深圳巖溶地區(qū)某超高層項目嵌巖樁基礎設計探討

呂 輝，徐宇鳴

（1、中建科工集團有限公司 深圳 518038；2、深圳市華陽國際工程設計股份有限公司 深圳 518038）

0 引言

我國可溶巖地貌分布較廣，是世界上溶巖最發(fā)達的國家之一，深圳市的龍崗、坪地、坪山、葵涌鎮(zhèn)等多地可溶性碳酸鹽類巖石（灰?guī)r）分布廣泛［1］，侵蝕性水（含CO2）以地表水下滲及地下水流動的方式反復溶蝕，在灰?guī)r中下形成溶洞、溶溝、裂隙、暗河、石芽等不良地質，主要發(fā)育形成覆蓋型巖溶地貌，灰?guī)r層直接上覆較軟土層，基巖面起伏較大，且灰?guī)r內形成單個或串珠狀溶洞。

隨著特區(qū)發(fā)展，越來越多的超高層建筑新建于巖溶地區(qū)之上，如何選用合適的基礎型式、合理的施工勘察手段及數(shù)量、穩(wěn)定的持力層，對于每個巖溶上蓋項目都至關重要。

1 項目概況

某項目位于深圳市坪山區(qū)，由1棟1單元、1棟2單元、1棟3單元3棟超高層住宅塔樓、2層裙房、3層地下室組成，1 單元、2 單元結構體系為部分框支剪力墻結構，轉換樓蓋位于5 層，3 單元結構體系為剪力墻結構，3棟塔樓主屋面高度約為142 m。兩層裙房因建筑功能需求裙房未設縫，形成多塔大底盤結構。1 棟1單元、2單元、3單元地基基礎設計等級為甲級。

2 地質情況

根據(jù)本項目巖土詳勘報告，本場地土的分層自上而下依次為：人工填土，第四系沖洪積層，石炭系灰?guī)r層。場地位于隱伏巖溶區(qū)分布有可溶性的灰?guī)r地層，巖溶較發(fā)育，灰?guī)r埋深變化甚大，基巖層內發(fā)育溶洞，溶洞大小不一，埋深及分布無規(guī)律，其洞內多為半充填。該棟有19 個鉆孔揭示溶洞，（洞高0.40～5.70 m，洞頂標高-17.10～12.83 m），見溶洞率為：19 孔/78 孔×100%=24.36%，為巖溶中等發(fā)育場地，未發(fā)現(xiàn)土洞。巖土層力學參數(shù)建議表如表1 所示，典型工程地質剖面如圖1所示。

表1 巖土層力學參數(shù)建議Tab.1 Suggestions on Mechanical Parameters of Rock and Soil Layers

圖1 典型工程地質剖面Fig.1 Typical Engineering Geological Section

3 基礎選型分析及設計

3.1 巖溶地區(qū)常用基礎型式

巖溶地區(qū)基礎選型應綜合考慮巖溶發(fā)育情況、上部結構、環(huán)境要求、經(jīng)濟性等因素，合理選用基礎型式。

3.1.1 淺基礎

如天然地基承載力滿足上部結構承載力要求且基巖面上覆土層穩(wěn)定時，基礎型式宜優(yōu)先選用淺基礎；如基巖面上覆土層存在土洞等不穩(wěn)定因素時，應進行地基處理，將地基承載力特征值提高至滿足上部結構承載力要求時再行采用淺基礎型式。

淺基礎型式宜選用整體性較好的筏形基礎、柱下交叉條基或箱型基礎［1］。

3.1.2 樁基礎

巖溶地區(qū)常采用樁型：機械成孔灌注樁（鉆孔樁或旋挖樁）、人工挖孔樁、摩擦型靜壓預應力管樁等。經(jīng)查閱大量文獻、規(guī)范及資料，分析總結各樁型適用情況如下：

⑴機械成孔灌注樁

適用條件：上部結構對單樁承載力特征值要求較高、串珠狀溶洞地區(qū)穿越溶洞時可采用。

優(yōu)勢：因易入巖、施工速度快、樁長不受限制及對復雜地質條件克服能力較強被廣泛使用。

缺點：存在清孔除渣難、樁身質量控制難和對場地及周邊污染大等問題。

⑵人工挖孔樁［2］

適用條件：巖溶輕度發(fā)育地區(qū)且上覆土層為非粉砂層并且地下水不豐富，經(jīng)施工勘察研判樁基持力層基巖面埋藏較淺（一般距離底板底不超過15 m 為宜）且無串珠狀溶洞時可采用。

優(yōu)勢：施工時可在孔內直接檢查成孔質量，觀察地質土質變化情況；樁底清孔除渣徹底，易保證混凝土澆筑質量如選用該樁型，樁基一般在基坑底施工，一般與機械成孔灌注樁結合使用。

缺點：存在安全性較差的問題。

⑶摩擦型靜壓預應力管樁或CFG樁［3-6］

適用條件：①巖溶地區(qū)上覆土層較厚且穩(wěn)定時；②上部結構對單樁承載力要求不高時。

優(yōu)勢：①可充分利用上覆土層的側阻力，樁、土及筏板的協(xié)同作用形成剛性復合地基滿足承載力要求；②采用摩擦型預應力管樁可以避免樁尖觸碰到巖溶陡峭基巖面，造成樁身傾斜甚至斷樁的現(xiàn)象；③灌注樁樁身成樁質量較難保證時可優(yōu)該樁型；④對地基承載力特征值要求不高時可采用CFG樁。

缺點：①單樁承載力較低；②施工時易碰到溶洞地區(qū)石芽等情況造成樁身折斷；③處理后承載力較低。

3.2 基礎選型及設計

根據(jù)詳勘揭示，灰?guī)r埋深變化甚大，樁底地基土層為〈2-4〉含礫粉質黏土，承載力特征值為180 kPa，故塔樓基礎不適合淺基礎；

因巖面距離底板底地下室底板較淺，注漿摩擦灌注樁承載力達不到承載力需求，故不適合；

因本工程施工順序為先打樁再進行基坑開挖且新建場地地下水豐富，故不適合人工挖孔樁。

根據(jù)對塔樓上部結構計算分析得到單棟1.0 恒+1.0活工況下基底豎向荷載約為650 000 kN，單層塔樓面積640 m2，單位面積荷載為1 015 kN/m2，故復合地基無法滿足承載力需求，故不適合。

因此本項目塔樓基礎型式選用旋挖成孔灌注樁，持力層為灰?guī)r，通過盈建科對塔樓基礎進行計算分析，樁徑選用1 400 mm、1 600 mm、1 800 mm、2 000 mm，樁端嵌入灰?guī)r1 m，單樁承載力特征值分別取14 000 kN、18 000 kN、22 500 kN、26 000 kN，樁長根據(jù)超前鉆勘察研判，樁端穩(wěn)定持力層厚度滿足3d（d為樁基直徑）且不小于5 m 的要求［7］，為提高塔樓下各基樁協(xié)同工作能力，承臺按筏形設計，承臺厚度取為1 800 mm。以1棟2單元為例，其基礎平面布置如圖2所示。

圖2 1棟2單元基礎平面布置Fig.2 Layout Plan of Foundation for 1 Building and 2 Units

根據(jù)裙房及地下室上部結構計算及持力層分析，基礎型式選用筏板基礎加抗浮錨桿，基礎持力層為〈2-4〉含礫粉質黏土，筏板厚度取為600 mm。

4 樁基施工勘察

巖溶地區(qū)嵌巖樁應嵌入可靠基巖面，根據(jù)文獻［1］9.1.6 條第1 款規(guī)定“端承樁樁端下完整基巖層厚度不宜小于3d（d為樁徑）且不小于5 m”，且因巖層表面起伏甚大，可能存在隱伏溝槽、巖面石芽、溶槽，如樁端落于巖面隆起或斜面處，有可能導致滑樁，故規(guī)范要求樁端應力擴散范圍內應無巖體臨空面。

根據(jù)詳勘階段的孔點密度，不能為樁基設計及施工提供精度很高的穩(wěn)定基巖面等高線，因此無法提供每根樁端穩(wěn)定持力層位置，故在樁基選型和布置基本確定后應進行專項施工勘察，根據(jù)施工勘察報告研判每根樁穩(wěn)定持力層深度，確保每樁的設計施工安全可靠［8-9］。

4.1 規(guī)范建議布置原則

根據(jù)文獻［1］4.3.9 條規(guī)定“對于巖溶中等及強烈發(fā)育的場地，對于承載力較大的大直徑嵌巖樁，宜采用一樁多孔或鉆孔結合孔中物探方法確定持力層性狀一樁多孔數(shù)量宜符合表2規(guī)定?！?/p>

表2 不同樁徑下鉆孔孔數(shù)布置Tab.2 Arrangement of Advance Drilling under Different Pile Diameters

4.2 超前鉆優(yōu)化布置

超前鉆布孔數(shù)量文獻［1］僅為“宜條”，實際工程中溶洞發(fā)育復雜且無規(guī)律，對于單樁下的每鉆孔勘察的巖面標高存在相差較多的可能，一次性勘察很難確定每根樁的基巖面標高。本著主要矛盾重點勘察的原則，設計團隊選擇了分階段布孔勘察，原則如下：

4.2.1 第一階段超前鉆孔位布置

第一階段超前鉆勘察目標為初探樁底地質情況勘察：

⑴ 每根樁布置1 個鉆孔，鉆孔位置距樁中心0.25d；

⑵對樁底穩(wěn)定持力層的鉆探深度不小于4d且不小于8 m。

4.2.2 第二階段超前鉆布孔原則

⑴分析第一階段各樁端溶洞發(fā)育情況、縱橫剖面、覆土下基巖面等高線、穩(wěn)定基巖面等高線。

⑵研判第二階段超前鉆孔點數(shù)量：①對于第一階段鉆孔揭示樁端下存在溶洞時，第二階段應嚴格按文獻［1］要求布置超前鉆點位（簡稱溶洞樁）；②對于單柱單樁且周邊無其他樁幫忙時按規(guī)范要求布置；③對于相鄰樁的樁底高差大于1倍樁的中心距時，按規(guī)范確定鉆孔數(shù)量（簡稱相鄰樁）；④對于未發(fā)現(xiàn)溶洞，且承載力留有適當富裕時可適當減少鉆孔數(shù)量（簡稱為其他樁）。不同樁徑下鉆孔孔數(shù)布置如表3所示。

表3 不同樁徑下鉆孔孔數(shù)布置Tab.3 Arrangement of Advance Drilling under Different Pile Diameters

⑶第二階段鉆入穩(wěn)定基巖面深度要求：根據(jù)第一階段鉆探揭露，且以每棟塔樓為標準單元分析。

①根據(jù)見洞隙率判斷：如該棟塔樓場地見溶率較大（≥25%）時鉆探深度不應小于樁端以下4d且不小于8 m，如該棟塔樓場地見洞隙率較小（＜25%）時，鉆探深度不應小于樁端以下3d且不小于5 m。

②根據(jù)相鄰樁灰?guī)r面起伏情況判斷：對于相鄰樁的灰?guī)r面起伏較大時（見圖3），加深樁端標高較高樁端入巖，鉆探深度不應小于樁端以下3d且不小于5 m。

圖3 相鄰樁樁底高差較大研判Fig.3 Research and Judge for Difference in Pile Bottom Height

③后續(xù)根據(jù)樁端持力層研判原則，確定是否需補充鉆孔及確定所需鉆孔深度。

4.3 本項目施工勘察

本項目以1棟2單元、3單元為例分析，2單元第一階段超前鉆見洞隙率為32/45=71.1%，3單元第一階段超前鉆見洞隙率為8/41=19.5%，場地灰?guī)r層巖面起伏較大。

勘察孔數(shù)量根據(jù)表3情況確定，1棟2單元要求鉆入穩(wěn)定基巖面深度不小于8 m，3單元鉆入穩(wěn)定基巖面深度不小于3d且不小于5 m，對于相鄰樁基巖面起伏大時，加深樁端標高較高樁端入巖，鉆探深度不應小于樁端以下3d且不小于5 m。

5 樁端持力層及樁長研判原則

5.1 樁端應力擴散范圍內應無巖體臨空面時研判

直徑小于2 m 樁需有不少于二孔超前鉆數(shù)據(jù)，取最低穩(wěn)定基巖面作為樁端持力層位置；直徑2 m 樁需有三孔超前鉆數(shù)據(jù)，取最低穩(wěn)定基巖面作為樁端持力層位置（見圖4）。穩(wěn)定持力層為樁端下完整基巖層厚度≥3 m且不小于5 m。

圖4 穩(wěn)定基巖面確定Fig.4 Determination of Stable Bearing Stratum（m）

5.2 樁端應力擴散范圍內有巖體臨空面時研判

可能導致滑樁或樁基失效的臨空面一般包括陡坡面（見圖5?）、鷹嘴巖面（見圖5?）、水平狀洞頂臨空面（見圖5?、圖5?）三種類型［10］，基于5.1 節(jié)基礎上針對不同類型臨空面提出研判樁底持力層位置建議方法。

⑴樁端如遇陡坡面時，研判原則詳圖5?，建議應力擴散角參考30～40°；

⑵樁端如遇鷹嘴巖狀況時，研判原則詳圖5?，樁端應穿越鷹嘴巖層達到穩(wěn)定基巖面；

⑶樁端如遇水平狀洞頂臨空面（一）情況時［11］，研判原則詳圖5?，樁端位于完整及較完整巖石的溶洞頂板，并已知頂板厚度和裂隙切割情況時，應參照文獻［12］附錄C及3.3.2條對溶洞頂基巖進行抗彎、抗剪及抗沖切驗算；

圖5 可能導致滑樁或樁基失效的臨空面Fig.5 Void Surfaces That May Cause Sliding Piles or Pile Foundation Failure

⑷樁端如遇水平狀臨空面（二）情況時，研判原則詳圖5?，應穿透溶洞找到穩(wěn)定巖面作為樁端持力層；

⑸樁端如遇因溶洞導致相鄰樁底高差較大時，研判原則如圖3 所示，溶洞范圍樁進入持力層深度從溶洞底起算，樁頂標高較高的相鄰樁入巖起算點與相鄰低樁初入巖面夾角不應小于45°，且保證樁底≥3d且不小于5 m基巖內無臨空面。

6 結論

⑴根據(jù)詳勘報告揭示的不同場地地質情況，選擇合適的基礎類型。

⑵針對場地巖溶發(fā)育情況，建議以每棟作為勘察單元，合理優(yōu)化布孔進行超前鉆勘察。

⑶因巖溶發(fā)育狀態(tài)橫向和縱向變化較大，超前鉆探結果雖直觀，但因數(shù)量限制，不能完整的反應出巖溶發(fā)育形態(tài)，針對巖溶強烈發(fā)育地區(qū)建議采用超前鉆與物探結合的方式進行施工勘察，前期建議加大施工勘察力度，為后期設計及施工樁端持力層研判提供可靠依據(jù)，提高施工效率且可避免因勘察不詳帶來的安全隱患。

⑷超前鉆及物探等勘察的結果，作為樁基施工時終孔的參考依據(jù)，如樁基施工成孔發(fā)現(xiàn)與超前鉆評估不符時，應重新補勘，不得盲目施工。