黑曉丹， 茍斌斌， 孫海峰， 殷 磊， 呂樹方， 朱權(quán)秀

(1 中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，蘭州 730030；2 上海二十冶建設(shè)有限公司，上海 201999)

1 工程概況

貴州省銅仁市某小區(qū)(圖1,2)總建筑面積約40萬(wàn)m2，由11棟高層建筑(1#～11#樓)組成,其中2#，3#，5#，7#，8#，9#，10#，11#樓為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)(2#，3#，5#，7#和8#樓在三層轉(zhuǎn)換，9#，10#，11#在二層轉(zhuǎn)換)，1#，4#，6#樓為純剪力墻結(jié)構(gòu)，整體設(shè)3層地下室，地下室底板標(biāo)高-14.6m。

本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，設(shè)計(jì)抗震分組為第一組，Ⅱ類場(chǎng)地，地下室埋深13.3m。結(jié)構(gòu)形式和基礎(chǔ)形式見表1。其中1#，7#，11#樓地下溶洞分布較多，1#樓基礎(chǔ)38個(gè)鉆孔遇溶洞(7個(gè)串珠狀溶洞)，7#樓基礎(chǔ)26個(gè)鉆孔遇溶洞(11個(gè)串珠狀溶洞)，11#樓基礎(chǔ)44個(gè)鉆孔遇溶洞(20個(gè)串珠狀溶洞)。

結(jié)構(gòu)形式和基礎(chǔ)形式 表1

圖1 建筑總平面圖

圖2 建筑總效果圖

2 地質(zhì)條件

由于前期建設(shè)開挖使得擬建場(chǎng)地地質(zhì)環(huán)境已受到破壞，場(chǎng)地內(nèi)基巖面高差變化大，部分地段相鄰鉆孔之間的基巖面相對(duì)高差大于5m，巖溶裂隙及串珠狀溶洞發(fā)育深度大于20m。場(chǎng)地內(nèi)巖土種類多、不均勻、性質(zhì)變化大，但屬可溶性巖層和特殊性土，地基復(fù)雜程度為一級(jí)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1 521個(gè)鉆孔中210個(gè)鉆孔遇溶洞、溶隙，鉆孔遇洞隙率13.8%，根據(jù)《貴州建筑巖土工程技術(shù)規(guī)范》(DBJ 52/T046—2018)[1](簡(jiǎn)稱貴州巖土規(guī)范)第7.1.3條規(guī)定，場(chǎng)地巖溶發(fā)育等級(jí)屬巖溶強(qiáng)發(fā)育，一級(jí)場(chǎng)地。巖體中有一些微小溶蝕針狀、豆?fàn)羁紫栋l(fā)育，破壞巖體質(zhì)量，降低巖體工程性能。巖溶發(fā)育的規(guī)律大致是：溶蝕洞隙主要集中在基巖頂部，局部位于基巖中上部；巖溶各向異性明顯，豎向、側(cè)向溶蝕交替出現(xiàn)，沿走向、傾向追蹤，溶蝕呈不規(guī)則狀分布特點(diǎn)較明顯，以淺層豎向溶蝕為主，側(cè)向溶蝕次之。

地質(zhì)情況自上而下依次為：①素填土：主要分布于整個(gè)建筑場(chǎng)地，局部位置由于場(chǎng)地開挖缺失，厚度較薄且變化大，為新近填土，鉆探控制厚度在0.3～6.8m之間，平均值1.12m；②可塑紅黏土：因基巖裸露或因修建開挖而缺失，巖溶洼地內(nèi)厚度較大，分布不連續(xù)，厚度變化較大，一般厚約0.5～15.7m，平均值5.48m；③強(qiáng)風(fēng)化白云巖：灰白色，散體狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理發(fā)育，極破碎，溶蝕強(qiáng)烈，原巖風(fēng)化成碎片狀和砂土狀，局部與紅黏土混雜，巖芯呈砂狀；④中風(fēng)化白云巖：灰白色，薄-中厚層，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，節(jié)理較發(fā)育，含礫屑白云巖或砂屑泥晶白云巖，巖芯呈大量塊狀及少量短柱狀，錘擊聲清脆，局部溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為37.04MPa。持力層④中風(fēng)化白云巖的力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。

持力層巖體力學(xué)性能指標(biāo) 表2

3 樁端頂板厚度對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)影響

袁維[2]結(jié)合廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則和極限定理上限法提出了基巖頂板臨界厚徑比h/d的計(jì)算方法(即頂板厚度h與基樁直徑d的比值)，并以《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)中巖體基本質(zhì)量分級(jí)為參考依據(jù)，給出了不同巖體基本質(zhì)量級(jí)別的臨界厚徑比h/d建議值：Ⅰ級(jí)巖體為h/d≤2.41，Ⅱ級(jí)巖體為2.41≤h/d≤2.96，Ⅲ級(jí)巖體為2.96≤h/d≤3.73，Ⅳ級(jí)巖體為3.73≤h/d≤4.91；且得出極限端阻力、巖石堅(jiān)硬程度和巖體質(zhì)量均對(duì)臨界厚徑比產(chǎn)生影響，即極限端阻力越小、巖體質(zhì)量越好、巖石越堅(jiān)硬，則基巖頂板的臨界厚徑比越小。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，溶洞高度對(duì)樁的極限承載力影響較小。

按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[4](簡(jiǎn)稱地基基礎(chǔ)規(guī)范)第10.2.13條和第8.5.6條第6款規(guī)定：樁端以下3D(D為樁徑)不小于5m范圍內(nèi)應(yīng)無(wú)土洞、溶洞、破碎帶或軟弱夾層等不良地質(zhì)條件(即樁端以下頂板厚度(完整基巖厚度)不應(yīng)小于3D和5m)，且在樁底應(yīng)力擴(kuò)散范圍內(nèi)應(yīng)無(wú)巖體臨空面。

本工程樁徑為1.5m，因此樁端以下頂板厚度應(yīng)以5m控制。在樁基穿溶洞或者樁側(cè)有溶洞時(shí)，為保證樁底應(yīng)力擴(kuò)散范圍內(nèi)無(wú)巖體臨空面，采取增加樁長(zhǎng)措施所導(dǎo)致的相鄰樁樁端頂板厚度小于5m要求時(shí)，給出如下幾種處理措施：頂板厚度小于5m時(shí)，可以增加樁長(zhǎng)直至滿足頂板厚度要求或新增樁基+轉(zhuǎn)換梁；不滿足勘探下臥層厚度要求時(shí)，可補(bǔ)充勘察(孔深大于10m時(shí))或者孔底釬探(孔深小于10m時(shí))，直至滿足頂板厚度要求。

4 溶洞對(duì)樁基設(shè)計(jì)影響

樁基設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)溶洞與樁的相對(duì)空間關(guān)系，需要采取5種不同的處理措施，具體如下。

(1)樁端正下方5m以內(nèi)有溶洞時(shí)，樁需穿透溶洞，達(dá)到穩(wěn)定的持力層。

(2)樁端側(cè)下方5m以內(nèi)有溶洞，但是溶洞并未延伸到樁端，這種情況不滿足地基基礎(chǔ)規(guī)范第8.5.6條第6款規(guī)定：“樁底應(yīng)力擴(kuò)散范圍內(nèi)應(yīng)無(wú)巖體臨空面”的要求，但是比溶洞位于樁端正下方時(shí)有利。對(duì)于轉(zhuǎn)換柱和落地剪力墻下的樁，樁端應(yīng)延長(zhǎng)到溶洞底部以下；對(duì)于裙房和地下車庫(kù)柱下樁基，頂板厚度大于5m時(shí)可不處理溶洞，小于5m時(shí)樁需穿越溶洞。

(3)當(dāng)溶洞位于樁側(cè)面，且洞底不低于樁端時(shí)，溶洞對(duì)樁端承力基本無(wú)影響，但對(duì)樁身的側(cè)阻力有影響。因此，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[5]第5.3.9條條文說(shuō)明，可按不考慮側(cè)阻力，只考慮端阻力計(jì)算單樁豎向承載力特征值，若單樁豎向承載力特征值大于樁頂軸心壓力標(biāo)準(zhǔn)值Nk時(shí)，則不需處理，否則應(yīng)進(jìn)行處理。

(4)對(duì)于樁端穿過(guò)溶洞情況，當(dāng)樁身穿過(guò)基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)巖體構(gòu)成的溶洞頂板，且頂板厚度大于2m時(shí)，可按照《貴州建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DBJ 52/45—2018)[6]第7.4.4條第4款規(guī)定，將頂板厚度乘以0.75系數(shù)后計(jì)入側(cè)阻力的計(jì)算。

(5)地基基礎(chǔ)規(guī)范規(guī)定：巖溶強(qiáng)發(fā)育的地段，未經(jīng)處理的場(chǎng)地，不應(yīng)作為建筑物地基。當(dāng)上述情況不能避免時(shí)，可采用新增樁基+托換梁(跨越)方式處理：在需加固的樁邊新增加與原有承臺(tái)梁垂直相交的托換梁，兩端設(shè)人工挖孔樁支承；對(duì)于(1)～(3)情況下溶洞，可采用注漿(低強(qiáng)度混凝土)處理(不清孔)，以增加樁端持力層的整體性。

5 臨空面及應(yīng)力擴(kuò)散角對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)影響

臨空面是指為滑移體提供變形、滑移空間的面, 又可分為水平臨空面和陡立臨空面。根據(jù)巖溶特點(diǎn)及樁端所在邊緣陡壁的形態(tài)、特征，可將巖溶地基臨空面分為如下3種類型:1)順坡陡傾臨空面，此臨空面邊緣陡壁大致呈順坡，坡角一般大于45°；2)倒坡陡傾臨空面，即樁底處于陡壁邊坡呈倒坡或鷹嘴崖之上的臨空面；3)水平狀洞頂臨空面，溶洞頂板有一定的厚度，溶洞形態(tài)不規(guī)則，且有一定的跨度，臨空面以近水平為主。貴州巖土規(guī)范規(guī)定：位于溶槽、漏斗、巖石陡坎近傍的基礎(chǔ)，當(dāng)巖體中有傾向臨空面的軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算地基滑移穩(wěn)定性，當(dāng)相鄰基礎(chǔ)高差大于等于5m時(shí)，宜將相鄰基礎(chǔ)高差調(diào)為相近?；鶐r面高低不平、傾斜或有臨空面時(shí)，巖面端承樁容易失穩(wěn)，有必要進(jìn)行施工勘察。圖3給出了基礎(chǔ)旁有臨空面或基巖面較陡時(shí)的處理措施。

圖3 基礎(chǔ)旁有臨空面或基巖面較陡時(shí)的處理措施

林武漢[7]通過(guò)數(shù)值分析研究了溶洞跨度、頂板厚度、樁徑對(duì)樁底豎向應(yīng)力擴(kuò)散的影響，發(fā)現(xiàn)隨著頂板厚度增加，樁底豎向應(yīng)力在荷載作用寬度范圍內(nèi)逐漸變大，但在荷載作用寬度范圍之外逐漸減??；樁底豎向應(yīng)力的擴(kuò)散范圍隨著基巖頂板厚度的增加而減小，擴(kuò)散效應(yīng)減弱；樁底豎向應(yīng)力擴(kuò)散角隨溶洞跨度的增加而擴(kuò)大；樁底豎向應(yīng)力的擴(kuò)散角隨頂板厚度的增加而變?。浑S著樁徑的增大，樁底豎向應(yīng)力的擴(kuò)散角變化趨勢(shì)為：當(dāng)樁徑小于頂板厚度時(shí)，擴(kuò)散角隨樁徑的增加而減小，當(dāng)樁徑接近或者大于頂板厚度時(shí)，擴(kuò)散角隨樁徑的增加則先遞增后遞減；就樁底豎向應(yīng)力的擴(kuò)散角的影響程度而言，溶洞跨度與樁徑的影響較大，頂板厚度影響較小。相鄰樁基的樁底有高差時(shí)且距離較近(凈距小于5m)時(shí)，應(yīng)滿足樁底豎向應(yīng)力的擴(kuò)散角條件，即樁底高差小于樁凈距(圖4)。

圖4 相鄰樁底高差處理措施

圖5 10#樓基礎(chǔ)平面布置圖(實(shí)心樁為穿越溶洞的樁)

6 同一建筑多種基礎(chǔ)形式及遇溶洞時(shí)處理措施

當(dāng)基巖面起伏較大，且均是巖石地基時(shí)，同一建筑物可以采用多種基礎(chǔ)形式[4]。依據(jù)地勘報(bào)告：“基巖面高差變化大，部分地段相鄰鉆孔之間的基巖面相對(duì)高差大于5m”，可見，本工程在溶巖強(qiáng)發(fā)育地段之外場(chǎng)地，可以采用多種基礎(chǔ)形式。

據(jù)地勘報(bào)告提供的場(chǎng)地條件，10#樓僅西北角局部范圍內(nèi)溶巖強(qiáng)發(fā)育，其余區(qū)域除個(gè)別有溶洞分布外，基礎(chǔ)巖層均完整，具備采用多種基礎(chǔ)形式的條件。在溶巖強(qiáng)發(fā)育地區(qū)，基礎(chǔ)形式為樁承臺(tái)基礎(chǔ)，樁端穿越溶洞且滿足下臥層要求；在10#樓1塔和2塔電梯間核心筒部位，設(shè)計(jì)為筏板基礎(chǔ)，筏板厚度為1 600mm，HRB400級(jí)直徑25鋼筋雙層雙向分布；當(dāng)轉(zhuǎn)換柱下無(wú)溶洞分布時(shí)，設(shè)計(jì)為單柱獨(dú)立基礎(chǔ)，當(dāng)轉(zhuǎn)換柱下有溶洞分布時(shí)，設(shè)計(jì)為樁基礎(chǔ)且樁穿越溶洞，同時(shí)需滿足持力層要求；對(duì)墻底無(wú)溶洞分布的落地剪力墻，設(shè)計(jì)為條形基礎(chǔ)，對(duì)墻底有溶洞存在的落地剪力墻，設(shè)計(jì)為樁基礎(chǔ)；地下室擋土墻下設(shè)拉梁，拉梁按照轉(zhuǎn)換梁配筋，且需滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[8]第10.2.7條規(guī)定。10#樓基礎(chǔ)平面布置圖如圖5所示。

筏板下較淺(5m以內(nèi))范圍存在小溶洞時(shí)，需將溶洞處理，一般采用C35混凝土對(duì)溶洞進(jìn)行填實(shí)處理，圖5中～軸/軸所示的10#樓2塔電梯核心筒范圍溶洞采取此方法處理。7#樓采用樁基礎(chǔ)(圖6)，圖中短虛線范圍為溶巖強(qiáng)發(fā)育區(qū)域。

筏板下局部小范圍有溶洞分布，且溶洞深度較深(5m以下)、較小時(shí)，可不考慮溶洞影響，但應(yīng)對(duì)溶洞范圍的筏板增加附加鋼筋以加強(qiáng)，如圖7的4#樓溶洞平面布置及處理所示，4#樓采用筏板基礎(chǔ)，筏板厚度1 800mm，25@180雙層雙向配筋，圖中矩形填充范圍為加強(qiáng)部位，附加鋼筋為雙層雙向18@150。

對(duì)于較大溶洞，可采用鋼筋混凝土梁、板和拱等結(jié)構(gòu)跨越處理，但是跨越結(jié)構(gòu)應(yīng)該有可靠的支撐面，當(dāng)采用梁式跨越時(shí)，在巖石上的支撐長(zhǎng)度應(yīng)大于梁高的1.5倍。10#樓基礎(chǔ)～軸/～軸轉(zhuǎn)換柱下、落地剪力墻下探明存在較大溶洞，溶洞平面范圍超過(guò)2m×2m，采用兩樁承臺(tái)跨越處理，并用C20混凝土嵌塞溶洞，且支撐長(zhǎng)度大于承臺(tái)梁高的1.5倍，滿足規(guī)范要求。

圖6 7#基礎(chǔ)平面布置圖

圖7 4#樓溶洞平面布置及處理

圖8 1#基礎(chǔ)平面布置圖(填充樁為穿越溶洞的樁)

1#樓采用樁筏基礎(chǔ)(圖8)，筏板厚度1 300mm，共有87個(gè)工程樁，地勘報(bào)告顯示有38個(gè)樁位出現(xiàn)溶洞，施工時(shí)用混凝土填充溶洞，當(dāng)溶洞的高度小于2m時(shí)，可不進(jìn)行混凝土密實(shí)性的檢測(cè)；當(dāng)溶洞的高度不小于2m時(shí)，需用聲波透射法檢測(cè)混凝土的密實(shí)性。

因地勘報(bào)告僅提供溶洞豎向發(fā)育情況，未提供溶洞平面發(fā)育情況，且考慮到樁端穿越溶洞需滿足剛性角要求及主樓轉(zhuǎn)換柱和落地剪力墻構(gòu)件的重要性，同時(shí)為避免補(bǔ)勘時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而影響工程進(jìn)度及大范圍增加樁長(zhǎng)而影響工程成本等因素[9-10]，對(duì)樁基影響較大的溶洞，按照最不利原則，將相鄰樁基樁底標(biāo)高統(tǒng)一降低至最不利樁基的同一標(biāo)高，以排除溶洞橫向發(fā)育對(duì)樁基安全造成的隱患，確?；A(chǔ)安全。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)主樓轉(zhuǎn)換柱和落地剪力墻下樁基需完全穿越溶洞。施工時(shí)清除洞內(nèi)填充物，用混凝土換填。

表3列出1#樓、5#樓、7#樓、9#樓部分溶洞處理的混凝土用量情況。由表3可見，采用混凝土換填時(shí)，混凝土實(shí)際用量均大于計(jì)算量，1#樓樁ZH1-50的混凝土實(shí)際用量達(dá)到了計(jì)算量的3倍，9#樓樁ZH9-110(裙房位置樁)的混凝土實(shí)際用量達(dá)到計(jì)算量3.7倍。1#樓兩個(gè)樁ZH1-60和ZH1-78的樁底溶洞是貫通的，處理后充盈系數(shù)均大于1.0，滿足施工要求。

溶洞樁混凝土量統(tǒng)計(jì) 表3

7 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)貴州省銅仁市某巖溶地區(qū)基地基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究，總結(jié)得出以下結(jié)論：

(1)巖溶地區(qū)應(yīng)確保樁端持力持力層完整，即滿足地基基礎(chǔ)規(guī)范中規(guī)定：樁端以下3倍樁徑且不小于5m范圍內(nèi)應(yīng)無(wú)軟弱夾層、斷裂破碎帶和洞穴分布，且在樁底應(yīng)力擴(kuò)散范圍內(nèi)應(yīng)無(wú)巖體臨空面。

(2)針對(duì)溶洞與樁不同的空間關(guān)系，提出5種處理措施：樁端5m以下范圍無(wú)溶洞時(shí)可不做處理，否則樁端須達(dá)到穩(wěn)定的持力層；樁端5m以內(nèi)范圍有溶洞但溶洞未延伸到樁下，裙房和地下車庫(kù)豎向力較小部位可不做處理；溶洞在樁身側(cè)面時(shí)可不考慮側(cè)阻力，僅考慮樁端阻力；樁身貫穿溶洞時(shí)，根據(jù)巖體構(gòu)成，相應(yīng)巖層樁身需乘以相應(yīng)的側(cè)阻力折減系數(shù)。

(3)基巖面高低不平、傾斜或有臨空面時(shí)，巖面的端承樁容易失穩(wěn)，有必要進(jìn)行施工勘察；當(dāng)巖體中有傾向臨空面的軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算地基滑移穩(wěn)定性；當(dāng)相鄰基礎(chǔ)高差大于等于5m時(shí)，宜將相鄰基礎(chǔ)高差調(diào)為相近。

(4)當(dāng)基巖面起伏較大時(shí)，且都是用巖石地基時(shí)，同一建筑物可以使用多種基礎(chǔ)形式。

(5)采用筏板基礎(chǔ)時(shí)，筏板下局部小范圍有溶洞分布且溶洞深度較深(5m以下)、較小時(shí)，可不考慮溶洞影響；筏板下較淺(5m以內(nèi))范圍存在小溶洞時(shí)，需將溶洞處理后方可作為筏板基礎(chǔ)持力層；其他基礎(chǔ)形式時(shí)可采用梁、板、拱跨越處理；對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)影響較大的溶洞采用灌填置換處理，保證樁體完整性，避免夾渣影響。