埋藏型巖溶地質(zhì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法初探

【摘要】

巖溶地質(zhì)根據(jù)埋藏條件可分為裸露型、覆蓋型和埋藏型。福建地區(qū)常見的多為覆蓋型巖溶，埋藏型巖溶較為少見。介紹了兩個(gè)埋藏型巖溶地區(qū)的建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)例，探討了該地質(zhì)條件下基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、選型及溶洞處理方法，最后總結(jié)了埋藏型巖溶地質(zhì)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】

埋藏型巖溶； 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)； 溶洞處理

【中圖分類號(hào)】TU470+.2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-05-29

［作者簡介］洪哲 （1982—），男，碩士，高級(jí)工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

0 引言

巖溶又稱喀斯特，是可溶性巖層如石灰?guī)r、白云巖、石膏、巖鹽等在水的化學(xué)溶蝕作用以及其他形式的機(jī)械作用下而形成溝槽、裂隙、洞穴等一系列現(xiàn)象的總稱。我國的巖溶地區(qū)分布較廣，四川、云南、貴州、湖南、福建等省均有分布。福建巖溶地貌主要發(fā)育于閩西南碳酸鹽巖分布區(qū)的將樂、沙縣、三明、明溪、寧化、清流、永安、上杭、連城、武平、龍巖等地。福建地區(qū)發(fā)育有大量的巖溶洞隙、土洞，地質(zhì)情況多變且復(fù)雜，其成因、性狀等因素直接影響了落于其上的建筑基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定性及建筑方案布置。

GB/T51238-2018《巖溶地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［1］中第3.0.4條對(duì)巖溶地質(zhì)的分類，根據(jù)埋藏條件可分為裸露型、淺覆蓋型、深覆蓋型和埋藏型等地質(zhì)。從福建地區(qū)實(shí)際情況來看，常見的多為覆蓋型巖溶，埋藏型巖溶則較少見。埋藏型巖溶指的是可溶性的巖層被不可溶的巖層所覆蓋，所形成的地質(zhì)。由于覆蓋層為不可溶的巖層，因此該地質(zhì)條件下溶洞的伴生土洞較少出現(xiàn)，因此埋藏型巖溶地質(zhì)條件下的建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，主要考慮如何處理溶洞的問題。本文旨在通過幾個(gè)實(shí)際設(shè)計(jì)案例，介紹下埋藏型巖溶地質(zhì)條件下的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法，供類似項(xiàng)目參考。

1 案例一設(shè)計(jì)情況

案例一為龍巖某高層辦公項(xiàng)目，項(xiàng)目總建筑面積約12萬m2，地上建筑面積約11.5萬m2，地下建筑面積約5 000 m2。根據(jù)場地地勘報(bào)告，本區(qū)域?qū)俜€(wěn)定的區(qū)域構(gòu)造地塊，未發(fā)現(xiàn)泥石流、滑坡、崩塌、塌陷、岸邊沖刷、地下水強(qiáng)烈潛蝕等不良地質(zhì)作用，但場地下伏為巖溶區(qū)，存在溶洞發(fā)育情況，為不良地質(zhì)作用發(fā)育地段，地質(zhì)環(huán)境受到一般破壞。

場地的巖土層自上而下可分為①雜填土、植物成因的②耕植土、第四系更新統(tǒng)形成的沖洪積形成的③細(xì)砂、④卵石、⑤含卵石粉質(zhì)黏土、殘積成因的⑥粉砂質(zhì)泥巖殘積黏性土、下伏二疊系下統(tǒng)童子巖組的⑦11全風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、⑦12砂土狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、⑦13碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、⑦2強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)粉砂巖、⑧1全風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、⑧2粉砂質(zhì)泥巖殘積黏性土、⑧3粉砂質(zhì)泥巖殘積黏性土，二疊紀(jì)下統(tǒng)棲霞組的⑨1破碎灰?guī)r和⑨2中風(fēng)化灰?guī)r。

本場地溶洞主要揭露于破碎灰?guī)r⑨1層，揭露灰?guī)r鉆孔為19個(gè)，見溶洞鉆孔10個(gè)，鉆孔溶洞發(fā)育率52.60%，線巖溶率24.10%，根據(jù)DBJ13-84-2006《巖土工程勘察規(guī)范》［2］第7.2.1條判定：場地巖溶發(fā)育強(qiáng)度分級(jí)為強(qiáng)烈發(fā)育。可溶灰?guī)r之上由不可溶的粉砂質(zhì)泥巖風(fēng)化層所覆蓋，厚度普遍大于30 m，與地表水不密切聯(lián)系，巖溶類別屬埋藏型。本場地未見土洞發(fā)育。場地典型的地質(zhì)剖面如圖1所示，巖土參數(shù)如表1所示。

從該地勘剖面上看，溶洞發(fā)育于中風(fēng)化破碎灰?guī)r層中，呈豎向成串分布，溶洞頂埋深大于40 m，屬埋藏型巖溶地質(zhì)，且埋藏深度較深。主樓基礎(chǔ)底（圖中陰影區(qū)為基礎(chǔ)標(biāo)高及厚度示意）距溶洞頂約38 m，場地未揭示有土洞，溶洞為全充填的形式，充填物為含角礫粉質(zhì)黏土，充填物承載力特征值為80 kPa。

上部主樓為地上22層（99 m），地下一層的高層辦公建筑，上部荷載較重。由于基底存在靜壓預(yù)制管樁不易壓入的卵石、含卵石粉質(zhì)黏土及全風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層，因此管樁方案首先排除，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮采用兩種方案：方案一為采用沖孔灌注樁作為基礎(chǔ)，樁基持力層為中風(fēng)化灰?guī)r，樁端應(yīng)穿透溶洞并保證樁端持力層的可靠性。方案二為采用復(fù)合地基的方式對(duì)覆蓋土層進(jìn)行地基處理，以處理后的復(fù)合地基作為持力層，主樓采用筏板基礎(chǔ)。

當(dāng)采用方案一時(shí)，根據(jù)規(guī)范需對(duì)設(shè)計(jì)樁位進(jìn)行每樁一探的施工勘察，目的是一方面確定樁長，另一方面需確保樁端以下3倍樁徑且不小于5 m的范圍不存在溶洞發(fā)育。方案二的主要思路是盡可能利用埋藏型巖溶上覆蓋巖層作為復(fù)合地基剛性樁的持力層，發(fā)揮上部巖層承載力較高的特點(diǎn)，在覆蓋層中均布施打剛性樁，使樁與土有效結(jié)合形成復(fù)合地基，提高基底承載力的同時(shí)避免對(duì)覆蓋層以下復(fù)雜的巖溶地質(zhì)進(jìn)行破壞。當(dāng)復(fù)合地基承載力和變形能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，主樓可采用筏板基礎(chǔ)。當(dāng)采用復(fù)合地基基礎(chǔ)方案時(shí)，應(yīng)注意對(duì)溶洞填充物按JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［3］第5.4.1條進(jìn)行樁端軟弱下臥層驗(yàn)算，若溶洞填充物承載力不滿足要求時(shí)需進(jìn)行處理。采用復(fù)合地基基礎(chǔ)還應(yīng)按分層總和法進(jìn)行沉降驗(yàn)算，復(fù)合土層的壓縮模量按JGJ79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》［4］ 第7.1.7條進(jìn)行估算。

方案一與方案二的基礎(chǔ)布置如圖2、圖3所示，兩者的基礎(chǔ)造價(jià)對(duì)比見表2。

方案一沖孔灌注樁樁徑為1 m，單樁承載力特征值是5 800 kN，樁端持力層為⑨2中風(fēng)化灰?guī)r。平均有效樁長為46 m，樁數(shù)為160根，樁基、承臺(tái)及施工勘察合計(jì)總造價(jià)約為1 561萬元。方案二采用旋挖素混凝土樁復(fù)合地基基礎(chǔ)，剛性樁為800 mm旋挖素混凝土樁，單樁承載力特征值是2 200 kN，平均有效樁長為25 m，按3.5倍樁徑網(wǎng)格狀布樁，總樁數(shù)為338根，復(fù)合地基承載力特征值按JGJ79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》［4］ 第7.1.5條估算為400 kPa。方案二樁基、承臺(tái)及施工勘察合計(jì)總造價(jià)約為1 273萬元，比方案一減少造價(jià)288萬。同時(shí)方案一由于沖孔樁施工速度慢、每樁一探施工勘察時(shí)間長等造成施工工期的增加，引起的財(cái)務(wù)成本的增長，其代價(jià)也難以估量。方案二僅需局部補(bǔ)充施工勘察（加密勘孔后控制勘探孔間距小于15 m），同時(shí)由于溶洞埋藏深度較深（大于40 m），復(fù)合地基剛性樁端距溶洞頂較遠(yuǎn)（約12 m），且溶洞覆蓋巖層變形模量較大，因此當(dāng)把溶洞填充物當(dāng)成軟弱下臥層，按JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［3］第5.4.1條進(jìn)行樁端軟弱下臥層驗(yàn)算時(shí)，下臥層（溶洞填充物）頂面的附加應(yīng)力值已經(jīng)很小，遠(yuǎn)小于其承載力特征值，原則上對(duì)該全填充溶洞可不進(jìn)行處理，同時(shí)本工程組織了相關(guān)專家進(jìn)行地基處理的專家咨詢，咨詢的結(jié)論是由于本工程溶洞均為全填充且埋深較深，附加應(yīng)力很小，對(duì)溶洞可不進(jìn)行處理。

對(duì)復(fù)合地基基礎(chǔ)，還應(yīng)進(jìn)行沉降驗(yàn)算。根據(jù)處理后的地層的分布情況及調(diào)整后的地基壓縮模量，運(yùn)用分層總和法對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行沉降計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖4，可見沉降計(jì)算結(jié)果呈中部大，外圍小的分布情況，最大沉降值不大于82 mm，滿足規(guī)范要求。

通過本案例可見，當(dāng)場地主要為覆蓋層厚度較大的埋藏型巖溶地質(zhì)，上部主樓為高層建筑時(shí)，采用復(fù)合地基的基礎(chǔ)方案無論從基礎(chǔ)造價(jià)，還是施工工期來看，均較傳統(tǒng)采用沖鉆孔灌注樁的基礎(chǔ)方案具有更大的優(yōu)勢(shì)。

2 案例二設(shè)計(jì)情況

案例二為龍巖某高層住宅項(xiàng)目，項(xiàng)目總建筑面積約16萬m2，地上建筑面積約13萬m2，地下建筑面積約3萬m2。根據(jù)場地地勘報(bào)告，擬建場地跨越剝蝕低丘和沖洪積階地，地形較平緩、開闊，但部分地段上部填土的厚度較大，地基均勻性差，且溶洞較發(fā)育。依有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)條文說明進(jìn)行劃分，屬對(duì)建筑抗震不利地段，應(yīng)采取相應(yīng)的抗震設(shè)防措施。

場地的巖土層自上而下可分為人工成因的雜填土①a、素填土①b屬軟弱土；粉質(zhì)黏土②a、含角礫粉質(zhì)黏土②b、含卵石粉質(zhì)黏土②c和溶洞充填物⑧屬中軟土；含碎石粉質(zhì)黏土⑤b、土狀強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖⑥a屬中硬土；碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖⑦a屬軟質(zhì)巖石；中風(fēng)化灰?guī)r⑩屬巖石。

本場地溶洞主要揭露于中風(fēng)化灰?guī)r層，本工程勘察的159個(gè)鉆孔中有57個(gè)揭露有全填充溶洞，溶洞充填物為含角礫粉質(zhì)黏土⑧，溶洞發(fā)育率為35.8%。根據(jù)DBJ13-84-2006《巖土工程勘察規(guī)范》［2］第7.2.1條判定：巖溶發(fā)育強(qiáng)度分級(jí)為強(qiáng)烈發(fā)育，巖溶類別屬埋藏型。本場地未見土洞發(fā)育。場地典型的地質(zhì)剖面如圖5所示，巖土參數(shù)如表3所示。

從該地勘剖面上看，本項(xiàng)目溶洞充填物（第⑧層）具有分布范圍大、高度高（洞高35 m左右）的特點(diǎn)，主要發(fā)育于中風(fēng)化灰?guī)r層上，洞頂埋深變化較大，最淺處埋深為34 m，屬埋藏深度較淺的埋藏型巖溶地質(zhì)。上覆蓋巖層主要為⑥a土狀強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖及⑦a碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖?；A(chǔ)底（圖中陰影區(qū)為基礎(chǔ)標(biāo)高及厚度示意）距溶洞頂約32 m；場地未揭示有土洞，溶洞為全充填的形式，充填物為含角礫粉質(zhì)黏土，充填物⑧承載力特征值多數(shù)為150 kPa，個(gè)別最小為130 kPa。

上部主樓為地上31層（91 m），地下一層的高層住宅建筑，上部荷載較重。由于基底存在靜壓預(yù)制管樁不易壓入的含卵石粉質(zhì)黏土、含角礫粉質(zhì)黏土及碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖層，因此管樁方案首先排除，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮采用兩種方案：方案一為長樁方案，采用沖孔灌注樁作為基礎(chǔ)，樁基持力層為中風(fēng)化灰?guī)r，樁端應(yīng)穿透溶洞并保證樁端持力層的可靠性。方案二為短樁方案，主樓采用樁筏基礎(chǔ)，樁基采用全短樁的方式，將樁端持力層落于⑥a土狀強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖或⑦a碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖層，并對(duì)第⑧層溶洞填充物進(jìn)行軟弱下臥層驗(yàn)算，當(dāng)驗(yàn)算不能滿足要求時(shí)進(jìn)行注漿加固處理。

方案一采用沖孔灌注樁方案需先對(duì)設(shè)計(jì)樁位進(jìn)行每樁一探的施工勘察，目的是一方面確定樁長，另一方面需確保樁端以下一定范圍內(nèi)（3倍樁徑且不小于5 m）不存在溶洞發(fā)育。方案二的主要思路是盡可能利用埋藏型巖溶上覆蓋巖層作為樁基持力層，發(fā)揮上部巖層承載力較高的特點(diǎn)，同時(shí)采用整體性較好的筏板基礎(chǔ)應(yīng)對(duì)巖溶地基，短樁應(yīng)確保樁端以下5倍樁徑且不小于5 m范圍內(nèi)不存在溶洞發(fā)育。由于溶洞填充物為全填充且具有一定承載能力，對(duì)其進(jìn)行部分注漿加固使其能滿足主體基礎(chǔ)下臥層的承載力及抵抗變形能力。該方案相對(duì)第一個(gè)方案，在基礎(chǔ)施工工期及造價(jià)上具有較大優(yōu)勢(shì)。

方案一與方案二的基礎(chǔ)布置如圖6、圖7所示，兩者的基礎(chǔ)造價(jià)對(duì)比見表4。

方案一沖孔灌注樁樁徑為1.2 m，單樁承載力特征值是5500 kN，樁端持力層為⑩中風(fēng)化灰?guī)r。平均有效樁長為85 m，樁數(shù)為117根，樁基、承臺(tái)及施工勘察合計(jì)總造價(jià)約為2072萬元。方案二采用旋挖灌注樁，樁徑為800 mm，單樁承載力特征值是3 200 kN，平均有效樁長為35 m，樁數(shù)為250根。方案二樁基、承臺(tái)及施工勘察合計(jì)總造價(jià)約為1 075萬元，比方案一減少造價(jià)約1 000萬元，造價(jià)差距巨大。同時(shí)根據(jù)試樁結(jié)果，方案一長85 m左右的沖孔長樁，一根樁的施工工期約為15天，而方案二短樁可采用旋挖工藝，一天一臺(tái)設(shè)備即可完成三根左右的樁基施工，施工工期方面較方案一也具有較大優(yōu)勢(shì)。

但應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)采用全短樁方案時(shí)，需對(duì)溶洞填充物進(jìn)行軟弱下臥層驗(yàn)算，本案例按JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［3］第5.4.1條進(jìn)行樁端軟弱下臥層驗(yàn)算時(shí)，埋深50 m以下的溶洞填充物附加應(yīng)力值已經(jīng)很小，遠(yuǎn)小于其承載力特征值，原則上對(duì)埋深50 m以下全填充溶洞可不進(jìn)行處理。同時(shí)本工程組織了相關(guān)專家進(jìn)行地基處理的專家咨詢，咨詢的結(jié)論是：

（1）充填溶洞洞頂埋藏深度50 m以下的充填溶洞可不處理，但樁端與洞頂距離應(yīng)大于5倍樁徑以上。

（2）充填溶洞洞頂埋藏深度小于50 m，空洞部分及重二動(dòng)探不大于3擊（未修正）的均應(yīng)進(jìn)行處理；對(duì)空洞處理填充物應(yīng)由粗到細(xì)。

（3）處理方法采用注漿處理，最好采用雙液注漿。

結(jié)合軟弱下臥層驗(yàn)算及專家咨詢意見，僅對(duì)埋深50 m范圍內(nèi)的充填溶洞進(jìn)行處理，具體處理范圍見圖8中的陰影區(qū)域。地基處理前溶洞填充物承載力特征值fak=130～150 kPa，變形模量E0=10 MPa，要求注漿處理后的地基承載力為fak′=280 kPa，變形模量E0′=20 MPa。以下臥層處理后的參數(shù)按JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［3］第5.4.1條進(jìn)行復(fù)核，軟弱下臥層驗(yàn)算能滿足設(shè)計(jì)要求。

實(shí)際注漿處理后，對(duì)檢測孔采用重型動(dòng)力觸探檢測，擊數(shù)為9.3～18，根據(jù)JGJ 340-2015《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》［5］表8.4.9-2得fak′≥290 kPa，E0′≥22 MPa，均滿足設(shè)計(jì)要求。

本工程還應(yīng)進(jìn)行沉降驗(yàn)算。根據(jù)地層的分布情況及處理后的下臥層變形模量，運(yùn)用分層總和法對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行沉降計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖9，可見沉降計(jì)算結(jié)果呈中部大，外圍小的分布情況，最大沉降值不大于50 mm，滿足規(guī)范要求。

通過本案例可見，當(dāng)場地主要為覆蓋層厚度較小的埋藏型巖溶地質(zhì)，上部主樓為高層建筑時(shí)，當(dāng)采用沖鉆孔灌注樁方案穿越溶洞可能造成樁長較長，引起施工工期及樁基成本大幅提高時(shí)，也可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況考慮采用全短樁樁筏或者復(fù)合地基的基礎(chǔ)方案，并根據(jù)實(shí)際計(jì)算需求對(duì)溶洞填充物

進(jìn)行局部處理，可能比全長樁方案更具有施工工期和經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)。

3 埋藏型巖溶地質(zhì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

通過上述兩個(gè)案例可見，于埋藏型巖溶地質(zhì)條件下進(jìn)行高層基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)分析巖溶埋藏的深淺情況、溶洞填充物的充填情況以及上覆蓋巖層、土層的厚度及巖土參數(shù)，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)的荷載大小及分布，有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施。原則上當(dāng)埋藏型巖溶具有一定埋置深度，且填充物為全填充并具有一定承載力時(shí)，優(yōu)先考慮采用短樁或復(fù)合地基方案，相較沖孔灌注樁穿越溶洞方案具有更好的經(jīng)濟(jì)性并能有效節(jié)約施工工期。當(dāng)采用短樁或復(fù)合地基方案時(shí)應(yīng)對(duì)溶洞填充物進(jìn)行軟弱下臥層驗(yàn)算，當(dāng)承載力或變形不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)應(yīng)對(duì)溶洞進(jìn)行處理，并對(duì)處理后的成果提出設(shè)計(jì)要求。對(duì)于埋藏型巖溶上的多層建筑，當(dāng)基底土層承載力能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，優(yōu)先考慮天然基礎(chǔ)方案，溶洞填充物根據(jù)軟弱下臥層驗(yàn)算情況酌情處理。

4 結(jié)束語

埋藏型巖溶指的是可溶性的巖層被不可溶的巖層所覆蓋，所形成的地質(zhì)。該地質(zhì)條件下溶洞的伴生土洞一般較少出現(xiàn)，因此埋藏型巖溶地質(zhì)條件下的建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，主要考慮如何處理溶洞的問題。通過兩個(gè)埋藏型巖溶地區(qū)的建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)例可見，當(dāng)覆蓋層具有一定厚度時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮利用溶洞上覆蓋的巖、土層承載力，可取得較好的經(jīng)濟(jì)效益并節(jié)約施工工期，同時(shí)對(duì)溶洞應(yīng)根據(jù)充填情況及其實(shí)際受力情況進(jìn)行分析驗(yàn)算，采用適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?/p>

參考文獻(xiàn)

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［5］ 建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范： JGJ340-2015［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.