岩溶地区高层建筑的桩基设计与施工

2020-06-29俞弘林绍良

福建工程学院学报 2020年3期

俞弘，林绍良

(1.福建师范大学后勤管理处，福建福州 350117；2.时代建筑设计院(福建)有限公司，福建福州 350003)

岩溶地貌又称喀斯特地貌，是指碳酸盐类岩石(主要是石灰岩)为主的可溶性岩石，在以水的溶蚀为主的内外力作用下形成的地貌。它在中国分布广泛，据不完全统计，中国约一半以上省区都有岩溶地貌分布，总面积达200万km2。这种地貌的特点是岩面埋深起伏大，且无规律性，溶洞、溶沟、裂隙十分发育, 甚至出现多层溶洞，同时场地的承压水水位高, 水量较丰富, 工程地质条件复杂。在岩溶地区建设高层建筑，如果桩型设计不合理、持力层的位置及厚度判断不准确、场区水文地质条件掌握不充分，往往易在施工时危及相邻建筑物的安全，或者建筑物建成后不久就产生局部下沉,导致梁、柱或墙体等开裂[1]，后果不堪设想。因此，探讨岩溶地区高层建筑的桩基设计与施工具有重要的现实意义。

1 工程概况及地质情况

1.1 工程概况

本项目位于湖北省黄石市下陆区苏州路以北、市公安局大楼以西、青鱼路以东，新建多栋25层高层住宅，下设1层地下室，场地地震基本烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第1组，建筑场地类别为Ⅱ类，基本风压为w0=0.35 kN/m2，地面粗糙度B类，结构形式为剪力墙结构。

1.2 地质条件

建筑场地内的埋藏地层岩性，从上到下依次如表1所示。

该场地⑦石灰岩有岩溶发育现象, 钻探结果表明，施工115个钻孔中有62个钻孔基岩为石灰岩，其中8个钻孔有土洞或溶洞、裂隙等岩溶发育现象，钻孔见洞隙率达12.9%，属岩溶中等发育地段。场地内各岩土层分布及岩溶发育特征详见表2。

表1 岩土工程地质分层表

表2 拟建场地岩溶发育情况统计表

续表

2 基础选型及桩基设计

2.1 基础选型

(1)高强预应力管桩。该桩型单桩承载力较高，造价低，施工速度快，目前在湖北地区施工设备较多，是较为成熟的桩型。但对于本场地而言，基岩起伏较大，且有溶洞存在，施工上无法钻穿溶洞达到稳定持力层，本场地不适宜采用。

(2)人工挖孔灌注桩。选择此种基础的优点是单桩有着较高的承载力，施工质量容易控制，施工速度快，沉降及不均匀沉降小等。本工程地下水较丰富，勘察反映稳定水位埋深为0.60～2.70 m。如果采用人工挖孔桩，需要降水处理。但若大面积降水，会引起周围地面下陷、地下土洞发育等不良后果[2]；若采用止水帷幕的方法，深度不易控制。而地下水及溶洞的存在，使施工危险性大，施工也有一定困难，此桩型不应采用。

(3)钻孔灌注桩。此种基础形式的适应性强、承载力高、安全可靠、经济合理、对相邻楼宇影响小、噪音低、施工安全性好等。但是，其也存在着缺点：质量控制直观性差，水下混凝土施工要求严格，施工工艺较为复杂，易出现孔底沉泥、夹渣、缩颈、露筋、离析、浮浆夹层等缺陷，但若施工控制得好依然可行。但本工程基岩起伏较大，且有溶洞存在，施工上很难钻穿溶洞达到稳定持力层，不适宜采用。

(4)冲孔灌注桩。此种基础形式的优缺点类似于钻孔灌注桩，但冲孔灌注桩可以在各种复杂地质条件下使用，对本工程而言能钻穿溶洞达到稳定持力层，适宜在本工程中使用。

本建筑物对地基承载力及沉降要求较高。通过上述比较获知，冲孔灌注桩可有效地穿透各类土层，成孔适应性强，达到稳定持力层。经过建设单位、地勘单位、施工单位、设计单位共同协商，得到普遍认可。同时近年来冲孔灌注桩在本地区得到广泛使用，积累了许多施工经验。经综合考虑，本工程适宜采用冲孔灌注桩。

2.2 桩基设计

依据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011[3]，冲孔灌注桩承载力主要由3部分组成，即桩周覆盖土层的总侧阻力、嵌岩桩段的嵌固侧阻力和桩端承载力，其单桩竖向承载力特征值可按公式(1)进行估算

(1)

其中Ra为单桩竖向承载力特征值，qpa为桩端端阻力特征值，Ap为桩底端横截面面积，up为桩身周边长度，qsia为桩侧阻力特征值，li为第i层岩土的厚度。

表3 桩基设计参数建议取值表

依据地质勘察报告提供的数据(详见表3)，桩端持力层选用石灰岩，入岩深度取2 m，通过计算可知(仅考虑嵌岩段2 m的侧阻力)，桩直径900 mm、桩长为15 m的单桩承载力特征值为

Ra=5 000×3.14×0.452+

3.14×0.9×300×2=4 874.85 kN，

(2)

设计取值4 800 kN，基本满足工程的要求。

由于该地区岩溶和流塑分布的不确定性，依据湖北省地方规范《建筑地基基础技术规范》DB42/242-2014[4]，需要采用逐桩预钻孔的工程方法。根据超前钻反馈的资料，分析岩层的节理发育，溶洞、流塑的深度和高度，以及内填充物[5]，逐桩核算桩长及相应的承载力，在满足工程要求的情况下，尽可能缩短桩长，回避溶洞和土洞，减少施工难度。超前钻的数量和深度，应满足地方规范《建筑地基基础技术规范》DB42/242-2014第9.3.11～9.3.13的要求[4]，钻孔进入桩端以下完整岩石的深度不应小于5 m；桩端全截面嵌入完整岩层表面的深度不应小于桩身直径的两倍，且不得小于2 m；当岩层表层存在溶洞或串珠状溶洞时，桩端嵌入溶洞底部完整岩石的深度不应小于0.5 m，且桩身嵌入岩层深度总和不应小于2 m或2倍桩直径。本项目典型超前钻柱状图如图1所示(存在串珠状溶洞)，这里对溶洞的埋深、尺寸大小及填充状况作了更详细的描述。

图1 钻孔柱状图Fig.1 Borehole histogram

根据《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2014的要求[6]，设计选取了3根试桩，用于验证施工工艺及承载力。试桩完成后，经超声波及静载试验，结果表明均满足规范及设计的要求。

3 复杂地段的桩基施工要点

灌注桩施工前应先平整场地，埋设孔口护筒，配制泥浆体积宜为正常条件下泥浆体积的3倍以上。岩溶地质条件下的灌注桩应根据覆盖层和基岩情况分别采用不同的成孔工艺，施工要点[4]如下：

(1)当覆盖土层中不含土洞时，可采用回旋钻进成孔或冲击成孔，当覆盖土层中含有体积较大的土洞且埋深超过3 m时，应对土洞进行预注浆充填或低标号混凝土回填后再成孔[7]。

(2)成孔至溶洞顶板以上1 m时，改用低频率、小冲程冲击钻进成孔工艺。

(3)当岩面为斜面时，应预先在岩面上部桩孔内回填小片石或者混凝土等，用钻头反复冲击，直至全断面进入岩层为止。

(4)当溶洞顶板被击穿时，及时利用泥浆泵对孔内进行补浆，防止泥浆面下降导致孔壁坍塌，同时在顶板厚度范围内反复轻提慢放冲锤，直至冲锤不受明显阻碍。

(5)当溶洞内有黏土或沙砾等填充物时，成孔施工前宜对溶洞内充填物进行注浆预处理。

(6)对于地下水水量比较大的溶洞，可采用单层或多层长护筒跟进的方法，护筒直径级差不小于15 mm。

(7)成孔过程中如遇漏浆，应及时补浆并向孔内回填片石、黏土或混凝土反复冲击造壁。灌注桩身混凝土时应密切观察混凝土顶面的标高变化，如遇混凝土下沉，应继续补灌混凝土，直至稳定后方可拔出导管。

综上所述，溶洞的处理方法常用的有3种：挤石造壁法、预注灌浆法、套内护筒法。施工现场应根据地质的实际情况，采用合理的施工工艺和处理措施，防止塌孔、弯孔缩孔、卡钻、掉钻、扩孔过大等质量问题的出现，确保施工质量。本工程在桩基施工过程中，遇到了泥浆面快速下降的异常状况，现场及时补浆并向孔内回填片石、黏土，反复冲击造壁,顺利成孔，解决了施工难点，桩基经检测验收合格。