苗 亮,許 磊
(湖北省城建設(shè)計(jì)院股份有限公司,武漢 430051)
武漢市位于中國(guó)中部地區(qū),作為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶核心城市和國(guó)家中心城市,近些年發(fā)展迅猛、日新月異。在高速的城市化進(jìn)程中,隨之帶來(lái)的問(wèn)題越來(lái)越棘手,其中由廣泛分布的可溶性碳酸鹽巖導(dǎo)致的巖溶問(wèn)題尤為突出,成了一個(gè)不可回避、必須解決的難題。羅小杰[1-2]對(duì)武漢地區(qū)的巖溶發(fā)育情況、分布規(guī)律、成因機(jī)制等做了系列研究,對(duì)可溶性碳酸鹽層的種類、地質(zhì)年代、空間分布規(guī)律、巖溶類型及充填物有了較為全面、系統(tǒng)的了解。在類似的擬建場(chǎng)地上,樁基礎(chǔ)是基礎(chǔ)形式的首選,尤其是鉆(沖)孔灌注樁基礎(chǔ)[3-6],其屬于非擠土樁,具有施工噪音小、對(duì)周邊環(huán)境影響小、單樁承載力高、可穿透溶洞進(jìn)入完整基巖的優(yōu)點(diǎn),在武漢地區(qū)有較為廣泛的應(yīng)用。
但是武漢地區(qū)的可溶性碳酸鹽巖分布范圍非常廣泛且埋藏深淺不一,當(dāng)某擬建建筑物采用多層地下室時(shí),很可能地下室底板直接位于可溶性碳酸鹽巖之上。在這種情況下,基礎(chǔ)形式如果仍采用鉆孔灌注樁就顯得不太合理。
本文通過(guò)一個(gè)具體案例,對(duì)武漢地區(qū)超高層建筑(大于200m)采用石灰?guī)r作為天然地基的可行性進(jìn)行研究與論證。
洪山村城中村改造開發(fā)用地K2地塊(誠(chéng)功大廈)項(xiàng)目主樓為45層超高層建筑,地下室為4層,建筑物總面積約132 000m2,地下室建筑面積約40 000m2。工程重要性等級(jí)為一級(jí),場(chǎng)地等級(jí)為二級(jí),地基等級(jí)為一級(jí),設(shè)計(jì)使用年限為50年。場(chǎng)地土類型為中軟土,場(chǎng)地類別屬Ⅱ類。建筑物特征見表1。
建筑物特征 表1
1.2.1 地理位置及地形地貌
擬建場(chǎng)地位于武漢市洪山區(qū)雄楚大道與書城路交匯處西南角,北臨雄楚大道,東接書城路,見圖1。場(chǎng)地地勢(shì)較平坦,勘探點(diǎn)地面高程在21.67~22.52m之間,地貌單元屬長(zhǎng)江Ⅲ級(jí)階地。
圖1 建筑物總平面圖
1.2.2 場(chǎng)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造
武漢市位于淮陽(yáng)山字形構(gòu)造南弧西翼,區(qū)內(nèi)大地構(gòu)造跨及揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)和秦嶺褶皺系兩個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元,以襄樊-廣濟(jì)深大斷層為界,中南部屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的四級(jí)構(gòu)造單元武漢臺(tái)褶束,北部為秦嶺褶皺系的四級(jí)構(gòu)造單元新洲凹陷南沿,主要受控于燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),表現(xiàn)為一系列走向近東西至北西西的線形褶皺,以及北西、北西西、北東和近東西的正斷層、逆斷層及逆掩斷層。
本項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)位于王家店倒轉(zhuǎn)背斜之北翼、青菱壓扭性斷裂與五通口-湯遜湖壓扭性斷裂之間。本區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)緩慢下降性質(zhì),新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)升降幅度不大,是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定地帶。
1.2.3 巖土層分布情況
根據(jù)巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告,建筑場(chǎng)地內(nèi)地層情況如下:第①-1層雜填土(Qml),第①-2層素填土(Qml+l),第②層粉質(zhì)黏土(Q4al+pl),第③層粉質(zhì)黏土(Q2al+pl),第④層含角礫粉質(zhì)黏土(Q2al+pl),第⑤-1層紅黏土(Qel),第⑤-2層紅黏土(Qel),第⑥層石灰?guī)r(T1d),第⑥a層破碎石灰?guī)r(T1d),第⑥b層溶洞。典型石灰?guī)r巖芯、溶洞充填物及工程地質(zhì)剖面圖見圖2、圖3和圖4。
圖2 石灰?guī)r巖芯照片
圖3 溶洞充填物照片
圖4 典型的工程地質(zhì)剖面圖
1.2.4 巖土層承載力特征值
根據(jù)《洪山村城中村改造開發(fā)用地K2地塊(誠(chéng)功大廈)巖土工程勘察報(bào)告》可知,按照現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范及地方規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)等,采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、室內(nèi)土工試驗(yàn)、巖石飽和單軸抗壓試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)等資料并結(jié)合《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》(DB42/242—2014)[7]確定場(chǎng)地各巖土層的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo),提出各巖土層工程設(shè)計(jì)參數(shù)建議值詳見表2。
第⑥層石灰?guī)r在該場(chǎng)地均有分布。根據(jù)勘察報(bào)告,鉆孔見洞率高達(dá)80%,第⑥層石灰?guī)r在本場(chǎng)地屬巖溶強(qiáng)發(fā)育,發(fā)現(xiàn)有大小不等的多個(gè)溶洞、串珠狀連續(xù)小溶洞及溶孔、溶槽等溶蝕現(xiàn)象,最大單個(gè)溶洞高可達(dá)3.0m,串珠狀連續(xù)小溶洞累計(jì)高可達(dá)6.4m,溶洞由可塑~硬塑黏性土充填或半充填,局部為軟塑黏性土,勘察期間勘探孔均不返水,偶見掉鉆。
各巖土層承載力特征值及壓縮模量 表2
第⑥a層破碎石灰?guī)r為第⑥層石灰?guī)r的夾層,在該場(chǎng)地主樓及其周邊以及場(chǎng)地西北角有分布。節(jié)理裂隙較發(fā)育,鉆孔均無(wú)返水。該層鉆進(jìn)過(guò)程中速度時(shí)快時(shí)慢,巖芯破碎,有溶孔、溶槽等溶蝕現(xiàn)象,無(wú)掉鉆及柱狀黏性土采取,綜合判斷為裂隙十分發(fā)育,未見較大溶洞,但應(yīng)存在串珠狀連續(xù)小溶洞。其巖溶發(fā)育情況需通過(guò)施工勘察進(jìn)一步查明。
從勘察深度及范圍來(lái)看,本場(chǎng)地第⑥層石灰?guī)r屬于巖溶強(qiáng)發(fā)育,第⑥a層破碎石灰?guī)r屬于第⑥層石灰?guī)r的夾層,可綜合判定擬建場(chǎng)地整體屬于巖溶強(qiáng)發(fā)育地段。
本項(xiàng)目場(chǎng)地地下水類型主要為上層滯水及巖溶裂隙水。上層滯水賦存于上部雜填土中,地下水位主要受氣候因素影響,大氣降水、地表排水為其主要補(bǔ)給來(lái)源,勘察期間測(cè)得場(chǎng)地上層滯水靜止水位為地面下0.3~2.2m。巖溶裂隙水賦存于下部石灰?guī)r的溶洞及巖石裂隙內(nèi),具有承壓性,勘察期間K50號(hào)孔測(cè)得其承壓水位為地面下5.83m(高程16.39m)。
擬建物設(shè)有4層地下室,基底絕對(duì)標(biāo)高-0.30~0.70m,地下室基礎(chǔ)底大部分直接位于第⑥層石灰?guī)r之上,局部位于第⑤-1層紅黏土、第⑤-2層紅黏土及溶洞充填物之上。主樓核心筒下地基反力約1 800kN/m3,主樓整體地基平均反力約1 050kN/m3。
從石灰?guī)r強(qiáng)度考慮,擬建筑物存在采用天然地基的可能。但擬建主樓為超高層建筑,荷載大且場(chǎng)地屬于巖溶強(qiáng)發(fā)育地段,巖溶洞隙眾多,根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》(DB42/242—2014)[7]第9.3.2條,地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)、乙級(jí)的建筑主體宜避開巖溶強(qiáng)發(fā)育地段。
設(shè)計(jì)單位提出了兩套地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。
方案一,采用天然筏板基礎(chǔ)以第⑥層石灰?guī)r為基礎(chǔ)持力層,需采用素混凝土對(duì)局部第⑤-1層紅黏土、第⑤-2層紅黏土及基底下揭露的溶洞充填物進(jìn)行換填處理,并采用有效可靠的加固措施(如注漿加固)對(duì)第⑥層石灰?guī)r中的溶洞、裂隙進(jìn)行加固處理,以保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。
方案二,如經(jīng)進(jìn)一步勘察,溶洞、裂隙、孔隙在石灰?guī)r中所占比例較大,采用筏板基礎(chǔ),不能滿足基礎(chǔ)穩(wěn)定性的要求,或沒(méi)有效果良好可靠的溶洞、裂隙加固處理措施,建議主樓可采用樁筏基礎(chǔ),樁基采用鉆(沖)孔灌注樁,以第⑥層石灰?guī)r為樁基持力層。鑒于主樓為超高層建筑,建議樁基應(yīng)穿過(guò)第⑥a層破碎石灰?guī)r,樁端進(jìn)入下部較好的第⑥層石灰?guī)r,保證樁端以下持力層厚度滿足規(guī)范要求。
鑒于場(chǎng)地的實(shí)際情況,采用天然地基方案筏板基礎(chǔ)應(yīng)經(jīng)過(guò)專項(xiàng)論證,專項(xiàng)論證通過(guò)后方可實(shí)施。
由于場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜,建筑物荷載大,建設(shè)單位邀請(qǐng)有關(guān)專家對(duì)該項(xiàng)目地基基礎(chǔ)方案進(jìn)行專項(xiàng)論證。
2.2.1 專項(xiàng)論證意見一
主樓基底絕對(duì)標(biāo)高-0.30~0.70m,除部分地段外均已進(jìn)入第⑥層石灰?guī)r,該層巖石承載力高;根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告,場(chǎng)地巖溶屬?gòu)?qiáng)發(fā)育,但溶洞均由可塑~硬塑黏性土充填或半充填,整個(gè)場(chǎng)地第⑥層石灰?guī)r巖面相對(duì)較平緩;雖然第⑥a層破碎石灰?guī)r裂隙較發(fā)育,但骨架強(qiáng)度依然較高,亦能滿足上部荷載的要求。結(jié)合武漢市巖溶發(fā)育的區(qū)域特征、場(chǎng)地的實(shí)際地質(zhì)條件和建筑物的具體情況,主樓采用天然地基筏板基礎(chǔ),以第⑥層石灰?guī)r作為基礎(chǔ)持力層的方案是可行的。
2.2.2 專項(xiàng)論證意見二
主樓采用筏板基礎(chǔ),對(duì)主樓的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及施工應(yīng)采取以下措施:
(1)對(duì)主樓進(jìn)行補(bǔ)充勘察,在主樓基礎(chǔ)范圍內(nèi)按3.0m×3.0m方格網(wǎng)間距布置勘探孔,以進(jìn)一步查明基礎(chǔ)底面以下10.0m深度范圍內(nèi)巖溶發(fā)育、溶洞分布情況,如遇異常情況應(yīng)加密鉆孔。同時(shí)以補(bǔ)充勘探孔兼做注漿孔,對(duì)基礎(chǔ)底面以下一定深度范圍內(nèi)石灰?guī)r中巖溶洞隙進(jìn)行注漿(水泥漿)處理。
(2)對(duì)局部基礎(chǔ)底面未入巖地段應(yīng)超挖至石灰?guī)r,采用C15素混凝土回填;對(duì)基礎(chǔ)底面以下已經(jīng)揭露的溶洞應(yīng)清除填充物,采用C15素混凝土灌填。
(3)在滿足措施(1)和(2)的情況下,筏板基礎(chǔ)的剛度和配筋可適當(dāng)加強(qiáng)。
由專家意見可知,應(yīng)對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)采取注漿加固措施。本次注漿的主要目的是對(duì)主樓場(chǎng)地巖溶及裂隙進(jìn)行充填,從而阻斷巖溶發(fā)育的通道,保證建筑物在其設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)巖溶的發(fā)育不會(huì)危害到建筑主體安全[8-10]。同時(shí),注漿也對(duì)土體和巖體起到擠密加固的作用,提高了承載力。
根據(jù)專家論證意見和設(shè)計(jì)要求,巖溶注漿孔在主樓基礎(chǔ)范圍內(nèi)按3.0m×3.0m方格網(wǎng)布置,并超出基礎(chǔ)范圍一排孔,注漿孔進(jìn)入石灰?guī)r10.0m。為保證注漿施工順利進(jìn)行和注漿質(zhì)量,應(yīng)減少鉆孔施工與注漿施工的相互干擾,擬分三批進(jìn)行鉆孔、注漿施工,整個(gè)場(chǎng)地注漿量為2 000t。
注漿孔采用鉆探方法,鉆探設(shè)備采用XY-100型或XY-150型鉆機(jī),采用套管支護(hù)鉆進(jìn),用φ110套管下至穩(wěn)定地層頂面,并用φ11巖芯鉆具鉆至巖面下0.3m以上,巖層采用巖芯鉆具φ91鉆進(jìn)。
每臺(tái)鉆機(jī)由地質(zhì)專業(yè)技術(shù)人員對(duì)巖土進(jìn)行分層,所有鉆孔上部第四系土層不作要求,但須對(duì)深度進(jìn)行準(zhǔn)確核對(duì);將重點(diǎn)放在下部石灰?guī)r中,下部石灰?guī)r應(yīng)保證巖芯采取率和控制回次進(jìn)尺,應(yīng)詳細(xì)記錄基巖面埋深、裂隙發(fā)育情況、巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值、巖溶發(fā)育情況(溶洞頂?shù)装迓裆?、充填物?,同時(shí)應(yīng)將鉆進(jìn)過(guò)程中的漏漿、返水、卡鉆、埋鉆、掉鉆、鉆進(jìn)速度等情況描述清楚。
鉆探結(jié)束后,必須經(jīng)監(jiān)理單位及建設(shè)單位驗(yàn)收合格,所有鉆孔終孔后應(yīng)校正孔深并確保注漿管能安放到位。注漿管達(dá)到預(yù)定深度后,清理干凈孔內(nèi)巖芯或土體,用泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)工藝并進(jìn)行孔內(nèi)清水沖洗。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,從可行性、經(jīng)濟(jì)性角度考慮,注漿管采用PPR材質(zhì),管徑φ40,封水球止于巖面,管長(zhǎng)應(yīng)少于巖面下鉆孔深度0.5m,前端0.5m應(yīng)開眼,呈梅花型布設(shè),并用橡膠環(huán)封孔止回。漿管采用熱熔焊接,承壓力應(yīng)大于1.5MPa。
巖面封孔應(yīng)將膠球放置于巖面后,應(yīng)往孔內(nèi)倒細(xì)砂約20kg,再放置注漿管到砂面進(jìn)行注漿,注漿量不少于膠球以上5m范圍。
現(xiàn)場(chǎng)前期注漿漿液配合比按水灰比1∶1進(jìn)行試驗(yàn)性壓漿,如出現(xiàn)漿量大不能提高壓力或出漿量小則壓力過(guò)高,應(yīng)調(diào)整水灰比。
注漿開始后,要定時(shí)觀測(cè)泵的吸漿量和泵壓,記錄注漿過(guò)程中發(fā)生的各種現(xiàn)象,收集原始數(shù)據(jù),并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整注漿量和漿液濃度。注漿過(guò)程中若出現(xiàn)大量跑漿時(shí),應(yīng)采用間歇式注漿或減小泵量措施,阻止?jié){液大量流失。
1)注漿孔口壓力維持在1.5MPa,吸漿量小于40L/min,維持20~30min;2)冒漿點(diǎn)出現(xiàn)在注漿范圍外,即3m以外;3)若出現(xiàn)大量漿液灌入后,不出壓力值的情況,則應(yīng)分時(shí)間段壓漿,即每次間隔3~5h后再次壓漿。
巖溶注漿加固屬于隱蔽工程的一種,對(duì)其注漿質(zhì)量的控制一直是業(yè)內(nèi)的難題之一。為了確保注漿質(zhì)量達(dá)到要求,本項(xiàng)目共采用了3種監(jiān)測(cè)、檢測(cè)手段對(duì)注漿效果進(jìn)行質(zhì)量控制。
注漿過(guò)程中不同地段、不同地貌的巖土體,會(huì)呈現(xiàn)出不同的現(xiàn)象,有些現(xiàn)象會(huì)從側(cè)面反映出注漿效果的好壞程度。如施工場(chǎng)地旁有一水塘,水塘常年無(wú)水,即使用清水將其注滿也會(huì)很快滲漏直至干涸。在注漿施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn),水塘底部大部分被冒出的漿液所封閉,將其注滿水后基本不會(huì)發(fā)生滲漏的現(xiàn)象,這在一定程度上反映出注漿效果良好。
在注漿施工結(jié)束28d后,進(jìn)行鉆孔抽芯檢測(cè)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,檢測(cè)孔數(shù)為注漿孔數(shù)的5%~10%,檢測(cè)孔深度為基巖面至最下部溶洞底板的深度,檢測(cè)孔重點(diǎn)布置在巖溶較發(fā)育、注漿量較大、注漿質(zhì)量稍差的地段。通過(guò)孔內(nèi)取芯直觀了解和判斷溶洞內(nèi)的漿液充填情況,并結(jié)合鉆探過(guò)程中循環(huán)液的漏失情況及孔壁的穩(wěn)定性等評(píng)價(jià)注漿質(zhì)量。
從鉆孔取芯可以看出,各檢測(cè)孔均在巖溶裂隙、溶洞中發(fā)現(xiàn)水泥充填且基本充滿,其中土層中呈現(xiàn)為劈裂充填,芯樣中水泥呈條帶狀居多,巖層中水泥多呈柱狀充填,局部地段與溶洞充填物混合,取芯照片見圖5。
圖5 檢測(cè)孔芯樣照片
本次注漿檢測(cè)孔的巖芯取芯率90%以上,溶洞、溶孔和洞隙均被漿液和級(jí)配料很好的充填,達(dá)到了設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)要求和預(yù)期的效果。
選取部分具有代表性的注漿孔進(jìn)行注漿前后的注水試驗(yàn)比對(duì),按注漿孔數(shù)的5%計(jì)算。通過(guò)對(duì)比注漿孔注漿前后單位長(zhǎng)度吸水量,來(lái)檢測(cè)注漿效果。結(jié)果表明,絕大部分注漿孔注漿之后的單位長(zhǎng)度吸水量降低了50%以上,小部分注漿孔甚至降低達(dá)70%~80%,不存在明顯的漏水現(xiàn)象,說(shuō)明注漿效果顯著,達(dá)到預(yù)期。
在全面研究分析以上資料的基礎(chǔ)上,最終確定注漿效果良好、注漿質(zhì)量合格。
由于武漢地區(qū)巖溶強(qiáng)發(fā)育地段、大于200m的超高層建筑物首次使用以石灰?guī)r作為天然地基的筏板基礎(chǔ),故該基礎(chǔ)形式的沉降觀測(cè)是重中之重。按照《建筑變形測(cè)量規(guī)范》(JGJ 8—2016)和設(shè)計(jì)要求,應(yīng)從基礎(chǔ)施工完開始進(jìn)行沉降觀測(cè),結(jié)構(gòu)每施工兩層進(jìn)行一次觀測(cè),直至竣工驗(yàn)收結(jié)束且沉降穩(wěn)定為止。沉降觀測(cè)點(diǎn)布置圖(沉降觀測(cè)點(diǎn)為三角形圖案)、累計(jì)沉降量成果、平均沉降速率見圖6、表3和表4。
各觀測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量 表3
平均沉降速率 表4
圖6 沉降觀測(cè)點(diǎn)位布置圖
根據(jù)觀測(cè)結(jié)果可知,該建筑各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量、沉降速率較小,累計(jì)沉降量及沉降速率都在規(guī)范允許范圍內(nèi),最大累計(jì)沉降量為N15點(diǎn)-2.95mm,最小累計(jì)沉降量N4點(diǎn)-0.72mm,而相鄰兩點(diǎn)最大沉降差出現(xiàn)在N21,N22點(diǎn),其差值為1.34mm,沉降差異小,該建筑各部位沉降均勻。
根據(jù)觀測(cè)結(jié)果可得:1)該建筑物主樓累計(jì)沉降、沉降速率較小,且整體沉降均勻;2)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示,該建筑物屬正常荷載沉降。
(1)本項(xiàng)目針對(duì)巖溶注漿效果分別進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)、鉆孔取芯檢測(cè)和注水試驗(yàn)檢測(cè),通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工中觀察到的現(xiàn)象、鉆孔取芯率和充填效果、注漿前后注漿孔單位長(zhǎng)度吸水量進(jìn)行判斷可知,本次巖溶注漿加固效果良好,滿足設(shè)計(jì)要求。
(2)根據(jù)沉降觀測(cè)報(bào)告可知,建筑物主體14層頂板澆筑已完成,現(xiàn)階段累計(jì)沉降較小、沉降速率較緩、整體沉降均勻,屬正常荷載沉降。隨著主樓主體高度和荷載的不斷增加,累計(jì)沉降量和沉降速率會(huì)有一定的變化,期間沉降觀測(cè)會(huì)按照規(guī)范和設(shè)計(jì)要求繼續(xù)進(jìn)行,直至主樓竣工驗(yàn)收結(jié)束且沉降穩(wěn)定為止。
(3)截止主體結(jié)構(gòu)施工至14層,該項(xiàng)目采用的基礎(chǔ)形式效果良好,現(xiàn)階段地基沉降均勻。結(jié)合武漢市巖溶發(fā)育的區(qū)域特征,高度大于200m、荷載大的超高層建筑物,在巖溶強(qiáng)發(fā)育地段采用以石灰?guī)r作為基礎(chǔ)持力層的天然筏板基礎(chǔ)方案是可行的。
致謝:特別感謝湖北省建設(shè)工程專家委員會(huì)專家組組長(zhǎng)、教授級(jí)高級(jí)工程師袁內(nèi)鎮(zhèn)的大力支持,使得本項(xiàng)目在武漢地區(qū)首創(chuàng)采用筏板基礎(chǔ)以石灰?guī)r作為天然地基成為可能,進(jìn)而推動(dòng)項(xiàng)目順利施工。