淺論巖溶發(fā)育地區(qū)建筑地基基礎設計方案選擇

區(qū)銘恒

【摘要】優(yōu)選巖溶發(fā)育地區(qū)的地基基礎方案，對保證結構安全，控制項目工期造價，具有很大的影響。結合場地特性、上部結構特征，靈活選擇地基基礎方案，是一個值得總結和探究的課題。

【關鍵詞】巖溶發(fā)育；溶洞；地基基礎設計；技術方案

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.044

1、引言

在我國南方，碳酸鹽基巖廣泛出露，在長年累月水位變化和高溫高濕的環(huán)境下，基巖溶蝕現象廣泛發(fā)生，形成了許多巖溶發(fā)育的場地。獨特的巖溶地質，給工程建設中的地基基礎設計帶來了不少挑戰(zhàn)和課題。我國工程建設者在長期的技術攻關和改造自然的過程中，積累了豐富的，在巖溶發(fā)育場地進行建設的寶貴經驗和技術措施。而國家標準《巖溶地區(qū)建筑地基基礎技術標準》GB/T51238-2018在2018年11月1日被住建部批準實施，更體現了國家有關部門對巖溶地區(qū)工程建設活動的技術規(guī)范化、科學化的重視。

筆者在巖溶發(fā)育場地較廣的廣東地區(qū)從事建筑結構設計工作，從業(yè)以來遇到了不少巖溶地區(qū)地基基礎設計的工程案例，在技術方案的必選和設計工作中學習了一些相關的處理方法，得到了一些心得體會，特在下文總結分享。

2、巖溶地質對地基基礎設計的影響

目前溶洞埋藏情況大多通過地質勘查和超前鉆等方式，“以點代面”地予以評估，溶洞對建筑結構地基基礎的穩(wěn)定性、承載力有很大的影響，因此溶洞也是工程地質勘察和基礎設計的重點關注內容。溶洞引起地工程事故時有發(fā)生，例如樁基施工階段一旦樁端破壞了較大的溶洞的頂板，容易發(fā)生樁身突然下滑失穩(wěn)，甚至地表坍塌的嚴重事故，而在建筑使用階段，未經處理的溶洞如果處于基礎應力擴散區(qū)域較淺的范圍，則會導致基礎安全系數下降，不均勻沉降擴大等現象，危及結構安全。

3、溶洞地基的處理方法和基礎設計方案

《巖溶地區(qū)建筑地基基礎技術標準》GB/ T51238-2018中總結了巖溶地基處理的幾種方法：充填法、跨越法、樁基法、高壓旋噴注漿法、褥墊層法等，是目前溶洞建筑地基基礎處理的主流方法，下文簡述一些運用這些方法處理溶洞地基的工程案例，并嘗試比較幾種處理方案的優(yōu)勢，總結其適用范圍。

3.1 樁基方案

某科技產業(yè)園項目位于廣州市白云區(qū)白云湖畔，主要為一棟商墅、三棟辦公樓以及展廳及市民活動中心及相關配套設施，地下1層，地上5～13層，結構形式為框架剪力墻結構，總建筑面積128321.59m2。根據勘察報告鉆孔資料，擬建場地地層按地質成因及力學性質依次分為：由人工填土（Qml）、沖積-洪積層（Qal+pl）、殘積層（Qel）及下覆基巖二疊系（P）的灰?guī)r。場地范圍內下伏灰?guī)r屬可溶性巖石，表現為隱伏型巖溶，為巖溶強烈發(fā)育場地。

根據場地上覆土層承載力和固結程度偏低和結構柱底力較大的情況，首先排除筏板基礎方案，擬采用樁身質量可靠、施工周期短的預應力管樁基礎，管樁樁端以中風化巖為樁端持力層。由于樁側土軟弱，經驗算，單樁承載力Ra取值只有1000kN，管樁可以滿足裙樓和多層結構的基礎承載力要求，但即使?jié)M堂布置也不足以滿足高層塔樓的承載力要求，故高層塔樓采用鉆孔灌注樁基礎，其余單體和純地下室部分采用管樁基礎。

在基礎設計中，除了通過計算保證理論上樁基的承載力可靠之外，還需要在施工方法和構造上提出針對性的要求，以克服溶洞強發(fā)育對地基基礎的不利影響。

（1）巖溶強發(fā)育地區(qū)往往因為溶蝕作用產生大量的石芽等起伏巖面，容易造成管樁壓樁施工過程中樁身傾斜斷裂，造成廢樁，為降低斷樁風險，可適當降低單樁承載力設計要求，使壓樁力相應降低，采用鋸齒式十字形樁尖，使其能適應傾角>45°的巖面，對防止水平偏移效果較好；（2）在巖溶發(fā)育地區(qū)，平面距離很近的兩個點的土層情況可能截然不同，“以點代面”的地勘鉆孔資料往往不足以充分揭示每個樁位的實際地質情況，為了規(guī)避溶洞對樁基的不利影響，在每個樁基施工前進行超前鉆是非常必要的；（3）根據地勘和超前鉆資料，在樁基施工前應對位于樁底下3倍樁身直徑范圍以上的溶洞需要預處理，預處理方法多用充填片石和預注漿法，通過分析施工記錄中的注漿量，可以大致反推溶洞的充盈情況，判斷施工質量；（4）較大直徑的灌注樁，可能存在超前鉆點位不能揭示樁側溶洞的風險，加之灌注樁施工過程中導管提升過快、護壁泥漿稠度不足等原因，會出現灌注樁漏漿現象，造成樁身缺陷，導致出現Ⅲ、Ⅳ類樁，嚴重降低樁身承載力。對于這個問題，一是需要加大超前鉆的分布廣度，提前發(fā)現隱患；二是需要保證樁身施工過程中按照規(guī)范和工序操作，嚴密關注泥漿液面的下沉情況，及時發(fā)現和處理；三是加強后期檢測，更廣泛地采用抽芯檢測或者高、低應變法等，對巖溶地區(qū)的灌注樁樁身完整性予以檢測確認，以免留下安全隱患。

樁基法常常與超前鉆和充填法、注漿法結合使用，是高層建筑結構在巖溶發(fā)育地區(qū)最常規(guī)可靠的做法，其受力明確、針對性強，能有效貫穿樁側溶洞，發(fā)現樁底潛伏溶洞并予以預處理，技術成熟。

3.2 淺基礎方案

當建筑結構柱底力較小，溶洞埋深較大，且上有較厚的頂板時，可以考慮采用淺基礎方案，充分利用上覆土層的地基承載力，如采用梁板式筏板等剛度較大的基礎形式，還能通過基礎的架越作用，進一步降低小型溶洞的工程風險。

采用淺基礎方案時，可參考《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007-2011中驗算軟弱下臥層的公式，計算溶洞頂板上的荷載，并根據溶洞頂板裂隙發(fā)展的程度，按懸臂梁、簡支梁、固支梁等力學模型，驗算頂板承載力是否符合要求：

式中，p0為基底附加壓力，l、b為基底尺寸、pz為溶洞頂板附加壓力，pcz為溶洞頂板土層自重壓力、q為溶洞頂板總壓力。

淺基礎方案充分利用了上覆土層的承載力和持力層應力擴散的原理，避免擾動深層溶洞，節(jié)省了大量的溶洞處理費用和樁基礎造價，檢測方便，工期大幅縮短，在上部土層承載力高，溶洞埋藏深的場地建設多層建筑時，該方法具有很好的經濟效益。

梅州市蕉嶺縣某醫(yī)療建筑項目的場地下發(fā)現溶洞，地面以下土層依次為素填土（平均厚度2.32m）、粉質粘土（平均厚度為10.38米，地基承載力160kPa）、中風化巖。其中中風化巖層中發(fā)育溶洞，溶洞平均高度10.38m。

該項目上部為五層框架結構，無地下室，用途為負壓感染病房，傳至基礎的荷載較小，粉質粘土層承載力尚可，固結程度好，可作為淺基礎的持力層，溶洞埋藏深，經試算，基底應力擴散后，頂板可以滿足受力要求。本項目經綜合比較后，選用了獨立基礎方案，避免了擾動深處的溶洞，沒有產生難以預估的注漿處理費用，節(jié)約了造價，縮短了工期，是巖溶發(fā)育地區(qū)淺基礎方案的又一次成功運用。

3.3 地基處理+淺基礎方案

由于溶洞深埋地下，其大小和發(fā)育情況不容易被完全精確了解，所以實施樁基方案前的預處理往往難以預估注漿和充填的工程量，造價和工期因此不受控。同時，若溶洞上方土層較為軟弱，則給直接采用淺基礎方案帶來困難。此時，若能采用換填或者攪拌樁等地基處理形式，提高上覆土層的地基承載力，則為采用淺基礎提供了前提條件。

廣州市黨員干部法紀教育基地項目位于廣州市花都區(qū)，地上建筑面積14430㎡，地下建筑面積1733㎡?；亟ㄖ偢叨?3.4m，地上3層，地下1層。地表以下依次是：填土層（欠固結）、粉質黏土層<2-1>（fak=80～100kpa）、粉細砂層（不液化）、粉質黏土層<2-2>（fak=220kpa）、中風化灰?guī)r、微風化灰?guī)r。場地地下水豐富，巖溶強發(fā)育，溶洞頂板厚度較薄，完整性較差，強度較低，且遠小于溶洞的洞高，對場地地基穩(wěn)定性極為不利。

結合地勘報告的建議，原設計采用灌注樁基礎，以微風化巖為持力層，穿透溶洞發(fā)育層（如圖1），鉆孔樁直徑800～1000mm，屬于較為常規(guī)的基礎設計方案。

在提交方案后，建設單位提出，本項目為重大政治性任務，在保證安全的前提下，要力爭壓縮工期，節(jié)省造價，采用灌注樁方案工期長，溶洞處理費用不可控，希望設計單位對基礎方案進行優(yōu)化。

設計單位經過研究分析，認為要大幅度壓縮工期造價，就必須避免產生溶洞處理這一變量因素，而本項目上覆表層土層粉質粘土層<2-1>軟弱，不可直接作為淺基礎持力層，需要進行地基處理，經過比選，決定采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）局部處理柱下區(qū)域，形成復合地基，然后設置柱下獨立基礎的方案，樁徑采用600mm，樁距1200mm，樁端設在粉質粘土層<2-2>，通過充分發(fā)揮樁側阻力，達到單樁承載力特征值130kN，能有效提高復合地基的承載力，處理后基底承載力特征值達到400kPa，滿足獨立基礎的設計前提，成功規(guī)避了溶洞的處理費用和其對基礎質量的風險。經過估算，可以大約節(jié)省資金投入598萬元（如表1）。該方案得到建設單位等各方的認可并予以實施，目前建筑已經竣工并投入使用，結構安全性表現良好。

總結：

如表2所示，根據巖溶發(fā)育情況、建筑結構荷載情況、上覆土層的厚度及承載力、工程項目對造價和工期的要求等各因素，結構設計人員應該靈活運用規(guī)范和設計原理，高度重視地下溶（土）洞對基礎承載力和穩(wěn)定性的影響，盡量預判工程實施過程中可能發(fā)生的問題，充分做好相關技術交底，針對性地補充技術措施要求，保證結構安全，降低工程造價，使每個項目都能產生良好的社會效益。

參考文獻：

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