岩溶地区桩基设计研究

黄宏大

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361004)

0 引言

岩溶是由于具溶蚀力的水对可溶性岩石进行溶蚀等作用形成。按岩石出露条件可划分为：①裸露型岩溶(可溶岩全部出露地表)；②覆盖型岩溶(可溶岩被松散堆积物覆盖，覆盖厚度一般小于50m)；③埋藏型岩溶(非可溶性岩层之下的可溶岩发育的岩溶)。

基于岩溶形成的基本条件：岩石可溶性和透水性、水的溶蚀性和流动性。溶洞发育程度、覆盖层厚度性质是地质历史时期形成，短期内难以因自然因素发生突变。然而，受人类经济-工程活动影响时，溶蚀作用将加速，使得岩溶进一步发育。因此，在岩溶地区桩基工程设计中，除考虑地基承载力和变形外，还应考虑岩溶的稳定性，其中地下水和地表水是岩溶进一步发育并影响稳定性的最直接因素。

本文以福建龙岩某一高层住宅建筑为案例，疏理总结了埋藏型岩溶地质的高层建筑地基选型原则及其设计要点，为埋藏型岩溶地区基础设计提供参考。

1 工程概况

该工程位于福建省龙岩市，拟建建筑物为住宅，地上33层，地下1层，剪力墙结构。

根据勘察报告，场地内岩土层分布主要为：①杂填土、②素填土、③含卵石粉质粘土、④强风化砂岩、⑤强风化泥岩、⑥强风化砂岩、⑦强风化碳质泥岩、⑧中风化灰岩(方解石为主)、⑧-1中风化破碎灰岩(方解石充填)、⑧-2含角砾粉质粘土 (溶洞充填物)；以上粘土层总体属于弱～微透水层，岩层为弱透水岩，溶洞充填物为中等透水层。

该工程溶洞被不可溶岩层覆盖，属埋藏型岩溶，详图1。溶洞埋深在20.80m～79.10m之间，溶洞宽度8m～24m，高度在1.80m～45.10m之间，其岩溶形态为较大规模溶洞岩(局部存在空溶洞)，岩溶发育强度级别为强烈发育。

图1 工程地质剖面图

场地内地下水类型，上部主要为第四系孔隙型潜水及下部灰岩溶洞中的承压岩溶水(岩溶水与上部潜水水力联系不明显)。第四系孔隙型潜水，主要靠大气降水、地表水及其它地下水侧向径流补给；岩溶水主要由地下水侧向径流补给。受区域构造影响，场地岩体破碎、裂隙发育，为地下水的良好通道，特别是可溶性的岩石破碎带是地下水活动较强烈地段，导致岩溶发育；基岩中有良好的排水通道。

2 岩溶稳定性分析及溶洞处理

2.1 现行规范关于岩溶处理的规定

根据福建省地方法规 《岩土工程勘察规范》[1]7.2.10条：当溶洞被密实沉积物填满，其承载力超过150kPa，且无被水冲蚀的可能性时，可不考虑岩溶对地基稳定性的影响。

根据《岩溶地区建筑地基基础技术标准》[2]第6.1.3条：“对塌陷或浅埋溶洞宜采用挖填夯实法、跨越法、充填法、垫层法进行处理；对深埋溶洞宜采用注浆法、桩基法、充填法进行处理”。第6.1.7条条文说明：“岩溶地基处理需考虑岩溶水的处理。岩溶水的处理应遵从疏导为先、封堵为辅的原则，对地表水做好排水措施，对地下水以疏为主，并设置反滤层、截渗层等减少掏蚀、潜蚀。”

2.2 专家组对岩溶处理的建议

专家意见如下：

(1)该工程场地属于埋藏型岩溶，岩溶发育处于基本稳定状态，且该工程溶洞填充物为含角砾粉质粘土，基本被充满，其地基承载力特征值fak≥150kPa；

(2)对局部的空溶洞需进行充填处理，充填物由粗到细；

(3)对地面下50m以内的充填溶洞进行注浆处理，桩端到溶洞顶距离大于5倍桩径及5m以上；

(4)处理方法采用注浆处理，最好采用双液注浆；

(5)处理效果应满足上部结构设计的要求，处理方案应提出相应的检测方法及指标。

基岩中有良好的排水通道，对岩溶水的疏导较为有利；其次，该地区属岩溶地下水限制开采区，岩溶上部土层为弱透水层，且岩溶水与上部潜水水力联系不明显，对一定深度范围内的充填溶洞注浆后进一步封闭孔隙，同时对地表水进行截流、防渗、堵漏，减弱地表水渗透引起的潜蚀。所以，该场地及周围在严禁开采岩溶地下水情况下，场地和地基处于稳定状态。

3 基础选型

对于一般的多层建筑，荷载较小，表层土较好时，在岩溶地区最理想的基础类型为天然地基浅基础。

对于小高层，荷载中等，单靠天然地基已不能满足承载力要求时，可考虑采用复合地基基础。

对于层数较多，荷载较大的建筑，通常采用桩基础。根据该工程特点：①表层地基土，存在厚度较大且承载力较低均匀性较差的杂填土和素填土；②浅层土中，含有较多的老基础；③高层桩基需要承受较大水平力。所以，该工程地下室及多层部分采用预应力管桩，高层部分采用灌注桩(桩端后注浆)。

4 主楼桩基筏板设计

根据《岩溶地区建筑地基基础技术标准》[2]第5.3.5条：“当桩端以下3倍桩径及5m深度范围内为完整或较完整岩层时，可利用溶洞顶板作为基桩持力层，并应对顶板进行强度计算和稳定性验算；当溶洞顶板不能作为基桩持力层时，桩端应进入强度稳定性符合要求的岩层或对溶洞进行处理”。

根据专家意见：该工程以溶洞上层的不可溶岩层为桩端持力层，控制桩端离溶洞顶距离t1≥5D(D为桩径)且不小于5m(根据桩基规范对沉降计算，地基土的最主要压缩层为桩端下1.0～1.2倍筏板宽度Bc，因此对于主楼全楼下或大部分存在充填溶洞的情况，建议大部分桩端距离溶洞顶宜≥1/2的筏板宽度Bc，此时沉降计算较容易控制。同时，还应结合未处理的充填溶洞深度，并对桩端下一定深度范围内的充填溶洞进行注浆处理，处理深度除满足最小要求外还应满足软弱下卧层验算要求(图2)。

图2 充填溶洞注浆范围

对于一般地质条件下，桩基筏板设计时，桩的竖向抗压刚度可采用试桩刚度进行桩基和筏板设计。但在岩溶地区，一般需要对桩端下软弱下卧层(即充填溶洞)进行处理，方可满足软弱下卧层承载力及变形计算。对地基处理结果，通常是对土层整体综合判断承载力和压缩模量，但并不代表每个点都能满足要求。如《地基处理规范》[3]中第8.4.1条对注浆加固地基质量检测要求：“注浆检验点不应少于注浆孔数的2%～5%，检验点合格率小于80%时，应对不合格的注浆区实施重复注浆”，就意味着仍有部分孔点不能完全满足设计要求，即桩端持力层下土层仍可能有部分比较软弱。

鉴于上述原因，建议对桩反力计算时，采用试桩得出的竖向抗压刚度K1进行设计(通常试桩刚度比较大)，而在筏板设计时采用弱化竖向抗压刚度K2进行设计较安全。

K1=2×Ra/s

其中，Ra为桩竖向承载力特征值；

s为桩压力达到2Ra时桩顶竖向变形值；

K2=2×Ra/0.04， 0.04为桩压力达到2Ra时桩顶竖向变形值为40mm(40mm为嵌岩桩在极限荷载下的变形限值)。

5 软弱下卧层处理及验算

5.1 软弱下卧层处理

该工程溶洞埋藏深度相对较深，采用注浆加固处理。根据《地基处理规范》[3]第8.2.1条：“对软弱地基土处理，可选用以水泥为主剂的浆液及水泥和水玻璃的双液型混合浆液；对有地下水流动的软弱地基，不应采用单液水泥浆液”。采用双液注浆处理。

根据《地基处理规范》[3]第8.4.1条：水泥为主剂的注浆加固质量检验应符合下列规定：

(1)注浆检验应在注浆结束28d后进行。可选用标准贯入、轻型动力触探、静力触探或面波等方法进行加固地层均匀性检测。

(2)按加固土体深度范围每间隔1 m取样进行室内试验，测定土体压缩性、强度或渗透性。

(3)注浆检验点不应少于注浆孔数的2%～5%。检验点合格率小于80%时，应对不合格的注浆区实施重复注浆。

结合软弱下卧层验算要求，加固后土体需获得的指标为：地基承载力特征值fak′、压缩模量Es′或变形模量E0′、加固后土层的均匀性和渗透性判断。

对于初步设计时，加固后地基承载力特征值fak′、压缩模量Es′或变形模量E0′可参考周边同类地质处理经验值。当无参考资料时，由于目前规范中未对注浆处理地基承载力提供计算公式，通过对比 《建筑地基基础设计规范》[4]第5.2.4与5.2.5条可知fak与土的粘聚力Ck相关。

注浆加固地基后，主要提高了土层参数中的粘聚力Ck与内摩擦角φk值，其中Ck值通常可成倍提高[5]，并结合当地经验，建议注浆后的承载力特征值fak′为注浆前fak值的1.8～2.1倍左右，即如式(1)：

fak′=(1.8～2.1)fak

(1)

注：fak——注浆前地基土承载力特征值；

fak′——注浆后地基土承载力特征值；

同时，参考相关文献[6]，按下式估算注浆处理后的地基承载力特征值fak′：

fak′=20～30Cu/1.2=16.6～25Cu

(2)

注：Cu为地基土不排水抗剪强度指标的粘聚力；

对于变形模量，可根据上式(1)、式(2)得出地基承载力fak′，并参考《建筑地基检测技术规范》[7]或地区相关规范反推标贯击数或者重型动力触探击数，根据反推值查表获得E0′(该值通常为注浆前E0的2～3倍)。

该工程地基处理前充填溶洞承载力特征值fak=150kPa、粘聚力为C=20kPa、变形模量E0=10MPa；注浆处理后，对实验孔采用重型动力触探，击数为9.3～18。根据《建筑地基检测技术规范》表8.4.9-2得fak′≥330kPa，根据地区经验修正后fak′≥290kPa，E0′=20MPa。

E0值的获得，主要作用是为了得出注浆处理前后的比值，以便确定软弱下卧层中的扩散角。因此，原位测试时，试验方法采用与地勘报告中相同的试验方法，并以地勘单位提出为准(不同单位对区域经验的修正可能不同)。

5.2 软弱下卧层验算

根据《桩基规范》[8]5.4.1条：对于桩距不超过6d的群桩基础，桩端持力层下存在承载力低于桩端持力层承载力1/3的软弱下卧层时，可按下列公式验算软弱下卧层的承载力。

σz+γmZ≤faz

(3)

(4)

式(4)为针对桩端为矩形截面情况，然而实际工程设计中桩端平面几乎都是异形的，因此需根据条文说明：传递至桩端平面的荷载，按扣除实体基础外表面总极限侧阻力的3/4，对式(4)进行还原如下(式中S1如图3)：

(5)

图3 软弱下卧层外扩范围

注浆处理后的地基相对于桩端持力层仍应看作是软弱下卧层，因此需同时将桩端持力层下注浆后的充填溶洞和未处理的充填溶洞作双层软弱下卧层验算。

软弱下卧层验算时注意以下几点：

(1)式(3)中Fk+Gk还应包含扩散范围S1内(图3)对应的地下室或裙房荷载，地下室或裙房桩侧阻力也可相应扣除；但如果地下室、裙房实际施工桩长较长，使得地下室、裙房柱的Fk+Gk小于该部分桩侧阻力标准值3/4时，则不考虑扩散范围S1内对应的地下室或裙房荷载；

(2)确定扩散角θ时，注意地勘参数提供的是变形模量还是压缩模量，地勘报告中对有些土层提供的是压缩模量，有些土层提供的是变形模量，计算时采用同一种模量比。

(3)群桩基础中，各桩桩长相差较大，式(3)计算中取群桩外围长桩和短桩分别计算。

6 施工配合中控制要点

6.1 地基处理施工与检测

地基处理的结果直接影响结构的安全，因此地基处理过程的质量反馈和对处理后检测数据的有效性判断至关重要，为此提出如下要求：

(1)施工单位根据现场注浆情况反馈注浆孔的有效半径r，根据该有效半径调整注浆孔的间距，使相邻注浆孔覆盖范围能够重叠，保证注浆区域内均有浆液，如图4所示。

图4 注浆管布置

(2)选择有代表性的孔点进行地基处理基本试验，并根据试验数据复核是否满足原设计，如不满足则相应调整。

(3)注浆完成后，施工单位应提供《注浆分布图》及《注浆孔施工记录》，形成书面记录文件，提交设计单位复核。

(4)检测方对注浆加固的充填溶洞进行检测，由于溶洞的分布是无序的，而设计需要获得的是充填溶洞的注浆情况，有效的检测孔点不应含有非充填溶洞土层的注浆。因此，检测孔点选择，应根据《注浆分布图》及《注浆孔施工记录》选取有代表性的孔点进行检测，如图5所示。

图5 检测有效孔点

根据《建筑地基检测技术规范》[7]7.1.1条：“标准贯入试验适用于判断砂土、粉土、粘性土天然地基及其采用换填垫层、压实、挤密、夯实、注浆加固等处理后的地基承载力、变形参数，评价加固效果以及砂土液化判断”。根据该工程的特点，对处理后的地基采用重型动力触探和标准贯入试验两种方法进行检测，其中地基处理检测单位对地基处理实验孔采用重型动力触探检测，全部地基处理完之后采用标准贯入试验作为验收检测标准；同时，地勘单位对地基处理完之后进行一桩一孔勘探时，对一定比例注浆孔进行重型动力触探(与原地勘相同的原位测试方法)，并通过对比，综合确定地基处理后的承载力以及变形模量等参数。

当检测的承载力不满足原设计要求时，根据检测结果调整缩短桩长(增加图2中t1值)，调整桩承载力和布置(增加外围周长U0)或重复注浆；当压缩模量Es不满足要求时，增加处理深度。

6.2 桩基施工勘察

根据福建省地方规范《岩土工程勘察规范》[1]第7.2.3条:溶洞和土洞的形态、分布在具体的场地上是无序的，岩溶地区应进行施工勘察，并根据第7.2.4条对一柱一桩或大直径嵌岩桩基础需逐柱或逐桩布置勘探点。

地勘单位进行一桩一孔勘探，并形成《补充勘察报告》, 报告包括：文本文件及附图，文本中对处理后溶洞稳定性做出评价，附图上有溶洞范围及溶洞顶高程，柱状图对钻孔地质分层包括溶洞处理深度的揭示与描述，芯柱的完整程度，如发现有充填溶洞未处理或者未处理到位的孔需一一注明。

设计部门根据一桩一孔参数确定桩长，并复核原设计承载力和根据实际桩长复核软弱下卧层。当施工勘中出现部分溶洞埋深变浅时，对该范围的桩调整，如缩短桩长降低承载力后补桩，若下层基岩埋藏较浅可穿过溶洞达到下层稳定岩层，对未处理或未处理到位的孔点进行补注浆处理。

7 结语

岩溶发育地区的地质情况错综复杂，对该类地区的工程设计时，首先应进行稳定性评价，包括建筑场地稳定性和岩溶地基的稳定性评价，并提出合理的治理方案。

其次，根据溶洞的埋深和建筑物荷载大小，选择合适的基础方案和地基处理方案。对于荷载不大时，基础方案优先选则对溶洞影响较小的天然地基浅基础或者复合地基；对于荷载较大时，采用桩基础并对软弱下卧层进行处理和验算，同时还应考虑桩端持力层的深度对沉降计算的影响。当对充填溶洞注浆处理时，初步设计无相关参考资料，可先按下式计算取小值：①fak′=(1.8～2.1)fak，②fak′=16.6～25Cu，其中fak为注浆前地基承载力，Cu为地基土不排水抗剪强度指标的粘聚力。

最后，在地基处理和施工勘察中，要根据实际变化的情况，调整地基处理的参数和基础设计参数，以满足主体结构的安全和地基的稳定。