巖溶地區(qū)樁基設(shè)計(jì)研究

黃宏大

(廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361004)

0 引言

巖溶是由于具溶蝕力的水對(duì)可溶性巖石進(jìn)行溶蝕等作用形成。按巖石出露條件可劃分為：①裸露型巖溶(可溶巖全部出露地表)；②覆蓋型巖溶(可溶巖被松散堆積物覆蓋，覆蓋厚度一般小于50m)；③埋藏型巖溶(非可溶性巖層之下的可溶巖發(fā)育的巖溶)。

基于巖溶形成的基本條件：巖石可溶性和透水性、水的溶蝕性和流動(dòng)性。溶洞發(fā)育程度、覆蓋層厚度性質(zhì)是地質(zhì)歷史時(shí)期形成，短期內(nèi)難以因自然因素發(fā)生突變。然而，受人類經(jīng)濟(jì)-工程活動(dòng)影響時(shí)，溶蝕作用將加速，使得巖溶進(jìn)一步發(fā)育。因此，在巖溶地區(qū)樁基工程設(shè)計(jì)中，除考慮地基承載力和變形外，還應(yīng)考慮巖溶的穩(wěn)定性，其中地下水和地表水是巖溶進(jìn)一步發(fā)育并影響穩(wěn)定性的最直接因素。

本文以福建龍巖某一高層住宅建筑為案例，疏理總結(jié)了埋藏型巖溶地質(zhì)的高層建筑地基選型原則及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為埋藏型巖溶地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

該工程位于福建省龍巖市，擬建建筑物為住宅，地上33層，地下1層，剪力墻結(jié)構(gòu)。

根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)巖土層分布主要為：①雜填土、②素填土、③含卵石粉質(zhì)粘土、④強(qiáng)風(fēng)化砂巖、⑤強(qiáng)風(fēng)化泥巖、⑥強(qiáng)風(fēng)化砂巖、⑦強(qiáng)風(fēng)化碳質(zhì)泥巖、⑧中風(fēng)化灰?guī)r(方解石為主)、⑧-1中風(fēng)化破碎灰?guī)r(方解石充填)、⑧-2含角礫粉質(zhì)粘土 (溶洞充填物)；以上粘土層總體屬于弱～微透水層，巖層為弱透水巖，溶洞充填物為中等透水層。

該工程溶洞被不可溶巖層覆蓋，屬埋藏型巖溶，詳圖1。溶洞埋深在20.80m～79.10m之間，溶洞寬度8m～24m，高度在1.80m～45.10m之間，其巖溶形態(tài)為較大規(guī)模溶洞巖(局部存在空溶洞)，巖溶發(fā)育強(qiáng)度級(jí)別為強(qiáng)烈發(fā)育。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

場(chǎng)地內(nèi)地下水類型，上部主要為第四系孔隙型潛水及下部灰?guī)r溶洞中的承壓巖溶水(巖溶水與上部潛水水力聯(lián)系不明顯)。第四系孔隙型潛水，主要靠大氣降水、地表水及其它地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給；巖溶水主要由地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給。受區(qū)域構(gòu)造影響，場(chǎng)地巖體破碎、裂隙發(fā)育，為地下水的良好通道，特別是可溶性的巖石破碎帶是地下水活動(dòng)較強(qiáng)烈地段，導(dǎo)致巖溶發(fā)育；基巖中有良好的排水通道。

2 巖溶穩(wěn)定性分析及溶洞處理

2.1 現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于巖溶處理的規(guī)定

根據(jù)福建省地方法規(guī) 《巖土工程勘察規(guī)范》[1]7.2.10條：當(dāng)溶洞被密實(shí)沉積物填滿，其承載力超過(guò)150kPa，且無(wú)被水沖蝕的可能性時(shí)，可不考慮巖溶對(duì)地基穩(wěn)定性的影響。

根據(jù)《巖溶地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[2]第6.1.3條：“對(duì)塌陷或淺埋溶洞宜采用挖填夯實(shí)法、跨越法、充填法、墊層法進(jìn)行處理；對(duì)深埋溶洞宜采用注漿法、樁基法、充填法進(jìn)行處理”。第6.1.7條條文說(shuō)明：“巖溶地基處理需考慮巖溶水的處理。巖溶水的處理應(yīng)遵從疏導(dǎo)為先、封堵為輔的原則，對(duì)地表水做好排水措施，對(duì)地下水以疏為主，并設(shè)置反濾層、截滲層等減少掏蝕、潛蝕。”

2.2 專家組對(duì)巖溶處理的建議

專家意見如下：

(1)該工程場(chǎng)地屬于埋藏型巖溶，巖溶發(fā)育處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，且該工程溶洞填充物為含角礫粉質(zhì)粘土，基本被充滿，其地基承載力特征值fak≥150kPa；

(2)對(duì)局部的空溶洞需進(jìn)行充填處理，充填物由粗到細(xì)；

(3)對(duì)地面下50m以內(nèi)的充填溶洞進(jìn)行注漿處理，樁端到溶洞頂距離大于5倍樁徑及5m以上；

(4)處理方法采用注漿處理，最好采用雙液注漿；

(5)處理效果應(yīng)滿足上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，處理方案應(yīng)提出相應(yīng)的檢測(cè)方法及指標(biāo)。

基巖中有良好的排水通道，對(duì)巖溶水的疏導(dǎo)較為有利；其次，該地區(qū)屬巖溶地下水限制開采區(qū)，巖溶上部土層為弱透水層，且?guī)r溶水與上部潛水水力聯(lián)系不明顯，對(duì)一定深度范圍內(nèi)的充填溶洞注漿后進(jìn)一步封閉孔隙，同時(shí)對(duì)地表水進(jìn)行截流、防滲、堵漏，減弱地表水滲透引起的潛蝕。所以，該場(chǎng)地及周圍在嚴(yán)禁開采巖溶地下水情況下，場(chǎng)地和地基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 基礎(chǔ)選型

對(duì)于一般的多層建筑，荷載較小，表層土較好時(shí)，在巖溶地區(qū)最理想的基礎(chǔ)類型為天然地基淺基礎(chǔ)。

對(duì)于小高層，荷載中等，單靠天然地基已不能滿足承載力要求時(shí)，可考慮采用復(fù)合地基基礎(chǔ)。

對(duì)于層數(shù)較多，荷載較大的建筑，通常采用樁基礎(chǔ)。根據(jù)該工程特點(diǎn)：①表層地基土，存在厚度較大且承載力較低均勻性較差的雜填土和素填土；②淺層土中，含有較多的老基礎(chǔ)；③高層樁基需要承受較大水平力。所以，該工程地下室及多層部分采用預(yù)應(yīng)力管樁，高層部分采用灌注樁(樁端后注漿)。

4 主樓樁基筏板設(shè)計(jì)

根據(jù)《巖溶地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[2]第5.3.5條：“當(dāng)樁端以下3倍樁徑及5m深度范圍內(nèi)為完整或較完整巖層時(shí)，可利用溶洞頂板作為基樁持力層，并應(yīng)對(duì)頂板進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定性驗(yàn)算；當(dāng)溶洞頂板不能作為基樁持力層時(shí)，樁端應(yīng)進(jìn)入強(qiáng)度穩(wěn)定性符合要求的巖層或?qū)θ芏催M(jìn)行處理”。

根據(jù)專家意見：該工程以溶洞上層的不可溶巖層為樁端持力層，控制樁端離溶洞頂距離t1≥5D(D為樁徑)且不小于5m(根據(jù)樁基規(guī)范對(duì)沉降計(jì)算，地基土的最主要壓縮層為樁端下1.0～1.2倍筏板寬度Bc，因此對(duì)于主樓全樓下或大部分存在充填溶洞的情況，建議大部分樁端距離溶洞頂宜≥1/2的筏板寬度Bc，此時(shí)沉降計(jì)算較容易控制。同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合未處理的充填溶洞深度，并對(duì)樁端下一定深度范圍內(nèi)的充填溶洞進(jìn)行注漿處理，處理深度除滿足最小要求外還應(yīng)滿足軟弱下臥層驗(yàn)算要求(圖2)。

圖2 充填溶洞注漿范圍

對(duì)于一般地質(zhì)條件下，樁基筏板設(shè)計(jì)時(shí)，樁的豎向抗壓剛度可采用試樁剛度進(jìn)行樁基和筏板設(shè)計(jì)。但在巖溶地區(qū)，一般需要對(duì)樁端下軟弱下臥層(即充填溶洞)進(jìn)行處理，方可滿足軟弱下臥層承載力及變形計(jì)算。對(duì)地基處理結(jié)果，通常是對(duì)土層整體綜合判斷承載力和壓縮模量，但并不代表每個(gè)點(diǎn)都能滿足要求。如《地基處理規(guī)范》[3]中第8.4.1條對(duì)注漿加固地基質(zhì)量檢測(cè)要求：“注漿檢驗(yàn)點(diǎn)不應(yīng)少于注漿孔數(shù)的2%～5%，檢驗(yàn)點(diǎn)合格率小于80%時(shí)，應(yīng)對(duì)不合格的注漿區(qū)實(shí)施重復(fù)注漿”，就意味著仍有部分孔點(diǎn)不能完全滿足設(shè)計(jì)要求，即樁端持力層下土層仍可能有部分比較軟弱。

鑒于上述原因，建議對(duì)樁反力計(jì)算時(shí)，采用試樁得出的豎向抗壓剛度K1進(jìn)行設(shè)計(jì)(通常試樁剛度比較大)，而在筏板設(shè)計(jì)時(shí)采用弱化豎向抗壓剛度K2進(jìn)行設(shè)計(jì)較安全。

K1=2×Ra/s

其中，Ra為樁豎向承載力特征值；

s為樁壓力達(dá)到2Ra時(shí)樁頂豎向變形值；

K2=2×Ra/0.04， 0.04為樁壓力達(dá)到2Ra時(shí)樁頂豎向變形值為40mm(40mm為嵌巖樁在極限荷載下的變形限值)。

5 軟弱下臥層處理及驗(yàn)算

5.1 軟弱下臥層處理

該工程溶洞埋藏深度相對(duì)較深，采用注漿加固處理。根據(jù)《地基處理規(guī)范》[3]第8.2.1條：“對(duì)軟弱地基土處理，可選用以水泥為主劑的漿液及水泥和水玻璃的雙液型混合漿液；對(duì)有地下水流動(dòng)的軟弱地基，不應(yīng)采用單液水泥漿液”。采用雙液注漿處理。

根據(jù)《地基處理規(guī)范》[3]第8.4.1條：水泥為主劑的注漿加固質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)符合下列規(guī)定：

(1)注漿檢驗(yàn)應(yīng)在注漿結(jié)束28d后進(jìn)行?？蛇x用標(biāo)準(zhǔn)貫入、輕型動(dòng)力觸探、靜力觸探或面波等方法進(jìn)行加固地層均勻性檢測(cè)。

(2)按加固土體深度范圍每間隔1 m取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定土體壓縮性、強(qiáng)度或滲透性。

(3)注漿檢驗(yàn)點(diǎn)不應(yīng)少于注漿孔數(shù)的2%～5%。檢驗(yàn)點(diǎn)合格率小于80%時(shí)，應(yīng)對(duì)不合格的注漿區(qū)實(shí)施重復(fù)注漿。

結(jié)合軟弱下臥層驗(yàn)算要求，加固后土體需獲得的指標(biāo)為：地基承載力特征值fak′、壓縮模量Es′或變形模量E0′、加固后土層的均勻性和滲透性判斷。

對(duì)于初步設(shè)計(jì)時(shí)，加固后地基承載力特征值fak′、壓縮模量Es′或變形模量E0′可參考周邊同類地質(zhì)處理經(jīng)驗(yàn)值。當(dāng)無(wú)參考資料時(shí)，由于目前規(guī)范中未對(duì)注漿處理地基承載力提供計(jì)算公式，通過(guò)對(duì)比 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]第5.2.4與5.2.5條可知fak與土的粘聚力Ck相關(guān)。

注漿加固地基后，主要提高了土層參數(shù)中的粘聚力Ck與內(nèi)摩擦角φk值，其中Ck值通?？沙杀短岣遊5]，并結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，建議注漿后的承載力特征值fak′為注漿前fak值的1.8～2.1倍左右，即如式(1)：

fak′=(1.8～2.1)fak

(1)

注：fak——注漿前地基土承載力特征值；

fak′——注漿后地基土承載力特征值；

同時(shí)，參考相關(guān)文獻(xiàn)[6]，按下式估算注漿處理后的地基承載力特征值fak′：

fak′=20～30Cu/1.2=16.6～25Cu

(2)

注：Cu為地基土不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的粘聚力；

對(duì)于變形模量，可根據(jù)上式(1)、式(2)得出地基承載力fak′，并參考《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[7]或地區(qū)相關(guān)規(guī)范反推標(biāo)貫擊數(shù)或者重型動(dòng)力觸探擊數(shù)，根據(jù)反推值查表獲得E0′(該值通常為注漿前E0的2～3倍)。

該工程地基處理前充填溶洞承載力特征值fak=150kPa、粘聚力為C=20kPa、變形模量E0=10MPa；注漿處理后，對(duì)實(shí)驗(yàn)孔采用重型動(dòng)力觸探，擊數(shù)為9.3～18。根據(jù)《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》表8.4.9-2得fak′≥330kPa，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)修正后fak′≥290kPa，E0′=20MPa。

E0值的獲得，主要作用是為了得出注漿處理前后的比值，以便確定軟弱下臥層中的擴(kuò)散角。因此，原位測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)方法采用與地勘報(bào)告中相同的試驗(yàn)方法，并以地勘單位提出為準(zhǔn)(不同單位對(duì)區(qū)域經(jīng)驗(yàn)的修正可能不同)。

5.2 軟弱下臥層驗(yàn)算

根據(jù)《樁基規(guī)范》[8]5.4.1條：對(duì)于樁距不超過(guò)6d的群樁基礎(chǔ)，樁端持力層下存在承載力低于樁端持力層承載力1/3的軟弱下臥層時(shí)，可按下列公式驗(yàn)算軟弱下臥層的承載力。

σz+γmZ≤faz

(3)

(4)

式(4)為針對(duì)樁端為矩形截面情況，然而實(shí)際工程設(shè)計(jì)中樁端平面幾乎都是異形的，因此需根據(jù)條文說(shuō)明：傳遞至樁端平面的荷載，按扣除實(shí)體基礎(chǔ)外表面總極限側(cè)阻力的3/4，對(duì)式(4)進(jìn)行還原如下(式中S1如圖3)：

(5)

圖3 軟弱下臥層外擴(kuò)范圍

注漿處理后的地基相對(duì)于樁端持力層仍應(yīng)看作是軟弱下臥層，因此需同時(shí)將樁端持力層下注漿后的充填溶洞和未處理的充填溶洞作雙層軟弱下臥層驗(yàn)算。

軟弱下臥層驗(yàn)算時(shí)注意以下幾點(diǎn)：

(1)式(3)中Fk+Gk還應(yīng)包含擴(kuò)散范圍S1內(nèi)(圖3)對(duì)應(yīng)的地下室或裙房荷載，地下室或裙房樁側(cè)阻力也可相應(yīng)扣除；但如果地下室、裙房實(shí)際施工樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，使得地下室、裙房柱的Fk+Gk小于該部分樁側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值3/4時(shí)，則不考慮擴(kuò)散范圍S1內(nèi)對(duì)應(yīng)的地下室或裙房荷載；

(2)確定擴(kuò)散角θ時(shí)，注意地勘參數(shù)提供的是變形模量還是壓縮模量，地勘報(bào)告中對(duì)有些土層提供的是壓縮模量，有些土層提供的是變形模量，計(jì)算時(shí)采用同一種模量比。

(3)群樁基礎(chǔ)中，各樁樁長(zhǎng)相差較大，式(3)計(jì)算中取群樁外圍長(zhǎng)樁和短樁分別計(jì)算。

6 施工配合中控制要點(diǎn)

6.1 地基處理施工與檢測(cè)

地基處理的結(jié)果直接影響結(jié)構(gòu)的安全，因此地基處理過(guò)程的質(zhì)量反饋和對(duì)處理后檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性判斷至關(guān)重要，為此提出如下要求：

(1)施工單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿情況反饋?zhàn){孔的有效半徑r，根據(jù)該有效半徑調(diào)整注漿孔的間距，使相鄰注漿孔覆蓋范圍能夠重疊，保證注漿區(qū)域內(nèi)均有漿液，如圖4所示。

圖4 注漿管布置

(2)選擇有代表性的孔點(diǎn)進(jìn)行地基處理基本試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)復(fù)核是否滿足原設(shè)計(jì)，如不滿足則相應(yīng)調(diào)整。

(3)注漿完成后，施工單位應(yīng)提供《注漿分布圖》及《注漿孔施工記錄》，形成書面記錄文件，提交設(shè)計(jì)單位復(fù)核。

(4)檢測(cè)方對(duì)注漿加固的充填溶洞進(jìn)行檢測(cè)，由于溶洞的分布是無(wú)序的，而設(shè)計(jì)需要獲得的是充填溶洞的注漿情況，有效的檢測(cè)孔點(diǎn)不應(yīng)含有非充填溶洞土層的注漿。因此，檢測(cè)孔點(diǎn)選擇，應(yīng)根據(jù)《注漿分布圖》及《注漿孔施工記錄》選取有代表性的孔點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，如圖5所示。

圖5 檢測(cè)有效孔點(diǎn)

根據(jù)《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[7]7.1.1條：“標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)適用于判斷砂土、粉土、粘性土天然地基及其采用換填墊層、壓實(shí)、擠密、夯實(shí)、注漿加固等處理后的地基承載力、變形參數(shù)，評(píng)價(jià)加固效果以及砂土液化判斷”。根據(jù)該工程的特點(diǎn)，對(duì)處理后的地基采用重型動(dòng)力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)兩種方法進(jìn)行檢測(cè)，其中地基處理檢測(cè)單位對(duì)地基處理實(shí)驗(yàn)孔采用重型動(dòng)力觸探檢測(cè)，全部地基處理完之后采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)作為驗(yàn)收檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，地勘單位對(duì)地基處理完之后進(jìn)行一樁一孔勘探時(shí)，對(duì)一定比例注漿孔進(jìn)行重型動(dòng)力觸探(與原地勘相同的原位測(cè)試方法)，并通過(guò)對(duì)比，綜合確定地基處理后的承載力以及變形模量等參數(shù)。

當(dāng)檢測(cè)的承載力不滿足原設(shè)計(jì)要求時(shí)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整縮短樁長(zhǎng)(增加圖2中t1值)，調(diào)整樁承載力和布置(增加外圍周長(zhǎng)U0)或重復(fù)注漿；當(dāng)壓縮模量Es不滿足要求時(shí)，增加處理深度。

6.2 樁基施工勘察

根據(jù)福建省地方規(guī)范《巖土工程勘察規(guī)范》[1]第7.2.3條:溶洞和土洞的形態(tài)、分布在具體的場(chǎng)地上是無(wú)序的，巖溶地區(qū)應(yīng)進(jìn)行施工勘察，并根據(jù)第7.2.4條對(duì)一柱一樁或大直徑嵌巖樁基礎(chǔ)需逐柱或逐樁布置勘探點(diǎn)。

地勘單位進(jìn)行一樁一孔勘探，并形成《補(bǔ)充勘察報(bào)告》, 報(bào)告包括：文本文件及附圖，文本中對(duì)處理后溶洞穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)，附圖上有溶洞范圍及溶洞頂高程，柱狀圖對(duì)鉆孔地質(zhì)分層包括溶洞處理深度的揭示與描述，芯柱的完整程度，如發(fā)現(xiàn)有充填溶洞未處理或者未處理到位的孔需一一注明。

設(shè)計(jì)部門根據(jù)一樁一孔參數(shù)確定樁長(zhǎng)，并復(fù)核原設(shè)計(jì)承載力和根據(jù)實(shí)際樁長(zhǎng)復(fù)核軟弱下臥層。當(dāng)施工勘中出現(xiàn)部分溶洞埋深變淺時(shí)，對(duì)該范圍的樁調(diào)整，如縮短樁長(zhǎng)降低承載力后補(bǔ)樁，若下層基巖埋藏較淺可穿過(guò)溶洞達(dá)到下層穩(wěn)定巖層，對(duì)未處理或未處理到位的孔點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)注漿處理。

7 結(jié)語(yǔ)

巖溶發(fā)育地區(qū)的地質(zhì)情況錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)該類地區(qū)的工程設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，包括建筑場(chǎng)地穩(wěn)定性和巖溶地基的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并提出合理的治理方案。

其次，根據(jù)溶洞的埋深和建筑物荷載大小，選擇合適的基礎(chǔ)方案和地基處理方案。對(duì)于荷載不大時(shí)，基礎(chǔ)方案優(yōu)先選則對(duì)溶洞影響較小的天然地基淺基礎(chǔ)或者復(fù)合地基；對(duì)于荷載較大時(shí)，采用樁基礎(chǔ)并對(duì)軟弱下臥層進(jìn)行處理和驗(yàn)算，同時(shí)還應(yīng)考慮樁端持力層的深度對(duì)沉降計(jì)算的影響。當(dāng)對(duì)充填溶洞注漿處理時(shí)，初步設(shè)計(jì)無(wú)相關(guān)參考資料，可先按下式計(jì)算取小值：①fak′=(1.8～2.1)fak，②fak′=16.6～25Cu，其中fak為注漿前地基承載力，Cu為地基土不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的粘聚力。

最后，在地基處理和施工勘察中，要根據(jù)實(shí)際變化的情況，調(diào)整地基處理的參數(shù)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)，以滿足主體結(jié)構(gòu)的安全和地基的穩(wěn)定。