淺析巖溶地區工程勘察與建筑物基礎選型

趙元

摘 要：可溶性碳酸鹽巖類分布地區巖溶等不良地質作用發育，地質條件復雜，對工程建設的危害性較大，如何查明建設場地巖溶發育情況并合理進行基礎選型一直是工程建設的重點難題。文章探討了巖溶地區的主要巖土工程勘察方法和探測技術，分析了各種勘察技術方法的特點和適用范圍，并進行了巖溶地區建筑物基礎選型的相關探討。

關鍵詞：巖溶；工程勘察；基礎選型

引言

我國幅員遼闊，可溶性碳酸鹽巖類分布廣泛，為巖溶的發育提供了基本條件。根據區域地質資料和地區工程經驗，我國的廣西、四川、云南、貴州及廣東北部等地均有大量巖溶的出露。

巖溶又稱為喀斯特，是指水對可溶性巖石（如碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等）進行以化學溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用為輔的地質作用，以及由這些作用所產生的現象的總稱。巖溶作用是一種緩變作用，對建設工程的主要危害是在巖溶區形成地下溶洞、上覆土體中形成土洞等造成巖溶塌陷，從而對建筑物造成破壞。同時，由于巖溶發育區往往地下水豐富且連通性較好，在地下工程施工中若遇到巖溶地質，則可能會發生地下水突涌或地下泥石流等地質災害，危及到工程建設。此外，部分巖溶地區基巖上覆土層為紅粘土，具有一定的膨脹性，可能會造成建筑物基礎變形和開裂。

巖溶因其特殊的地質特性和對工程建設的重要影響越來越受到相關專家和學者的重視，并對其逐步開展了深入的研究，主要包括巖溶形成的條件、類型、影響因素、巖溶的地貌結構和巖溶塌陷等方面。對于巖溶地區工程建設來說，工程勘察和基礎設計是關鍵，準確查明場地的巖溶發育特征并采取合理的基礎方案才能避免巖溶作用造成的災害。隨著巖溶地區大量工程建設項目的開展，工程勘察也遇到了越來越復雜的技術難題，先進的勘察技術的投入，使得工程技術人員能夠在工程實踐中逐步解決技術難題，并總結工程項目經驗，進一步提高巖溶地區的工程勘察技術和水平。巖溶地區的工程建設，必須先深入了解巖溶的發育規律和基本地質特性，才能合理地選擇理論上和實際上都可行的工程地質勘察方法和手段。應針對不同巖溶發育的特點和規律采取不同的勘察方法與手段。

1 巖溶地區工程勘察方法及探測技術

在巖溶地質發育地區，目前國內通用的主流的巖土工程勘察技術方法及相關的探測技術手段主要包括：

1.1 工程地質調查與測繪

主要是通過野外調查和測繪等方式，對包括巖溶區域的地表地貌形態、地層巖性、水文地質狀況等相關內容進行勘測和試驗，獲得巖溶發育的宏觀分布及其特性參數，以便深入進行工程地質野外勘測任務。工程項目經驗表明，該技術方法簡單實用，能為建設工程項目獲得宏觀的基礎地質資料。

1.2 鉆探

鉆探工程是使用最廣泛的一類勘探手段，普遍應用于各類工程勘察中。鉆探通過機械鉆孔取芯，可直接對場地地層進行鑒別分析，從而直觀地獲得地層巖性等相關信息。但由于是“一孔之見”，它對一些重要的地質體或地質現象可能會有誤判、遺漏，所以也稱它為“半直接”勘探手段。

1.3 工程地質原位測試

該技術的工程經驗較為豐富，在巖溶地區的應用也較成熟。技術原理是采用原位標準貫入、動力觸探等試驗方式，測定出溶洞、土洞中的填充物、巖溶坍塌堆積物的地質特性及工程地基土的承載力等。在工程實踐中，該技術因其勘察成本低、操作過程簡便而得到廣泛應用。

1.4 遙感勘測技術

該技術主要基于先進的科技應用，包括熱紅外遙感、航空遙感、地球資源衛星遙感、側視雷達遙感等高科技技術。遙感勘測技術能夠實現大面積調查，調查結果的重復性好，在巖溶的地貌形態、層組劃分和地質構造等研究領域，能夠使得研究結果更為精確，因而被廣泛應用在巖溶地區的野外勘測工作中。該技術通常應用在大型工程的選址方面，一般的民用建筑工程和小型的工業建筑則較少采用此類技術。

1.5 示蹤試驗

該技術主要是通過采用示蹤劑（如同位素、熒光染料等），對巖溶地區的地下水進行長期跟蹤觀測，以研究巖溶的發育程度、分布特點及各溶洞之間的連通情況。該技術可靠性較強，實際應用中操作簡單方便，但只能應用在有地下水的巖溶中。

1.6 插釬

該技術主要是通過在土層中按一定間距插入一定長度的鋼釬，用以判斷土層中是否有巖溶土洞在發育形成。在巖溶地區，常常在新開挖的地基基坑中采用插釬來判斷開挖的土層地質中是否有土洞或者塌陷軟弱層。大量的建設工程項目經驗表明，插釬技術的經濟實用性較好，施工過程簡單易操作。

1.7 地球物理勘探

該技術在建設工程中主要用于對巖體中結構復雜的巖溶洞穴進行勘測。成熟的應用技術方法主要包括電阻率法、無線電波透射法、高密度電法、聲波透射法等技術。隨著技術的發展，也產生了地質雷達、層析成像等先進技術，在建設工程領域得到了廣泛地應用，尤其是在巖溶地質勘測領域，廣泛用作巖溶溶洞、土洞和塌陷等的分布、形態、填充狀況的確定。由于巖溶塌陷形成時具有突發性、隱蔽性等特點，采用傳統的地面監測方法，只能監測到地面的沉降、地面建筑的開裂等狀況，而采用先進的地質雷達技術和巖溶地質系統中水壓力動態變化傳感器自動監測技術，能夠直接地監測到塌陷等具體狀態參數，大大改善了監測效果。在確定大范圍的巖溶發育和深部巖溶的分布規律時，采用地球物理勘探技術，能得到更為精確的數據資料，但該技術對監測場地狀況和技術人員的技能水平要求較高。

1.8 管波探測法

該技術的原理是向樁位中心的勘測孔發射管波，通過收集分析管波的反射信號，確定整個樁位范圍處的巖溶、軟弱土夾層和裂隙帶的發育形成和分布狀況，并對嵌巖樁基樁持力層的完整性進行科學評價分析。根據巖土工程勘察規范的規定，建筑物基礎使用大直徑嵌巖樁時，應逐樁布置勘察點，專門對樁位進行科學的樁基勘察，通常勘探的深度要在5米以上，且勘探深度要大于等于樁底以下樁徑的3倍。當前建設項目在進行樁位勘探時，為了縮短勘察工期、降低勘察成本，常采用一樁一孔的鉆探方式，鉆孔直徑相對樁基直徑太小，因而難以查明鉆孔以外、樁徑以內的巖溶發育情況。而如果用管波探測法作為輔助勘察手段，不僅可以提高勘察結果的準確性，還能降低勘察的成本、縮短勘察工期。

1.9 模型試驗

該技術主要是在實驗室完成，一般用于模擬研究巖溶塌陷時的狀態參數。其工作原理是通過采用一定比例大小的試驗裝置，模擬研究巖溶在不同工況條件下（如不同水動力特性工況）的地基穩定性和巖溶塌陷過程的工況參數的變化。

2 巖溶地區建筑物基礎選型

建設工程項目在場地選址時，出于安全考慮，應該盡量避開巖溶地質發育、對建設項目所在區域的地質穩定性有直接危害或者具有潛在安全隱患的場地。如果基于建設項目需要，必須在具有安全隱患的巖溶地質場地上建設建筑物時，建筑物的基礎選型將變得尤為重要，必須全面考慮建設工程項目的安全、成本及施工難易等因素，以選擇更為安全、經濟、合理的基礎型式。

2.1 巖溶地質埋藏較深時的基礎選型

當巖溶埋藏較深時，若上覆地層具有足夠的地基承載力，或者上部地層經過適當處理后能夠滿足建筑物的地基承載力要求，或者地層本身就具有某些特定條件下可利用的特性，可以選擇回避巖溶地質危害的基礎型式，使建筑物基礎不觸及場地深埋的巖溶。若建設場地中存在土洞，可基于土洞的深度、發育的范圍和發育程度以及場地的穩定性，采用回填、注漿、灌砂、夯塌土洞等方式進行處理，提高地基承載力，消除可能產生的地面塌陷隱患。也可考慮采用跨越式基礎避開土洞發育區域。

若對地表土層承載力要求不高，可采用淺基礎，應重點注意場地內土洞的處理、土洞的發育特征和場地的穩定性等。天然地基可通過強夯、復合地基等措施使其滿足設計承載力要求。對于多層建筑物的地基，可采用夯擴樁、深層攪拌復合地基、預制樁等基礎型式使其滿足設計承載力要求。其最終目的是實現充分利用地表土層的承載能力，降低基礎工程造價。巖溶的存在使得樁基礎的端承載力潛力無法得到充分利用，因此應在不觸及巖溶的前提下通過樁基礎的合理選型來充分利用地層側阻力以提高其承載力。為了提高地表土層的承載力，不論淺基礎、樁基礎，都可采用強夯、砂樁等地基處理方式來減少土洞造成的地質危害，從而使得地基承載力和樁側阻力到達最大化利用。

2.2 巖溶地質埋深較淺時的基礎選型

當巖溶地質埋深較淺、無法回避時，可采取措施分散危害，降低危害的集中度。在巖溶地質埋藏較淺或者地表土層的承載力不足的條件下，通常只能采用樁基。為了提高并充分利用樁的承載力，工程上常采用低承載力樁加筏板的地基基礎方案。也可考慮多種樁型的復合樁基礎型式，如預應力管樁、載體樁和沖孔樁等混合使用，或者根據場地地質條件將長短樁復合使用等，充分利用各種樁型的承載力，滿足基礎設計使用要求。

此外，根據工程實踐經驗，預應力管樁在巖溶地質條件下的承載力較低，總結其原因，主要是由于巖溶地區基巖巖面不平整，導致管樁受力不均，產生局部受力過大被壓壞或彎曲破壞現象。若采用薄壁預應力管樁，樁中孔全長灌入混凝土，既能增大樁端與巖面的接觸面積，又能提高管樁的抗彎性能，從而達到提高樁的承載力的目的，在實際工程中或許能取得較好的效果。

2.3 巖溶地質直接出露時的基礎選型

當巖溶地質直接出露于地表時，對地基承載力要求較低的多層建筑物，可采取直接處理巖溶地質的措施，如對淺部穩定性差的巖溶采取爆破、換填、清理或填塞等處理措施。

對地基承載力要求較高的高層建筑物，工程上常用的處理方式是采用嵌巖樁基礎，但也存在樁基施工困難、后期檢測合格率不高等問題。如巖溶地區采用鉆（沖）孔灌注樁基礎比較多，也相對比較成熟，但問題也較多。由于巖溶發育場地內存在眾多大小不一的溶洞，灌注樁施工成孔過程中易產生漏漿等現象，對鉆（沖）孔灌注樁施工造成不利影響，從而影響樁身質量，故應考慮對溶洞采取相應的處理措施，可向洞內拋填粘土、片石、灌注水泥砂漿或混凝土等，以堵填溶洞。如溶洞洞體太大，且漏漿嚴重，可考慮采用下鋼護筒等辦法輔助施工。

巖溶地區檢測嵌巖樁較為合理的方式是采用靜載檢驗，為了降低配重堆載的費用，在滿足樁基檢測規定的條件下，可采取錨樁或者錨索加載方式。若嵌巖樁入巖深度足夠，樁側阻力已滿足樁的承載力要求，那么采取將樁嵌入較深的基巖中即可消除巖溶危害。

此外，對于出露巖溶的處理，理論上可采用大能量夯錘對巖溶進行強夯、夯塌溶洞或地基加固等方式，這可能是解決巖溶出露場地的地基基礎選型問題的較為有效的方法。

3 結束語

在巖溶地區工程建設實踐中，要結合場地實際的工程地質特點，合理選擇巖土工程勘察方法和探測手段，采取綜合的勘察技術方法，準確查明場地巖溶的發育特征和發展趨勢。針對不同的巖溶地質發育特性，科學地進行地基處理，合理地選擇基礎型式，確保工程建設和使用的安全，并節約工程投資，保護地質環境。

參考文獻

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