淺談巖溶地區(qū)房屋建筑的基礎(chǔ)設(shè)計
2016-09-26
巖溶地區(qū)上高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計是建筑工程中的難點。由于巖溶地區(qū)存在土洞和溶洞，巖面起伏大，地下水多，各種樁基都有應(yīng)用，但一般施工都較困難，因此，巖溶地區(qū)高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計一直是一個尚未很好解決的問題。
一、巖溶地區(qū)地基狀況介紹
巖溶（karst）亦譯喀斯特。巖溶指可溶性巖石，特別是碳酸鹽類巖石（如石灰?guī)r、石膏等），受含有二氧化碳的流水溶蝕，有時并加以沉積作用而形成的地貌。往往呈奇特形狀，有洞穴、石芽、石溝、石林、溶洞、地下河也有峭壁。此種地貌地區(qū)，往往奇峰林立。通常指巖石裸露、草木不生、具有洞穴、落水洞、地下河而缺乏地表河流和湖泊的地區(qū)。是地下水對可溶性塊狀石灰?guī)r溶蝕的結(jié)果。巖溶不良地質(zhì)構(gòu)成的巖溶地基常常引起地基承載力不足、不均勻沉降、地基滑動和塌陷等地基變形破壞。巖溶給建筑工程的地基處理帶來一定的難度，因為一是巖溶面標高起伏差異大；二是形成巖洞的位置、大小變化不一，且無一定的規(guī)律有些在同一垂直面上可能有兩個以上的巖洞，各巖層風化程度也錯綜復雜；三是各溶洞的連通性難以評估，地下水的變化也使得地基處理復雜；四是土洞由于比巖溶發(fā)育更快，情況更難以判斷。因此，在巖溶地區(qū)建造建筑物應(yīng)十分慎重。
二、巖溶地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計前應(yīng)注意的事項
在巖溶地區(qū)，建筑物的基礎(chǔ)設(shè)計作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的重難點，在工程界普遍引起重視。因此，在對場地進行總體規(guī)劃時，結(jié)構(gòu)和勘探專業(yè)就應(yīng)提前介入，同時給規(guī)劃和勘探專業(yè)提供一些專業(yè)性的建議，尤其是對一些特別不適合建造建筑物的地段，如果該地段地下溶洞很大很深等，我們就應(yīng)該在規(guī)劃時盡量避開。在掌握建筑物平面布置、結(jié)構(gòu)形式及荷載資料的同時，對場地的各種土層性質(zhì)、溶層和溶洞的分布等詳細的地質(zhì)情況的了解更是成了基礎(chǔ)設(shè)計中的重中之重。
三、設(shè)計實例
某工程由8棟住宅樓組成，塔樓部分擬建地上33層，地2層，裙樓部分地下2層，地上無建筑，為帶局部轉(zhuǎn)換的剪力墻結(jié)構(gòu)（見圖1所示）。該工程原設(shè)計基礎(chǔ)形式為沖孔灌注樁，樁端持力層為溶洞底面以下的微風化泥巖或灰?guī)r。工程地質(zhì)報告顯示C5、C8棟場地地質(zhì)情況良好，而C6、C7棟則地質(zhì)情況較復雜，地下溶洞發(fā)育較廣，且底板以下土層分布有兩層砂層及局部土洞。工程樁施工已完成約130根，大部分位于C5和C8塔樓范圍內(nèi)。而在施工C6、C7塔樓范圍內(nèi)樁的過程中，經(jīng)常發(fā)生塌孔情況，造成施工困難，施工進度受到影響。針對以上現(xiàn)場情況，決定對C5～C8的基礎(chǔ)方案進行優(yōu)化
（一）工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件
該工程第四系覆蓋層主要為人工填土、沖積淤泥質(zhì)土、砂層、粉質(zhì)粘土以及殘積土，下伏白堊系和三疊系沉積巖。場地地下水主要為沖積區(qū)內(nèi)第四系孔隙潛水及深部基巖裂隙、巖溶水，勘探期間水位埋深1.9～2.3m。場地內(nèi)砂層、巖溶發(fā)育，地下水豐富且與珠江水系存在強烈水力聯(lián)系，水文地質(zhì)條件復雜。
該工程場地巖溶類型有兩種：第一種是第四系覆蓋灰?guī)r的淺覆蓋巖溶，呈東、西條帶狀，近似南北走向，其中C6、C7棟建筑位于東條帶；第二種是灰?guī)r上覆泥巖及第四系的埋藏型巖溶。根據(jù)前期勘探資料，后者發(fā)育相對較弱，前者則強烈發(fā)育。巖溶發(fā)育特征有：灰?guī)r（淺覆蓋巖溶區(qū)）巖面起伏劇烈，溶溝（槽）極為發(fā)育；鉆孔遇巖溶洞隙率高達75%；溶洞豎向分叉形成多層洞穴甚至出現(xiàn)4、5層洞穴，受構(gòu)造控制，發(fā)育主導方向為南北向并相互聯(lián)通，在平面上形成網(wǎng)狀巖溶、裂隙管道。巖溶洞穴頂板厚度不足3m的達69.3%，溶洞頂板過薄是其主要特征；洞穴充填率77.8%，主要為流塑狀粉質(zhì)粘土且不穩(wěn)定，工程上難以利用。
（二）基礎(chǔ)優(yōu)化方案
根據(jù)場地范圍內(nèi)的溶洞發(fā)育情況，綜合考慮上部結(jié)構(gòu)的荷載情況及施工現(xiàn)場進度對C5～C8基礎(chǔ)進行優(yōu)化，分別采用以下三種基礎(chǔ)形式：
?。?）天然基礎(chǔ)+抗拔錨桿
塔樓范圍外僅設(shè)2層地下室，地面以上無裙樓該部分柱荷載較小，可改用天然基礎(chǔ)，持力層為粉質(zhì)粘土層，承載力特征值要求為200kPa。此外由于上部荷載較小，存在上浮力。故在天然基礎(chǔ)內(nèi)加設(shè)抗拔錨桿，單錨抗拔力設(shè)計值220kN，錨桿為φ150嵌固層為中風化以上巖層，入巖長度為3m。計算結(jié)果顯示天然基礎(chǔ)沉降約32mm小于0.005倍柱距滿足基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范要求。
?。?）筏板基礎(chǔ)+復合地基
C6、C7塔樓范圍由于巖溶較發(fā)育，樁基施工難度較大。故設(shè)計改為筏板基礎(chǔ)+復合地基基礎(chǔ)形式。筏板總長約64m、寬約40m。C5與C6、C7與C8交接部位由于建筑位置限制僅出挑約100mm。由于此出挑長度不足以造成局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，故設(shè)計中通過加大板厚及提高該區(qū)域地基承載力措施予以改善。經(jīng)試算設(shè)計筏板基礎(chǔ)厚度為1.8m，核心筒部位為2.2m。C5、C6與C7、C8交接部位為2.2m轉(zhuǎn)換柱下布置板下墩，厚2.2m。以C6棟核心筒為例驗算
A.抗沖切驗算m=22.3m內(nèi)筒最大荷載Nmax=36974KN，筏板最大荷載9.8578×105KN筏板底面積2617.8m2，平均基底反力376.6kPa；沖切錐體底面積51.73m2，沖切力F1=17495KN。F1/umho=0454.8<0.7βhp，ft/η=808.3，滿足要求。B.抗剪驗算：筒外h0處邊長29.2m，面積51.73m2，剪力Vs=599.13kN/m<0.7，βhpftbwh0=1569，滿足要求。其余結(jié)果顯示，柱及剪力墻下筏板的沖切均滿足要求，筏板的配筋也在合理范圍內(nèi)。計算結(jié)果顯示，筏板基底反力約400kPa，核心筒及C6、C7交接位置基底反力約500kPa，C5與C6、C7與C8交接部位基底反力約500kPa，故上述各部位設(shè)計要求筏板下地基經(jīng)處理后承載力特征值分別為500、550、600kPa，轉(zhuǎn)換柱下板跨要求為450kPa。筏板計算模型變形模量按30MPa考慮，計算結(jié)果顯示筏板上柱與剪力墻之間的不均勻沉降最大值小于0.0025倍柱距，滿足基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范要求。地基采用CFG樁復合地基形式，樁徑φ400樁身為C25素混凝土。根據(jù)地基承載力要求，采用正方形或三角形布樁，樁距1m，樁底進入強風化巖2～3m或坐落于中微風化巖面。單樁承載力特征值根據(jù)地基承載力要求設(shè)計為320～410kN。施工完成后為410～560kPa，考慮地基深度修正后滿足設(shè)計要求。
?。?）沖孔灌注樁基礎(chǔ)
C5及C8塔樓范圍內(nèi)地下溶洞較不發(fā)育，且施工進度反映C8塔樓沖孔樁已基本完成，C5塔樓的沖孔樁已完成約30根，證明沖孔樁在此兩塔樓范圍內(nèi)施工基本可行，本次基礎(chǔ)修改方案C5、C8塔樓范圍的工程樁按原設(shè)計樁基礎(chǔ)。
我們根據(jù)以上分析進行基礎(chǔ)設(shè)計，投資方和施工單位根據(jù)我們的要求進行選擇施工，實踐證明工程進展順利，并通過各種檢測和驗收，順利進入主體施工。
