巖溶地區樁基設計研究

黃宏大

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361004)

0 引言

巖溶是由于具溶蝕力的水對可溶性巖石進行溶蝕等作用形成。按巖石出露條件可劃分為：①裸露型巖溶(可溶巖全部出露地表)；②覆蓋型巖溶(可溶巖被松散堆積物覆蓋，覆蓋厚度一般小于50m)；③埋藏型巖溶(非可溶性巖層之下的可溶巖發育的巖溶)。

基于巖溶形成的基本條件：巖石可溶性和透水性、水的溶蝕性和流動性。溶洞發育程度、覆蓋層厚度性質是地質歷史時期形成，短期內難以因自然因素發生突變。然而，受人類經濟-工程活動影響時，溶蝕作用將加速，使得巖溶進一步發育。因此，在巖溶地區樁基工程設計中，除考慮地基承載力和變形外，還應考慮巖溶的穩定性，其中地下水和地表水是巖溶進一步發育并影響穩定性的最直接因素。

本文以福建龍巖某一高層住宅建筑為案例，疏理總結了埋藏型巖溶地質的高層建筑地基選型原則及其設計要點，為埋藏型巖溶地區基礎設計提供參考。

1 工程概況

該工程位于福建省龍巖市，擬建建筑物為住宅，地上33層，地下1層，剪力墻結構。

根據勘察報告，場地內巖土層分布主要為：①雜填土、②素填土、③含卵石粉質粘土、④強風化砂巖、⑤強風化泥巖、⑥強風化砂巖、⑦強風化碳質泥巖、⑧中風化灰巖(方解石為主)、⑧-1中風化破碎灰巖(方解石充填)、⑧-2含角礫粉質粘土 (溶洞充填物)；以上粘土層總體屬于弱～微透水層，巖層為弱透水巖，溶洞充填物為中等透水層。

該工程溶洞被不可溶巖層覆蓋，屬埋藏型巖溶，詳圖1。溶洞埋深在20.80m～79.10m之間，溶洞寬度8m～24m，高度在1.80m～45.10m之間，其巖溶形態為較大規模溶洞巖(局部存在空溶洞)，巖溶發育強度級別為強烈發育。

圖1 工程地質剖面圖

場地內地下水類型，上部主要為第四系孔隙型潛水及下部灰巖溶洞中的承壓巖溶水(巖溶水與上部潛水水力聯系不明顯)。第四系孔隙型潛水，主要靠大氣降水、地表水及其它地下水側向徑流補給；巖溶水主要由地下水側向徑流補給。受區域構造影響，場地巖體破碎、裂隙發育，為地下水的良好通道，特別是可溶性的巖石破碎帶是地下水活動較強烈地段，導致巖溶發育；基巖中有良好的排水通道。

2 巖溶穩定性分析及溶洞處理

2.1 現行規范關于巖溶處理的規定

根據福建省地方法規 《巖土工程勘察規范》[1]7.2.10條：當溶洞被密實沉積物填滿，其承載力超過150kPa，且無被水沖蝕的可能性時，可不考慮巖溶對地基穩定性的影響。

根據《巖溶地區建筑地基基礎技術標準》[2]第6.1.3條：“對塌陷或淺埋溶洞宜采用挖填夯實法、跨越法、充填法、墊層法進行處理；對深埋溶洞宜采用注漿法、樁基法、充填法進行處理”。第6.1.7條條文說明：“巖溶地基處理需考慮巖溶水的處理。巖溶水的處理應遵從疏導為先、封堵為輔的原則，對地表水做好排水措施，對地下水以疏為主，并設置反濾層、截滲層等減少掏蝕、潛蝕。”

2.2 專家組對巖溶處理的建議

專家意見如下：

(1)該工程場地屬于埋藏型巖溶，巖溶發育處于基本穩定狀態，且該工程溶洞填充物為含角礫粉質粘土，基本被充滿，其地基承載力特征值fak≥150kPa；

(2)對局部的空溶洞需進行充填處理，充填物由粗到細；

(3)對地面下50m以內的充填溶洞進行注漿處理，樁端到溶洞頂距離大于5倍樁徑及5m以上；

(4)處理方法采用注漿處理，最好采用雙液注漿；

(5)處理效果應滿足上部結構設計的要求，處理方案應提出相應的檢測方法及指標。

基巖中有良好的排水通道，對巖溶水的疏導較為有利；其次，該地區屬巖溶地下水限制開采區，巖溶上部土層為弱透水層，且巖溶水與上部潛水水力聯系不明顯，對一定深度范圍內的充填溶洞注漿后進一步封閉孔隙，同時對地表水進行截流、防滲、堵漏，減弱地表水滲透引起的潛蝕。所以，該場地及周圍在嚴禁開采巖溶地下水情況下，場地和地基處于穩定狀態。

3 基礎選型

對于一般的多層建筑，荷載較小，表層土較好時，在巖溶地區最理想的基礎類型為天然地基淺基礎。

對于小高層，荷載中等，單靠天然地基已不能滿足承載力要求時，可考慮采用復合地基基礎。

對于層數較多，荷載較大的建筑，通常采用樁基礎。根據該工程特點：①表層地基土，存在厚度較大且承載力較低均勻性較差的雜填土和素填土；②淺層土中，含有較多的老基礎；③高層樁基需要承受較大水平力。所以，該工程地下室及多層部分采用預應力管樁，高層部分采用灌注樁(樁端后注漿)。

4 主樓樁基筏板設計

根據《巖溶地區建筑地基基礎技術標準》[2]第5.3.5條：“當樁端以下3倍樁徑及5m深度范圍內為完整或較完整巖層時，可利用溶洞頂板作為基樁持力層，并應對頂板進行強度計算和穩定性驗算；當溶洞頂板不能作為基樁持力層時，樁端應進入強度穩定性符合要求的巖層或對溶洞進行處理”。

根據專家意見：該工程以溶洞上層的不可溶巖層為樁端持力層，控制樁端離溶洞頂距離t1≥5D(D為樁徑)且不小于5m(根據樁基規范對沉降計算，地基土的最主要壓縮層為樁端下1.0～1.2倍筏板寬度Bc，因此對于主樓全樓下或大部分存在充填溶洞的情況，建議大部分樁端距離溶洞頂宜≥1/2的筏板寬度Bc，此時沉降計算較容易控制。同時，還應結合未處理的充填溶洞深度，并對樁端下一定深度范圍內的充填溶洞進行注漿處理，處理深度除滿足最小要求外還應滿足軟弱下臥層驗算要求(圖2)。

圖2 充填溶洞注漿范圍

對于一般地質條件下，樁基筏板設計時，樁的豎向抗壓剛度可采用試樁剛度進行樁基和筏板設計。但在巖溶地區，一般需要對樁端下軟弱下臥層(即充填溶洞)進行處理，方可滿足軟弱下臥層承載力及變形計算。對地基處理結果，通常是對土層整體綜合判斷承載力和壓縮模量，但并不代表每個點都能滿足要求。如《地基處理規范》[3]中第8.4.1條對注漿加固地基質量檢測要求：“注漿檢驗點不應少于注漿孔數的2%～5%，檢驗點合格率小于80%時，應對不合格的注漿區實施重復注漿”，就意味著仍有部分孔點不能完全滿足設計要求，即樁端持力層下土層仍可能有部分比較軟弱。

鑒于上述原因，建議對樁反力計算時，采用試樁得出的豎向抗壓剛度K1進行設計(通常試樁剛度比較大)，而在筏板設計時采用弱化豎向抗壓剛度K2進行設計較安全。

K1=2×Ra/s

其中，Ra為樁豎向承載力特征值；

s為樁壓力達到2Ra時樁頂豎向變形值；

K2=2×Ra/0.04， 0.04為樁壓力達到2Ra時樁頂豎向變形值為40mm(40mm為嵌巖樁在極限荷載下的變形限值)。

5 軟弱下臥層處理及驗算

5.1 軟弱下臥層處理

該工程溶洞埋藏深度相對較深，采用注漿加固處理。根據《地基處理規范》[3]第8.2.1條：“對軟弱地基土處理，可選用以水泥為主劑的漿液及水泥和水玻璃的雙液型混合漿液；對有地下水流動的軟弱地基，不應采用單液水泥漿液”。采用雙液注漿處理。

根據《地基處理規范》[3]第8.4.1條：水泥為主劑的注漿加固質量檢驗應符合下列規定：

(1)注漿檢驗應在注漿結束28d后進行。可選用標準貫入、輕型動力觸探、靜力觸探或面波等方法進行加固地層均勻性檢測。

(2)按加固土體深度范圍每間隔1 m取樣進行室內試驗，測定土體壓縮性、強度或滲透性。

(3)注漿檢驗點不應少于注漿孔數的2%～5%。檢驗點合格率小于80%時，應對不合格的注漿區實施重復注漿。

結合軟弱下臥層驗算要求，加固后土體需獲得的指標為：地基承載力特征值fak′、壓縮模量Es′或變形模量E0′、加固后土層的均勻性和滲透性判斷。

對于初步設計時，加固后地基承載力特征值fak′、壓縮模量Es′或變形模量E0′可參考周邊同類地質處理經驗值。當無參考資料時，由于目前規范中未對注漿處理地基承載力提供計算公式，通過對比 《建筑地基基礎設計規范》[4]第5.2.4與5.2.5條可知fak與土的粘聚力Ck相關。

注漿加固地基后，主要提高了土層參數中的粘聚力Ck與內摩擦角φk值，其中Ck值通常可成倍提高[5]，并結合當地經驗，建議注漿后的承載力特征值fak′為注漿前fak值的1.8～2.1倍左右，即如式(1)：

fak′=(1.8～2.1)fak

(1)

注：fak——注漿前地基土承載力特征值；

fak′——注漿后地基土承載力特征值；

同時，參考相關文獻[6]，按下式估算注漿處理后的地基承載力特征值fak′：

fak′=20～30Cu/1.2=16.6～25Cu

(2)

注：Cu為地基土不排水抗剪強度指標的粘聚力；

對于變形模量，可根據上式(1)、式(2)得出地基承載力fak′，并參考《建筑地基檢測技術規范》[7]或地區相關規范反推標貫擊數或者重型動力觸探擊數，根據反推值查表獲得E0′(該值通常為注漿前E0的2～3倍)。

該工程地基處理前充填溶洞承載力特征值fak=150kPa、粘聚力為C=20kPa、變形模量E0=10MPa；注漿處理后，對實驗孔采用重型動力觸探，擊數為9.3～18。根據《建筑地基檢測技術規范》表8.4.9-2得fak′≥330kPa，根據地區經驗修正后fak′≥290kPa，E0′=20MPa。

E0值的獲得，主要作用是為了得出注漿處理前后的比值，以便確定軟弱下臥層中的擴散角。因此，原位測試時，試驗方法采用與地勘報告中相同的試驗方法，并以地勘單位提出為準(不同單位對區域經驗的修正可能不同)。

5.2 軟弱下臥層驗算

根據《樁基規范》[8]5.4.1條：對于樁距不超過6d的群樁基礎，樁端持力層下存在承載力低于樁端持力層承載力1/3的軟弱下臥層時，可按下列公式驗算軟弱下臥層的承載力。

σz+γmZ≤faz

(3)

(4)

式(4)為針對樁端為矩形截面情況，然而實際工程設計中樁端平面幾乎都是異形的，因此需根據條文說明：傳遞至樁端平面的荷載，按扣除實體基礎外表面總極限側阻力的3/4，對式(4)進行還原如下(式中S1如圖3)：

(5)

圖3 軟弱下臥層外擴范圍

注漿處理后的地基相對于樁端持力層仍應看作是軟弱下臥層，因此需同時將樁端持力層下注漿后的充填溶洞和未處理的充填溶洞作雙層軟弱下臥層驗算。

軟弱下臥層驗算時注意以下幾點：

(1)式(3)中Fk+Gk還應包含擴散范圍S1內(圖3)對應的地下室或裙房荷載，地下室或裙房樁側阻力也可相應扣除；但如果地下室、裙房實際施工樁長較長，使得地下室、裙房柱的Fk+Gk小于該部分樁側阻力標準值3/4時，則不考慮擴散范圍S1內對應的地下室或裙房荷載；

(2)確定擴散角θ時，注意地勘參數提供的是變形模量還是壓縮模量，地勘報告中對有些土層提供的是壓縮模量，有些土層提供的是變形模量，計算時采用同一種模量比。

(3)群樁基礎中，各樁樁長相差較大，式(3)計算中取群樁外圍長樁和短樁分別計算。

6 施工配合中控制要點

6.1 地基處理施工與檢測

地基處理的結果直接影響結構的安全，因此地基處理過程的質量反饋和對處理后檢測數據的有效性判斷至關重要，為此提出如下要求：

(1)施工單位根據現場注漿情況反饋注漿孔的有效半徑r，根據該有效半徑調整注漿孔的間距，使相鄰注漿孔覆蓋范圍能夠重疊，保證注漿區域內均有漿液，如圖4所示。

圖4 注漿管布置

(2)選擇有代表性的孔點進行地基處理基本試驗，并根據試驗數據復核是否滿足原設計，如不滿足則相應調整。

(3)注漿完成后，施工單位應提供《注漿分布圖》及《注漿孔施工記錄》，形成書面記錄文件，提交設計單位復核。

(4)檢測方對注漿加固的充填溶洞進行檢測，由于溶洞的分布是無序的，而設計需要獲得的是充填溶洞的注漿情況，有效的檢測孔點不應含有非充填溶洞土層的注漿。因此，檢測孔點選擇，應根據《注漿分布圖》及《注漿孔施工記錄》選取有代表性的孔點進行檢測，如圖5所示。

圖5 檢測有效孔點

根據《建筑地基檢測技術規范》[7]7.1.1條：“標準貫入試驗適用于判斷砂土、粉土、粘性土天然地基及其采用換填墊層、壓實、擠密、夯實、注漿加固等處理后的地基承載力、變形參數，評價加固效果以及砂土液化判斷”。根據該工程的特點，對處理后的地基采用重型動力觸探和標準貫入試驗兩種方法進行檢測，其中地基處理檢測單位對地基處理實驗孔采用重型動力觸探檢測，全部地基處理完之后采用標準貫入試驗作為驗收檢測標準；同時，地勘單位對地基處理完之后進行一樁一孔勘探時，對一定比例注漿孔進行重型動力觸探(與原地勘相同的原位測試方法)，并通過對比，綜合確定地基處理后的承載力以及變形模量等參數。

當檢測的承載力不滿足原設計要求時，根據檢測結果調整縮短樁長(增加圖2中t1值)，調整樁承載力和布置(增加外圍周長U0)或重復注漿；當壓縮模量Es不滿足要求時，增加處理深度。

6.2 樁基施工勘察

根據福建省地方規范《巖土工程勘察規范》[1]第7.2.3條:溶洞和土洞的形態、分布在具體的場地上是無序的，巖溶地區應進行施工勘察，并根據第7.2.4條對一柱一樁或大直徑嵌巖樁基礎需逐柱或逐樁布置勘探點。

地勘單位進行一樁一孔勘探，并形成《補充勘察報告》, 報告包括：文本文件及附圖，文本中對處理后溶洞穩定性做出評價，附圖上有溶洞范圍及溶洞頂高程，柱狀圖對鉆孔地質分層包括溶洞處理深度的揭示與描述，芯柱的完整程度，如發現有充填溶洞未處理或者未處理到位的孔需一一注明。

設計部門根據一樁一孔參數確定樁長，并復核原設計承載力和根據實際樁長復核軟弱下臥層。當施工勘中出現部分溶洞埋深變淺時，對該范圍的樁調整，如縮短樁長降低承載力后補樁，若下層基巖埋藏較淺可穿過溶洞達到下層穩定巖層，對未處理或未處理到位的孔點進行補注漿處理。

7 結語

巖溶發育地區的地質情況錯綜復雜，對該類地區的工程設計時，首先應進行穩定性評價，包括建筑場地穩定性和巖溶地基的穩定性評價，并提出合理的治理方案。

其次，根據溶洞的埋深和建筑物荷載大小，選擇合適的基礎方案和地基處理方案。對于荷載不大時，基礎方案優先選則對溶洞影響較小的天然地基淺基礎或者復合地基；對于荷載較大時，采用樁基礎并對軟弱下臥層進行處理和驗算，同時還應考慮樁端持力層的深度對沉降計算的影響。當對充填溶洞注漿處理時，初步設計無相關參考資料，可先按下式計算取小值：①fak′=(1.8～2.1)fak，②fak′=16.6～25Cu，其中fak為注漿前地基承載力，Cu為地基土不排水抗剪強度指標的粘聚力。

最后，在地基處理和施工勘察中，要根據實際變化的情況，調整地基處理的參數和基礎設計參數，以滿足主體結構的安全和地基的穩定。