贵州某岩溶地区结构地基基础设计研究

黑晓丹， 苟斌斌， 孙海峰， 殷 磊， 吕树方， 朱权秀

(1 中国市政工程西北设计研究院有限公司，兰州 730030；2 上海二十冶建设有限公司，上海 201999)

1 工程概况

贵州省铜仁市某小区(图1,2)总建筑面积约40万m2，由11栋高层建筑(1#～11#楼)组成,其中2#，3#，5#，7#，8#，9#，10#，11#楼为部分框支剪力墙结构(2#，3#，5#，7#和8#楼在三层转换，9#，10#，11#在二层转换)，1#，4#，6#楼为纯剪力墙结构，整体设3层地下室，地下室底板标高-14.6m。

本工程设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计抗震分组为第一组，Ⅱ类场地，地下室埋深13.3m。结构形式和基础形式见表1。其中1#，7#，11#楼地下溶洞分布较多，1#楼基础38个钻孔遇溶洞(7个串珠状溶洞)，7#楼基础26个钻孔遇溶洞(11个串珠状溶洞)，11#楼基础44个钻孔遇溶洞(20个串珠状溶洞)。

结构形式和基础形式 表1

图1 建筑总平面图

图2 建筑总效果图

2 地质条件

由于前期建设开挖使得拟建场地地质环境已受到破坏，场地内基岩面高差变化大，部分地段相邻钻孔之间的基岩面相对高差大于5m，岩溶裂隙及串珠状溶洞发育深度大于20m。场地内岩土种类多、不均匀、性质变化大，但属可溶性岩层和特殊性土，地基复杂程度为一级。

经统计，1 521个钻孔中210个钻孔遇溶洞、溶隙，钻孔遇洞隙率13.8%，根据《贵州建筑岩土工程技术规范》(DBJ 52/T046—2018)[1](简称贵州岩土规范)第7.1.3条规定，场地岩溶发育等级属岩溶强发育，一级场地。岩体中有一些微小溶蚀针状、豆状孔隙发育，破坏岩体质量，降低岩体工程性能。岩溶发育的规律大致是：溶蚀洞隙主要集中在基岩顶部，局部位于基岩中上部；岩溶各向异性明显，竖向、侧向溶蚀交替出现，沿走向、倾向追踪，溶蚀呈不规则状分布特点较明显，以浅层竖向溶蚀为主，侧向溶蚀次之。

地质情况自上而下依次为：①素填土：主要分布于整个建筑场地，局部位置由于场地开挖缺失，厚度较薄且变化大，为新近填土，钻探控制厚度在0.3～6.8m之间，平均值1.12m；②可塑红黏土：因基岩裸露或因修建开挖而缺失，岩溶洼地内厚度较大，分布不连续，厚度变化较大，一般厚约0.5～15.7m，平均值5.48m；③强风化白云岩：灰白色，散体状结构，节理发育，极破碎，溶蚀强烈，原岩风化成碎片状和砂土状，局部与红黏土混杂，岩芯呈砂状；④中风化白云岩：灰白色，薄-中厚层，细晶结构，节理较发育，含砾屑白云岩或砂屑泥晶白云岩，岩芯呈大量块状及少量短柱状，锤击声清脆，局部溶蚀现象严重，饱和单轴抗压强度标准值为37.04MPa。持力层④中风化白云岩的力学性能指标如表2所示。

持力层岩体力学性能指标 表2

3 桩端顶板厚度对基础设计影响

袁维[2]结合广义Hoek-Brown准则和极限定理上限法提出了基岩顶板临界厚径比h/d的计算方法(即顶板厚度h与基桩直径d的比值)，并以《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)中岩体基本质量分级为参考依据，给出了不同岩体基本质量级别的临界厚径比h/d建议值：Ⅰ级岩体为h/d≤2.41，Ⅱ级岩体为2.41≤h/d≤2.96，Ⅲ级岩体为2.96≤h/d≤3.73，Ⅳ级岩体为3.73≤h/d≤4.91；且得出极限端阻力、岩石坚硬程度和岩体质量均对临界厚径比产生影响，即极限端阻力越小、岩体质量越好、岩石越坚硬，则基岩顶板的临界厚径比越小。根据文献[3]，溶洞高度对桩的极限承载力影响较小。

按《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[4](简称地基基础规范)第10.2.13条和第8.5.6条第6款规定：桩端以下3D(D为桩径)不小于5m范围内应无土洞、溶洞、破碎带或软弱夹层等不良地质条件(即桩端以下顶板厚度(完整基岩厚度)不应小于3D和5m)，且在桩底应力扩散范围内应无岩体临空面。

本工程桩径为1.5m，因此桩端以下顶板厚度应以5m控制。在桩基穿溶洞或者桩侧有溶洞时，为保证桩底应力扩散范围内无岩体临空面，采取增加桩长措施所导致的相邻桩桩端顶板厚度小于5m要求时，给出如下几种处理措施：顶板厚度小于5m时，可以增加桩长直至满足顶板厚度要求或新增桩基+转换梁；不满足勘探下卧层厚度要求时，可补充勘察(孔深大于10m时)或者孔底钎探(孔深小于10m时)，直至满足顶板厚度要求。

4 溶洞对桩基设计影响

桩基设计时，根据溶洞与桩的相对空间关系，需要采取5种不同的处理措施，具体如下。

(1)桩端正下方5m以内有溶洞时，桩需穿透溶洞，达到稳定的持力层。

(2)桩端侧下方5m以内有溶洞，但是溶洞并未延伸到桩端，这种情况不满足地基基础规范第8.5.6条第6款规定：“桩底应力扩散范围内应无岩体临空面”的要求，但是比溶洞位于桩端正下方时有利。对于转换柱和落地剪力墙下的桩，桩端应延长到溶洞底部以下；对于裙房和地下车库柱下桩基，顶板厚度大于5m时可不处理溶洞，小于5m时桩需穿越溶洞。

(3)当溶洞位于桩侧面，且洞底不低于桩端时，溶洞对桩端承力基本无影响，但对桩身的侧阻力有影响。因此，根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[5]第5.3.9条条文说明，可按不考虑侧阻力，只考虑端阻力计算单桩竖向承载力特征值，若单桩竖向承载力特征值大于桩顶轴心压力标准值Nk时，则不需处理，否则应进行处理。

(4)对于桩端穿过溶洞情况，当桩身穿过基本质量等级为Ⅰ级、Ⅱ级岩体构成的溶洞顶板，且顶板厚度大于2m时，可按照《贵州建筑地基基础设计规范》(DBJ 52/45—2018)[6]第7.4.4条第4款规定，将顶板厚度乘以0.75系数后计入侧阻力的计算。

(5)地基基础规范规定：岩溶强发育的地段，未经处理的场地，不应作为建筑物地基。当上述情况不能避免时，可采用新增桩基+托换梁(跨越)方式处理：在需加固的桩边新增加与原有承台梁垂直相交的托换梁，两端设人工挖孔桩支承；对于(1)～(3)情况下溶洞，可采用注浆(低强度混凝土)处理(不清孔)，以增加桩端持力层的整体性。

5 临空面及应力扩散角对基础设计影响

临空面是指为滑移体提供变形、滑移空间的面, 又可分为水平临空面和陡立临空面。根据岩溶特点及桩端所在边缘陡壁的形态、特征，可将岩溶地基临空面分为如下3种类型:1)顺坡陡倾临空面，此临空面边缘陡壁大致呈顺坡，坡角一般大于45°；2)倒坡陡倾临空面，即桩底处于陡壁边坡呈倒坡或鹰嘴崖之上的临空面；3)水平状洞顶临空面，溶洞顶板有一定的厚度，溶洞形态不规则，且有一定的跨度，临空面以近水平为主。贵州岩土规范规定：位于溶槽、漏斗、岩石陡坎近傍的基础，当岩体中有倾向临空面的软弱结构面时，应验算地基滑移稳定性，当相邻基础高差大于等于5m时，宜将相邻基础高差调为相近。基岩面高低不平、倾斜或有临空面时，岩面端承桩容易失稳，有必要进行施工勘察。图3给出了基础旁有临空面或基岩面较陡时的处理措施。

图3 基础旁有临空面或基岩面较陡时的处理措施

林武汉[7]通过数值分析研究了溶洞跨度、顶板厚度、桩径对桩底竖向应力扩散的影响，发现随着顶板厚度增加，桩底竖向应力在荷载作用宽度范围内逐渐变大，但在荷载作用宽度范围之外逐渐减小；桩底竖向应力的扩散范围随着基岩顶板厚度的增加而减小，扩散效应减弱；桩底竖向应力扩散角随溶洞跨度的增加而扩大；桩底竖向应力的扩散角随顶板厚度的增加而变小；随着桩径的增大，桩底竖向应力的扩散角变化趋势为：当桩径小于顶板厚度时，扩散角随桩径的增加而减小，当桩径接近或者大于顶板厚度时，扩散角随桩径的增加则先递增后递减；就桩底竖向应力的扩散角的影响程度而言，溶洞跨度与桩径的影响较大，顶板厚度影响较小。相邻桩基的桩底有高差时且距离较近(净距小于5m)时，应满足桩底竖向应力的扩散角条件，即桩底高差小于桩净距(图4)。

图4 相邻桩底高差处理措施

图5 10#楼基础平面布置图(实心桩为穿越溶洞的桩)

6 同一建筑多种基础形式及遇溶洞时处理措施

当基岩面起伏较大，且均是岩石地基时，同一建筑物可以采用多种基础形式[4]。依据地勘报告：“基岩面高差变化大，部分地段相邻钻孔之间的基岩面相对高差大于5m”，可见，本工程在溶岩强发育地段之外场地，可以采用多种基础形式。

据地勘报告提供的场地条件，10#楼仅西北角局部范围内溶岩强发育，其余区域除个别有溶洞分布外，基础岩层均完整，具备采用多种基础形式的条件。在溶岩强发育地区，基础形式为桩承台基础，桩端穿越溶洞且满足下卧层要求；在10#楼1塔和2塔电梯间核心筒部位，设计为筏板基础，筏板厚度为1 600mm，HRB400级直径25钢筋双层双向分布；当转换柱下无溶洞分布时，设计为单柱独立基础，当转换柱下有溶洞分布时，设计为桩基础且桩穿越溶洞，同时需满足持力层要求；对墙底无溶洞分布的落地剪力墙，设计为条形基础，对墙底有溶洞存在的落地剪力墙，设计为桩基础；地下室挡土墙下设拉梁，拉梁按照转换梁配筋，且需满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[8]第10.2.7条规定。10#楼基础平面布置图如图5所示。

筏板下较浅(5m以内)范围存在小溶洞时，需将溶洞处理，一般采用C35混凝土对溶洞进行填实处理，图5中～轴/轴所示的10#楼2塔电梯核心筒范围溶洞采取此方法处理。7#楼采用桩基础(图6)，图中短虚线范围为溶岩强发育区域。

筏板下局部小范围有溶洞分布，且溶洞深度较深(5m以下)、较小时，可不考虑溶洞影响，但应对溶洞范围的筏板增加附加钢筋以加强，如图7的4#楼溶洞平面布置及处理所示，4#楼采用筏板基础，筏板厚度1 800mm，25@180双层双向配筋，图中矩形填充范围为加强部位，附加钢筋为双层双向18@150。

对于较大溶洞，可采用钢筋混凝土梁、板和拱等结构跨越处理，但是跨越结构应该有可靠的支撑面，当采用梁式跨越时，在岩石上的支撑长度应大于梁高的1.5倍。10#楼基础～轴/～轴转换柱下、落地剪力墙下探明存在较大溶洞，溶洞平面范围超过2m×2m，采用两桩承台跨越处理，并用C20混凝土嵌塞溶洞，且支撑长度大于承台梁高的1.5倍，满足规范要求。

图6 7#基础平面布置图

图7 4#楼溶洞平面布置及处理

图8 1#基础平面布置图(填充桩为穿越溶洞的桩)

1#楼采用桩筏基础(图8)，筏板厚度1 300mm，共有87个工程桩，地勘报告显示有38个桩位出现溶洞，施工时用混凝土填充溶洞，当溶洞的高度小于2m时，可不进行混凝土密实性的检测；当溶洞的高度不小于2m时，需用声波透射法检测混凝土的密实性。

因地勘报告仅提供溶洞竖向发育情况，未提供溶洞平面发育情况，且考虑到桩端穿越溶洞需满足刚性角要求及主楼转换柱和落地剪力墙构件的重要性，同时为避免补勘时间过长而影响工程进度及大范围增加桩长而影响工程成本等因素[9-10]，对桩基影响较大的溶洞，按照最不利原则，将相邻桩基桩底标高统一降低至最不利桩基的同一标高，以排除溶洞横向发育对桩基安全造成的隐患，确保基础安全。基础设计时主楼转换柱和落地剪力墙下桩基需完全穿越溶洞。施工时清除洞内填充物，用混凝土换填。

表3列出1#楼、5#楼、7#楼、9#楼部分溶洞处理的混凝土用量情况。由表3可见，采用混凝土换填时，混凝土实际用量均大于计算量，1#楼桩ZH1-50的混凝土实际用量达到了计算量的3倍，9#楼桩ZH9-110(裙房位置桩)的混凝土实际用量达到计算量3.7倍。1#楼两个桩ZH1-60和ZH1-78的桩底溶洞是贯通的，处理后充盈系数均大于1.0，满足施工要求。

溶洞桩混凝土量统计 表3

7 结论

本文通过对贵州省铜仁市某岩溶地区基地基础设计研究，总结得出以下结论：

(1)岩溶地区应确保桩端持力持力层完整，即满足地基基础规范中规定：桩端以下3倍桩径且不小于5m范围内应无软弱夹层、断裂破碎带和洞穴分布，且在桩底应力扩散范围内应无岩体临空面。

(2)针对溶洞与桩不同的空间关系，提出5种处理措施：桩端5m以下范围无溶洞时可不做处理，否则桩端须达到稳定的持力层；桩端5m以内范围有溶洞但溶洞未延伸到桩下，裙房和地下车库竖向力较小部位可不做处理；溶洞在桩身侧面时可不考虑侧阻力，仅考虑桩端阻力；桩身贯穿溶洞时，根据岩体构成，相应岩层桩身需乘以相应的侧阻力折减系数。

(3)基岩面高低不平、倾斜或有临空面时，岩面的端承桩容易失稳，有必要进行施工勘察；当岩体中有倾向临空面的软弱结构面时，应验算地基滑移稳定性；当相邻基础高差大于等于5m时，宜将相邻基础高差调为相近。

(4)当基岩面起伏较大时，且都是用岩石地基时，同一建筑物可以使用多种基础形式。

(5)采用筏板基础时，筏板下局部小范围有溶洞分布且溶洞深度较深(5m以下)、较小时，可不考虑溶洞影响；筏板下较浅(5m以内)范围存在小溶洞时，需将溶洞处理后方可作为筏板基础持力层；其他基础形式时可采用梁、板、拱跨越处理；对基础设计影响较大的溶洞采用灌填置换处理，保证桩体完整性，避免夹渣影响。