淺談強巖溶場地勘察與評價的幾個關(guān)鍵問題

程 宇,龍 舉,張 霖

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊,貴州 貴陽 550008；2.貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院,貴州 貴陽 550008)

巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜多變,巖溶的發(fā)育和分布具有隱蔽性和不均勻性的特點[1]。巖土工程勘察中很難真正查清溶洞、溶溝(槽)、裂隙和土洞等巖溶現(xiàn)象的發(fā)育形態(tài)和空間分布[2]。常常有些工程因?qū)r溶地基的認(rèn)識不足或分析不夠,產(chǎn)生不同程度的工程問題[3]。

貴州地處我國西南山區(qū),整體地勢西高東低,是全國唯一一個沒有平原支撐的省份。地層從南華系到下志留統(tǒng)層位齊全,以淺海碳酸鹽巖分布最廣,其中巖溶普遍發(fā)育。地下水主要以孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水為主。由于地形起伏,在進行工程建設(shè)時,邊坡多、巖溶發(fā)育、地下水復(fù)雜等基本的自然因素構(gòu)成了貴州地區(qū)建筑場地和地基獨特的巖土工程條件。

本文結(jié)合貴陽某集團金陽辦公樓及五星級大酒店巖土工程勘察項目,對強巖溶場地巖土工程勘察與評價的幾個問題談一下認(rèn)識。

1 工程概況

項目位于貴陽金陽新區(qū)行政中心,場地西側(cè)為金陽大道,北側(cè)為迎賓東路。擬建建筑由辦公樓、大酒店組成。辦公樓及大酒店均由裙樓及塔樓組成,辦公樓塔樓地上25層，大酒店塔樓地上19層，裙樓地上2層,設(shè)有2層地下室。建筑結(jié)構(gòu)為框支剪力墻結(jié)構(gòu),最大單柱荷載為9 000 kN,一般荷載為4 000 kN。

2 地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

建筑場地在地質(zhì)構(gòu)造上處于貴陽向斜西翼,場地附近無斷層通過,次一級構(gòu)造亦不發(fā)育,出露地層為三疊系下統(tǒng)安順組(T1a),巖性為中厚層白云巖,傾向65°,傾角15°。

2.2 地層巖性

場地地層由素填土、紅黏土及下伏基巖組成,場地巖土單元細(xì)分如下：

1)素填土(Qml)：厚0～4.2 m,由黏土夾碎石、塊石,力學(xué)強度低,零星分布于場地地表,局部為平場放炮震松的松動塊石。

2)紅黏土(Qel+dl)：紅黏土位于素填土層之下或出露地表,黃色,根據(jù)狀態(tài)可分為硬塑、可塑、軟塑三個亞單元層,場地中局部地段缺失；硬塑紅黏土厚度0～8 m,土質(zhì)均勻,局部含黑色鐵錳質(zhì)氧化物；可塑紅黏土分布于硬塑紅黏土層之下,厚度0～5 m；軟塑紅黏土主要分布在場地中溶溝、溶槽或溶洞、裂隙中。

3)基巖(T1a)：場地基巖巖性為三疊系安順組薄至中厚層白云巖,巖面起伏較大,零星出露地表,按風(fēng)化程度可細(xì)分為強風(fēng)化基巖和中風(fēng)化基巖兩個亞單元層。強風(fēng)化基巖大部分地段缺失,質(zhì)軟,鉆探巖芯呈砂塊狀；中風(fēng)化基巖是場地基巖的主體,巖質(zhì)較硬,本次鉆探未揭穿,其白云巖巖芯呈柱狀、短柱狀,局部地段為砂狀、碎塊狀。

2.3 水文地質(zhì)條件

場地地下水有上層滯水和基巖溶蝕裂隙水兩種類型。上層滯水主要貯存于土層中,受大氣降水的影響,水量變化較大；場地地下水主要為基巖層中的溶蝕裂隙水,屬潛水類型,貯存于基巖溶洞裂隙中,局部地段巖溶洞隙較發(fā)育,水量相對較大。通過在鉆孔內(nèi)作一孔兩次降深抽水試驗,測得滲透系數(shù)K=1.11 m/d。

3 勘察方案及鉆探情況

3.1 勘察方案

3.1.1 勘察方法的選擇

本工程勘察采用地面調(diào)查、工程測量、鉆探、鉆孔超聲波縱波速測試、鉆孔剪切波(橫波)測試、常時微動測試、抽水試驗、靜載試驗及室內(nèi)巖土試驗等多種勘察手段和工作方法。

3.1.2 鉆孔布置原則

根據(jù)國家規(guī)范和地方標(biāo)準(zhǔn),鉆探孔的布置首先采用“一樁一孔”的方案布置鉆孔；待設(shè)計提供基礎(chǔ)設(shè)計圖后,對于基礎(chǔ)底面積A大于2 m2的樁孔增加一個鉆孔；采用機械成孔的樁位,在詳勘鉆孔基礎(chǔ)上增加不宜少于2個鉆孔。

3.1.3 鉆探深度控制原則

1)鉆探孔應(yīng)進入預(yù)計樁端平面以下連續(xù)穩(wěn)定的中風(fēng)化巖石不小于5 m,待設(shè)計提供樁徑圖后,對不滿足5D的鉆孔應(yīng)進行補勘；

2)端承樁樁端全斷面嵌入持力層巖石的深度不應(yīng)小于0.5 m；

3)當(dāng)某鉆孔遇溶洞時,鉆孔須揭穿溶洞后再滿足1)和2)的要求,同時對相鄰尚未施工結(jié)束的鉆探孔按45°剛性角考慮加深鉆孔的鉆探深度；對相鄰已施工結(jié)束的鉆探孔,在成果資料整理過程中進行穩(wěn)定性計算后再確定是否需要進行補勘加深鉆探深度。

3.2 鉆探情況

3.2.1 巖溶發(fā)育情況

該場地完成的412個鉆探孔中有84個鉆孔遇巖溶洞隙,鉆孔見洞隙率為20.4%。場地的巖溶形態(tài)主要為溶洞、溶溝(槽)、裂隙等,場地中所有巖溶洞隙都被軟塑狀黏土或黏土夾風(fēng)化石充填,無空洞存在。具體見表1、表2。

表1 巖溶洞隙發(fā)育統(tǒng)計表

表2 巖溶洞隙大小統(tǒng)計表

3.2.2 巖面起伏情況

根據(jù)鉆探數(shù)據(jù),繪制了場地基巖面高程等值線圖,見圖1。從圖上可直觀了解基巖面起伏較大,部分區(qū)段相鄰鉆孔之間基巖起伏面高差大于5 m,其中場地北側(cè)和西南側(cè)巖面起伏較大。該區(qū)域巖體存在較多臨空面,定性評價該區(qū)域地基穩(wěn)定性較差。

圖1 基巖面高差等值線圖

4 巖土工程分析評價的幾個關(guān)鍵問題

4.1 特殊性巖土工程特性分析

紅黏土分布于該場地大部分區(qū)域,其厚度變化較大。由于紅黏土具有“上硬下軟”的特征,即其物理力學(xué)特性沿深度的變化規(guī)律與一般土體剖面的變化規(guī)律正好相反。在基巖面高差較大形成的溝槽下部以及溶洞、溶槽內(nèi)分布有一定厚度的軟塑紅黏土。

該層土體承載力低、自穩(wěn)性差,在開挖施工擾動或抽取地下水時容易形成“流土”現(xiàn)象,影響工程施工的正常進行,嚴(yán)重者可能引起垮孔、塌陷等安全事故。

4.2 地基基礎(chǔ)方案評價

4.2.1 持力層選擇的問題

持力層的選擇應(yīng)根據(jù)場地工程地質(zhì)條件,并結(jié)合擬建建筑上部荷載情況進行綜合考慮。該場地中風(fēng)化白云巖層承載力高、壓縮性低、分布連續(xù),且埋深不大,是最佳的天然地基持力層。

4.2.2 基礎(chǔ)形式與基礎(chǔ)埋深的確定

由于巖溶區(qū)基巖面起伏較大,同一場地基礎(chǔ)的埋深差異也較大,從而導(dǎo)致基礎(chǔ)形式也不一樣,常見的組合為“柱下獨立基礎(chǔ)+樁基礎(chǔ)”。

從質(zhì)量可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的角度出發(fā),基礎(chǔ)方案及基礎(chǔ)埋深確定的原則如下：

1)當(dāng)中風(fēng)化基巖出露于地下室底板或從地下室基底面起算埋深小于3.0 m,且預(yù)計基礎(chǔ)底面以下地基主要受力層深度內(nèi)無深洞、臨空面分布時,宜優(yōu)先選用柱下獨立基礎(chǔ)。

2)有巖溶洞隙分布的樁位,當(dāng)洞隙埋深比較大、洞頂板為中風(fēng)化白云巖且厚度不小于5.0 m時,可以考慮用洞頂板作持力層,但須根據(jù)上部荷載大小適當(dāng)作基礎(chǔ)加大處理；當(dāng)洞頂板厚度偏小或頂板質(zhì)量較差時,基礎(chǔ)須作穿洞處理并采用與之相適應(yīng)的樁基礎(chǔ)。

3)基巖層起伏性較大地段,適當(dāng)加大基礎(chǔ)埋深以避免基礎(chǔ)應(yīng)力擴散角范圍內(nèi)有臨空面存在；相鄰基礎(chǔ)埋深相差較大的,應(yīng)將埋深淺的基礎(chǔ)適當(dāng)加深,避免埋深淺的基底應(yīng)力疊加在埋深大的基礎(chǔ)上。 如圖2和圖3,將基底標(biāo)高降到1 280 m處,才能保證其穩(wěn)定。

圖2 基礎(chǔ)存在臨空面

圖3 相鄰基礎(chǔ)埋深相差較大

4.3 成樁施工工藝評價

目前大直徑灌注樁的成樁工藝主要為人工挖孔和機械成孔兩種方案。但在巖溶場地,這兩種成樁工藝各有優(yōu)缺點。現(xiàn)針對以上兩種成樁工藝的特點進行比較,見表3。

通過表3中對兩種成樁工藝進行綜合比較,從經(jīng)濟和質(zhì)量的角度考慮,建議采用人工挖孔工藝。但對處在深大溶洞發(fā)育區(qū)、穩(wěn)定巖層埋深比較大的孔樁,由于孔深較大、孔內(nèi)抽水困難,軟塑黏土厚度大,為了保證施工安全,可考慮機械成孔方案。

4.4 地下室抗浮問題

巖溶地區(qū)碳酸鹽巖巖面以上土層通常為紅黏土,其中紅黏土的滲透系數(shù)很小,可視為不透水層；碳酸鹽巖的滲透性主要取決于巖體的節(jié)理裂隙或巖溶洞隙的發(fā)育程度,其滲透性具有不均勻的特點。

而建筑物地下室底板常常置于不透水層(紅黏土層)之中或以下,當(dāng)出現(xiàn)強降雨或其他地表水倒灌或沿地下室側(cè)墻的回填帶下滲時,易引起水位快速上升,形成“盆池效應(yīng)”,導(dǎo)致地下室底板上浮的事故。

4.5 持力層檢查

巖溶洞隙制約著巖溶地基的穩(wěn)定性。如果地基主要受力層深度范圍內(nèi)一旦有隱伏不明的巖溶洞隙存在,則在基礎(chǔ)壓力作用下地基易發(fā)生強度破壞造成工程隱患。故持力層檢查對工程安全具有重大意義[4]。

表3 灌注樁成樁工藝特點比較

4.5.1 人工挖孔樁持力層檢驗方法

1)檢驗開挖情況是否與勘察報告一致,檢驗設(shè)計和地勘要求揭穿的巖溶洞隙是否揭穿到位,檢驗開挖到位的基底持力層的質(zhì)量特征是否達(dá)到地勘報告的要求；

2)終孔時,應(yīng)用鉆機或風(fēng)鉆對孔底3～5d且不小于5 m深度范圍內(nèi)持力層性狀進行檢驗,無異常后方能封底澆灌基礎(chǔ)；

3)對實際開挖情況異常及與勘察報告有較大出入的樁孔,應(yīng)進行施工勘察。

4.5.2 機械成孔樁持力層檢驗方法

由于機械成孔樁勘察技術(shù)人員無法下孔驗槽,不能像人工挖孔樁一樣可以直觀地檢查孔底地質(zhì)情況和在孔底進行釬探檢驗。因此在復(fù)雜的巖溶場地采用機械成孔施工工藝成樁時,驗槽通常從以下幾個方面進行控制：

1)依據(jù)地勘資料建議標(biāo)高控制。由于巖溶場地地質(zhì)條件非常復(fù)雜,巖溶洞隙在巖體中的發(fā)育僅憑一個鉆孔揭露的地質(zhì)情況是無法控制整個樁底面積及其周邊的地質(zhì)情況的,所以常常采用一樁不少于3個鉆孔的方式進行控制。

2)根據(jù)成孔時長控制。碳酸鹽巖一般屬于硬質(zhì)巖,施工機械在穩(wěn)定持力層中進行鉆掘時,每米的成孔時間比在不完整(巖溶洞隙發(fā)育)巖層中的時間長。

3)對掘進獲得的巖樣進行檢查,判斷是否與地勘建議持力層的巖性相符。

4)當(dāng)樁孔掘進至預(yù)定標(biāo)高后,利用一種巖溶場地機械成孔樁驗槽的簡易裝置對樁底進行全斷面觸探,檢查樁底持力層的完整性。該裝置是采用DN20的鋼管制作而成。每節(jié)鋼管的長度為3～5 m,選擇其中一節(jié)鋼管的一端焊接一個圓錐體端頭進行封閉處理,另一端與其余鋼管通過絲扣連接。連接的長度根據(jù)樁孔深度進行確定。該裝置的使用獲得了較好效果,能有效檢查樁底持力層是否存在溶(溝)槽。

5 結(jié) 語

巖溶場地巖土工程勘察是一項非常復(fù)雜的工作。就某一區(qū)域或某一場地而言,巖溶的發(fā)育程度和分布特征是可以通過鉆探和物探尋找到一定的規(guī)律,但是當(dāng)具體到某一個小范圍(某一根樁位)時,通過鉆探揭露的地質(zhì)情況平面范圍太小,很難代表一個面[5]。