巖溶地區勘察與樁基設計要點

何世茂 胡艷玲 鹿 磊

(中國有色金屬工業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(如石灰巖等)在水的溶蝕作用下,地下巖層產生的溶溝、溶洞及裂隙等地質形態和現象的總稱,國外稱為Karst(喀斯特)[1]。我國很多地區都有巖溶地質,主要分布在云南東部、貴州、廣西等地區。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生不均勻沉降,調查后確定是在勘察時未正確揭露場地內溶洞是主要原因,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]對某巖溶地區樁基工程問題進行分析,總結認為巖溶地區的樁基嵌巖深度不能簡單的按規范最小值,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,要工程實施中是必要的。從工程地質勘察要求、樁基選型、持力層選取、溶洞的穩定性分析、溶洞處理等方面出發,總結了巖溶地區樁基設計要點,通過工程實例的分析,成果可為巖溶地區的樁基設計提供一些參考。

2 巖溶地區工程地質勘察

巖溶地區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,確定巖溶發育的規律,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,評價溶洞的成因和發展趨勢。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,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。

3 樁基設計的要點

3.1 樁基選型

巖溶地區樁基型式應根據結構類型、荷載大小、巖溶情況等,按安全、經濟的原則確定。考慮現場施工條件、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]；當地下水量較少、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;當地下水豐富、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。不同樁型的優缺點見表1。

表1 有不同樁型的優缺點

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。

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充填物的樁身側阻力,并適當折減洞頂基巖產生的樁身側阻力。

3.4 溶洞穩定性分析

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

當不符合上述條件時,應進行溶洞穩定性分析。對于工程經驗的地區,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。

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、鉆機作業時卡鉆或掉鉆等,樁基的質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

場地揭露的地基土主要為第四系植物層：分別為耕土,黏土、粉質黏土,白云質灰巖。各土層性質、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,干強度及韌性中等。局部地段夾薄層粉質黏土,整個場地均有分布,層厚0.7～11.7m。

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

②2層粉質黏土：可塑狀態,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,局部可塑狀態,干強度及韌性中等,局部地段夾薄層粉質黏土及少量碎石,場地大部分地段有分布,層厚0.50～5.70m。

④白云質灰巖(單元層代號)：中等風化,飽和單軸抗壓強度標準值約為30MPa 節理裂隙較發育,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,是巖溶發育的基礎條件,其易溶解的化學成份和礦物成份較高,巖溶發育程度較強,本場地不良地質主要為巖溶。根據鉆探結果表明,鉆孔遇洞率約為5.0%,巖溶發育程度為微發育。典型地質剖面見圖1。

圖1 典型地質剖面(圖片來源：作者自繪)

4.3 基礎選型

由地勘報告可知,場地內未揭露廳堂式溶洞,且鉆孔中見溶洞的鉆孔數量少(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。為了充分發揮基巖承載力和提高巖面樁的穩定性,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。根據以往工程經驗,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

根據巖土勘察報告可知,由于樁下溶洞的存在,頂板灰巖厚度最小處1.9m,不滿足大于5m的要求,故需對溶洞的穩定性進行驗算。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時滿足穩定性要求,本工程灰巖最小厚度為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量性都達到設計要求,故樁承載力穩定可靠,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約10 天左右,樁基費用可節約45 萬元左右,取得較多的經濟效果。

5 結論

文中對巖溶地區對工程地質勘察提出設計要求,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巖地區的溶洞,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、溶洞的穩定性分析、溶洞處理等方面出發,總結了巖溶地區樁基設計要點,重點介紹了溶洞穩定性的定性分析和定量分析方法。(3)從工程實例出發,介紹了樁型選型的基本思路,當樁端下3 倍樁徑及5m 深度范圍內存在溶洞時,依據結構力學近似分析法進行計算,滿足穩定性要求時可對溶洞不進行處理。交付多年使用后,沉降穩定,未出現其它異常情況,說明樁基安全、可靠,溶洞處理措施適當、有效。