溶巖地區(qū)基礎(chǔ)選型分析

鄒利明

（廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510670）

1 研究背景

我國(guó)的巖溶地貌面積大、分布廣，是巖溶地質(zhì)發(fā)育較為普遍的國(guó)家之一。巖溶地質(zhì)指碳酸鹽類巖石、硫酸鹽類巖石、鹵鹽類巖等基巖在受流水沖蝕或其他機(jī)械侵蝕而形成的地貌。主要成分為石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r等可溶性巖石，主要分布在廣西壯族自治區(qū)、貴州省、云南東部和廣東北部。我國(guó)的巖溶地質(zhì)形成的時(shí)間長(zhǎng)，地質(zhì)條件復(fù)雜，具有埋藏深、發(fā)育慢、分布廣、面積大、易引發(fā)塌陷的特點(diǎn)。

土洞是可溶性基巖上覆蓋土層受地表潛水的沖蝕或經(jīng)地下承壓水潛蝕形成，具有埋藏淺、分布廣、發(fā)育快、極易引發(fā)塌陷的特點(diǎn)，危險(xiǎn)性比溶洞更高。一般情況下，土洞與溶洞是同時(shí)存在，溶洞上方一般都存在土洞。對(duì)于在存在巖溶與土洞地區(qū)進(jìn)行的工程設(shè)計(jì)與施工，危害嚴(yán)重，在施工過(guò)程中易出現(xiàn)問(wèn)題，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度，甚至無(wú)法驗(yàn)收工程[1-3]。

主要原因是現(xiàn)階段工程界缺乏應(yīng)對(duì)巖溶等復(fù)雜地質(zhì)情況的完整思路。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于建設(shè)在巖溶地區(qū)的高層民用建筑的處理辦法主要為大直徑灌注樁基礎(chǔ)、采用地基處理的復(fù)合地基處理方案、采用天然基礎(chǔ)。方案的選擇應(yīng)根據(jù)本地區(qū)溶洞的具體埋深、分部情況、發(fā)育程度、工程的特點(diǎn)和施工條件等情況，進(jìn)行具體方案的選擇。

2 工程概況

擬建項(xiàng)目位于韶關(guān)市湞江區(qū)，建筑面積約400 000 m2，包括21棟高層塔樓，一層地下室，塔樓高度最高為99.05 m。全部建筑為高層及深基坑工程，場(chǎng)地工程重要性等級(jí)為一級(jí)，地震基本烈度為6度。

3 地質(zhì)條件

根據(jù)野外鉆探揭露情況，該場(chǎng)地自上而下分別為人工填土層Qml、沖積-洪積土層Qal+pl、坡積土層Qdl、殘積土層Qel及基巖C1y。

分析鉆孔揭露的情況，場(chǎng)地內(nèi)的基巖主要為石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階石灰?guī)r、粉砂巖、頁(yè)巖等，按風(fēng)化程度可分為全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、中等風(fēng)化帶和微風(fēng)化帶。

（1）全風(fēng)化砂巖（主要是粉砂巖）。

呈灰白色、暗紅色、灰黃色等，原巖組織結(jié)構(gòu)已基本風(fēng)化破壞，但尚可辨認(rèn)，巖芯呈堅(jiān)硬土柱狀及密實(shí)砂狀。局部夾強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖碎塊。

（2）強(qiáng)風(fēng)化砂巖（主要是粉砂巖）。

灰色、青灰色、棕灰色、棕紅色等，巖芯呈半巖半土狀、碎塊狀、散體狀等。砂狀結(jié)構(gòu)，碎屑物含量多少及粒徑大小不一，碎屑多為粉砂，部分為細(xì)砂和礫，泥質(zhì)膠結(jié)，巖石組織結(jié)構(gòu)已大部分破壞，礦物成分已顯著變化，風(fēng)化裂隙較為發(fā)育，巖體破碎，質(zhì)軟、易折，用鎬或鍬可挖掘，干鉆不易鉆進(jìn)。巖體為裂隙塊狀結(jié)構(gòu)，按巖石抗壓強(qiáng)度及完整性綜合估算，巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅴ，屬極破碎的極軟巖。

（3）中等風(fēng)化石灰?guī)r。

呈灰色、淺灰色、灰白色、灰黑色、肉紅色等，為隱晶質(zhì)～微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，風(fēng)化裂隙及節(jié)理發(fā)育，見(jiàn)白色方解石晶脈，巖質(zhì)較硬，巖芯呈柱狀、短柱狀及碎塊狀，巖石組織結(jié)構(gòu)部分破壞，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體較破碎。巖體為中厚層～薄層狀結(jié)構(gòu)，按巖石抗壓強(qiáng)度及完整性綜合估算，巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅴ，屬較破碎的軟巖。該層在局部位置有微風(fēng)化夾層。

（4）微風(fēng)化石灰?guī)r。

呈灰色、淺灰色、灰白色、灰黑色等，隱晶質(zhì)-微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，巖芯完整，見(jiàn)白色方解石晶脈。多呈長(zhǎng)柱狀、柱狀、短柱狀，巖質(zhì)堅(jiān)硬。巖體為厚層狀～巨厚層狀結(jié)構(gòu)，按巖石抗壓強(qiáng)度及完整性綜合估算，巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅲ。

根據(jù)本次勘察成果，在150個(gè)鉆孔中揭露溶洞、土洞及溶蝕溝槽，其中141個(gè)孔揭露到溶洞，10個(gè)孔中揭露到土洞，參與統(tǒng)計(jì)鉆孔410個(gè)占鉆孔數(shù)的36.6%；基巖面起伏大，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。

某棟塔樓下的地質(zhì)情況如圖1所示。

圖1 某棟塔樓下的地質(zhì)情況

4 樁型比選和分析

基礎(chǔ)底位于粉質(zhì)黏土層上，基底溶洞見(jiàn)洞率比較高，基礎(chǔ)底面至溶洞頂面有較深的粉質(zhì)黏土層，微風(fēng)化巖面較深。本工程為高層建筑，基礎(chǔ)承載力需求大。

4.1 沖孔灌注樁基礎(chǔ)可行性分析

沖孔灌注樁適用地下有巖溶發(fā)育，有多層溶洞、孤石等不良地質(zhì)情況，沖孔樁可沖穿溶洞頂部至穩(wěn)定的持力層頂面。沖孔灌注樁采用鉆刃的重鉆頭的自由落體運(yùn)動(dòng)形成的沖力削切巖層成孔。鉆孔樁不宜用在溶巖裂隙多、有串洞的基巖中，主要原因是施工中易造成卡鉆，鉆桿造成沿溶巖斜壁偏斜，無(wú)法樁身垂直度。地下溶洞存在貫通的現(xiàn)象時(shí)，進(jìn)行混凝土澆筑將導(dǎo)致大量混凝土流失，不利于灌注樁澆筑和樁基終孔，灌注樁進(jìn)行的抽芯檢測(cè)合格率難以得到保證。

結(jié)合本工程詳勘報(bào)告發(fā)現(xiàn)溶洞分布較多、溶洞較大，不存在串洞的現(xiàn)象，可采用灌注樁基礎(chǔ)形式，在大溶洞處進(jìn)行施工時(shí)，根據(jù)具體情況采用加設(shè)鋼護(hù)筒護(hù)壁或采用拋填后復(fù)沖孔等措施保證施工順利完成[4]。

本方案的優(yōu)點(diǎn)為適用面廣、可穿越溶洞、到達(dá)穩(wěn)定的巖層、承載力有保證；缺點(diǎn)為需要有足夠深度的巖層、費(fèi)用較高、遇到串洞時(shí)終樁困難、驗(yàn)收困難。

4.2 地基處理-剛性樁地基處理可行性分析

素混凝土樁屬高黏結(jié)強(qiáng)度剛性樁，與樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基，通過(guò)褥墊層的變形剛性樁將部分上部荷載向土深處傳遞，達(dá)到共同受力。

用剛性樁對(duì)土體進(jìn)行擠密和置換，提升土體的壓縮模量、地基承載力及剛度，使整體基礎(chǔ)變形減小。本工程詳勘資料顯示基礎(chǔ)底至基巖存在較厚的粉質(zhì)黏土層，素砼剛性樁適合在本工程中應(yīng)用。素混凝土樁地基處理的優(yōu)點(diǎn)為施工簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、可靠性強(qiáng)，樁端為巖層，在豎向荷載作用下樁變形較小。

對(duì)本工程進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)和可行性分析，本工程采用素混凝土樁地基處理方案，樁端持力層選擇位于強(qiáng)風(fēng)化巖，不計(jì)入樁底部的端阻力。

本工程單樁承載力可靠，巖面較深，起伏較大，將持力層選為粉質(zhì)黏土層，距離巖層留有2～5 m的安全距離，樁單樁承載力過(guò)低，樁距過(guò)密，對(duì)于開(kāi)口、淺覆蓋層的溶洞可通過(guò)澆筑素混凝土進(jìn)行封閉。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中將樁端持力層選擇位于強(qiáng)風(fēng)化巖。

5 監(jiān)測(cè)情況

本工程2018年8月10日進(jìn)行第一次監(jiān)測(cè)，截至2018年8月16日，共計(jì)監(jiān)測(cè)9次，各觀測(cè)點(diǎn)累計(jì)值均在預(yù)警值允許范圍內(nèi)，沉降速率滿足《建筑變形測(cè)量規(guī)范》（JGJ 8—2016）中的沉降穩(wěn)定控制指標(biāo)，說(shuō)明本工程采用復(fù)合地基的基礎(chǔ)方案具有安全性和可行性。

（1）水準(zhǔn)基點(diǎn)。

按照規(guī)范要求，現(xiàn)場(chǎng)布置3個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)。

（2）沉降觀測(cè)點(diǎn)。

沉降觀測(cè)點(diǎn)共設(shè)6個(gè)，布置于承重柱混凝土外壁上，采用錨固式沉降測(cè)頭。

（3）測(cè)量方法及要求。

測(cè)量前對(duì)水準(zhǔn)基點(diǎn)高程進(jìn)行校核；測(cè)量前對(duì)儀器、測(cè)尺進(jìn)行校核。

測(cè)量精度根據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范》（JGJ 8—2016）采用二級(jí)精密水準(zhǔn)測(cè)量，視線長(zhǎng)度≤50 m、高度≥0.3 m，采用分區(qū)水準(zhǔn)基點(diǎn)控制環(huán)線法，允許閉合差（n為測(cè)站數(shù)）。

（4）測(cè)量設(shè)備。

水準(zhǔn)儀：徠卡DNA03電子水準(zhǔn)儀，精度為0.3 mm/km；測(cè)尺：銦瓦條碼尺（3.0 m一對(duì)）。

根據(jù)監(jiān)測(cè)單位提供的數(shù)據(jù)顯示，建筑物主體結(jié)構(gòu)九次沉降累計(jì)量最大為6.8 mm。截至2018年8月16日，各觀測(cè)點(diǎn)累計(jì)值均在預(yù)警值允許范圍內(nèi)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出建筑沉降速率最大值為0.023 mm/d，滿足《建筑變形測(cè)量規(guī)范》（JGJ 8—2016）中最后100 d的沉降速率小于0.01～0.04 mm/d的沉降穩(wěn)定控制指標(biāo)。

各測(cè)點(diǎn)沉降量與時(shí)間曲線如圖2所示。

圖2 各測(cè)點(diǎn)沉降量與時(shí)間曲線

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于在存在巖溶與土洞地區(qū)進(jìn)行的工程設(shè)計(jì)，不能盲目采用灌注樁基礎(chǔ)，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行綜合分析，保證到安全可靠、保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源。本文通過(guò)實(shí)際案例的高層塔樓基礎(chǔ)選型分析。

（1）基礎(chǔ)底位于非軟弱土層且基礎(chǔ)底面至溶洞頂面有較深的覆蓋層，微風(fēng)化巖面較深時(shí)，采用地基處理方案。

（2）素混凝土樁處理方案的優(yōu)點(diǎn)施工簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、可靠性強(qiáng)；持力層可巖層在豎向荷載作用下，樁變形較小。

（3）素混凝土樁單樁承載力可靠，承載力高；對(duì)于開(kāi)口、淺覆蓋層的溶洞可通過(guò)澆筑素混凝土進(jìn)行封閉。