貴州某巖溶地區(qū)結構地基基礎設計研究

黑曉丹， 茍斌斌， 孫海峰， 殷 磊， 呂樹方， 朱權秀

(1 中國市政工程西北設計研究院有限公司，蘭州 730030；2 上海二十冶建設有限公司，上海 201999)

1 工程概況

貴州省銅仁市某小區(qū)(圖1,2)總建筑面積約40萬m2，由11棟高層建筑(1#～11#樓)組成,其中2#，3#，5#，7#，8#，9#，10#，11#樓為部分框支剪力墻結構(2#，3#，5#，7#和8#樓在三層轉換，9#，10#，11#在二層轉換)，1#，4#，6#樓為純剪力墻結構，整體設3層地下室，地下室底板標高-14.6m。

本工程設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，地基基礎設計等級為甲級，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，設計抗震分組為第一組，Ⅱ類場地，地下室埋深13.3m。結構形式和基礎形式見表1。其中1#，7#，11#樓地下溶洞分布較多，1#樓基礎38個鉆孔遇溶洞(7個串珠狀溶洞)，7#樓基礎26個鉆孔遇溶洞(11個串珠狀溶洞)，11#樓基礎44個鉆孔遇溶洞(20個串珠狀溶洞)。

結構形式和基礎形式 表1

圖1 建筑總平面圖

圖2 建筑總效果圖

2 地質條件

由于前期建設開挖使得擬建場地地質環(huán)境已受到破壞，場地內基巖面高差變化大，部分地段相鄰鉆孔之間的基巖面相對高差大于5m，巖溶裂隙及串珠狀溶洞發(fā)育深度大于20m。場地內巖土種類多、不均勻、性質變化大，但屬可溶性巖層和特殊性土，地基復雜程度為一級。

經統(tǒng)計，1 521個鉆孔中210個鉆孔遇溶洞、溶隙，鉆孔遇洞隙率13.8%，根據《貴州建筑巖土工程技術規(guī)范》(DBJ 52/T046—2018)[1](簡稱貴州巖土規(guī)范)第7.1.3條規(guī)定，場地巖溶發(fā)育等級屬巖溶強發(fā)育，一級場地。巖體中有一些微小溶蝕針狀、豆狀孔隙發(fā)育，破壞巖體質量，降低巖體工程性能。巖溶發(fā)育的規(guī)律大致是：溶蝕洞隙主要集中在基巖頂部，局部位于基巖中上部；巖溶各向異性明顯，豎向、側向溶蝕交替出現，沿走向、傾向追蹤，溶蝕呈不規(guī)則狀分布特點較明顯，以淺層豎向溶蝕為主，側向溶蝕次之。

地質情況自上而下依次為：①素填土：主要分布于整個建筑場地，局部位置由于場地開挖缺失，厚度較薄且變化大，為新近填土，鉆探控制厚度在0.3～6.8m之間，平均值1.12m；②可塑紅黏土：因基巖裸露或因修建開挖而缺失，巖溶洼地內厚度較大，分布不連續(xù)，厚度變化較大，一般厚約0.5～15.7m，平均值5.48m；③強風化白云巖：灰白色，散體狀結構，節(jié)理發(fā)育，極破碎，溶蝕強烈，原巖風化成碎片狀和砂土狀，局部與紅黏土混雜，巖芯呈砂狀；④中風化白云巖：灰白色，薄-中厚層，細晶結構，節(jié)理較發(fā)育，含礫屑白云巖或砂屑泥晶白云巖，巖芯呈大量塊狀及少量短柱狀，錘擊聲清脆，局部溶蝕現象嚴重，飽和單軸抗壓強度標準值為37.04MPa。持力層④中風化白云巖的力學性能指標如表2所示。

持力層巖體力學性能指標 表2

3 樁端頂板厚度對基礎設計影響

袁維[2]結合廣義Hoek-Brown準則和極限定理上限法提出了基巖頂板臨界厚徑比h/d的計算方法(即頂板厚度h與基樁直徑d的比值)，并以《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014)中巖體基本質量分級為參考依據，給出了不同巖體基本質量級別的臨界厚徑比h/d建議值：Ⅰ級巖體為h/d≤2.41，Ⅱ級巖體為2.41≤h/d≤2.96，Ⅲ級巖體為2.96≤h/d≤3.73，Ⅳ級巖體為3.73≤h/d≤4.91；且得出極限端阻力、巖石堅硬程度和巖體質量均對臨界厚徑比產生影響，即極限端阻力越小、巖體質量越好、巖石越堅硬，則基巖頂板的臨界厚徑比越小。根據文獻[3]，溶洞高度對樁的極限承載力影響較小。

按《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007—2011)[4](簡稱地基基礎規(guī)范)第10.2.13條和第8.5.6條第6款規(guī)定：樁端以下3D(D為樁徑)不小于5m范圍內應無土洞、溶洞、破碎帶或軟弱夾層等不良地質條件(即樁端以下頂板厚度(完整基巖厚度)不應小于3D和5m)，且在樁底應力擴散范圍內應無巖體臨空面。

本工程樁徑為1.5m，因此樁端以下頂板厚度應以5m控制。在樁基穿溶洞或者樁側有溶洞時，為保證樁底應力擴散范圍內無巖體臨空面，采取增加樁長措施所導致的相鄰樁樁端頂板厚度小于5m要求時，給出如下幾種處理措施：頂板厚度小于5m時，可以增加樁長直至滿足頂板厚度要求或新增樁基+轉換梁；不滿足勘探下臥層厚度要求時，可補充勘察(孔深大于10m時)或者孔底釬探(孔深小于10m時)，直至滿足頂板厚度要求。

4 溶洞對樁基設計影響

樁基設計時，根據溶洞與樁的相對空間關系，需要采取5種不同的處理措施，具體如下。

(1)樁端正下方5m以內有溶洞時，樁需穿透溶洞，達到穩(wěn)定的持力層。

(2)樁端側下方5m以內有溶洞，但是溶洞并未延伸到樁端，這種情況不滿足地基基礎規(guī)范第8.5.6條第6款規(guī)定：“樁底應力擴散范圍內應無巖體臨空面”的要求，但是比溶洞位于樁端正下方時有利。對于轉換柱和落地剪力墻下的樁，樁端應延長到溶洞底部以下；對于裙房和地下車庫柱下樁基，頂板厚度大于5m時可不處理溶洞，小于5m時樁需穿越溶洞。

(3)當溶洞位于樁側面，且洞底不低于樁端時，溶洞對樁端承力基本無影響，但對樁身的側阻力有影響。因此，根據《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)[5]第5.3.9條條文說明，可按不考慮側阻力，只考慮端阻力計算單樁豎向承載力特征值，若單樁豎向承載力特征值大于樁頂軸心壓力標準值Nk時，則不需處理，否則應進行處理。

(4)對于樁端穿過溶洞情況，當樁身穿過基本質量等級為Ⅰ級、Ⅱ級巖體構成的溶洞頂板，且頂板厚度大于2m時，可按照《貴州建筑地基基礎設計規(guī)范》(DBJ 52/45—2018)[6]第7.4.4條第4款規(guī)定，將頂板厚度乘以0.75系數后計入側阻力的計算。

(5)地基基礎規(guī)范規(guī)定：巖溶強發(fā)育的地段，未經處理的場地，不應作為建筑物地基。當上述情況不能避免時，可采用新增樁基+托換梁(跨越)方式處理：在需加固的樁邊新增加與原有承臺梁垂直相交的托換梁，兩端設人工挖孔樁支承；對于(1)～(3)情況下溶洞，可采用注漿(低強度混凝土)處理(不清孔)，以增加樁端持力層的整體性。

5 臨空面及應力擴散角對基礎設計影響

臨空面是指為滑移體提供變形、滑移空間的面, 又可分為水平臨空面和陡立臨空面。根據巖溶特點及樁端所在邊緣陡壁的形態(tài)、特征，可將巖溶地基臨空面分為如下3種類型:1)順坡陡傾臨空面，此臨空面邊緣陡壁大致呈順坡，坡角一般大于45°；2)倒坡陡傾臨空面，即樁底處于陡壁邊坡呈倒坡或鷹嘴崖之上的臨空面；3)水平狀洞頂臨空面，溶洞頂板有一定的厚度，溶洞形態(tài)不規(guī)則，且有一定的跨度，臨空面以近水平為主。貴州巖土規(guī)范規(guī)定：位于溶槽、漏斗、巖石陡坎近傍的基礎，當巖體中有傾向臨空面的軟弱結構面時，應驗算地基滑移穩(wěn)定性，當相鄰基礎高差大于等于5m時，宜將相鄰基礎高差調為相近。基巖面高低不平、傾斜或有臨空面時，巖面端承樁容易失穩(wěn)，有必要進行施工勘察。圖3給出了基礎旁有臨空面或基巖面較陡時的處理措施。

圖3 基礎旁有臨空面或基巖面較陡時的處理措施

林武漢[7]通過數值分析研究了溶洞跨度、頂板厚度、樁徑對樁底豎向應力擴散的影響，發(fā)現隨著頂板厚度增加，樁底豎向應力在荷載作用寬度范圍內逐漸變大，但在荷載作用寬度范圍之外逐漸減?。粯兜棕Q向應力的擴散范圍隨著基巖頂板厚度的增加而減小，擴散效應減弱；樁底豎向應力擴散角隨溶洞跨度的增加而擴大；樁底豎向應力的擴散角隨頂板厚度的增加而變小；隨著樁徑的增大，樁底豎向應力的擴散角變化趨勢為：當樁徑小于頂板厚度時，擴散角隨樁徑的增加而減小，當樁徑接近或者大于頂板厚度時，擴散角隨樁徑的增加則先遞增后遞減；就樁底豎向應力的擴散角的影響程度而言，溶洞跨度與樁徑的影響較大，頂板厚度影響較小。相鄰樁基的樁底有高差時且距離較近(凈距小于5m)時，應滿足樁底豎向應力的擴散角條件，即樁底高差小于樁凈距(圖4)。

圖4 相鄰樁底高差處理措施

圖5 10#樓基礎平面布置圖(實心樁為穿越溶洞的樁)

6 同一建筑多種基礎形式及遇溶洞時處理措施

當基巖面起伏較大，且均是巖石地基時，同一建筑物可以采用多種基礎形式[4]。依據地勘報告：“基巖面高差變化大，部分地段相鄰鉆孔之間的基巖面相對高差大于5m”，可見，本工程在溶巖強發(fā)育地段之外場地，可以采用多種基礎形式。

據地勘報告提供的場地條件，10#樓僅西北角局部范圍內溶巖強發(fā)育，其余區(qū)域除個別有溶洞分布外，基礎巖層均完整，具備采用多種基礎形式的條件。在溶巖強發(fā)育地區(qū)，基礎形式為樁承臺基礎，樁端穿越溶洞且滿足下臥層要求；在10#樓1塔和2塔電梯間核心筒部位，設計為筏板基礎，筏板厚度為1 600mm，HRB400級直徑25鋼筋雙層雙向分布；當轉換柱下無溶洞分布時，設計為單柱獨立基礎，當轉換柱下有溶洞分布時，設計為樁基礎且樁穿越溶洞，同時需滿足持力層要求；對墻底無溶洞分布的落地剪力墻，設計為條形基礎，對墻底有溶洞存在的落地剪力墻，設計為樁基礎；地下室擋土墻下設拉梁，拉梁按照轉換梁配筋，且需滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[8]第10.2.7條規(guī)定。10#樓基礎平面布置圖如圖5所示。

筏板下較淺(5m以內)范圍存在小溶洞時，需將溶洞處理，一般采用C35混凝土對溶洞進行填實處理，圖5中～軸/軸所示的10#樓2塔電梯核心筒范圍溶洞采取此方法處理。7#樓采用樁基礎(圖6)，圖中短虛線范圍為溶巖強發(fā)育區(qū)域。

筏板下局部小范圍有溶洞分布，且溶洞深度較深(5m以下)、較小時，可不考慮溶洞影響，但應對溶洞范圍的筏板增加附加鋼筋以加強，如圖7的4#樓溶洞平面布置及處理所示，4#樓采用筏板基礎，筏板厚度1 800mm，25@180雙層雙向配筋，圖中矩形填充范圍為加強部位，附加鋼筋為雙層雙向18@150。

對于較大溶洞，可采用鋼筋混凝土梁、板和拱等結構跨越處理，但是跨越結構應該有可靠的支撐面，當采用梁式跨越時，在巖石上的支撐長度應大于梁高的1.5倍。10#樓基礎～軸/～軸轉換柱下、落地剪力墻下探明存在較大溶洞，溶洞平面范圍超過2m×2m，采用兩樁承臺跨越處理，并用C20混凝土嵌塞溶洞，且支撐長度大于承臺梁高的1.5倍，滿足規(guī)范要求。

圖6 7#基礎平面布置圖

圖7 4#樓溶洞平面布置及處理

圖8 1#基礎平面布置圖(填充樁為穿越溶洞的樁)

1#樓采用樁筏基礎(圖8)，筏板厚度1 300mm，共有87個工程樁，地勘報告顯示有38個樁位出現溶洞，施工時用混凝土填充溶洞，當溶洞的高度小于2m時，可不進行混凝土密實性的檢測；當溶洞的高度不小于2m時，需用聲波透射法檢測混凝土的密實性。

因地勘報告僅提供溶洞豎向發(fā)育情況，未提供溶洞平面發(fā)育情況，且考慮到樁端穿越溶洞需滿足剛性角要求及主樓轉換柱和落地剪力墻構件的重要性，同時為避免補勘時間過長而影響工程進度及大范圍增加樁長而影響工程成本等因素[9-10]，對樁基影響較大的溶洞，按照最不利原則，將相鄰樁基樁底標高統(tǒng)一降低至最不利樁基的同一標高，以排除溶洞橫向發(fā)育對樁基安全造成的隱患，確?；A安全。基礎設計時主樓轉換柱和落地剪力墻下樁基需完全穿越溶洞。施工時清除洞內填充物，用混凝土換填。

表3列出1#樓、5#樓、7#樓、9#樓部分溶洞處理的混凝土用量情況。由表3可見，采用混凝土換填時，混凝土實際用量均大于計算量，1#樓樁ZH1-50的混凝土實際用量達到了計算量的3倍，9#樓樁ZH9-110(裙房位置樁)的混凝土實際用量達到計算量3.7倍。1#樓兩個樁ZH1-60和ZH1-78的樁底溶洞是貫通的，處理后充盈系數均大于1.0，滿足施工要求。

溶洞樁混凝土量統(tǒng)計 表3

7 結論

本文通過對貴州省銅仁市某巖溶地區(qū)基地基礎設計研究，總結得出以下結論：

(1)巖溶地區(qū)應確保樁端持力持力層完整，即滿足地基基礎規(guī)范中規(guī)定：樁端以下3倍樁徑且不小于5m范圍內應無軟弱夾層、斷裂破碎帶和洞穴分布，且在樁底應力擴散范圍內應無巖體臨空面。

(2)針對溶洞與樁不同的空間關系，提出5種處理措施：樁端5m以下范圍無溶洞時可不做處理，否則樁端須達到穩(wěn)定的持力層；樁端5m以內范圍有溶洞但溶洞未延伸到樁下，裙房和地下車庫豎向力較小部位可不做處理；溶洞在樁身側面時可不考慮側阻力，僅考慮樁端阻力；樁身貫穿溶洞時，根據巖體構成，相應巖層樁身需乘以相應的側阻力折減系數。

(3)基巖面高低不平、傾斜或有臨空面時，巖面的端承樁容易失穩(wěn)，有必要進行施工勘察；當巖體中有傾向臨空面的軟弱結構面時，應驗算地基滑移穩(wěn)定性；當相鄰基礎高差大于等于5m時，宜將相鄰基礎高差調為相近。

(4)當基巖面起伏較大時，且都是用巖石地基時，同一建筑物可以使用多種基礎形式。

(5)采用筏板基礎時，筏板下局部小范圍有溶洞分布且溶洞深度較深(5m以下)、較小時，可不考慮溶洞影響；筏板下較淺(5m以內)范圍存在小溶洞時，需將溶洞處理后方可作為筏板基礎持力層；其他基礎形式時可采用梁、板、拱跨越處理；對基礎設計影響較大的溶洞采用灌填置換處理，保證樁體完整性，避免夾渣影響。