淺談多種處理方法在成都含膏泥巖溶蝕孔洞場(chǎng)地地基處理中的運(yùn)用

黎鴻 張軍新 顏光輝

【摘 要】?眾所周知溶蝕孔洞對(duì)建筑場(chǎng)地的使用和安全有著嚴(yán)重的影響，地基中下伏孔洞往往會(huì)削弱或破壞其上覆巖（土）層的穩(wěn)定性，給建筑工程基礎(chǔ)選型和施工帶來(lái)難題。在這類(lèi)場(chǎng)地上修建工程，首先必須對(duì)孔洞的穩(wěn)定性即孔洞圍巖或孔洞上覆巖（土）層的承載力和穩(wěn)定性進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)，針對(duì)性的給出合理的處理手段。而溶蝕孔洞場(chǎng)地地基處理方式往往不是單一的，文章以成都某含膏泥巖溶蝕孔洞場(chǎng)地的地基處理為例，通過(guò)孔洞分布情況、穩(wěn)定性分析結(jié)果采用多種綜合處理手段成功解決了該項(xiàng)目的地基加固問(wèn)題，為以后處理含膏泥巖溶蝕孔洞場(chǎng)地提供相關(guān)處理經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】含膏泥巖; 溶蝕孔洞; 大直徑素混凝土置換樁; 綜合評(píng)價(jià)

1 工程概況

項(xiàng)目位于成都市高新區(qū)，建筑物共33層，高度99.9 m，剪力墻結(jié)構(gòu)，下設(shè)地下室2層。詳勘期間未發(fā)現(xiàn)持力層附近存在溶蝕孔洞。原建筑物的基礎(chǔ)形式為樁-筏基礎(chǔ)，后在開(kāi)挖基礎(chǔ)樁孔的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)泥巖結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育，巖土破碎，在孔內(nèi)還發(fā)育大量的溶蝕孔洞，規(guī)模較大。此時(shí)樁基已開(kāi)挖樁孔深度不一（大部分為9.00～12.00 m），同時(shí)在已有的樁孔施工中發(fā)現(xiàn)，采用管井法結(jié)合的樁孔內(nèi)抽水法也不能有效降低地下水位至12.00 m以下，人工挖孔樁的方案也難以實(shí)施。故需要查明地基溶蝕孔洞分布情況，對(duì)地基進(jìn)行綜合加固處理。

2 含膏泥巖溶蝕孔洞成因及分布

本工程地質(zhì)條件特殊，在受力層范圍內(nèi)受包江橋斷裂及石膏巖溶蝕影響，在強(qiáng)風(fēng)化泥巖及相應(yīng)角礫巖層中分布有較多的溶蝕孔洞，在對(duì)地基進(jìn)行綜合處理前，需分析溶蝕孔洞成因、查明溶蝕孔洞范圍及深度，為后續(xù)含膏泥巖溶蝕孔洞處理施工提供依據(jù)。

2.1 溶蝕孔洞成因分析

場(chǎng)地內(nèi)分布的孔洞大致可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)為主要分布于泥巖中的構(gòu)造孔洞，另一類(lèi)為分布于角礫巖中的硫酸鹽溶融孔洞。

2.1.1 構(gòu)造成因孔洞

主要形成于斷裂構(gòu)造發(fā)育期，由巖石塑性變形或斷裂而形成，常發(fā)育于白堊系灌口組泥巖地層中。

2.1.2 溶融孔洞

主要形成于斷裂構(gòu)造帶及角礫巖形成后期，經(jīng)受地下水的徑流、侵蝕作用，溶融了角礫巖層中的硫酸鹽，形成溶融孔洞，常發(fā)育于角礫巖層中，部分孔洞中殘留有數(shù)量不等的角礫巖碎塊及巖塊。場(chǎng)地內(nèi)孔洞主要展布方向于斷裂走向基本一致，次要展布方向于斷裂走向呈約60°夾角，與壓扭性應(yīng)力方向基本一致。但因巖石裂隙、塑性變形及地下水的影響，孔洞規(guī)模大小不等，單個(gè)孔洞的發(fā)育情況不等，個(gè)體形態(tài)各異，無(wú)規(guī)律可循。

2.2 溶蝕孔洞分布查明

本項(xiàng)目在地基（孔洞）處理前和處理過(guò)程中，綜合采用物探（高密度電法）、取芯鉆探、水下攝像、聲波測(cè)試、壓水試驗(yàn)對(duì)地下水滲流分析等多種勘查、測(cè)試手段，重點(diǎn)、詳細(xì)查明孔洞的分布、大小、填充物及連通性等，以便及時(shí)調(diào)整處理方案，實(shí)現(xiàn)地基處理的信息化、動(dòng)態(tài)化，保證地基（孔洞）處理效果，從而保證地基處理的預(yù)期目的。

2.2.1 物探（高密度電法）

該方法工作效率高，一次布設(shè)觀測(cè)可以完成縱、橫二維探測(cè)過(guò)程，可反映地下巖土體沿水平及垂直方向的電性變化情況，具備常規(guī)直流電剖面法和電測(cè)深法的綜合探測(cè)能力等優(yōu)點(diǎn)，物探成果表明，建筑地基下伏孔洞總體連通性不強(qiáng)，呈隨機(jī)分布，且大小不一（圖1）。

2.2.2 取芯鉆探

根據(jù)對(duì)物探探明場(chǎng)地溶蝕孔洞區(qū)，采用XY-1型鉆機(jī)對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行鉆探核實(shí)，并形成地質(zhì)勘探三維模型（圖2）。

2.2.3 水下鉆孔攝像

為了更加直觀、有效的查看場(chǎng)地中由硫酸鹽溶融形成的孔洞分布情況和溶蝕特征情況，采用水下鉆孔電視成像技術(shù)對(duì)存在較大溶蝕孔洞的鉆孔進(jìn)行全孔壁數(shù)字成像測(cè)試（圖3）。

2.2.4 聲波測(cè)試

利用波速的變化反映巖層巖性的變化，根據(jù)巖體完整性指數(shù)，表明底部基巖體完整性屬較完整類(lèi)。根據(jù)波速的變化反應(yīng)巖土存在孔洞的特性（圖4）。

2.2.5 地下水滲流分析

通過(guò)連通試驗(yàn)結(jié)果分析可得，下伏石膏巖層溶蝕較好，各孔洞連通性好，且多處溶洞均與地表水和府河水存在直接聯(lián)系。局部存在多處獨(dú)立溶蝕體系，其尚未貫通形成可循環(huán)的補(bǔ)、徑、排通道（圖5）。

3 上覆巖（土）層的承載力和穩(wěn)定性分析

根據(jù)溶蝕孔洞查明情況，通過(guò)建立模型進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，掌握地下孔洞對(duì)地基承載力及變形的影響規(guī)律和程度，進(jìn)行綜合評(píng)估地基承載力，然后針對(duì)性的給出處理方式建議（圖6）。

計(jì)算過(guò)程先對(duì)計(jì)算域進(jìn)行初始位移場(chǎng)平衡計(jì)算，然后模擬計(jì)算地基上覆土層的開(kāi)挖，最后模擬地基土的加固，并施加豎向建筑荷載。

模型計(jì)算了土層開(kāi)挖后產(chǎn)生的卸荷回彈，以及采用筏板及置換樁加固并施加壓力后土層的沉降量;另外計(jì)算分析了地基中孔洞灌漿后，再采用筏板及置換樁加固并施加壓力后的沉降量（圖7～圖9）。

由計(jì)算云圖可知，上層土開(kāi)挖完后在孔洞四周，有孔洞工況下的最大回彈位移比無(wú)孔洞工況下的回彈位移1～2 mm，其中尺寸最大的孔洞差異最大，為2 mm，約占總回彈位移的17 %。

孔洞灌漿工況下，在筏板上施加壓應(yīng)力后開(kāi)挖面的最大沉降量為-5.1 cm，最小沉降量為-3.4 cm，與未灌漿工況下及無(wú)孔洞工況下計(jì)算的沉降量差異不大。但孔洞四周的沉降量則比未灌漿下的小，其中最大孔洞四周的最大沉降量比未灌漿工況下的沉降量小8 mm左右，其余3個(gè)孔洞的沉降量則小4 mm左右。也充分說(shuō)明了在地基處理的基礎(chǔ)上對(duì)孔洞灌漿是必要的，可減小地基的變形，提高地基承載力。

4 地基處理綜合方法

通過(guò)對(duì)上覆巖（土）層的承載力和穩(wěn)定性分析以及溶蝕孔洞分布特點(diǎn)，在解決基礎(chǔ)底承載力不足的基礎(chǔ)上還需對(duì)下伏的溶蝕孔洞進(jìn)行進(jìn)一步的處理，以減少孔洞四周的沉降變形，而單一的處理方式無(wú)法完全解決地基承載力及下伏孔洞變形的問(wèn)題，需采用多種處理方式對(duì)泥巖溶蝕孔洞場(chǎng)地地基進(jìn)行處理。

4.1 大直徑素混凝土置換樁加固軟巖地基

該加固方案是在充分利用原有天然地基承載力的基礎(chǔ)上，將原設(shè)計(jì)的12.00 m的樁基方案改為樁長(zhǎng)5.00 m的素混凝土樁復(fù)合地基方案。采用該方案不但更加充分的利用了原有天然地基的承載力，同時(shí)樁長(zhǎng)減小到5.00 m，使基礎(chǔ)底5.00 m厚度范圍形成硬殼層后，樁端與地下孔洞間的頂板厚度增大了7.00 m以上，減小了孔洞頂板坍塌風(fēng)險(xiǎn)，保障了建筑地基基礎(chǔ)的安全性。另一方面，采用大直徑樁復(fù)合地基后，大直徑素混凝土樁樁長(zhǎng)僅5.00 m，也一并解決了人工挖孔樁的降水問(wèn)題（圖10）。

4.2 拋石壓漿充填

對(duì)于已探明存在大孔徑孔洞范圍（高度超過(guò)2 m以上）的孔樁的孔洞采用拋石壓漿充填，方式如下：

（1）前期已施工孔樁繼續(xù)開(kāi)挖至孔洞頂邊界，對(duì)已有充填物的孔洞，如充填物可灌性小，固結(jié)強(qiáng)度低，通過(guò)孔洞范圍的壓漿孔高壓注漿，注漿體采用抗硫酸鹽水泥配制純水泥漿液，水灰比為2∶1、1∶1、0.5∶1，先用2∶1漿液開(kāi)灌，待返漿穩(wěn)定后，改用1∶1漿液灌注，當(dāng)返漿濃度1∶1時(shí)，改用0.5∶1漿液灌注，使?jié)鉂{均勻滲透。

（2）如孔洞內(nèi)充填物較少，通過(guò)孔樁向孔洞內(nèi)投入毛石、片石等物料充填，充填飽滿度不小于90 %;然后通過(guò)壓漿孔向孔洞內(nèi)壓漿，充填毛石、片石之間的裂隙，形成漿液的結(jié)石體，與孔洞巖面良好的固結(jié)（圖11）。

4.3 旋挖樁鋼套筒穿越孔洞

當(dāng)孔洞的連通性不是很好時(shí)，在已有1 m的基礎(chǔ)樁的樁底采用旋挖成孔穿過(guò)大孔洞區(qū)，孔洞區(qū)頂板以上2 m至樁底之間范圍內(nèi)采用鋼護(hù)筒護(hù)壁（圖12）。

（1）護(hù)筒用5 mm 厚的鋼板卷制而成， 護(hù)筒長(zhǎng)度按孔洞區(qū)頂板以上2 m至樁底之間范圍確定。

（2）鋼護(hù)筒在地面拼裝制作，在鋼護(hù)筒頂部夾塞軟棉物， 以防止灌注混凝土?xí)r產(chǎn)生離析。

（3）在灌注孔洞區(qū)的混凝土?xí)r， 混凝土澆注速度要減慢， 防止由于側(cè)壓力過(guò)大， 致使鋼護(hù)筒變形。

4.4 一般溶蝕孔洞發(fā)育區(qū)灌漿

對(duì)于一般的溶蝕孔洞區(qū)，采用鉆孔灌漿的形式，注漿孔按3.0 m×3.0 m梅花形布置，采用XY-100型鉆機(jī)成孔，孔徑100 mm，成孔深度按該區(qū)域最淺孔洞以上3 m至最深孔洞以下5 m考慮，且不小于15 m。成孔過(guò)程中對(duì)樁底孔洞進(jìn)行進(jìn)一步核實(shí)。

灌漿所用抗硫酸鹽水泥漿液，設(shè)計(jì)灌漿壓力0.8 MPa;在漿液中摻加水泥重量1 %～2 %的速凝劑，使?jié)B入采空區(qū)的漿液盡快固結(jié)，速凝劑采用水玻璃，當(dāng)注漿量大或孔洞裂隙、空隙較大時(shí)，改灌0.5∶1∶1水泥砂漿，但摻砂量不應(yīng)大于水泥重量的200 %;漿液變換按由稀到濃逐級(jí)變換。

（1）當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減小時(shí)，或當(dāng)注入率不變而壓力持續(xù)升高時(shí)，不改變水灰比。

（2）當(dāng)某級(jí)漿液注入量已達(dá)300 L以上，或灌漿時(shí)間已達(dá)30 min，而灌漿壓力和注入率均無(wú)改變或改變不顯著時(shí)，改濃一級(jí)水灰比。

（3）當(dāng)注入率大于30 L/min時(shí)，可根據(jù)具體情況越級(jí)變濃。

（4）在該灌漿段最大設(shè)計(jì)壓力下，當(dāng)注入率不大于1 L/min后，繼續(xù)灌注30 min，灌漿可結(jié)束。

5 加固效果的多種檢測(cè)手段

5.1 物探（高密度電法）

項(xiàng)目在孔洞壓漿處理后采重新用了物探（高密度電法）對(duì)比處理前的效果，可見(jiàn)通過(guò)工程處治前后對(duì)比可以看出，測(cè)線1-1’附近洞穴狀低阻異常已經(jīng)消失，取而代之的是較為平滑的整體形態(tài)曲線，且與圍巖電阻率相差不大，耦合性較好，推測(cè)此段處治效果較好（圖13、圖14）。

5.2 壓水試驗(yàn)

通過(guò)壓水試驗(yàn)對(duì)比灌漿前后地層滲透系數(shù)和滲透流量的變化，對(duì)壓水試驗(yàn)結(jié)果逐段分析，評(píng)定壓漿質(zhì)量。

根據(jù)SL-2003《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，對(duì)4#、6#、8#孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)。壓漿前后地層壓水試驗(yàn)的呂容值（Lu）數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。

根據(jù)壓漿前后壓水試驗(yàn)的呂容值（Lu）數(shù)據(jù)顯示，試驗(yàn)孔數(shù)據(jù)前后變化明顯，已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。灌漿后通過(guò)提取芯2.932樣檢查，芯樣飽滿，未發(fā)現(xiàn)積水現(xiàn)象，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)

地基處理后，通過(guò)埋設(shè)大量監(jiān)測(cè)元件對(duì)施工過(guò)程中的地基受力性狀和建筑物沉降進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采用多種方式處理后的地基，地基變形滿足各項(xiàng)要求，處理達(dá)到了預(yù)期效果，滿足設(shè)計(jì)要求，并取得了多項(xiàng)科技成果，填補(bǔ)了紅層軟巖溶蝕孔洞地區(qū)的地基處理方法。

6 結(jié)論

（1）在地基（孔洞）處理前和處理過(guò)程中，綜合采用多種勘查、測(cè)試手段，重點(diǎn)、詳細(xì)查明孔洞的分布、大小、填充物及連通性等，以便及時(shí)調(diào)整處理方案，實(shí)現(xiàn)了地基處理的信息化、動(dòng)態(tài)化，保證地基（孔洞）處理效果，從而保證了地基處理的預(yù)期目的。

（2）該項(xiàng)目采用“壓漿處理孔洞+大直徑素混凝土置換樁加固軟巖地基+拋石回填+旋挖樁鋼套筒穿越孔洞”的多種方法綜合處理技術(shù)，在巖溶地區(qū)軟巖地基處理中屬首次，創(chuàng)新了含膏泥巖溶蝕孔洞地基的處理技術(shù)。為今后巖溶場(chǎng)地軟巖地基的處理技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重大的實(shí)踐意義。

（3）由于孔洞處理后的壓漿效果如何不能直觀判斷，用常規(guī)的檢測(cè)手段也無(wú)法完成，該項(xiàng)目在孔洞壓漿處理后采用了物探（高密度電法）、壓水試驗(yàn)、鉆孔取芯等綜合手段進(jìn)行檢測(cè)，并與處理前孔洞探查情況進(jìn)行對(duì)比，較好的評(píng)價(jià)了孔洞壓漿處理的效果。

（4）通過(guò)埋設(shè)應(yīng)變計(jì)、壓力盒、沉降計(jì)等元件對(duì)大直徑素混凝土置換樁及其樁間土進(jìn)行長(zhǎng)期的內(nèi)力及變形監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，了解掌握此類(lèi)含膏溶蝕孔洞的復(fù)合地基的受力機(jī)理和承載力特性，為今后類(lèi)似工程設(shè)計(jì)方法改進(jìn)和變形預(yù)測(cè)積累了寶貴的實(shí)測(cè)資料。

參考文獻(xiàn)

[1] 何曉斌. 巖溶、土洞地基處理施工實(shí)例[J]. 廣州建筑，2005（1）：33-36.

[2] 韋復(fù)才.巖溶地下水徑流帶紅土地基的勘察評(píng)價(jià)—以桂林某綜合教學(xué)大樓為例[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2006（5）：38-41.

[3] 王麗娟;成都地區(qū)大直徑素混凝土樁復(fù)合地基受力特性研究[D].成都：西南交通大學(xué);2013年.

[4] 章學(xué)良;素混凝土組合樁復(fù)合地基工程特性研究[D].成都：西南交通大學(xué);2012年.

[5] 魏玉峰、聶德新. 第三系紅層中石膏溶蝕特性及其對(duì)工程的影響[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).2005（2）：62-66.

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