姜 燕 ，楊光華 , ，黃忠銘，喬有梁 ，張玉成

（1. 廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510610；2. 廣東省巖土工程技術研究中心，廣東 廣州 510640；3. 華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510641）

1 引 言

巖溶地區(qū)上高層建筑的基礎處理是建筑工程中地基處理的難點。巖溶地區(qū)具有其特有的水文地質(zhì)環(huán)境，如存在土洞和溶洞、巖面起伏大、地下水多等特點，導致巖溶地區(qū)的工程地質(zhì)問題除地基沉陷及不均勻沉降外，尚存在嚴重的滲透失穩(wěn)問題，且由于巖溶問題在某種程度上的不可預見性，使得巖溶地基高層建筑基礎設計具有極大的挑戰(zhàn)性。針對巖溶地基問題進行地基處理是一個綜合而復雜的課題，若僅采用筏板基礎處理，對于場地條件較差的高層建筑，地基承載力及沉降有可能不滿足要求；若采用樁基處理，樁端需穿透溶洞入巖，工程造價高，且施工困難；若采用復合地基，對于巖面起伏大、溶洞埋藏深的地區(qū)，樁太短則不夠安全，樁太長則不夠經(jīng)濟，尚且存在溶洞坍塌的風險及沉降不均的問題，因此巖溶地區(qū)高層建筑地基處理一直是一個尚未很好解決的問題。

近些年來，我國地基處理技術發(fā)展的一個典型趨勢就是在既有處理方法的基礎上，不斷發(fā)展新的地基處理方法，特別是將多種地基處理方法綜合使用、復合地基的多元化、非復合地基和復合地基加固手段的聯(lián)合使用等，形成了極富特色的復合加固技術，鄭剛等[1]對此進行了歸納總結。這些新技術新方法能更好地適應上部結構的選型以及基礎變形，但使用時不僅要滿足穩(wěn)定及沉降的要求，還需滿足各種加固型式之間的變形協(xié)調(diào)，其中有些方法尚在不斷的驗證與發(fā)展中，還未經(jīng)過足夠的工程實踐檢驗，尤其是缺乏長期的工程觀測。本次對一個卵石土巖溶地基高層建筑進行基礎設計，進行了現(xiàn)場土的載荷板試驗、夯擴樁復合地基載荷試驗、沖孔樁復合地基載荷試驗等現(xiàn)場原位試驗資料，結合場地覆蓋層厚度、巖溶發(fā)育情況等特殊地質(zhì)條件，進行科學的計算分析，最后采用筏板下多樁型復合地基處理方案，通過實際觀測結果驗證地基處理方案的合理性，為高層建筑復雜巖溶地基處理提供借鑒。

2 場地及主要工程地質(zhì)問題

2.1 工程概況

某建筑場地周邊較為空曠，建筑安全等級為一級，主要由多棟高層住宅（32層）及其附屬設施組成，以其中一棟建筑物（3#）為例進行說明，該建筑物由3#A、3#B、3#C三棟高層組成，最大高度為98.4 m，設計±0.00對應高程為161.5 m，建筑物底板高程為157.1 m，建筑結構平面見圖1。上部結構設計荷載為500 kPa。

圖1 建筑結構平面圖(單位: m)Fig.1 Plan of building structure(unit: m)

據(jù)勘察資料，場地范圍內(nèi)地基巖土層自上而下為：層①耕植土；層②第四系沖洪積粉質(zhì)黏土；層④1第四系沖洪積淤泥質(zhì)黏土；層④2軟塑狀粉質(zhì)黏土夾層；層③1第四系沖洪積中密狀卵石土、層③2稍密狀卵石土、石炭系壺天群灰?guī)r；層④1淤泥質(zhì)黏土及層④2軟塑狀粉質(zhì)黏土，均呈透鏡體，厚度不均勻，一般1～5 m不等。物理力學性質(zhì)較差，其中粉質(zhì)黏土④2局部地段基巖面接觸帶上有發(fā)育，稍密狀卵石土；③-2厚度不均勻，重型動力觸探擊數(shù)較低，局部呈松散狀。建筑結構底板高層為157.1 m，位于卵石土③1地層上。

2.2 不均勻大跨度充填型溶洞

場地內(nèi)巖溶極為發(fā)育，淺部主要表現(xiàn)為溶溝溶槽發(fā)育，深部多表現(xiàn)為溶洞和地下暗河，占場地內(nèi)所鉆鉆孔的82%，其中最大單個洞腔高約18.2 m，局部呈串珠狀，多為全填充，少量半填充，充填物主要以細砂及黏性土組成，呈軟塑狀。地質(zhì)鉆孔平面圖見圖2，典型剖面圖見圖3。溶洞分布范圍主要集中在圖2中標注區(qū)域。

圖2 地質(zhì)鉆孔平面圖Fig.2 Plan of geological drilling

根據(jù)地質(zhì)鉆孔詳勘，場地地質(zhì)條件復雜，主要表現(xiàn)為：（1）溶洞分布不均勻，地質(zhì)差異大，埋藏深度變化大。溶洞從西北方向至東南方向有貫通趨勢，單個鉆孔多為串珠狀，其中3#B棟溶洞分布范圍最廣，且埋藏淺，洞腔大；3#A、3#C棟溶洞較少，埋藏深，洞腔小。（2）基巖面起伏大，完整基巖面標高在115.0～145.0 m之間，最大高差達30 m；溶洞上覆巖層厚度變化大，最小僅0.8 m，最大約12 m。（3）卵石土上部中密，下部松散-稍密狀，下部承載力較低，層厚不均勻，局部含有軟塑狀淤泥層黏土、粉質(zhì)黏土等軟弱夾層，場地不均勻。

以上的特殊場地地質(zhì)條件，給地基處理帶來了難度，若采用天然地基，地質(zhì)的不均可能導致嚴重的沉降不均；若采用樁基礎，樁端需穿過溶洞進入中風化，較厚的卵石土以及大范圍的串珠狀溶洞將導致高昂的工程造價，且軟弱夾層的存在也可能導致成樁塌孔，施工困難；若采用復合地基，樁太長則不夠經(jīng)濟，樁太短則承載力及沉降不能滿足要求，尚且存在溶洞坍塌的風險及沉降不均的問題。因此，采用何種地基處理型式更為可靠經(jīng)濟，需要充分考慮場地及地質(zhì)條件的特殊性，綜合判定。

圖3 地質(zhì)剖面圖Fig.3 Geological profiles

2.3 室內(nèi)及原位試驗

（1）原位試驗參數(shù)統(tǒng)計

本工程進行了大量的現(xiàn)場原位試驗及室內(nèi)試驗，試驗指標統(tǒng)計見表1。

表1 試驗結果統(tǒng)計Table 1 Statistic of test results

（2）室內(nèi)試驗參數(shù)統(tǒng)計

室內(nèi)試驗指標統(tǒng)計見表 2，巖石單軸飽和抗壓強度指標見表3。

表2 粉質(zhì)黏土④2物理力學性質(zhì)Table 2 Physico-mechanical properties of silty clay④2

表3 巖石單軸飽和抗壓強度指標Table 3 Strength indices of rock in saturated uniaxial compressive

（3）天然地基平板載荷試驗

為進一步確定天然地基的承載能力，對場地進行了淺層平板載荷試驗，共選取了12個試驗點，其平面布置見圖4，壓板試驗面積為0.5 m2，壓板試驗結果見表4，試驗取s/ b=0.015所對應的荷載確定地基承載力特征值。

圖4 天然地基壓板試驗點布置圖(單位: mm)Fig.4 Layout of testing points of plate loading test of natural foundation(unit: mm)

由表4可以看出，除塔2#及01#試驗點曲線為緩變形，其他試驗點均為陡降形，且試驗點承載力較低，大部分未達到350 kPa。

表4 天然地基壓板試驗結果Table 4 Results of plate loading test in natural foundation

3 地基處理方案選型

針對工程特殊場地及地質(zhì)條件，本文對不同地基處理型式進行比較分析，以探索最安全經(jīng)濟的處理方法。對于巖溶地區(qū)，筏板基礎是一種較經(jīng)濟且便于施工的方案，且基礎持力層為中密狀卵石土，因此，首先考慮是否能夠采用筏板基礎。

3.1 筏板基礎處理方案

（1）計算參數(shù)

根據(jù)勘察資料并結合地區(qū)相關工程經(jīng)驗，土層參數(shù)取值見表5。由于筏板基礎放置在卵石土層上，且具有大量的載荷試驗資料，故該層的 c、φ及變形模量E0根據(jù)壓板試驗數(shù)據(jù)反算得到。

表5 筏板基礎參數(shù)Table 5 Parameters of raft foundation

（2）計算方法

圖5 筏板基礎計算流程圖Fig.5 Calculation flow chart of raft foundation

本次計算卵石土的初始切線模量取各個壓板反算的平均值，約150 MPa（反算方法參照文獻[4-5]，不再贅述），其他土層的初始切線模量根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗取2倍的變形模量。

（3）計算結果

根據(jù)地質(zhì)鉆孔平面圖，將筏板基礎劃分為若干小筏板網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分及每個網(wǎng)格計算選取的鉆孔如圖6所示。

圖6 筏板網(wǎng)格劃分及選取鉆孔圖(單位: mm)Fig.6 Plan of raft meshing and chosen drilling(unit: mm)

筏板基礎厚1.6 m，采用C30混凝土，首次計算，假設基底應力平均分布，筏板網(wǎng)格基底應力P均取500 kPa，計算得到每塊筏板下土體的初始彈簧剛度，然后不斷進行迭代，達到收斂條件后得到筏板基礎的網(wǎng)格反力圖及沉降等值線圖，見圖7、 8。

圖7 筏板網(wǎng)格反力圖(單位: kPa)Fig.7 Reaction force diagram of raft grid(unit: kPa)

圖8 迭代后筏板基礎沉降等值線(單位: m)Fig.8 Isogram of settlement of raft foundation after iteration(unit: m)

從圖7、8中可以看出，基礎3#A及3#B棟沉降較大，約在61～94 mm左右，3#C棟沉降較小，約為27～61 mm，上述的計算結果均在不考慮溶洞作用的前提下，但由于地質(zhì)條件復雜，尤其是底板以下土層厚度變化大，巖面高程差異較大，局部有淤泥質(zhì)土層及粉質(zhì)黏土層，基礎沉降差異較大，特別是中部3#B棟大多分布有溶洞，且上部覆蓋層較淺，溶洞上部灰?guī)r較薄，局部僅有幾十公分，溶洞對基礎的穩(wěn)定不利，溶洞上部巖層是否能夠滿足受力要求猶未可知，因此采用筏板基礎是否安全，還需對溶洞進行穩(wěn)定性計算。

（4）溶洞頂板穩(wěn)定性驗算

根據(jù)工程地質(zhì)手冊[6]，采用經(jīng)驗公式對溶洞頂板的穩(wěn)定性進行驗算。當頂板具有一定厚度，巖體抗彎強度大于彎矩、抗剪強度大于其所受的剪力時，洞室頂板穩(wěn)定。根據(jù)以上計算原則，按最不利情況考慮，滿足這些條件的巖層最小厚度計算公式為

抗彎驗算：

抗剪驗算：

選取較差鉆孔BZK48、BZK49進行計算，結果見表6。

表6 溶洞頂板穩(wěn)定性驗算結果Table 6 Checking results of stability of karst cave roof

由表6頂板厚度計算結果可以發(fā)現(xiàn)，目前的地質(zhì)情況，溶洞上部灰?guī)r較薄，局部僅有 0.6 m，而在溶洞深度處仍有較大附加應力，巖層不能滿足抗彎及抗剪驗算，因此完全靠筏板基礎來解決地質(zhì)的不均勻性，有較大風險，需對溶洞及存在軟弱下臥層等不良地質(zhì)進行地基處理，控制不均勻沉降，避免溶洞坍塌對上部結構造成安全隱患。

3.2 多樁型復合地基處理方案

根據(jù)筏板基礎計算結果，采用純筏板基礎風險性較高，建議地基處理采用復合地基方案，地基處理型式如圖 9所示。經(jīng)過補勘后發(fā)現(xiàn)，3#B與3#A棟相接地帶以及3#B下部存在連通的溶洞區(qū)，考慮基礎及上部結構的安全性，3#A與3#B相接地帶以及3#B溶洞連通區(qū)域采用沖孔樁復合地基，沖孔樁樁徑為800 mm，樁間距為2 500 mm，平均樁長22.4 m，基本穿透溶洞入巖；3#A與3#C溶洞分布較少，埋藏深，且卵石土層較厚，綜合以上特點，采用夯擴樁復合地基，夯擴樁樁徑為 400 mm，樁間距為1 500 mm，樁端擴大頭直徑為600 mm，平均樁長13 m。

圖9 地基處理方案Fig.9 Plan of ground treatment scheme

（1）單樁復合地基載荷試驗

由于同時使用了夯擴樁及沖孔樁復合地基，布置型式以及對應的地質(zhì)情況均不相同，可能產(chǎn)生不均勻沉降。為了解沉降差異的大小以及復合地基方案的可靠性，進行了單樁復合地基載荷試驗，試驗點布置見圖10，其中37#、187#、474#為夯擴樁復合地基試驗點，承壓板面積分別為2.25 m2，22#、47#、65#為沖孔樁復合地基試驗點，承壓板面積分別為6.25 m2，樁頭與樁間土頂部用中粗砂填平，最小厚度不小于10 cm，試驗結果見表7。

表7 單樁復合地基載荷試驗結果Table 7 Plate loading test results of single pile composite foundation

（2）夯擴樁復合地基計算

根據(jù)已有的天然地基土載荷試驗及單樁復合地基載荷試驗，可得到同樣墊層厚度下樁的p-s曲線，再根據(jù)原狀土的切線模量法[4]計算得到實際基礎下復合地基的p-s曲線，則可得到在上部結構荷載作用下復合地基的沉降。根據(jù)現(xiàn)有資料，對夯擴樁及沖孔樁復合地基進行復核計算。

由圖10及表7可知，夯擴樁復合地基載荷試驗點474#試驗沉降最大，為33.95 mm，試驗曲線如圖11（a）所示。相應位置處的天然地基載荷試驗點為1#，試驗曲線如圖11（b）所示。

根據(jù)載荷試驗曲線反算土體參數(shù)及墊層參數(shù)，選用距離試驗點最近的ZKB-77鉆孔（補勘，地層劃分與初勘略有出入），剖面見圖 12，計算參數(shù)見表8，Et0為初始切線模量。

為驗證所取參數(shù)的合理性，根據(jù)表8中參數(shù)采用切線模量法[4]對1#天然地基載荷試驗點以及474#夯擴樁單樁復合地基載荷試驗點進行計算，并將其與試驗結果相比較，分別如圖13所示。從圖中可以看出，計算結果與試驗結果吻合較好，說明計算所取參數(shù)是合適的。

仍采用原狀土切線模量法[4]計算實際基礎下3#A區(qū)域夯擴樁復合地基的沉降，如圖14所示。

圖11 不同地基載荷試驗曲線Fig.11 Plate loading test curves of different foundations

圖12 計算選取的地質(zhì)鉆孔剖面圖Fig.12 Geological map of drilling cross section for calculation

表8 474#壓板對應鉆孔土層參數(shù)Table 8 Soil parameters of drilling corresponding to plate #474

根據(jù)圖14計算結果，當墊層厚度為30 cm，基底壓力達到500 kPa時，3#A區(qū)域的夯擴樁復合地基的沉降約為47 mm。

圖13 試驗結果驗證Fig.13 Checking results of plate loading test of different foundations

圖14 3#A夯擴樁復合地基p-s曲線Fig.14 p-s curve of ramming-reamed pile composite foundation #3A

（3）沖孔樁復合地基計算

假設沖孔樁區(qū)域可形成復合地基，選取沖孔樁復合地基載荷試驗點 47#進行復核計算，其沉降為10.39 mm，試驗曲線如圖15所示。相應位置處的天然地基載荷試驗點為3#，試驗曲線如圖16所示。

圖15 47#沖孔樁復合地基壓板試驗曲線Fig.15 Plate loading test curve of punching pile composite foundation #47

圖16 3#天然地基載荷試驗曲線Fig.16 Plate loading test curve of natural foundation #3

同樣選用距離試驗點最近的BZK-49鉆孔，剖面如圖12所示。計算參數(shù)見表9，Et0為初始切線模量。

為驗證所取參數(shù)的合理性，根據(jù)表9中參數(shù)采用切線模量法[4]對 47#沖孔樁單樁復合地基載荷試驗點進行計算，并將其與試驗結果相比較，見圖17，計算結果與試驗結果吻合較好，驗證了計算參數(shù)的合理性。

圖17 47#單樁復合地基試驗結果驗證Fig.17 Checking results of plate loading test of punching pile composite foundation #47

表9 47#壓板對應鉆孔土層參數(shù)Table 9 Soil parameters of drilling of plate #47

計算得到3#B實際沖孔樁復合地基的沉降，結果如圖18所示。從圖中可以看出，當基底壓力達到500 kPa， 3#B沖孔樁復合地基的沉降約為25 mm，是基于 47#單樁復合地基載荷試驗得出，計算時假設該區(qū)域符合復合地基受力特性，若根據(jù)3#天然地基壓板試驗反算得到的參數(shù)計算單樁復合地基沉降，計算得到的沉降值比試驗值大，可見沖孔樁區(qū)域不一定形成復合地基，實際上很可能主要由樁承受荷載，土體發(fā)揮較小，沉降主要由沖孔樁控制。若按樁基考慮，不考慮地基土的受力及變形，仍選用相同樁徑、樁長及樁間距的樁，需要樁數(shù)為 51根，實際配樁為75根，仍可滿足要求。

圖18 3#B沖孔樁復合地基p-s曲線Fig.18 p-s curve of punching pile composite foundation #3B

根據(jù)本節(jié)計算結果可見，選用夯擴樁與沖孔樁相結合的復合地基處理方案可很好的控制沉降，沉降可控制在50 mm以內(nèi)，該方案與僅采用夯擴樁復合地基方案相比，考慮了溶洞對工程安全的影響，更為安全可靠；與完全采用沖孔樁復合地基方案相比更為經(jīng)濟，方便施工。

4 監(jiān)測結果

工程最終采用的本文建議的多樁型復合地基處理方案，并進行了沉降觀測，共設置了25個沉降觀測點，具體布置如圖19所示。目前工程3#A上部結構已施工至13層，3#B及3#C上部結構施工至7層，每層荷載按設計為15 kPa，建筑物沉降觀測結果見表10。

圖19 建筑物觀測點布置圖Fig.19 Layout of observation spots for buildings

從表10可以看出，3#A在上部荷載達到195 kPa時沉降約為5 mm（F1～F8觀測點），3#C在上部荷載達到105 kPa時沉降約為5.6～7.1 mm（F13～F20觀測點），圖14計算得到的夯擴樁復合地基沉降曲線，荷載105 kPa下基礎沉降約為8 mm，195 kPa下沉降約為15 mm；3#B在上部荷載達到105 kPa時，沉降為1.2～3.8 mm（F8～F12觀測點），而圖18中計算得到的沖孔樁復合地基沉降曲線中荷載105 kPa下基礎沉降約為5 mm。比較實測值與計算值可以發(fā)現(xiàn)，夯擴樁及沖孔樁復合地基沉降計算值與實測值較為接近、比實測值略大，可能是因為計算選取鉆孔為最差鉆孔，故偏于保守，但二者總的沉降值均不大。由此可見，選用夯擴樁與沖孔樁相結合的復合地基處理方案是合適的，該方案很好的控制了沉降，且3#B棟沖孔樁嵌巖，解決了溶洞坍塌威脅工程安全的隱患；夯擴樁樁長適中，便于施工，節(jié)省造價，兩種復合地基加固型式之間的沉降差也較小，可通過設置后澆帶、沉降縫等方法處理。可見，多樁復合地基加固型式可以較好地處理這種地質(zhì)差異較大的巖溶地區(qū)高層建筑地基。

表10 建筑物沉降觀測結果Table 10 Settlement results of building

5 結 語

巖溶地基存在土洞溶洞多，巖面起伏大、地下水不可預見等特點，使得巖溶地基高層建筑基礎設計具有極大的挑戰(zhàn)性。單一的采用筏基、樁基、復合地基等處理型式均有一定程度的局限性，采用何種地基處理型式更為安全經(jīng)濟，需要充分考慮場地及地質(zhì)條件的特殊性，綜合判定。

本次對一個卵石土巖溶地基高層建筑進行基礎設計，通過現(xiàn)場土的載荷板試驗、夯擴樁復合地基載荷試驗、沖孔樁復合地基載荷試驗等現(xiàn)場原位試驗，獲得了豐富可靠的資料，根據(jù)試驗結果和場地覆蓋層厚度、巖溶發(fā)育情況進行科學的計算分析，最后采用筏板下多樁型復合地基處理方案，并將計算沉降與實際觀測結果進行了比較，說明地基處理方案的合理性，為高層建筑復雜巖溶地基處理提供了較好的借鑒。

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