巖溶地面塌陷區地質災害治理及樁基設計探究

尚掩庫

(貴州大學喀斯特環境與地質災害防治教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550003)

隨著社會的發展和科技的進步，地表的高層建筑物越來越多。由于人類的過度活動，地表已經越來越脆弱，在近幾年也相繼發生地面塌陷的事故。為了穩定建筑物，控制建筑物的沉降范圍，一般采用樁基礎。由于地質多種多樣、情況比較復雜，經濟、可靠、適合的新型樁基設計是地基界新興的一項重要課題。下文將結合案例，論述地表脆弱地區的地基模型和樁基沉降變形模型，完善樁基設計技術和積累經驗。

1 徐州巖溶地區高層建筑的地面塌陷

近年來，徐州加快城市發展腳步、高層建筑逐漸增多，建設高層建筑中遇到的巖土工程問題也越來越復雜。下面將借鑒塌陷區高層建筑物的成功例子，分析地質災害的成因并對塌陷地區進行勘察研究、治理災害地區。另外由于巖溶洞的裂隙發育，樁基可以根據不同的潛入深度來保持地基的安全。

1.1 工程的背景

徐州電業局新生街道的高層住宅樓處于本地老城區的東南部，東邊接近故黃河和迎賓大道，西邊連著巖溶住宅的塌陷區，這里多次發生地面塌陷。這個場地是國家批準立項確定的徐州市巖溶塌陷危險亞區。

電業局里有4棟高級住宅樓，建筑總面積達到10萬m2，樓層總高度是80 m，地上28層，地下2層。4棟樓采用箱—樁的基礎，分別在1999年，2001年相繼完工。治理工程的第一件事是對地質進行初勘、詳勘和施工勘探。

1.2 工程的地質條件和巖溶地面的塌陷情況

1)工程的地質條件。

該塌陷地帶位于故黃河西邊的高漫灘上，東邊距離河床60 m～80 m，地表海拔達37.30 m，地面平坦，巖土層結構主要如下:

①層0.0 m～8.5 m以黃色粉土為主，夾雜一些粉質粘土，稍密是雜填土。②層8.5 m～21 m是灰黃～灰色粉砂，中密，底部中含有小礫石、瓦塊。③21 m以下的是中厚層，以奧陶系灰巖為主、可見到部分角礫巖。巖溶裂縫發育過程中，青磚、砂石、瓦片填滿淺層的溶洞裂縫，強度大。④塌陷地帶的地下水中有少些上層滯水、巖溶裂隙弱承壓水和孔隙潛水。巖溶裂隙的水年變化幅度大于9 m，主要在灰巖面上下波動。這一層灰巖水是徐州居民主要的供水來源。所以在它的南邊已經開采了4口井，每天的開采量為0.8萬m2，已經超出了標準的2倍多，所以漏斗逐年在下降。根據此勘察報告可以確定了該場地確實已經是巖溶地面的塌陷危險區，急需治理地質中存在的災害。

2)巖溶地區的塌陷情況。

1992年4月12日左右，新生街發生大范圍的塌陷事故，塌陷的坑洞達8處、面積南北長190 m、東西寬110 m，倒塌224所房屋和96戶民房，民房損壞、地面裂開、地下水管破裂。用雷達和靜力觸探的方法發現有12個土洞情況異常，鉆探過程發現里邊沖洗液泄漏、溶洞裂開。

3)樁基技術在治理地質災害中的應用。

因為塌陷的高層建筑物有2層是地下室，所以要開挖和支護基坑。先測試巖溶的裂隙情況，再確定樁基打進的深度。在鉆孔前要對巖溶裂隙注漿，最終形成一個含水、土、巖的封閉單元體。

首先運用高壓旋噴支護樁基坑。運用高壓旋噴樁和百噴樁合成的止水帷幕在有效深度為5.2 m的基坑平面上，同時起支護作用。開挖基坑用陡坡和放坡方式，高壓噴射注漿體要到巖面上。噴射器的鉆孔直徑是130 mm，遇到溶洞和漏液要先注漿，遇到裂隙要加深，特別是在基巖0.6 m～1.2 m處。

其次要進行施工勘察。查明樁基附近巖溶的裂隙情況，確定樁基嵌入的深度，如果發現漏水就要進行注漿，主要為了堵住各水力通道，保證取芯率達八成以上，并拍照和記錄水位。

最后是進行樁基設計。用鉆孔灌注嵌巖樁，保證樁基安全穩定。剛開始要檢查樁端下的基巖的完整性和強度，在3倍～5倍的樁徑范圍內要達到要求。在施工中不斷調整樁和孔的位置，才能讓不同長度的樁基符合要求。

4)質量檢測技術的應用。

質量檢測技術包括基巖注漿、試驗樁靜荷載、檢測樁身質量和觀測建筑物沉降情況。治理地質災害，判斷依據是能否形成封閉的巖土單元體、是否切斷地下水與外面的聯系。根據基坑內外的觀測孔觀測得出:如果坑內管井降水，可以疏水，直到降水井抽完水后停止抽水。水位依舊但外側觀測孔觀察不到水位變化，說明止水帷幕順利。對巖溶裂隙進行注漿，可延伸到10 m外。在鉆孔的后半階段，發現裂隙中有已經凝固的注漿體。根據分析，進行注漿前漏液率是9.6%，注漿后從未發生漏液，說明施工順利，堵住了基巖的裂隙。分析巖溶地區塌陷的成因，再針對性地進行勘察、支護和樁基設計，形成封閉的巖土單元體，才能真正治理地質災害。鉆孔前要勘探裂隙情況，才能確定樁基潛入的深度，保證工程安全、順利進行。所以，徐州高層住宅樓的巖溶塌陷地質治理是治理地質災害一個成功的例子，為以后高層建筑物的地質災害治理提供了寶貴經驗。

2 軟土地區高層建筑物的樁基技術分析

徐州的例子可以讓人更詳細更明確地認識樁基技術在生活中的實際應用，下面則根據實際情況，研究樁基設計的方法和計算方法，著重詳細論述軟土地區的地基模型和樁基的沉降變化模型。

2.1 樁基的設計方法和計算方法

設計樁基第一步是選擇樁基材料。根據建筑物的具體情況，包括施工條件和地質要求來選擇樁的尺寸和型號，還有計劃承臺的尺寸、埋深和樁基的數量和布置情況，計算各樁基的承受能力以及參考荷載標準。減少沉樁是因為雖然承載力符合理論要求，但沉降量對于實際承受力卻過大，所以要減少樁量來減少沉降，這種稱為減沉樁，通過減少土中應力來達到減沉目的。減沉樁幅度小，一般減少的數量很少，即使這樣減沉后地基的沉降情況相對于單樁的沉降量還是大很多，有些樁基沉降可以是150 mm，有些短樁沉降一般就小于50 mm。

城市地表上有高層建筑、下有水道或地鐵，活動太過劇烈以致地表非常脆弱，所以很多情況屬于軟土地基。軟土地基屬于不良地基，其中軟土強度低、透水性差、壓縮性高。在軟土地上建設建筑物，要重視地基的穩定情況、防止變形的不良影響。在軟土地上進行建筑工程，首先要認識地基強度和變形情況，處理地基使其滿足建筑要求。處理是為了提高軟土地基的強度，保持地基穩定，從而減少軟土沉降或不均勻沉降、降低軟土壓縮性，可以使用換土、排水固結等方法。其中厚的軟土地基用鋼筋混凝土處理，含水較多的用砂樁、堆載預壓等方法處理。每種方法都有特定的作用，所以要合理選擇，才能正確處理好地基。

樁基礎的歷史使用時間悠久，在古時候經常用木樁來解決建筑在軟土地上的建造問題。樁一端承接著建筑物上層的荷載，一端連接著土地或基巖，把上方的載荷力移到下方巖土中，既有效地承載負荷又降低上部結構，防止建筑物沉降。運用樁來保證建筑物的穩定，減少地基或其他振動對建筑物的影響。總的來說，樁基礎是脆弱地區建筑物廣泛應用的方式，具有抗傾覆能力還有抗震的作用。

2.2 分析軟土地區的地基模型

地基模型，是用來反映土體受外力作用時，地基土應力和應變關系變化特點的數學表達式。選擇地基模型，要依據建筑物的地基承載力和性質、負載能力等情況進行合理選擇。模型既要形象準確描述受力情況和力學性質，又要便于計算和分析。在計算中應注意實際的基礎剛度處于柔性和絕對性基礎兩者之間，沒有一個絕對值。運用結構和基礎分析得出地基反力的分布。如果建筑物荷載小而地基承受力大，可用線性彈性地基模型分析，常用的是分層地基模型。此方法分析地基土分散和變形的特點，著重考慮土層非均質性，根據深度變化而分層，計算結果比較可靠。

確定場地和建筑物形式后，綜合分析荷載力、建筑類型和其他地質條件來選擇地基模型。分析材料、荷載力、幾何形狀以及其他因素來選擇模型的參數，一般要考慮土層分布、土地變形和荷載在地基中引起的應力、上層結構剛度和埋置深度等因素。

2.3 分析軟土地地基沉降變形模型

樁基設計要充分考慮沉降量，作為評價地基設計適用的標準。先估計地基在靜荷載力作用后的沉降量，可用三部分相加進行計算:S=Sd+Sc+Ss，即沉降量=畸變沉降量+固結沉降量+次壓縮沉降量。

在實際情況中，固結致使部分飽和土中樁發生沉降;一部分沉降和消散的孔隙水壓有關系，這部分變形稱為流變，所以計算時要考慮固結和流變兩種情況。從以上論述可以看出，合理建立樁基礎模型，要全面分析土的特點、孔隙水壓的變化和結構應力、樁基和建筑物的變形和受力變化。認識這些，才能合理設計樁基、預測建筑物的安全。

計算樁基沉降的模型，一般有以下兩種模型:1)實體深基礎模型，它把樁與樁之間的地基土假設成一實體，所以建筑物的沉降就是整個實心體在地基下部分的壓縮變形。2)連續體模型，它把樁和土當作兩個參數進行分析計算。建筑物沉降是樁和土兩個介質一起垂直變形，跟實際情況比較吻合。計算方法則有簡易理論法和半理論半經驗法。

巖溶塌陷是目前建筑物密集帶的一種地理災害，徐州治理塌陷地質災害的成功例子給我們指明一條治理道路。在實際工作中，影響樁基設計的因素既多又復雜多變，需要工程建設者選擇合理的方法和模型，注意選用合適的計算方法和參數，才能得出對實際工程有指導意義的數據和方法。

［1］江蘇省地質礦產局第五地質大隊.江蘇省徐州市巖溶地面塌陷災害地質勘查報告［R］.

［2］高進科.樁基設計應注意的幾個問題［J］.交通世界(建養·機械)，2008(1):18-19.

［3］胡金會.樁基設計中計算公式的應用［J］.山西建筑，2007，33(6):95-96.