劉澤坤

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)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(zhì)在我國(guó)各地區(qū)廣泛分布，其地質(zhì)條件復(fù)雜、且無規(guī)律，但由于城市建設(shè)用地日趨緊張，避開巖溶發(fā)育地區(qū)進(jìn)行建設(shè)非常困難，因此，當(dāng)必須在巖溶發(fā)育場(chǎng)地新建建筑物時(shí)，應(yīng)視其具體情況進(jìn)行分析研究，慎重對(duì)待，存在地下暗河、伏流的場(chǎng)地，不宜建設(shè)。

文獻(xiàn)[1]對(duì)巖溶地質(zhì)條件下地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提出了指導(dǎo)意見；文獻(xiàn)[2]結(jié)合湖北省的地質(zhì)特點(diǎn)和工程經(jīng)驗(yàn)，制定了湖北省巖溶發(fā)育地區(qū)進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的相關(guān)條文；但由于巖溶地質(zhì)情況復(fù)雜多變，實(shí)際設(shè)計(jì)中每個(gè)具體工程的情況都有較大差異，如何安全合理地進(jìn)行復(fù)雜巖溶地質(zhì)條件下的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是個(gè)難題[3]。本文擬結(jié)合具體工程，就該工程的巖溶地質(zhì)特點(diǎn)和地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)情況進(jìn)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(chǎn)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(shè)施的建筑面積約6000m2。1#、2#廠房建筑層數(shù)為三層，建筑高度19.05m，平面尺寸120m×42m，典型柱網(wǎng)為9m×9m；3#—6#廠房建筑層數(shù)為四層，建筑高度23.55m，平面尺寸120m×42m，典型柱網(wǎng)為9m×9m；7#、8#廠房建筑層數(shù)為四層，建筑高度23.80m，平面尺寸108m×48m，典型柱網(wǎng)為9m×9m。整個(gè)廠區(qū)東西長(zhǎng)約366m，南北長(zhǎng)約326m，呈北邊略短，南邊略長(zhǎng)的梯形形狀，地勢(shì)東南高、西北低，自然地形最低標(biāo)高35.65m，最高標(biāo)高45.65m，東南向與西北向最大高差約10m。

工程所在地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。所有建筑均為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)為四級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)，建筑樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。

1.2 地質(zhì)情況

1.2.1 場(chǎng)區(qū)巖土地層分布

根據(jù)地勘報(bào)告，在勘察深度范圍內(nèi)，根據(jù)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(jīng)由近期人工堆填而成，堆填時(shí)間0～5a，欠夯實(shí)。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(zhì)黏土：可塑，稍濕，粘粒為主，粉粒次之，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核，土質(zhì)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(zhì)黏土：硬塑，稍濕，粘粒為主，粉粒次之，含少量白色高嶺土團(tuán)塊及礫石，礫石約占20%，粒徑2～30mm，個(gè)別30～50mm，呈次棱角狀，土質(zhì)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(zhì)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(gè)別30～50mm，呈次棱角狀，土質(zhì)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(zhì)黏土：軟塑，濕，粘粒為主，粉粒次之，含礫石(約占20%)，粒徑2～30mm，個(gè)別30～50mm，呈次棱角狀，土質(zhì)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(fēng)化粉砂巖：粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育，巖芯破碎～較破碎，多呈塊狀?yuàn)A短柱狀。局部分布，勘察揭露深度范圍內(nèi)，最大揭露厚度為12.80m。

第④-2層中風(fēng)化礫巖：礫狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)較差，巖石較破碎～較完整，芯多呈柱狀、塊狀。全場(chǎng)分布，勘察揭露深度范圍內(nèi)，最大揭露厚度為8.80m，未揭穿該層。

1.2.2 場(chǎng)地不良工程地質(zhì)作用

巖溶：該場(chǎng)地隱伏基巖第④-2層中風(fēng)化礫巖中，見溶隙、溶洞等，本次勘察219個(gè)鉆孔中揭露第④-2層中風(fēng)化礫巖鉆孔167個(gè)，其中有34個(gè)鉆孔發(fā)現(xiàn)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(zhì)黏土。根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)情況及鉆孔見洞隙率，初步判定該場(chǎng)地巖溶中等發(fā)育[4-6]。

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

地基不均勻：該場(chǎng)地自然土層類型簡(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)地各主要地層設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 地層設(shè)計(jì)參數(shù)

2 基礎(chǔ)選型

根據(jù)地勘報(bào)告可知，整個(gè)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(fēng)化粉砂巖或第④-2層中風(fēng)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(chǔ)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(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)，廠區(qū)大部分區(qū)域樁側(cè)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(jīng)濟(jì)，且樁端需進(jìn)入中風(fēng)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(chǔ)形式大部分采用大直徑鉆孔灌注樁，優(yōu)點(diǎn)一是樁徑較大，可以充分利用樁端中風(fēng)化巖層的承載力，經(jīng)濟(jì)性好，二是現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工，遇到不良地質(zhì)情況時(shí)，可及時(shí)處理，且施工工藝成熟，樁端能夠進(jìn)入中風(fēng)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(shù)高。

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)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(fēng)化粉砂巖時(shí)，單樁承載力特征值約為1200kN，樁端持力層為第④-2層中風(fēng)化礫巖時(shí)，單樁承載力特征值約為1800kN，廠房大部分柱下樁數(shù)為4～5根，個(gè)別柱下樁數(shù)達(dá)到6～9根，整個(gè)廠區(qū)建筑物樁基根數(shù)達(dá)到2000多根，地基基礎(chǔ)造價(jià)過高，經(jīng)濟(jì)性較差。

經(jīng)研究分析，認(rèn)為地勘報(bào)告中對(duì)該場(chǎng)地中風(fēng)化巖層的樁端阻力特征值取值偏小，可適當(dāng)提高；為保證工程質(zhì)量降低工程造價(jià)，由業(yè)主方邀請(qǐng)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)方面專家，組織召開了地勘報(bào)告研究方案會(huì)，經(jīng)過會(huì)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(nèi)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)；③場(chǎng)地先進(jìn)行3根試樁，根據(jù)試樁結(jié)果由勘察單位調(diào)整巖層樁端阻力特征值。

會(huì)后在廠區(qū)選取三個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行試樁，試驗(yàn)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(nèi)，勘察單位根據(jù)試樁結(jié)果將第④-1層中風(fēng)化粉砂巖的樁端阻力特征值調(diào)整為2500kPa，將第④-2層中風(fēng)化礫巖的樁端阻力特征值調(diào)整為6000kPa，以此作為該場(chǎng)地樁基承載力設(shè)計(jì)依據(jù)。

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)地勘報(bào)告研究方案會(huì)處理方案，并基于施工及經(jīng)濟(jì)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(cè)為雜填土，樁基無側(cè)阻力，另外，因?yàn)樵搱?chǎng)地巖溶中等發(fā)育，為提高安全儲(chǔ)備，設(shè)計(jì)中也不計(jì)入樁基嵌巖段的側(cè)阻力，只計(jì)入樁端阻力，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)樁端持力層為第④-1層中風(fēng)化粉砂巖時(shí)，單樁豎向承載力特征值為1500kN，當(dāng)樁端持力層為第④-2層中風(fēng)化礫巖時(shí)，單樁豎向承載力特征值為3500kN。

在巖溶中等發(fā)育場(chǎng)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(jìn)入巖層表面深度不小于2m[9，10]；當(dāng)巖層表面存在溶洞(槽)或串珠狀溶洞(槽)時(shí)，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(jìn)入中風(fēng)化巖層按不小于2m考慮[11]。另在巖溶發(fā)育場(chǎng)地，巖溶分布無規(guī)律，前期詳勘無法準(zhǔn)確查明樁端以下巖溶的空間分布，對(duì)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(shí)應(yīng)逐樁進(jìn)行施工勘察，鉆孔進(jìn)入樁端以下完整巖石的深度不應(yīng)小于5m，并檢查施工勘察鉆孔柱狀圖，保證樁端以下5m內(nèi)為完整巖石無巖溶發(fā)育，并以此作為該樁基終孔依據(jù)[2]。

該廠區(qū)根據(jù)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(xiàn)，廠區(qū)大部分區(qū)域內(nèi)第④-2層中風(fēng)化礫巖與第④-1層中風(fēng)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(bào)告不一致，施工勘察結(jié)果如圖1所示；經(jīng)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(fēng)化粉砂巖取值，并對(duì)該區(qū)域樁基承載力進(jìn)行調(diào)整；另根據(jù)施工勘察結(jié)果，對(duì)樁端以下5m內(nèi)存在溶洞的樁基樁長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)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(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)地勘報(bào)告研究方案會(huì)處理方案，并基于施工及經(jīng)濟(jì)性考慮，巖層距離地面3m以內(nèi)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為第④-1層中風(fēng)化粉砂巖或第④-2層中風(fēng)化礫巖，計(jì)算基底面積時(shí)，地基承載力特征值按地勘報(bào)告取值；經(jīng)驗(yàn)算，廠房大部分柱下獨(dú)立基礎(chǔ)平面尺寸1.8m×1.8m即可。

由于建筑底層結(jié)構(gòu)柱截面尺寸為900mm×900mm，基礎(chǔ)底面尺寸小于柱寬加兩倍基礎(chǔ)有效高度，獨(dú)立基礎(chǔ)為剛性基礎(chǔ)，根據(jù)規(guī)范[13]要求應(yīng)驗(yàn)算柱與基礎(chǔ)交接處的基礎(chǔ)受剪切承載力，由于巖石地基基底反力較大，計(jì)算得出基礎(chǔ)高度特別大，顯然不合理，且由于需滿足基礎(chǔ)最小配筋率的要求，基礎(chǔ)配筋會(huì)非常大，于是將基礎(chǔ)平面尺寸調(diào)整為2.2m×2.2m，基礎(chǔ)僅滿足受沖切驗(yàn)算即可，并調(diào)整基礎(chǔ)高度保證基礎(chǔ)寬高比不大于1[14]，經(jīng)驗(yàn)算，獨(dú)立基礎(chǔ)高度700mm時(shí)即可滿足規(guī)范要求[15]。

4 施工問題處理

4.1 樁基護(hù)壁方式

因?yàn)樾阢@機(jī)成孔機(jī)械化程度高、成孔速度快、質(zhì)量好，該廠區(qū)大直徑鉆孔灌注樁施工采用旋挖鉆機(jī)成孔技術(shù)，當(dāng)?shù)貙臃植紴椤昂[粉質(zhì)黏土+中風(fēng)化巖層”時(shí)，由于含礫粉質(zhì)黏土呈硬塑狀態(tài)，無地下水，無須擔(dān)心塌孔，可采用干成孔技術(shù)；當(dāng)?shù)貙臃植紴椤半s填土+中風(fēng)化巖層”時(shí)，由于雜填土松散，堆填時(shí)間短，欠夯實(shí)，含水豐富，擬采用泥漿護(hù)壁成孔技術(shù)；但在旋挖鉆機(jī)施工過程中，發(fā)現(xiàn)廠區(qū)局部區(qū)域內(nèi)雜填土層中夾有淤泥，且地下水含量豐富，在鉆進(jìn)過程中，孔壁容易坍塌，尤其在巖土交界線處，土質(zhì)松散，鉆孔后加速了地下水在巖土分界線處的流動(dòng)，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(jù)場(chǎng)地實(shí)際情況，該工程對(duì)塌孔嚴(yán)重的樁位采用振動(dòng)錘沉入鋼護(hù)筒的護(hù)壁方式，通過鋼護(hù)筒穿越易塌孔土層，當(dāng)塌孔部位位于巖土交界處時(shí)，鋼護(hù)筒下到基巖面以下300～500mm，鋼護(hù)筒采用12mm厚鋼板制作，并保證其內(nèi)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(biāo)號(hào)混凝土法、鋼護(hù)筒跟進(jìn)法等，根據(jù)施工勘察，該場(chǎng)地大部分溶洞洞高在3.0m以內(nèi)，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(zhì)黏土，為滿足工程進(jìn)度，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，初步確定該工程樁側(cè)溶洞采用灌注低標(biāo)號(hào)混凝土法進(jìn)行處理。

當(dāng)施工勘察發(fā)現(xiàn)樁基平面范圍內(nèi)存在溶洞時(shí)，在鉆孔揭穿溶洞頂板時(shí)，下導(dǎo)管到溶洞底，灌注C15混凝土，并在灌注過程中向孔內(nèi)投入毛石，將毛石混凝土灌注至溶洞頂板上2m，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%后再進(jìn)行鉆孔施工[16]。當(dāng)相鄰樁基均發(fā)現(xiàn)溶洞時(shí)，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(dú)立基礎(chǔ)施工開挖后，發(fā)現(xiàn)由于巖溶溶蝕作用的影響，基底中風(fēng)化巖層表面凸凹不平，且局部巖面有溶蝕形成的溶溝；針對(duì)這種現(xiàn)象，為保證基礎(chǔ)安全，對(duì)基底巖面采用素混凝土墊層調(diào)平的措施進(jìn)行處理；巖面凸起部分采用素混凝土墊層調(diào)平，凸起高度控制在300mm左右，當(dāng)凸起超過300mm時(shí)，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(jù)基礎(chǔ)面積范圍內(nèi)溶溝的占比，對(duì)地基承載力特征值進(jìn)行相應(yīng)折減，重新驗(yàn)算基底面積，基底巖面調(diào)平處理做法如圖2所示[19]。

圖2 基底巖面調(diào)平處理做法

5 結(jié) 論

1)當(dāng)場(chǎng)地內(nèi)存在不同的地層分布時(shí)，基礎(chǔ)可根據(jù)實(shí)際情況選用不同的型式。

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

3)注意巖石地基上獨(dú)立基礎(chǔ)的受剪切承載力驗(yàn)算，如不滿足，建議調(diào)整基底面積，基礎(chǔ)高度滿足受沖切驗(yàn)算，且寬高比不大于1。

4)根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際情況，對(duì)塌孔嚴(yán)重的樁位采用振動(dòng)錘沉入鋼護(hù)筒的護(hù)壁措施，鋼護(hù)筒穿越易塌孔土層，當(dāng)塌孔部位位于巖土交界處時(shí)，鋼護(hù)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(biāo)號(hào)混凝土法進(jìn)行處理，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%后再進(jìn)行鉆孔施工。當(dāng)相鄰樁基均發(fā)現(xiàn)溶洞時(shí)，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(fēng)化巖層表面凸凹不平，且局部有溶蝕形成的溶溝時(shí)，對(duì)基底巖面采用素混凝土墊層調(diào)平的措施進(jìn)行處理。