復雜巖溶地質條件下廠房地基基礎設計

劉澤坤

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

因地下水侵蝕作用而形成的巖溶地質在我國各地區(qū)廣泛分布，其地質條件復雜、且無規(guī)律，但由于城市建設用地日趨緊張，避開巖溶發(fā)育地區(qū)進行建設非常困難，因此，當必須在巖溶發(fā)育場地新建建筑物時，應視其具體情況進行分析研究，慎重對待，存在地下暗河、伏流的場地，不宜建設。

文獻[1]對巖溶地質條件下地基基礎設計提出了指導意見；文獻[2]結合湖北省的地質特點和工程經驗，制定了湖北省巖溶發(fā)育地區(qū)進行地基基礎設計的相關條文；但由于巖溶地質情況復雜多變，實際設計中每個具體工程的情況都有較大差異，如何安全合理地進行復雜巖溶地質條件下的地基基礎設計是個難題[3]。本文擬結合具體工程，就該工程的巖溶地質特點和地基基礎設計情況進行研究分析，供類似工程參考。

1 工程概況

1.1 基本情況

咸寧高新區(qū)智能制造產業(yè)園工程位于湖北省咸寧市咸安區(qū)，規(guī)劃總用地面積約11萬m2，規(guī)劃總建筑面積約15.6萬m2，其中8棟多層廠房建筑面積約15萬m2，其他附屬配套設施的建筑面積約6000m2。1#、2#廠房建筑層數為三層，建筑高度19.05m，平面尺寸120m×42m，典型柱網為9m×9m；3#—6#廠房建筑層數為四層，建筑高度23.55m，平面尺寸120m×42m，典型柱網為9m×9m；7#、8#廠房建筑層數為四層，建筑高度23.80m，平面尺寸108m×48m，典型柱網為9m×9m。整個廠區(qū)東西長約366m，南北長約326m，呈北邊略短，南邊略長的梯形形狀，地勢東南高、西北低，自然地形最低標高35.65m，最高標高45.65m，東南向與西北向最大高差約10m。

工程所在地抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度0.05g，設計地震分組為第一組。所有建筑均為鋼筋混凝土框架結構，抗震等級為四級，地基基礎設計等級為乙級，建筑樁基設計等級為乙級。

1.2 地質情況

1.2.1 場區(qū)巖土地層分布

根據地勘報告，在勘察深度范圍內，根據鉆孔揭露的地層自上而下分為：

第①層雜填土：松散，稍濕，主要為粘性土夾少量礫石及建筑垃圾，經由近期人工堆填而成，堆填時間0～5a，欠夯實。局部分布，最薄處為0.50m，最厚處為12.50m，平均厚度為4.75m。

第②層粉質黏土：可塑，稍濕，粘粒為主，粉粒次之，含少量鐵錳質結核，土質較軟。局部分布，最薄處0.70m，最厚處7.00m，平均厚度2.95m。

第③-1層含礫粉質黏土：硬塑，稍濕，粘粒為主，粉粒次之，含少量白色高嶺土團塊及礫石，礫石約占20%，粒徑2～30mm，個別30～50mm，呈次棱角狀，土質較硬，粘性較好。局部分布，最薄處0.60m，最厚處12.50m，平均厚度5.25m。

第③-2層含礫粉質黏土：可塑，稍濕，粘粒為主，粉粒次之，含少量礫石(約占20%)，粒徑2～30mm，個別30～50mm，呈次棱角狀，土質較軟。局部分布，最薄處0.50m，最厚處6.20m，平均厚度2.46m。

第③-3層含礫粉質黏土：軟塑，濕，粘粒為主，粉粒次之，含礫石(約占20%)，粒徑2～30mm，個別30～50mm，呈次棱角狀，土質軟。局部分布，最薄處0.90m，最厚處9.30m，平均厚度2.66m。

第④-1層中風化粉砂巖：粉砂質結構，層狀構造，裂隙發(fā)育，巖芯破碎～較破碎，多呈塊狀夾短柱狀。局部分布，勘察揭露深度范圍內，最大揭露厚度為12.80m。

第④-2層中風化礫巖：礫狀結構，層狀構造，泥質膠結，膠結較差，巖石較破碎～較完整，芯多呈柱狀、塊狀。全場分布，勘察揭露深度范圍內，最大揭露厚度為8.80m，未揭穿該層。

1.2.2 場地不良工程地質作用

巖溶：該場地隱伏基巖第④-2層中風化礫巖中，見溶隙、溶洞等，本次勘察219個鉆孔中揭露第④-2層中風化礫巖鉆孔167個，其中有34個鉆孔發(fā)現溶洞，見洞隙率為15.5%，最大洞高3.0m，充填類型全充填、半充填、無充填均有，充填物為可軟塑狀含礫粉質黏土。根據場地地質情況及鉆孔見洞隙率，初步判定該場地巖溶中等發(fā)育[4-6]。

填土：該場地局部分布有第①層雜填土，最厚處達12.5m，主要由粘性土及少量建筑垃圾經人工近期堆填而成，土質松散，自然密實程度差，為欠固結土，物理力學性質極不穩(wěn)定[7]。

地基不均勻：該場地自然土層類型簡單，但各土層水平及垂直分布不均勻，巖土層的層面一般坡度大于10°，屬不均勻地基土[8]。該建筑場地基巖為白堊—第三系粉砂巖、礫巖，沉積厚度較大，受古地理和巖溶溶蝕雙重作用影響，巖層面凸凹不平，垂直起伏較大，其層面坡度一般大于10°。

場地各主要地層設計參數見表1。

表1 地層設計參數

2 基礎選型

根據地勘報告可知，整個廠區(qū)大部分區(qū)域地層分布為第①層雜填土+第④-1層中風化粉砂巖或第④-2層中風化礫巖，雜填土厚度不均，最薄處為0.50m，最厚處為12.50m，且不能作為建筑物的基礎持力層，因此該廠區(qū)建筑物除局部區(qū)域巖層埋深較淺可采用天然地基外，大部分區(qū)域均無法采用天然地基；如采用預應力混凝土管樁基礎，廠區(qū)大部分區(qū)域樁側為雜填土，無阻力，樁端承載力因管樁樁徑不大也很小，單樁承載力很小不經濟，且樁端需進入中風化巖層，施工也較為困難，綜合分析比較，決定該廠區(qū)建筑物基礎形式大部分采用大直徑鉆孔灌注樁，優(yōu)點一是樁徑較大，可以充分利用樁端中風化巖層的承載力，經濟性好，二是現場鉆孔施工，遇到不良地質情況時，可及時處理，且施工工藝成熟，樁端能夠進入中風化巖層，三是在巖溶發(fā)育地區(qū)，采用大直徑嵌巖樁，安全系數高。

根據上部結構計算結果，標準組合下該廠區(qū)大部分廠房的柱底軸力約為4600kN，最大值約為8600kN；經試算，如采用900mm直徑鉆孔灌注樁，樁端持力層為第④-1層中風化粉砂巖時，單樁承載力特征值約為1200kN，樁端持力層為第④-2層中風化礫巖時，單樁承載力特征值約為1800kN，廠房大部分柱下樁數為4～5根，個別柱下樁數達到6～9根，整個廠區(qū)建筑物樁基根數達到2000多根，地基基礎造價過高，經濟性較差。

經研究分析，認為地勘報告中對該場地中風化巖層的樁端阻力特征值取值偏小，可適當提高；為保證工程質量降低工程造價，由業(yè)主方邀請當地相關方面專家，組織召開了地勘報告研究方案會，經過會議討論，形成處理方案如下：①該廠區(qū)所有建筑物均采用大直徑鉆孔灌注樁；②巖層距離地面3m以內采用柱下獨立基礎；③場地先進行3根試樁，根據試樁結果由勘察單位調整巖層樁端阻力特征值。

會后在廠區(qū)選取三個典型區(qū)域進行試樁，試驗樁在加載至極限狀態(tài)下均未破環(huán)，樁基沉降值在規(guī)范允許范圍內，勘察單位根據試樁結果將第④-1層中風化粉砂巖的樁端阻力特征值調整為2500kPa，將第④-2層中風化礫巖的樁端阻力特征值調整為6000kPa，以此作為該場地樁基承載力設計依據。

3 基礎設計

3.1 樁基礎設計

根據地勘報告研究方案會處理方案，并基于施工及經濟性考慮，該工程樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑0.9m，因廠區(qū)大部分區(qū)域樁側為雜填土，樁基無側阻力，另外，因為該場地巖溶中等發(fā)育，為提高安全儲備，設計中也不計入樁基嵌巖段的側阻力，只計入樁端阻力，經計算，當樁端持力層為第④-1層中風化粉砂巖時，單樁豎向承載力特征值為1500kN，當樁端持力層為第④-2層中風化礫巖時，單樁豎向承載力特征值為3500kN。

在巖溶中等發(fā)育場地的嵌巖端承型樁，為增加樁基安全度，規(guī)范要求樁端全斷面進入巖層表面深度不小于2m[9，10]；當巖層表面存在溶洞(槽)或串珠狀溶洞(槽)時，樁端嵌入溶洞(槽)底部完整巖石的深度不小于0.5m，且樁身入巖深度總和不小于2m[2]；因此該工程樁基要求樁端進入中風化巖層按不小于2m考慮[11]。另在巖溶發(fā)育場地，巖溶分布無規(guī)律，前期詳勘無法準確查明樁端以下巖溶的空間分布，對端承型樁基而言存在安全隱患，規(guī)范規(guī)定在巖溶發(fā)育區(qū)采用嵌巖樁時應逐樁進行施工勘察，鉆孔進入樁端以下完整巖石的深度不應小于5m，并檢查施工勘察鉆孔柱狀圖，保證樁端以下5m內為完整巖石無巖溶發(fā)育，并以此作為該樁基終孔依據[2]。

該廠區(qū)根據樁基布置圖完成施工勘察后，檢查施工勘察鉆孔柱狀圖發(fā)現，廠區(qū)大部分區(qū)域內第④-2層中風化礫巖與第④-1層中風化粉砂巖并沒有明顯的垂直分界面，上下互層，層層交疊，且厚度不一，與詳勘報告不一致，施工勘察結果如圖1所示；經與勘察單位溝通，為保證樁基安全，巖層上下互層區(qū)域樁端阻力特征值均按第④-1層中風化粉砂巖取值，并對該區(qū)域樁基承載力進行調整；另根據施工勘察結果，對樁端以下5m內存在溶洞的樁基樁長進行調整，要求樁端嵌入溶洞(槽)底部完整巖石的深度不小于0.5m，且樁身入巖深度總和不小于2m[12]。

圖1 施工勘察鉆孔柱狀圖

3.2 獨立基礎設計

根據地勘報告研究方案會處理方案，并基于施工及經濟性考慮，巖層距離地面3m以內采用柱下獨立基礎，基礎持力層為第④-1層中風化粉砂巖或第④-2層中風化礫巖，計算基底面積時，地基承載力特征值按地勘報告取值；經驗算，廠房大部分柱下獨立基礎平面尺寸1.8m×1.8m即可。

由于建筑底層結構柱截面尺寸為900mm×900mm，基礎底面尺寸小于柱寬加兩倍基礎有效高度，獨立基礎為剛性基礎，根據規(guī)范[13]要求應驗算柱與基礎交接處的基礎受剪切承載力，由于巖石地基基底反力較大，計算得出基礎高度特別大，顯然不合理，且由于需滿足基礎最小配筋率的要求，基礎配筋會非常大，于是將基礎平面尺寸調整為2.2m×2.2m，基礎僅滿足受沖切驗算即可，并調整基礎高度保證基礎寬高比不大于1[14]，經驗算，獨立基礎高度700mm時即可滿足規(guī)范要求[15]。

4 施工問題處理

4.1 樁基護壁方式

因為旋挖鉆機成孔機械化程度高、成孔速度快、質量好，該廠區(qū)大直徑鉆孔灌注樁施工采用旋挖鉆機成孔技術，當地層分布為“含礫粉質黏土+中風化巖層”時，由于含礫粉質黏土呈硬塑狀態(tài)，無地下水，無須擔心塌孔，可采用干成孔技術；當地層分布為“雜填土+中風化巖層”時，由于雜填土松散，堆填時間短，欠夯實，含水豐富，擬采用泥漿護壁成孔技術；但在旋挖鉆機施工過程中，發(fā)現廠區(qū)局部區(qū)域內雜填土層中夾有淤泥，且地下水含量豐富，在鉆進過程中，孔壁容易坍塌，尤其在巖土交界線處，土質松散，鉆孔后加速了地下水在巖土分界線處的流動，分界線上部土體在水流沖刷和浸泡下極易坍塌引起孔壁大面積坍塌。

根據場地實際情況，該工程對塌孔嚴重的樁位采用振動錘沉入鋼護筒的護壁方式，通過鋼護筒穿越易塌孔土層，當塌孔部位位于巖土交界處時，鋼護筒下到基巖面以下300～500mm，鋼護筒采用12mm厚鋼板制作，并保證其內徑大于鉆頭直徑100mm。

4.2 溶洞處理

常用的溶洞處理方法有填充黏土和片石法、灌注低標號混凝土法、鋼護筒跟進法等，根據施工勘察，該場地大部分溶洞洞高在3.0m以內，充填類型全充填、半充填、無充填均有，充填物為可軟塑狀含礫粉質黏土，為滿足工程進度，結合現場實際情況，初步確定該工程樁側溶洞采用灌注低標號混凝土法進行處理。

當施工勘察發(fā)現樁基平面范圍內存在溶洞時，在鉆孔揭穿溶洞頂板時，下導管到溶洞底，灌注C15混凝土，并在灌注過程中向孔內投入毛石，將毛石混凝土灌注至溶洞頂板上2m，待混凝土強度達到80%后再進行鉆孔施工[16]。當相鄰樁基均發(fā)現溶洞時，建議采用跳樁施工方法，待前樁樁芯混凝土灌注后再施工相鄰樁基[17，18]。

4.3 基底巖面凹凸不平

該廠區(qū)獨立基礎施工開挖后，發(fā)現由于巖溶溶蝕作用的影響，基底中風化巖層表面凸凹不平，且局部巖面有溶蝕形成的溶溝；針對這種現象，為保證基礎安全，對基底巖面采用素混凝土墊層調平的措施進行處理；巖面凸起部分采用素混凝土墊層調平，凸起高度控制在300mm左右，當凸起超過300mm時，將凸起部分鑿平；巖面凹陷部分清空里面雜土、碎石，采用素混凝土墊層回填；如遇溶溝，繼續(xù)下挖1～2m，挖至巖層也采用素混凝土墊層回填，如挖不到巖層，也采用素混凝土回填，并且根據基礎面積范圍內溶溝的占比，對地基承載力特征值進行相應折減，重新驗算基底面積，基底巖面調平處理做法如圖2所示[19]。

圖2 基底巖面調平處理做法

5 結 論

1)當場地內存在不同的地層分布時，基礎可根據實際情況選用不同的型式。

2)巖溶發(fā)育區(qū)采用嵌巖樁時應逐樁進行施工勘察，鉆孔進入樁端以下完整巖石的深度不應小于5m，并應檢查施工勘察鉆孔柱狀圖，保證樁端以下5m內為完整巖石無巖溶發(fā)育，并以此作為該樁基終孔依據。

3)注意巖石地基上獨立基礎的受剪切承載力驗算，如不滿足，建議調整基底面積，基礎高度滿足受沖切驗算，且寬高比不大于1。

4)根據場地實際情況，對塌孔嚴重的樁位采用振動錘沉入鋼護筒的護壁措施，鋼護筒穿越易塌孔土層，當塌孔部位位于巖土交界處時，鋼護筒下到基巖面以下300～500mm。

5)樁基施工過程中如遇溶洞，可采用灌注低標號混凝土法進行處理，待混凝土強度達到80%后再進行鉆孔施工。當相鄰樁基均發(fā)現溶洞時，建議采用跳樁施工方法，待前樁樁芯混凝土灌注后再施工相鄰樁基。

6)基底中風化巖層表面凸凹不平，且局部有溶蝕形成的溶溝時，對基底巖面采用素混凝土墊層調平的措施進行處理。