巖溶地區(qū)高層建筑的樁基設(shè)計(jì)與施工

俞弘，林紹良

(1.福建師范大學(xué)后勤管理處，福建 福州 350117；2.時(shí)代建筑設(shè)計(jì)院(福建)有限公司，福建 福州 350003)

巖溶地貌又稱喀斯特地貌，是指碳酸鹽類巖石(主要是石灰?guī)r)為主的可溶性巖石，在以水的溶蝕為主的內(nèi)外力作用下形成的地貌。它在中國分布廣泛，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國約一半以上省區(qū)都有巖溶地貌分布，總面積達(dá)200萬km2。這種地貌的特點(diǎn)是巖面埋深起伏大，且無規(guī)律性，溶洞、溶溝、裂隙十分發(fā)育, 甚至出現(xiàn)多層溶洞，同時(shí)場地的承壓水水位高, 水量較豐富, 工程地質(zhì)條件復(fù)雜。在巖溶地區(qū)建設(shè)高層建筑，如果樁型設(shè)計(jì)不合理、持力層的位置及厚度判斷不準(zhǔn)確、場區(qū)水文地質(zhì)條件掌握不充分，往往易在施工時(shí)危及相鄰建筑物的安全，或者建筑物建成后不久就產(chǎn)生局部下沉,導(dǎo)致梁、柱或墻體等開裂[1]，后果不堪設(shè)想。因此，探討巖溶地區(qū)高層建筑的樁基設(shè)計(jì)與施工具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況及地質(zhì)情況

1.1 工程概況

本項(xiàng)目位于湖北省黃石市下陸區(qū)蘇州路以北、市公安局大樓以西、青魚路以東，新建多棟25層高層住宅，下設(shè)1層地下室，場地地震基本烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，建筑場地類別為Ⅱ類，基本風(fēng)壓為w0=0.35 kN/m2，地面粗糙度B類，結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)。

1.2 地質(zhì)條件

建筑場地內(nèi)的埋藏地層巖性，從上到下依次如表1所示。

該場地⑦石灰?guī)r有巖溶發(fā)育現(xiàn)象, 鉆探結(jié)果表明，施工115個(gè)鉆孔中有62個(gè)鉆孔基巖為石灰?guī)r，其中8個(gè)鉆孔有土洞或溶洞、裂隙等巖溶發(fā)育現(xiàn)象，鉆孔見洞隙率達(dá)12.9%，屬巖溶中等發(fā)育地段。場地內(nèi)各巖土層分布及巖溶發(fā)育特征詳見表2。

表1 巖土工程地質(zhì)分層表

表2 擬建場地巖溶發(fā)育情況統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表

2 基礎(chǔ)選型及樁基設(shè)計(jì)

2.1 基礎(chǔ)選型

(1)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁。該樁型單樁承載力較高，造價(jià)低，施工速度快，目前在湖北地區(qū)施工設(shè)備較多，是較為成熟的樁型。但對于本場地而言，基巖起伏較大，且有溶洞存在，施工上無法鉆穿溶洞達(dá)到穩(wěn)定持力層，本場地不適宜采用。

(2)人工挖孔灌注樁。選擇此種基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是單樁有著較高的承載力，施工質(zhì)量容易控制，施工速度快，沉降及不均勻沉降小等。本工程地下水較豐富，勘察反映穩(wěn)定水位埋深為0.60～2.70 m。如果采用人工挖孔樁，需要降水處理。但若大面積降水，會引起周圍地面下陷、地下土洞發(fā)育等不良后果[2]；若采用止水帷幕的方法，深度不易控制。而地下水及溶洞的存在，使施工危險(xiǎn)性大，施工也有一定困難，此樁型不應(yīng)采用。

(3)鉆孔灌注樁。此種基礎(chǔ)形式的適應(yīng)性強(qiáng)、承載力高、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、對相鄰樓宇影響小、噪音低、施工安全性好等。但是，其也存在著缺點(diǎn)：質(zhì)量控制直觀性差，水下混凝土施工要求嚴(yán)格，施工工藝較為復(fù)雜，易出現(xiàn)孔底沉泥、夾渣、縮頸、露筋、離析、浮漿夾層等缺陷，但若施工控制得好依然可行。但本工程基巖起伏較大，且有溶洞存在，施工上很難鉆穿溶洞達(dá)到穩(wěn)定持力層，不適宜采用。

(4)沖孔灌注樁。此種基礎(chǔ)形式的優(yōu)缺點(diǎn)類似于鉆孔灌注樁，但沖孔灌注樁可以在各種復(fù)雜地質(zhì)條件下使用，對本工程而言能鉆穿溶洞達(dá)到穩(wěn)定持力層，適宜在本工程中使用。

本建筑物對地基承載力及沉降要求較高。通過上述比較獲知，沖孔灌注樁可有效地穿透各類土層，成孔適應(yīng)性強(qiáng)，達(dá)到穩(wěn)定持力層。經(jīng)過建設(shè)單位、地勘單位、施工單位、設(shè)計(jì)單位共同協(xié)商，得到普遍認(rèn)可。同時(shí)近年來沖孔灌注樁在本地區(qū)得到廣泛使用，積累了許多施工經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)綜合考慮，本工程適宜采用沖孔灌注樁。

2.2 樁基設(shè)計(jì)

依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011[3]，沖孔灌注樁承載力主要由3部分組成，即樁周覆蓋土層的總側(cè)阻力、嵌巖樁段的嵌固側(cè)阻力和樁端承載力，其單樁豎向承載力特征值可按公式(1)進(jìn)行估算

(1)

其中Ra為單樁豎向承載力特征值，qpa為樁端端阻力特征值，Ap為樁底端橫截面面積，up為樁身周邊長度，qsia為樁側(cè)阻力特征值，li為第i層巖土的厚度。

表3 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)建議取值表

依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告提供的數(shù)據(jù)(詳見表3)，樁端持力層選用石灰?guī)r，入巖深度取2 m，通過計(jì)算可知(僅考慮嵌巖段2 m的側(cè)阻力)，樁直徑900 mm、樁長為15 m的單樁承載力特征值為

Ra=5 000×3.14×0.452+

3.14×0.9×300×2=4 874.85 kN，

(2)

設(shè)計(jì)取值4 800 kN，基本滿足工程的要求。

由于該地區(qū)巖溶和流塑分布的不確定性，依據(jù)湖北省地方規(guī)范《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》DB42/242-2014[4]，需要采用逐樁預(yù)鉆孔的工程方法。根據(jù)超前鉆反饋的資料，分析巖層的節(jié)理發(fā)育，溶洞、流塑的深度和高度，以及內(nèi)填充物[5]，逐樁核算樁長及相應(yīng)的承載力，在滿足工程要求的情況下，盡可能縮短樁長，回避溶洞和土洞，減少施工難度。超前鉆的數(shù)量和深度，應(yīng)滿足地方規(guī)范《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》DB42/242-2014第9.3.11～9.3.13的要求[4]，鉆孔進(jìn)入樁端以下完整巖石的深度不應(yīng)小于5 m；樁端全截面嵌入完整巖層表面的深度不應(yīng)小于樁身直徑的兩倍，且不得小于2 m；當(dāng)巖層表層存在溶洞或串珠狀溶洞時(shí)，樁端嵌入溶洞底部完整巖石的深度不應(yīng)小于0.5 m，且樁身嵌入巖層深度總和不應(yīng)小于2 m或2倍樁直徑。本項(xiàng)目典型超前鉆柱狀圖如圖1所示(存在串珠狀溶洞)，這里對溶洞的埋深、尺寸大小及填充狀況作了更詳細(xì)的描述。

圖1 鉆孔柱狀圖Fig.1 Borehole histogram

根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》JGJ106-2014的要求[6]，設(shè)計(jì)選取了3根試樁，用于驗(yàn)證施工工藝及承載力。試樁完成后，經(jīng)超聲波及靜載試驗(yàn)，結(jié)果表明均滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)的要求。

3 復(fù)雜地段的樁基施工要點(diǎn)

灌注樁施工前應(yīng)先平整場地，埋設(shè)孔口護(hù)筒，配制泥漿體積宜為正常條件下泥漿體積的3倍以上。巖溶地質(zhì)條件下的灌注樁應(yīng)根據(jù)覆蓋層和基巖情況分別采用不同的成孔工藝，施工要點(diǎn)[4]如下：

(1)當(dāng)覆蓋土層中不含土洞時(shí)，可采用回旋鉆進(jìn)成孔或沖擊成孔，當(dāng)覆蓋土層中含有體積較大的土洞且埋深超過3 m時(shí)，應(yīng)對土洞進(jìn)行預(yù)注漿充填或低標(biāo)號混凝土回填后再成孔[7]。

(2)成孔至溶洞頂板以上1 m時(shí)，改用低頻率、小沖程沖擊鉆進(jìn)成孔工藝。

(3)當(dāng)巖面為斜面時(shí)，應(yīng)預(yù)先在巖面上部樁孔內(nèi)回填小片石或者混凝土等，用鉆頭反復(fù)沖擊，直至全斷面進(jìn)入巖層為止。

(4)當(dāng)溶洞頂板被擊穿時(shí)，及時(shí)利用泥漿泵對孔內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)漿，防止泥漿面下降導(dǎo)致孔壁坍塌，同時(shí)在頂板厚度范圍內(nèi)反復(fù)輕提慢放沖錘，直至沖錘不受明顯阻礙。

(5)當(dāng)溶洞內(nèi)有黏土或沙礫等填充物時(shí)，成孔施工前宜對溶洞內(nèi)充填物進(jìn)行注漿預(yù)處理。

(6)對于地下水水量比較大的溶洞，可采用單層或多層長護(hù)筒跟進(jìn)的方法，護(hù)筒直徑級差不小于15 mm。

(7)成孔過程中如遇漏漿，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)漿并向孔內(nèi)回填片石、黏土或混凝土反復(fù)沖擊造壁。灌注樁身混凝土?xí)r應(yīng)密切觀察混凝土頂面的標(biāo)高變化，如遇混凝土下沉，應(yīng)繼續(xù)補(bǔ)灌混凝土，直至穩(wěn)定后方可拔出導(dǎo)管。

綜上所述，溶洞的處理方法常用的有3種：擠石造壁法、預(yù)注灌漿法、套內(nèi)護(hù)筒法。施工現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)地質(zhì)的實(shí)際情況，采用合理的施工工藝和處理措施，防止塌孔、彎孔縮孔、卡鉆、掉鉆、擴(kuò)孔過大等質(zhì)量問題的出現(xiàn)，確保施工質(zhì)量。本工程在樁基施工過程中，遇到了泥漿面快速下降的異常狀況，現(xiàn)場及時(shí)補(bǔ)漿并向孔內(nèi)回填片石、黏土，反復(fù)沖擊造壁,順利成孔，解決了施工難點(diǎn)，樁基經(jīng)檢測驗(yàn)收合格。

4 結(jié)論

1)巖溶場地工程地質(zhì)條件復(fù)雜，溶洞分布極不均勻，應(yīng)盡量穿越溶洞，找到穩(wěn)定的持力層。沖孔灌注樁適應(yīng)性強(qiáng)、承載力高，能鉆穿溶洞達(dá)到穩(wěn)定持力層，適合在各種復(fù)雜地質(zhì)條件下使用，為設(shè)計(jì)首選樁基礎(chǔ)形式。

2)巖溶地區(qū)的工程勘察工作，要遵循由疏到密的原則，依次進(jìn)行場地的試鉆孔、初勘、詳勘，施工階段要根據(jù)確定的樁位逐樁進(jìn)行超前鉆，探明每樁基礎(chǔ)下的地質(zhì)條件，為設(shè)計(jì)和施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，確?；A(chǔ)安全。

3)樁基施工前，應(yīng)根據(jù)超前鉆提供的地勘資料，逐樁做好施工技術(shù)交底，選擇合適的溶洞處理方法，對常見的施工質(zhì)量問題提前做好預(yù)防措施，確保工程質(zhì)量。