巖溶地區某項目基礎選型與分析

袁劍亮

(廣州市花都建筑設計院有限公司)

巖溶地區在我國分布非常廣泛，占國土面積30%以上[1]，其中以貴州為中心的西南地區是我國面積最大的巖溶地區，表現為溶洞、土洞、溝槽、地下河、石柱等，千奇百怪，無規律性。隨著經濟發展，越來越多的項目建設于巖溶地區，在這些地區進行樁基礎施工容易發生塌孔、卡鉆、漏漿、鉆孔偏斜甚至樁基失效等情況，輕則影響工期和質量，重則發生嚴重工程事故。因此，需特別重視巖溶地區樁基礎的設計和施工。很多設計人對溶洞沒有足夠的認識，對溶洞和土洞有一定恐懼心理，從安全角度出發首選灌注樁基礎，盡管其費用高，對場地環境污染較大，但多數勘察報告都建議采用這種樁型。

本文以巖溶地區某項目樁基礎選型為例，以灌注樁、管樁、MC 勁性復合樁三種方案進行對比分析，認為除鉆孔灌注樁外，其它樁型有不同的處理方案和適用性，應根據項目土層、荷載等實際情況進行選擇。

1 工程概況

本項目位于貴州省某市，含5 棟多層鋼結構框架展覽中心，1棟高層宿舍以及1棟會展中心，總建筑面積約18 萬m2。以其中的2 號樓鋼框架工業展覽館為例，含地上3 層，無地下室，屋面為坡屋面結構找坡。建筑長172m，寬116m，典型柱網為6m×30m。首層設計荷載為10kN/m2，二層及三層為5kN/m2。

2 地質情況及勘察評價

擬建場地地貌單元屬于侵蝕溶蝕地貌區孤峰平原亞區，原狀場地最大相對高差0.96m，場地地勢起伏不大，在鉆探深度范圍內地上覆土層主要為第四系植物層成因的耕土、第四系人工堆填的素填土，第四系殘積成因的黏土、第四系湖積成因的淤泥，下伏基巖為石炭系下統巖關階，炭質灰巖、泥盆系上統融縣組灰巖。

場地內巖溶主要表現為溶洞和土洞。溶洞高度在0.6～3.5m，主要為全充填軟塑狀黏土，遇洞率62.2%，線巖溶率33.6%。評價場地屬巖溶強發育覆蓋型地區。為防止淺巖溶發展成土洞、塌陷等，需對揭露的溶洞采取有效治理措施，樁基施工前需超前鉆，以保證基礎持力層的穩定。項目的典型孔點和參數取值詳表1、表2。

表1 典型孔點各土層分布表

表2 巖土主要技術參數/kPa

3 基礎方案比選

本項目無地下室，一層荷載由地基土承擔，不設筋混凝土樓板。在基礎間設地梁進行拉結作用。基礎的荷載主要為2、3 層及屋面層荷載。按YJK 計算結果，中間標準柱跨在標準組合下柱底內力約6200kN，共80 個基礎；邊跨柱底內力約4500kN，共46個基礎。

3.1 鉆孔灌注樁方案

隨著建筑行業的發展，以旋挖樁及沖孔樁為代表的鉆孔灌注樁施工技術已經非常成熟，該技術適應性強，效率高，質量有保證等優點使其廣泛適用于不同地層項目中。巖溶地區灌注樁有其獨特的適用性，但需根據溶洞和土洞不同情況做不同處理，常見的有拋填法、注漿法、灌素砼以及下鋼套筒等。溶洞高度小且無充填物或注滿水時可用拋土、石等以形成護壁再成孔施工。當探得溶洞高度3m 內且洞內填充或半填充時可填砂石和注漿，再沖擊片石擠壓到洞邊形成水泥漿碎石護壁，待達到強度后繼續沖擊穿越溶洞；若洞內無填充或少填充時可向洞內填混凝土干料，待固結后即可沖孔施工。而對于高度達5m 的多層溶洞且間距較小時需鋼護筒穿越處理。高度大于5m 的多層溶洞且間距較大時，需采用鋼護筒法施工，這對成本影響較大。

采用灌注樁方案時，多采用單柱單樁方案，承臺小，對土層擾動少，成樁可靠。對土層穩定性及溶洞、土洞處理要求也較低，只需處理樁位處土洞即可。按地勘參數及荷載情況，本項目采用0.8m及0.9m的灌注樁方案，單樁豎向承載力特征值分別取5100kN 和6200kN，灌注樁穿透溶洞過中風化巖1m 以微風化灰巖為持力層，樁身混凝土為C45。灌注樁均為單柱單樁方案以使基樁及承臺成本最合理。根據平面布置，邊跨統一取0.8m的灌注樁，共46 根，中間跨取0.9m 的灌注樁，共80 根。其中0.8m 和0.9m 灌注樁綜合單價分別按1850 元/m 及1950 元/m 估算。按地勘報告數值，入微風化巖1m 為持力層，樁長平均值約21m，樁基總造價共506萬元。

3.2 PHC樁方案

PHC 樁的抗壓強度高，在工廠高溫高壓程序化生產使其質量可靠，施工速度快，成本低，成樁完成即可進行檢測，大大縮短了工期，深受業主和工程師的青睞。PHC樁能直接穿越土洞、溶洞而支撐在溶洞頂板上。因此，在巖溶地區使用PHC 樁應考慮持力層深度、厚度及溶洞分布和發育等因素，從設計和施工方面盡量減少擠土效應的不利影響。靜壓樁施工時承載力把握大，但巖溶發育嚴重地區擠土效應明顯，對土層穩定性要求高，因此全場大范圍的土洞及首層較大薄殼的溶洞均需處理后方可進行管樁的成樁，以確保土層穩定性。為防止持力層遇水軟化，首節樁完成后需進行管內填混凝土封底。

本項目PHC樁取500外徑，壁厚125的AB型樁，混凝土強度C80，按超前鉆判斷持力層及位置。溶洞較淺持力層到溶洞距離過小時需穿透溶洞以中/微風化灰巖為持力層。當樁底無溶洞或持力層滿足時可以粉質粘土層為持力層。本項目平均樁長19m，承載力特征值取1550kN。中跨和邊跨分別為單柱4 樁和3 樁承臺方案，樁數共458根。按綜合單價380元/m，總造價330萬元。

3.3 MC勁性復合樁方案

作為半擠土樁的一種，MC勁性復合樁是集PHC樁及旋噴樁優點于一身的新型工藝技術。利用成本低的水泥土外芯提供摩擦力和PHC 樁高強抗壓作用來承擔豎向荷載，對周邊土層影響較小，成樁可靠，高效，能明顯地縮短工期。它是由柔性的水泥土M 樁及混凝土剛性樁C 樁組合而成，一般選用經濟性較高的PHC 樁作為剛性樁。外芯水泥土根據土層狀況選用高壓旋噴樁或攪拌樁施工，成樁后壓入芯樁形成樁土共同受荷的復合樁型。當C 樁長于M 樁時屬于長芯柔剛復合樁，適于上軟下硬的地質區域。反之屬于短芯柔剛復合樁，適于上硬下軟的地質區域。長度相等的為等芯柔剛復合樁[2]。本項目土層分布不均，砂層厚且無規律性，選用直徑800mm 雙管高壓旋噴樁為M 樁，水泥摻量18%。C 樁采用直徑400mm壁厚95mm的AB型PHC樁，內芯與外芯長度取13m。對滿足要求的孔點樁底可不穿透溶洞層，以粉質粘土為持力層。按JGJT327-2014《勁性復合樁技術規程》4.3.2 及地勘參數，單樁堅向抗壓承載力特征值取1250kN，最終以試驗為準。中間跨柱下按5 樁承臺方案，邊跨按4 樁方案，總樁數584 根，按綜合單價400 元/m，總造價284萬元。

3.4 方案比選分析

表3 為以上三種方案的綜合性對比，表中并未考慮溶洞、土洞處理所需的工期和費用，也未考慮承臺的影響。

表3 三種方案的綜合性對比

在探明樁底持力層的情況下采用灌注樁方案能保證成樁質量，且以風化巖為持力層時有利于結構沉降控制，單樁承載力高，單柱單樁的方案能降低承臺費用，對原狀土層擾動較少。但從上表知，灌注樁的成本遠高于其它兩種樁型。灌注樁對持力層要求高，溶洞地區持力層完整性難以保證，且基樁施工后需待混凝土達到齡期后方可進行檢測。因此，灌注樁從成本、工期及施工難度等方面均不太適合。

PHC 樁方案的經濟性優于灌注樁方案。但需保證樁底持力層的完整性。場內土洞及溶洞率高，一樁一孔的超前鉆工作不利于工期和成本控制，且不滿足持力層的溶洞和土洞需進行處理的量遠大于灌注樁方案。另外，本項目各孔點土層分布不均，部分孔點中粗砂層較厚，管樁需引孔才能穿透，使工期和成本均無法保證。本樓棟無地下室，管樁方案的擠土效應明顯，使承臺底一定深度的土產生隆起現象。MC 勁性復合樁可在成樁14～28d進行靜載試驗，灌注樁則需達到28d齡期，管樁一般施打完畢后即可進行，這是灌注樁和MC 勁性復合樁所不具備的。

林本海[3]認為，復合地基中剛性樁長過長會減少對持力層的壓力，若下部有溶洞，則采用復合地基將會更加經濟和節約工期，減少施工難度。MC 勁性復合樁的擠土效應介于管樁和灌注樁之間，很適用于軟土地基。以PHC 樁與水泥土共同受荷的復合樁型，具有明顯的優越性，尤其適合本項目的地層和荷載不大的情況[4-6]。由表3 可知，MC 勁性復合樁方案的成本僅為灌注樁的58%，是PHC樁的86%，經濟效益明顯占優。據此，本項目采用等芯MC 勁性復合樁方案，以砂層或粉質黏土為持力層。施工前按超前鉆對土洞及頂板厚度小于2.5m 厚的溶洞進行注漿處理。由于砂層較厚，選用高壓旋噴樁進行外芯的成孔和施工。最終，項目經過試樁后承載力均達到了設計要求，且按極限承載力試驗時，試驗樁平均沉降量13mm，最大沉降量為21mm，沉降量較小，均滿足要求，且樁基礎施工大大縮短了工期。

4 結語

對土洞和溶洞的技術處理是本項目的關鍵，巖溶強發育地區的項目除了合理的設計方案外，還需有豐富經驗的施工隊伍來保證工期及質量。設計需按地勘的意見及當地經驗對施工專項方案提供技術處理意見，且對于土洞和溶洞的處理方案并不是一成不變的，需按超前鉆結果、結合地勘、施工單位等意見進行動態調整。本項目只對工程樁方案進行了經濟性對比，盡管灌注樁成本遠高于其它方案，但其超前鉆數量、溶洞處理費用、承臺的成本及基礎沉降量均是占優的。因此，選用何種方案應綜合考慮多方面因素。此外，本項目采用13 米等長的復合樁會導致樁底可能支撐在不同持力層上，對沉降差控制嚴格或位于強壓縮土層的建筑還需考慮沉降帶來的不利影響。