何世茂 胡艷玲 鹿 磊

(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設計研究院有限公司,云南 昆明 650051)

1 概述

巖溶是指水溶性巖石(如石灰?guī)r等)在水的溶蝕作用下,地下巖層產(chǎn)生的溶溝、溶洞及裂隙等地質(zhì)形態(tài)和現(xiàn)象的總稱,國外稱為Karst(喀斯特)[1]。我國很多地區(qū)都有巖溶地質(zhì),主要分布在云南東部、貴州、廣西等地區(qū)。在工程實踐中,巖體的強度和承載力因為巖溶的存在被削弱,給建設在上面的建筑造成嚴重的安全威脅。文獻[2]介紹了建筑在完工后發(fā)生不均勻沉降,調(diào)查后確定是在勘察時未正確揭露場地內(nèi)溶洞是主要原因,設計時未充分考慮溶洞對建筑的影響。由于溶洞在場地中分布和性狀的不確定性和復雜性,工程中采用樁基法穿越溶洞最為常見。文獻[3]對某巖溶地區(qū)樁基工程問題進行分析,總結認為巖溶地區(qū)的樁基嵌巖深度不能簡單的按規(guī)范最小值,要結合試樁和勘察成果綜合確定；施工勘察是確定樁端持力層的可靠依據(jù),要工程實施中是必要的。從工程地質(zhì)勘察要求、樁基選型、持力層選取、溶洞的穩(wěn)定性分析、溶洞處理等方面出發(fā),總結了巖溶地區(qū)樁基設計要點,通過工程實例的分析,成果可為巖溶地區(qū)的樁基設計提供一些參考。

2 巖溶地區(qū)工程地質(zhì)勘察

巖溶地區(qū)基礎設計時往往期望勘察報告能詳細描繪出整個場地的溶洞情況,確定巖溶發(fā)育的規(guī)律,但實際很難做到,當采取合適的溶洞處理措施后,對一般工程也無必要。在地質(zhì)鉆探時,由于鉆孔直徑小,能反映的空間范圍有限,當鉆探描述為溶洞時實際可能是裂隙、溶槽等,實際情況有一定的不確定性[4]。對巖溶地區(qū)的勘察建議采取物探、鉆探相結合,兩種勘探手段相互驗證,提高巖溶勘探的效率和準確性[5]。由于溶洞平面和豎向分布的復雜性和不確定性,有必要根據(jù)設計所處階段的進行分步勘察,初步設計勘察宜以鉆探為主,主要掌握場地地質(zhì)和巖溶的基本情況；詳細階段勘察以鉆探和物探相結合,定性查清溶洞的空間分布形式及充填物狀態(tài),評價溶洞的成因和發(fā)展趨勢。實際中由于勘探孔距較大和巖溶分布有很多不確定性,詳勘階段不可能完全查明巖溶形態(tài),因此施工階段應補充勘察,重點查明樁端下溶洞情況。主要以鉆探為主,對前期物探結果進行必要的驗證,為工程樁施工的終孔條件提供依據(jù)。

3 樁基設計的要點

3.1 樁基選型

巖溶地區(qū)樁基型式應根據(jù)結構類型、荷載大小、巖溶情況等,按安全、經(jīng)濟的原則確定?？紤]現(xiàn)場施工條件、基巖表面坡度大小、地下水、基巖上覆土層厚度等因素,巖溶地區(qū)的樁基主要采用鉆(沖)孔灌注樁基礎、人工挖孔樁和預制樁基礎[6]；當?shù)叵滤枯^少、工程樁機械難到達、基巖埋藏淺、溶洞埋深淺時,宜采用人工挖孔樁;當?shù)叵滤S富、工程樁機械易到達、或需穿越較硬巖時,宜采用鉆孔灌注樁。當基巖埋藏較深、基巖面起伏坡度小時,宜采用預制樁。不同樁型的優(yōu)缺點見表1。

表1 有不同樁型的優(yōu)缺點

3.2 持力層選取

當覆土層厚度、基巖起伏面較大時,嵌巖樁樁長差異性大導致施工困難,此時應避免將樁端直接置于基巖上,可采用非嵌巖樁,以上覆土層為持力層,承載力要求高時適當增加樁數(shù)。

當巖層埋藏較淺或承載力要求較高必須嵌巖時,以基巖層作為基樁持力層。若樁端以下3 倍樁徑及5m 深度范圍內(nèi)無溶洞時,可直接利用巖層作為基樁持力層；若樁側摩阻力所占比例超過50%時,無溶洞基巖厚度可適當減小,但不應小于2.5 倍樁徑及4m。當溶洞頂板不滿足前述要求時,樁端以下應有足夠厚度的巖層,當為串珠狀溶洞時,可對溶洞進行灌實處理后作為持力層。

對于嵌巖樁,嵌巖深度對單樁承載力影響很大,應根據(jù)上部結構荷載、土層厚度、基巖完整性等因素綜合確定；對于嵌入完整性好、強度高的硬質(zhì)巖體的最小深度,不小于0.5D 和0.5m 較大值,當嵌入強風化、全風化巖體適當加大嵌巖深度,建議嵌巖深度不小于1.5D和1m的較大值[7]。

3.3 樁基承載力估算

設計時樁基承載力可按《建筑樁基技術規(guī)范》[8](JGJ 94-2008)進行估算。對于非嵌巖樁可按第5.3.8 進行估算,對于嵌巖樁可由巖石單軸抗壓強度確定,可按第5.3.9 進行估算。單樁豎向承載力特征值通過單樁靜載試驗確定,設計采用的特征值應扣減溶洞內(nèi)充填物的樁身側阻力,并適當折減洞頂基巖產(chǎn)生的樁身側阻力。

3.4 溶洞穩(wěn)定性分析

溶洞的穩(wěn)定性要求具體可參照《巖溶地區(qū)建筑地基基礎技術標準》[3](GBT51238-2018),當符合第5.3.5 第6 條時,巖溶對地基穩(wěn)定性的影響可不考慮。

當不符合上述條件時,應進行溶洞穩(wěn)定性分析。對于工程經(jīng)驗的地區(qū),可按類比法進行評價,具體方法參照附錄C.0.1。當需定量計算時,可按下列方法驗算[3]：

3.4.1 頂板塌陷堵塞法

當頂板可能明塌,但可以填滿洞體時,可不考慮其影響,塌落高度H 按下式計算：

其中：H0——塌落前洞體最大高度；

K——巖石松散系數(shù)。

3.4.2 近似分析法

當頂板頂附加荷載較小、巖層較完整、強度較高時,按下式確定頂板厚度:

其中：M——洞頂彎矩；V——支座處的剪力；b——溶洞的寬度；σ——巖體抗拉強度；S——巖體抗剪強度；

3.4.3 極限平衡法

當計算頂板受剪承載力時,按下式確定頂板厚度：

其中：P——溶洞頂板總荷載；S——巖體抗剪強度；L——溶洞的周長；

3.5 溶洞的處理

溶洞的存在給樁基工程的施工造成很多困難,主要有樁孔澆灌時混凝土滲漏、鉆機作業(yè)時卡鉆或掉鉆等,樁基的質(zhì)量和施工進度受到影響,可按以下方式進行處理。

3.5.1 淺層溶洞處理方法

3.5.1.1 鋼護筒跟進法是淺層溶洞處理的主要方法。鋼護筒跟進的方法適用于高度在2m 以上同時沒有充填密實的溶洞,也適用串珠式的溶洞。這種方式安全性高,成樁質(zhì)量也比較好。

3.5.1.2 對較淺的巖溶土洞,可采用挖除法處理。將其挖開后挖除洞充填的松軟土體,再以碎石、砂礫、素土等填入并夯實,再進行后續(xù)施工。

3.5.2 深部溶洞處理方法

深部溶洞可先對溶洞進行充填處理,如采用高壓噴射注漿法,或先灌注低標號混凝土,再進行沖孔施工,最終穿越溶洞。

4 工程應用

4.1 工程概況

建設場地抗震設防烈度為8 度,地震基本加速度為0.2g,地震分組為第三組,場地類別為Ⅱ類,建筑平面為24.25m28.75m,地上26 層,地下2 層,建筑功能為住宅,建筑高度為76.2m。

4.2 工程地質(zhì)

場地揭露的地基土主要為第四系植物層：分別為耕土,黏土、粉質(zhì)黏土,白云質(zhì)灰?guī)r。各土層性質(zhì)、分布及厚度如下：

①層耕土：由褐灰色黏性土混少量植物根系組成,結構松散。厚度一般為0.30～0.60m,分布于整個場地表部。

②層黏土：硬塑塑狀態(tài),干強度及韌性中等。局部地段夾薄層粉質(zhì)黏土,整個場地均有分布,層厚0.7～11.7m。

②1層黏土：可塑狀態(tài),局部夾薄層軟塑,干強度及韌性中等。局部地段夾薄層粉質(zhì)黏土,場地大部分地段有分布,層厚0.50～5.70m。

②2層粉質(zhì)黏土：可塑狀態(tài),干強度及韌性中等,場地局部地段有分布,層厚0.60～4.60m。

③層黏土：硬塑狀態(tài),局部可塑狀態(tài),干強度及韌性中等,局部地段夾薄層粉質(zhì)黏土及少量碎石,場地大部分地段有分布,層厚0.50～5.70m。

④白云質(zhì)灰?guī)r(單元層代號)：中等風化,飽和單軸抗壓強度標準值約為30MPa 節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖芯呈約10cm土柱狀,部分呈4～7cm 碎塊狀,采取率為40～80%,RQD=20～80%。

場地位于碳酸鹽巖地區(qū),是巖溶發(fā)育的基礎條件,其易溶解的化學成份和礦物成份較高,巖溶發(fā)育程度較強,本場地不良地質(zhì)主要為巖溶。根據(jù)鉆探結果表明,鉆孔遇洞率約為5.0%,巖溶發(fā)育程度為微發(fā)育。典型地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 典型地質(zhì)剖面(圖片來源：作者自繪)

4.3 基礎選型

由地勘報告可知,場地內(nèi)未揭露廳堂式溶洞,且鉆孔中見溶洞的鉆孔數(shù)量少(遇洞率約為5.0%)；對局部位置進行補勘,結果表明洞頂基巖厚度最小為1.9m；基巖面起伏較小,平均起伏坡度約為9%；洞頂覆蓋土層為較好的黏性土,可提供較大的側摩阻力,平均厚度為7m；第④層為樁端持力層,巖體為較堅硬巖石,巖體的工程特性較好。由于建筑為高層建筑,對承載力要求高,普通的天然地基無法滿足要求,考慮到溶洞的不確定性,最終采用整體樁筏基礎,加強基礎的整體穩(wěn)定性。對比了人工挖孔樁、沖孔灌注樁、預制管樁各自的特點,由于巖面上土層厚度,基巖起伏很小,同時較考慮到管樁具有施工速度快,造價低,具備成樁條件等優(yōu)勢,樁基采用靜壓預應力高強預制管樁,樁徑Ф500,平均有效樁長為7m。為了充分發(fā)揮基巖承載力和提高巖面樁的穩(wěn)定性,需要加大嵌巖深度,可通過提高壓樁力、增大管樁壁厚來加大嵌巖深度。為避免溶洞頂應力集中,設計時加大樁間距,單樁承載力特征值為2200kN,樁端持力層為第④層,筏板厚為1500mm。根據(jù)以往工程經(jīng)驗,由于預制管樁無法直接穿越溶洞,為巖面樁,為了加強預應力管樁嵌巖和受力的可靠性,適當提高承載力的安全儲備,樁端采取加十字板鋼樁尖的方法,加強樁端進入持力層的穿透能力[9]。

4.4 溶洞處理

根據(jù)巖土勘察報告可知,由于樁下溶洞的存在,頂板灰?guī)r厚度最小處1.9m,不滿足大于5m的要求,故需對溶洞的穩(wěn)定性進行驗算。通過施工勘察確定溶洞的平面尺寸約為2×3m,按結構力學近似分析法計算如下：

頂板所受的總荷載為[2250+23(179+1.925)]/ (23)=575.5kN/m2

彎矩M=575.532/8=647.4 kNm,σ 取為抗壓強度的1/8,即為3.725MPa,S取為抗壓強度的1/12,即為2.48MPa,V為863.25kN,b 取為1m

由計算可知,當溶洞頂板厚度大于1.2m時滿足穩(wěn)定性要求,本工程灰?guī)r最小厚度為1.9m,故本場地可不對樁端下溶洞進行處理。

4.5 工程效果

工程樁施工完后,采用超聲波透射法檢測樁身質(zhì)量,采用靜載試驗檢驗樁的豎向承載力,檢測結果表明,抽檢樁基承載力和樁身質(zhì)量性都達到設計要求,故樁承載力穩(wěn)定可靠,設計措施安全有效。目前已交付使用超過5 年,建筑整體沉降不超過20mm,未出現(xiàn)其它異常情況,故樁基安全、可靠,溶洞處理措施適當、有效。相對于旋挖樁基礎方案,通過施工單位預估采用預應力管樁施工周期可節(jié)約10 天左右,樁基費用可節(jié)約45 萬元左右,取得較多的經(jīng)濟效果。

5 結論

文中對巖溶地區(qū)對工程地質(zhì)勘察提出設計要求,并對建筑樁基的設計要點進行了總結,結合工程實例進行分析,得出以下結論：(1)溶洞的存在對樁基設計造成很大影響,地質(zhì)勘察時應物探、鉆探相結合,兩種勘探手段相互驗證,可準確和高效地探明灰?guī)r地區(qū)的溶洞,并建議分階段采用勘探手段,明確各階段的勘察重點。(2)從樁基選型、持力層選取、樁基承載力估算、溶洞的穩(wěn)定性分析、溶洞處理等方面出發(fā),總結了巖溶地區(qū)樁基設計要點,重點介紹了溶洞穩(wěn)定性的定性分析和定量分析方法。(3)從工程實例出發(fā),介紹了樁型選型的基本思路,當樁端下3 倍樁徑及5m 深度范圍內(nèi)存在溶洞時,依據(jù)結構力學近似分析法進行計算,滿足穩(wěn)定性要求時可對溶洞不進行處理。交付多年使用后,沉降穩(wěn)定,未出現(xiàn)其它異常情況,說明樁基安全、可靠,溶洞處理措施適當、有效。