下伏全填充溶洞地基上某高層建筑傾斜原因分析

石金龍

（中國建筑科學研究院地基基礎(chǔ)研究所，北京 100013）

0 引言

某高層建筑結(jié)構(gòu)封頂后，沉降觀測結(jié)果表明建筑物傾斜值已經(jīng)超過規(guī)范允許值。通過對基底下各個勘察孔探明的全填充溶洞的沉降值和承載力進行計算，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)荷載分布，找到樓體傾斜原因。對于類似工程地質(zhì)條件下的工程，應采用合適的基礎(chǔ)類型，及時消除溶洞隱患，確保建筑物的安全。

1 工程簡介

1.1 工程概況

某高層建筑長 36.0 m，寬 15.8 m，2 層地下室，基礎(chǔ)埋深 7.5 m，采用筏板基礎(chǔ)，筏板厚度為 1.4 m，上部結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)，開間 3.5～3.9 m，進深 1.5～2.7 m，地上 25 層，局部 26 層，單位荷重 480 kPa，室外地坪標高 133.00 m。

1.2 場區(qū)工程地質(zhì)條件

基底以下范圍內(nèi)地基土分述如下。

3）⑤層黏土（Q4al+pl）。棕褐色，硬塑，局部可塑。見少量鐵質(zhì)氧化物及砂粒，切面光滑，韌性、干強度高，無搖振反應，局部地段含少量頁巖風化物，該層具膨脹性。該層分布普遍，厚度變化較大，揭露厚度一般為 0.50～8.20 m，層底標高為 113.61～125.32 m。

4）⑤1層中粗砂（Q4al+pl）。棕褐色，稍密，飽和。礦物成份以石英、長石為主，含粘粒 15 % 左右，偶見圓礫，粒徑不均勻系數(shù)在 5.92 左右，曲率系數(shù)約 0.65，顆粒多呈圓棱狀，級配較差。該層呈透鏡體分布，揭露厚度一般為 0.60～2.00 m，層底標高為 121.15～124.97 m。該層進行標準貫入試驗 1 次，實測錘擊數(shù)為 14 擊。

5）⑥層全風化頁巖（∈）。黃綠色，結(jié)構(gòu)基本破壞，礦物多蝕變，巖芯多呈土狀，少量碎塊狀，手掰易斷。該層分布普遍，厚度變化較大，揭露厚度一般為 0.50～9.00 m，層底標高為 114.59～125.64 m。

6）⑦層強風化頁巖（∈）。泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁理構(gòu)造，成份以黏土礦物為主，節(jié)理、裂隙極發(fā)育，巖芯多呈碎塊狀，手可掰斷，夾少量土狀及薄餅狀。局部夾強風化砂質(zhì)頁巖薄層。該層與⑨層石灰?guī)r接觸帶局部較軟，其力學性質(zhì)接近⑥層全風化頁巖，故本次將其局部存在的軟弱帶劃入⑥層全風化頁巖。該層分布普遍，厚度變化較大，揭露厚度一般為 0.60～11.60 m，層底標高為 110.33～122.48 m。該層進行標準貫入試驗 39 次，其實測錘擊數(shù)平均值為 41.7 擊，標準值為 39.1 擊，標準差 9.66，變異系數(shù) 0.23。根據(jù)當?shù)毓こ探?jīng)驗，其變形模量取 45 MPa。

7）⑧層中風化頁巖（∈）。泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁理構(gòu)造，成份以黏土礦物為主，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖芯多呈短柱狀，少量碎塊狀及薄餅狀，風干易開裂。巖芯采取率 50 %～80 %。該層分布普遍，埋藏較深，一般未予揭穿，最大揭露厚度為 9.30 m。在該層中取巖樣 6 組，其天然單軸極限抗壓強度平均值 10.1 MPa，標準值 8.5 MPa。該層巖石的堅硬程度分類屬軟巖，較破碎～較完整，確定巖體基本質(zhì)量等級分類為 Ⅴ 類。

8）⑨層石灰?guī)r（∈）。淺灰色，隱晶結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，礦物成份以方解石為主，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖芯多呈柱狀，少量短柱狀及長柱狀，巖芯采取率 75 %～85 %，RQD35～45。溶蝕現(xiàn)象明顯，多處發(fā)育溶洞，多為全充填溶洞，少量無充填溶洞。該層主要分布普遍，埋藏較深，一般未予穿透，最大揭露厚度為 9.30 m。在該層中取巖樣 8 組，其天然單軸極限抗壓強度平均值 31.1 MPa，標準值 29.2 MPa。巖石的堅硬程度分類屬較硬巖，較完整，確定巖體基本質(zhì)量等級分類為 Ⅳ 類。該層中發(fā)育的溶洞揭露情況如表 1 所示。

表1 溶洞揭露情況表

其全充填溶洞主要由黏性土充填，可塑，局部軟塑，土質(zhì)不均，含少量灰?guī)r、頁巖碎石，局部較集中。

9）⑨1層中風化頁巖（∈）。泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁理構(gòu)造，成份以黏土礦物為主，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖芯多呈短柱狀，少量碎塊狀及薄餅狀，風干易開裂。巖芯采取率 55 %～80 %。該層呈透鏡體狀分布，為⑨層石灰?guī)r的夾層，埋藏較深，一般未予揭穿，最大揭露厚度為 17.30 m。在該層中取巖樣 3 組，其天然單軸極限抗壓強度平均值 12.3 MPa。該層巖石的堅硬程度分類屬軟巖，較破碎～較完整，確定巖體基本質(zhì)量等級分類為 Ⅴ 類。

基底以下范圍內(nèi)地基土主要物理力學指標統(tǒng)計表如表 2、表 3 所示。

1.3 基底下地基土換填

將④、④1及⑥層全部挖除，以⑦層強風化頁巖作基礎(chǔ)持力層，對超挖部分采用毛石混凝土回填，毛石混凝土厚度為 0.1～2.5 m，分布圖如圖 1 所示。

1.4 場區(qū)地下水文條件

場地地貌單元為山前沖洪積平原，場地地形較平坦，孔口標高 129.73～131.81 m。場地地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖風化裂隙水。水位埋深一般在 4.70～5.35 m，其水位標高在 125.27～126.91 m，兩者之間的水位聯(lián)系較好。地下水主要補給來源為大氣降水，主要排泄途徑為蒸發(fā)和人工開采。地下水位年變幅在 1.00～1.50 m。

表2 基底以下范圍內(nèi)地基土主要物理力學指標統(tǒng)計表

表3 全充填溶洞主要物理力學性質(zhì)指標統(tǒng)計表

圖1 毛石混凝土厚度分布圖

2 工程現(xiàn)狀

2.1 沉降觀測點布置及觀測結(jié)果

根據(jù)前期變形觀測資料，建筑沉降觀測點布置圖如圖 2 所示，整體傾斜值如表 4 所示。圖 3 為沉降—時間曲線圖，圖 4 沉降速率曲線圖。

圖2 沉降觀測點布置圖

表4 整體傾斜計算值 ‰

由上述結(jié)果可知，樓體西南側(cè)沉降大，東北側(cè)沉降小，建筑整體南北向偏西發(fā)生傾斜。截至 2013 年 4 月 5 日，樓體東側(cè)（C20/C21）整體傾斜值為 3.10 ‰，西側(cè)（C17/C24）整體傾斜值為 3.24 ‰，中西部傾斜值（C18/C23）整體傾斜值為 3.76 ‰，中東部（C19/C22）整體傾斜值為 3.35 ‰，均已超過文獻［1］規(guī)定的高層建筑整體傾斜變形允許值 2.5 ‰，且傾斜仍在發(fā)展。

圖3 沉降-時間曲線圖

圖4 沉降速率曲線圖

2.2 結(jié)構(gòu)荷載偏心

由設(shè)計資料可知，該建筑總豎向荷載（含基礎(chǔ)自重）作用點坐標（11 527，9 657）（單位：mm），筏板形心坐標（11 546，9 824）（單位：mm），x 向偏西 19 mm，y 向偏南 167 mm，故樓體荷載偏向西南方向。

3 傾斜原因分析

3.1 軟弱下臥層地基承載力驗算

勘察孔平面布置圖如圖 5 所示，3-3 剖面如圖 6 所示，4-4 剖面如圖 7 所示。由于建筑南側(cè)存在全填充溶洞，因此對全填充溶洞頂部地基承載力進行驗算。

圖5 勘察孔平面布置圖（單位：mm）

1）19#勘察孔。

筏板基礎(chǔ)尺寸：l×b=36.0 m×15.8 m

基礎(chǔ)埋深：d=129.88-125.5=4.38 m

基礎(chǔ)底面與全充填溶洞頂?shù)木嚯x：z=125.5-116.38=9.12 m

pk=480 kPa

pc=4.38×18= 78.8 kPa

pcz=4.38×18+（22-10）×9.12=188.3 kPa

Es1=45 MPa，Es2=6.12 MPa，Es1/Es2=7.4

z/b=9.12/15.8=0.58

由文獻［1］表 5.2.7 得：θ=27.5°

由于充填土為黏土，且e，Il均＜ 0.85，查文獻［1］表 5.2.4，ηb=0.3，ηd=1.6。

圖6 3-3 剖面圖（單位：mm）

圖7 4-4 剖面圖（單位：mm）

滿足地基承載力要求。

2）20#勘察孔。

筏板基礎(chǔ)尺寸：l×b=36.0 m×15.8 m

基礎(chǔ)埋深：d=129.89-125.5=4.39 m

基礎(chǔ)底面與全充填溶洞頂?shù)木嚯x：z=125.5-118.89=6.61 m

pk=480 kPa

pc=4.39×18= 79.0 kPa pcz=4.39×18+（22-10）×6.61=158.3 kPa

Es1=45 MPa，Es2=6.12 MPa，Es1/Es2=7.4

z/b=6.61/15.8=0.42

查文獻［1］表5.2.7得：θ=23.5°

由于充填土為黏土，且e，Il均＜0.85，查文獻［1］表 5.2.4，ηb=0.3，ηd=1.6。

不滿足地基承載力要求。

3）21#勘察孔。

筏板基礎(chǔ)尺寸：l×b=36.0 m×15.8 m

基礎(chǔ)埋深：d=129.91-125.5=4.41 m

基礎(chǔ)底面與全充填溶洞頂?shù)木嚯x：z=125.5-113.91=11.59 m

pk=480 kPa

pc=4.41×18= 79.4 kPa

pcz=4.41×18+（22-10）×11.59=218.5 kPa

Es1=45 MPa，Es2=6.12 MPa，Es1/Es2=7.4

z/b=11.59/15.8=0.73

查文獻［1］表5.2.7得：θ=27.5°

由于充填土為黏土，且e，Il均＜ 0.85，查文獻［1］表 5.2.4，ηb=0.3，ηd=1.6。

滿足地基承載力要求。

3.2 地基變形計算

根據(jù)文獻［1］規(guī)定，分別按 17#、18#、19#、20#、21#勘察孔進行地基變形計算，計算參數(shù)如表 5 所示，計算結(jié)果如表 6 所示。

表5 地基變形參數(shù)

表6 地基變形計算值 mm

以 17#孔位為例，實測沉降值為 53.0 5 m m（2013 年 4 月 5 日），按照工程經(jīng)驗判定，實測沉降值約為樓體結(jié)構(gòu)荷載（未含裝修荷載、使用荷載）作用下的最終地基變形值的 80 %，因此可以得到結(jié)構(gòu)荷載作用下最終地基變形預測值為 66.3 mm。在建筑裝修完成投入使用后，結(jié)構(gòu)荷載作用下的最終地基變形預測值 66.3 mm 約占主樓正常使用條件下的最終地基變形值的 70 %，因此可以得到 17#孔位的最終地基變形預測值為 94.7 mm［2］。同理可以得到其他各點最終地基變形預測值，如表 7 所示。

表7 按實測結(jié)果推算地基最終變形值 mm

3.3 傾斜原因分析

由上述計算可知，埋藏較淺的軟弱下臥層全填充溶洞的地基承載力不滿足要求，埋藏較深的軟弱下臥層全填充溶洞的地基承載力滿足要求。

根據(jù)勘察報告提供的土層參數(shù)計算得到的地基變形值遠小于由實測值推算的地基最終變形值，表明溶洞發(fā)育程度、高度、分布等實際狀況與勘察報告揭示的情況差別較大。

造成該建筑整體傾斜超過規(guī)范允許值的原因在于南側(cè)存在的全填充溶洞壓縮變形偏大。由實測資料可知主樓傾斜繼續(xù)發(fā)展，尚未達到穩(wěn)定標準。

4 結(jié)語

通過對基底下各個勘察孔探明的全填充溶洞的沉降值和承載力進行計算，地基變形計算值遠小于由實測值推算的地基最終變形值，埋藏較淺的軟弱下臥層全填充溶洞的地基承載力不滿足要求，埋藏較深的軟弱下臥層全填充溶洞的地基承載力滿足要求。上部荷載分布不均及下伏各全填充溶洞的不均勻變形是造成該樓傾斜的主要原因。對于類似下伏溶洞工程，應加強勘察工作及前期計算分析，采用合適的基礎(chǔ)類型，及時消除溶洞的不利影響，避免建筑災害的發(fā)生。