下伏全填充溶洞地基上某高层建筑倾斜原因分析

石金龙

（中国建筑科学研究院地基基础研究所，北京 100013）

0 引言

某高层建筑结构封顶后，沉降观测结果表明建筑物倾斜值已经超过规范允许值。通过对基底下各个勘察孔探明的全填充溶洞的沉降值和承载力进行计算，结合上部结构荷载分布，找到楼体倾斜原因。对于类似工程地质条件下的工程，应采用合适的基础类型，及时消除溶洞隐患，确保建筑物的安全。

1 工程简介

1.1 工程概况

某高层建筑长 36.0 m，宽 15.8 m，2 层地下室，基础埋深 7.5 m，采用筏板基础，筏板厚度为 1.4 m，上部结构为剪力墙结构，开间 3.5～3.9 m，进深 1.5～2.7 m，地上 25 层，局部 26 层，单位荷重 480 kPa，室外地坪标高 133.00 m。

1.2 场区工程地质条件

基底以下范围内地基土分述如下。

3）⑤层黏土（Q4al+pl）。棕褐色，硬塑，局部可塑。见少量铁质氧化物及砂粒，切面光滑，韧性、干强度高，无摇振反应，局部地段含少量页岩风化物，该层具膨胀性。该层分布普遍，厚度变化较大，揭露厚度一般为 0.50～8.20 m，层底标高为 113.61～125.32 m。

4）⑤1层中粗砂（Q4al+pl）。棕褐色，稍密，饱和。矿物成份以石英、长石为主，含粘粒 15 % 左右，偶见圆砾，粒径不均匀系数在 5.92 左右，曲率系数约 0.65，颗粒多呈圆棱状，级配较差。该层呈透镜体分布，揭露厚度一般为 0.60～2.00 m，层底标高为 121.15～124.97 m。该层进行标准贯入试验 1 次，实测锤击数为 14 击。

5）⑥层全风化页岩（∈）。黄绿色，结构基本破坏，矿物多蚀变，岩芯多呈土状，少量碎块状，手掰易断。该层分布普遍，厚度变化较大，揭露厚度一般为 0.50～9.00 m，层底标高为 114.59～125.64 m。

6）⑦层强风化页岩（∈）。泥质结构，页理构造，成份以黏土矿物为主，节理、裂隙极发育，岩芯多呈碎块状，手可掰断，夹少量土状及薄饼状。局部夹强风化砂质页岩薄层。该层与⑨层石灰岩接触带局部较软，其力学性质接近⑥层全风化页岩，故本次将其局部存在的软弱带划入⑥层全风化页岩。该层分布普遍，厚度变化较大，揭露厚度一般为 0.60～11.60 m，层底标高为 110.33～122.48 m。该层进行标准贯入试验 39 次，其实测锤击数平均值为 41.7 击，标准值为 39.1 击，标准差 9.66，变异系数 0.23。根据当地工程经验，其变形模量取 45 MPa。

7）⑧层中风化页岩（∈）。泥质结构，页理构造，成份以黏土矿物为主，节理、裂隙发育，岩芯多呈短柱状，少量碎块状及薄饼状，风干易开裂。岩芯采取率 50 %～80 %。该层分布普遍，埋藏较深，一般未予揭穿，最大揭露厚度为 9.30 m。在该层中取岩样 6 组，其天然单轴极限抗压强度平均值 10.1 MPa，标准值 8.5 MPa。该层岩石的坚硬程度分类属软岩，较破碎～较完整，确定岩体基本质量等级分类为 Ⅴ 类。

8）⑨层石灰岩（∈）。浅灰色，隐晶结构，层状构造，矿物成份以方解石为主，节理、裂隙较发育，岩芯多呈柱状，少量短柱状及长柱状，岩芯采取率 75 %～85 %，RQD35～45。溶蚀现象明显，多处发育溶洞，多为全充填溶洞，少量无充填溶洞。该层主要分布普遍，埋藏较深，一般未予穿透，最大揭露厚度为 9.30 m。在该层中取岩样 8 组，其天然单轴极限抗压强度平均值 31.1 MPa，标准值 29.2 MPa。岩石的坚硬程度分类属较硬岩，较完整，确定岩体基本质量等级分类为 Ⅳ 类。该层中发育的溶洞揭露情况如表 1 所示。

表1 溶洞揭露情况表

其全充填溶洞主要由黏性土充填，可塑，局部软塑，土质不均，含少量灰岩、页岩碎石，局部较集中。

9）⑨1层中风化页岩（∈）。泥质结构，页理构造，成份以黏土矿物为主，节理、裂隙发育，岩芯多呈短柱状，少量碎块状及薄饼状，风干易开裂。岩芯采取率 55 %～80 %。该层呈透镜体状分布，为⑨层石灰岩的夹层，埋藏较深，一般未予揭穿，最大揭露厚度为 17.30 m。在该层中取岩样 3 组，其天然单轴极限抗压强度平均值 12.3 MPa。该层岩石的坚硬程度分类属软岩，较破碎～较完整，确定岩体基本质量等级分类为 Ⅴ 类。

基底以下范围内地基土主要物理力学指标统计表如表 2、表 3 所示。

1.3 基底下地基土换填

将④、④1及⑥层全部挖除，以⑦层强风化页岩作基础持力层，对超挖部分采用毛石混凝土回填，毛石混凝土厚度为 0.1～2.5 m，分布图如图 1 所示。

1.4 场区地下水文条件

场地地貌单元为山前冲洪积平原，场地地形较平坦，孔口标高 129.73～131.81 m。场地地下水主要为第四系孔隙潜水及基岩风化裂隙水。水位埋深一般在 4.70～5.35 m，其水位标高在 125.27～126.91 m，两者之间的水位联系较好。地下水主要补给来源为大气降水，主要排泄途径为蒸发和人工开采。地下水位年变幅在 1.00～1.50 m。

表2 基底以下范围内地基土主要物理力学指标统计表

表3 全充填溶洞主要物理力学性质指标统计表

图1 毛石混凝土厚度分布图

2 工程现状

2.1 沉降观测点布置及观测结果

根据前期变形观测资料，建筑沉降观测点布置图如图 2 所示，整体倾斜值如表 4 所示。图 3 为沉降—时间曲线图，图 4 沉降速率曲线图。

图2 沉降观测点布置图

表4 整体倾斜计算值 ‰

由上述结果可知，楼体西南侧沉降大，东北侧沉降小，建筑整体南北向偏西发生倾斜。截至 2013 年 4 月 5 日，楼体东侧（C20/C21）整体倾斜值为 3.10 ‰，西侧（C17/C24）整体倾斜值为 3.24 ‰，中西部倾斜值（C18/C23）整体倾斜值为 3.76 ‰，中东部（C19/C22）整体倾斜值为 3.35 ‰，均已超过文献［1］规定的高层建筑整体倾斜变形允许值 2.5 ‰，且倾斜仍在发展。

图3 沉降-时间曲线图

图4 沉降速率曲线图

2.2 结构荷载偏心

由设计资料可知，该建筑总竖向荷载（含基础自重）作用点坐标（11 527，9 657）（单位：mm），筏板形心坐标（11 546，9 824）（单位：mm），x 向偏西 19 mm，y 向偏南 167 mm，故楼体荷载偏向西南方向。

3 倾斜原因分析

3.1 软弱下卧层地基承载力验算

勘察孔平面布置图如图 5 所示，3-3 剖面如图 6 所示，4-4 剖面如图 7 所示。由于建筑南侧存在全填充溶洞，因此对全填充溶洞顶部地基承载力进行验算。

图5 勘察孔平面布置图（单位：mm）

1）19#勘察孔。

筏板基础尺寸：l×b=36.0 m×15.8 m

基础埋深：d=129.88-125.5=4.38 m

基础底面与全充填溶洞顶的距离：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

由文献［1］表 5.2.7 得：θ=27.5°

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

图6 3-3 剖面图（单位：mm）

图7 4-4 剖面图（单位：mm）

满足地基承载力要求。

2）20#勘察孔。

筏板基础尺寸：l×b=36.0 m×15.8 m

基础埋深：d=129.89-125.5=4.39 m

基础底面与全充填溶洞顶的距离：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

查文献［1］表5.2.7得：θ=23.5°

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

不满足地基承载力要求。

3）21#勘察孔。

筏板基础尺寸：l×b=36.0 m×15.8 m

基础埋深：d=129.91-125.5=4.41 m

基础底面与全充填溶洞顶的距离：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

查文献［1］表5.2.7得：θ=27.5°

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

满足地基承载力要求。

3.2 地基变形计算

根据文献［1］规定，分别按 17#、18#、19#、20#、21#勘察孔进行地基变形计算，计算参数如表 5 所示，计算结果如表 6 所示。

表5 地基变形参数

表6 地基变形计算值 mm

以 17#孔位为例，实测沉降值为 53.0 5 m m（2013 年 4 月 5 日），按照工程经验判定，实测沉降值约为楼体结构荷载（未含装修荷载、使用荷载）作用下的最终地基变形值的 80 %，因此可以得到结构荷载作用下最终地基变形预测值为 66.3 mm。在建筑装修完成投入使用后，结构荷载作用下的最终地基变形预测值 66.3 mm 约占主楼正常使用条件下的最终地基变形值的 70 %，因此可以得到 17#孔位的最终地基变形预测值为 94.7 mm［2］。同理可以得到其他各点最终地基变形预测值，如表 7 所示。

表7 按实测结果推算地基最终变形值 mm

3.3 倾斜原因分析

由上述计算可知，埋藏较浅的软弱下卧层全填充溶洞的地基承载力不满足要求，埋藏较深的软弱下卧层全填充溶洞的地基承载力满足要求。

根据勘察报告提供的土层参数计算得到的地基变形值远小于由实测值推算的地基最终变形值，表明溶洞发育程度、高度、分布等实际状况与勘察报告揭示的情况差别较大。

造成该建筑整体倾斜超过规范允许值的原因在于南侧存在的全填充溶洞压缩变形偏大。由实测资料可知主楼倾斜继续发展，尚未达到稳定标准。

4 结语

通过对基底下各个勘察孔探明的全填充溶洞的沉降值和承载力进行计算，地基变形计算值远小于由实测值推算的地基最终变形值，埋藏较浅的软弱下卧层全填充溶洞的地基承载力不满足要求，埋藏较深的软弱下卧层全填充溶洞的地基承载力满足要求。上部荷载分布不均及下伏各全填充溶洞的不均匀变形是造成该楼倾斜的主要原因。对于类似下伏溶洞工程，应加强勘察工作及前期计算分析，采用合适的基础类型，及时消除溶洞的不利影响，避免建筑灾害的发生。