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，也產(chǎn)生了地質(zhì)雷達(dá)、層析成像等先進(jìn)技術(shù)，在建設(shè)工程領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，尤其是在巖溶地質(zhì)勘測(cè)領(lǐng)域，廣泛用作巖溶溶洞、土洞和塌陷等的分布、形態(tài)、填充狀況的確定。由于巖溶塌陷形成時(shí)具有突發(fā)性、隱蔽性等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的地面監(jiān)測(cè)方法，只能監(jiān)測(cè)到地面的沉降、地面建筑的開(kāi)裂等狀況，而采用先進(jìn)的地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)和巖溶地質(zhì)系統(tǒng)中水壓力動(dòng)態(tài)變化傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠直接地監(jiān)測(cè)到塌陷等具體狀態(tài)參數(shù)，大大改善了監(jiān)測(cè)效果。在確定大范圍的巖溶發(fā)育和深部巖溶的分布規(guī)律時(shí)，采用地球物理勘探技術(shù)，能得到更為精確的數(shù)據(jù)資料，但該技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)場(chǎng)地狀況和技術(shù)人員的技能水平要求較高。

1.8 管波探測(cè)法

該技術(shù)的原理是向樁位中心的勘測(cè)孔發(fā)射管波，通過(guò)收集分析管波的反射信號(hào)，確定整個(gè)樁位范圍處的巖溶、軟弱土夾層和裂隙帶的發(fā)育形成和分布狀況，并對(duì)嵌巖樁基樁持力層的完整性進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)分析。根據(jù)巖土工程勘察規(guī)范的規(guī)定，建筑物基礎(chǔ)使用大直徑嵌巖樁時(shí)，應(yīng)逐樁布置勘察點(diǎn)，專門(mén)對(duì)樁位進(jìn)行科學(xué)的樁基勘察，通常勘探的深度要在5米以上，且勘探深度要大于等于樁底以下樁徑的3倍。當(dāng)前建設(shè)項(xiàng)目在進(jìn)行樁位勘探時(shí)，為了縮短勘察工期、降低勘察成本，常采用一樁一孔的鉆探方式，鉆孔直徑相對(duì)樁基直徑太小，因而難以查明鉆孔以外、樁徑以內(nèi)的巖溶發(fā)育情況。而如果用管波探測(cè)法作為輔助勘察手段，不僅可以提高勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性，還能降低勘察的成本、縮短勘察工期。

1.9 模型試驗(yàn)

該技術(shù)主要是在實(shí)驗(yàn)室完成，一般用于模擬研究巖溶塌陷時(shí)的狀態(tài)參數(shù)。其工作原理是通過(guò)采用一定比例大小的試驗(yàn)裝置，模擬研究巖溶在不同工況條件下（如不同水動(dòng)力特性工況）的地基穩(wěn)定性和巖溶塌陷過(guò)程的工況參數(shù)的變化。

2 巖溶地區(qū)建筑物基礎(chǔ)選型

建設(shè)工程項(xiàng)目在場(chǎng)地選址時(shí)，出于安全考慮，應(yīng)該盡量避開(kāi)巖溶地質(zhì)發(fā)育、對(duì)建設(shè)項(xiàng)目所在區(qū)域的地質(zhì)穩(wěn)定性有直接危害或者具有潛在安全隱患的場(chǎng)地。如果基于建設(shè)項(xiàng)目需要，必須在具有安全隱患的巖溶地質(zhì)場(chǎng)地上建設(shè)建筑物時(shí)，建筑物的基礎(chǔ)選型將變得尤為重要，必須全面考慮建設(shè)工程項(xiàng)目的安全、成本及施工難易等因素，以選擇更為安全、經(jīng)濟(jì)、合理的基礎(chǔ)型式。

2.1 巖溶地質(zhì)埋藏較深時(shí)的基礎(chǔ)選型

當(dāng)巖溶埋藏較深時(shí)，若上覆地層具有足夠的地基承載力，或者上部地層經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后能夠滿足建筑物的地基承載力要求，或者地層本身就具有某些特定條件下可利用的特性，可以選擇回避巖溶地質(zhì)危害的基礎(chǔ)型式，使建筑物基礎(chǔ)不觸及場(chǎng)地深埋的巖溶。若建設(shè)場(chǎng)地中存在土洞，可基于土洞的深度、發(fā)育的范圍和發(fā)育程度以及場(chǎng)地的穩(wěn)定性，采用回填、注漿、灌砂、夯塌土洞等方式進(jìn)行處理，提高地基承載力，消除可能產(chǎn)生的地面塌陷隱患。也可考慮采用跨越式基礎(chǔ)避開(kāi)土洞發(fā)育區(qū)域。

若對(duì)地表土層承載力要求不高，可采用淺基礎(chǔ)，應(yīng)重點(diǎn)注意場(chǎng)地內(nèi)土洞的處理、土洞的發(fā)育特征和場(chǎng)地的穩(wěn)定性等。天然地基可通過(guò)強(qiáng)夯、復(fù)合地基等措施使其滿足設(shè)計(jì)承載力要求。對(duì)于多層建筑物的地基，可采用夯擴(kuò)樁、深層攪拌復(fù)合地基、預(yù)制樁等基礎(chǔ)型式使其滿足設(shè)計(jì)承載力要求。其最終目的是實(shí)現(xiàn)充分利用地表土層的承載能力，降低基礎(chǔ)工程造價(jià)。巖溶的存在使得樁基礎(chǔ)的端承載力潛力無(wú)法得到充分利用，因此應(yīng)在不觸及巖溶的前提下通過(guò)樁基礎(chǔ)的合理選型來(lái)充分利用地層側(cè)阻力以提高其承載力。為了提高地表土層的承載力，不論淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)，都可采用強(qiáng)夯、砂樁等地基處理方式來(lái)減少土洞造成的地質(zhì)危害，從而使得地基承載力和樁側(cè)阻力到達(dá)最大化利用。

2.2 巖溶地質(zhì)埋深較淺時(shí)的基礎(chǔ)選型

當(dāng)巖溶地質(zhì)埋深較淺、無(wú)法回避時(shí)，可采取措施分散危害，降低危害的集中度。在巖溶地質(zhì)埋藏較淺或者地表土層的承載力不足的條件下，通常只能采用樁基。為了提高并充分利用樁的承載力，工程上常采用低承載力樁加筏板的地基基礎(chǔ)方案。也可考慮多種樁型的復(fù)合樁基礎(chǔ)型式，如預(yù)應(yīng)力管樁、載體樁和沖孔樁等混合使用，或者根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件將長(zhǎng)短樁復(fù)合使用等，充分利用各種樁型的承載力，滿足基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用要求。

此外，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，預(yù)應(yīng)力管樁在巖溶地質(zhì)條件下的承載力較低，總結(jié)其原因，主要是由于巖溶地區(qū)基巖巖面不平整，導(dǎo)致管樁受力不均，產(chǎn)生局部受力過(guò)大被壓壞或彎曲破壞現(xiàn)象。若采用薄壁預(yù)應(yīng)力管樁，樁中孔全長(zhǎng)灌入混凝土，既能增大樁端與巖面的接觸面積，又能提高管樁的抗彎性能，從而達(dá)到提高樁的承載力的目的，在實(shí)際工程中或許能取得較好的效果。

2.3 巖溶地質(zhì)直接出露時(shí)的基礎(chǔ)選型

當(dāng)巖溶地質(zhì)直接出露于地表時(shí)，對(duì)地基承載力要求較低的多層建筑物，可采取直接處理巖溶地質(zhì)的措施，如對(duì)淺部穩(wěn)定性差的巖溶采取爆破、換填、清理或填塞等處理措施。

對(duì)地基承載力要求較高的高層建筑物，工程上常用的處理方式是采用嵌巖樁基礎(chǔ)，但也存在樁基施工困難、后期檢測(cè)合格率不高等問(wèn)題。如巖溶地區(qū)采用鉆（沖）孔灌注樁基礎(chǔ)比較多，也相對(duì)比較成熟，但問(wèn)題也較多。由于巖溶發(fā)育場(chǎng)地內(nèi)存在眾多大小不一的溶洞，灌注樁施工成孔過(guò)程中易產(chǎn)生漏漿等現(xiàn)象，對(duì)鉆（沖）孔灌注樁施工造成不利影響，從而影響樁身質(zhì)量，故應(yīng)考慮對(duì)溶洞采取相應(yīng)的處理措施，可向洞內(nèi)拋填粘土、片石、灌注水泥砂漿或混凝土等，以堵填溶洞。如溶洞洞體太大，且漏漿嚴(yán)重，可考慮采用下鋼護(hù)筒等辦法輔助施工。

巖溶地區(qū)檢測(cè)嵌巖樁較為合理的方式是采用靜載檢驗(yàn)，為了降低配重堆載的費(fèi)用，在滿足樁基檢測(cè)規(guī)定的條件下，可采取錨樁或者錨索加載方式。若嵌巖樁入巖深度足夠，樁側(cè)阻力已滿足樁的承載力要求，那么采取將樁嵌入較深的基巖中即可消除巖溶危害。

此外，對(duì)于出露巖溶的處理，理論上可采用大能量夯錘對(duì)巖溶進(jìn)行強(qiáng)夯、夯塌溶洞或地基加固等方式，這可能是解決巖溶出露場(chǎng)地的地基基礎(chǔ)選型問(wèn)題的較為有效的方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

在巖溶地區(qū)工程建設(shè)實(shí)踐中，要結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際的工程地質(zhì)特點(diǎn)，合理選擇巖土工程勘察方法和探測(cè)手段，采取綜合的勘察技術(shù)方法，準(zhǔn)確查明場(chǎng)地巖溶的發(fā)育特征和發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)不同的巖溶地質(zhì)發(fā)育特性，科學(xué)地進(jìn)行地基處理，合理地選擇基礎(chǔ)型式，確保工程建設(shè)和使用的安全，并節(jié)約工程投資，保護(hù)地質(zhì)環(huán)境。

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