工程地質(zhì)地基處理

趙元明

（云南省地礦局地球物理地球化學(xué)勘查隊(duì)，云南 宜良 652100）

1 巖溶的一般形態(tài)和形成原因

巖溶地貌是具有溶蝕力的水對可溶性巖石進(jìn)行溶蝕等作用所形成的地表和地下形態(tài)的總稱。又稱喀斯特地貌。其主要形態(tài)有溶洞、溶溝、溶槽、裂隙、暗河、石芽、漏斗及鐘乳石等，是可溶性巖受水的化學(xué)和物理作用的結(jié)果。巖溶發(fā)育的基本條件：1)具有可溶性巖層，2)具溶蝕能力和流量足夠的水，3)地下水有下滲、流動的途徑。一般地說，硫酸鹽巖層、鹵素類巖層巖溶發(fā)展速度較快；碳酸鹽類巖層則發(fā)展速度較慢。質(zhì)純層厚的巖層，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，且形態(tài)齊全、規(guī)模較大；含泥質(zhì)或其他雜質(zhì)的巖層巖溶發(fā)展較弱。結(jié)晶顆粒粗大的巖石，巖溶較為發(fā)育，結(jié)晶顆粒細(xì)小的巖石，巖溶發(fā)育較弱。巖溶的發(fā)育是緩慢的，在建筑物使用年限內(nèi)可認(rèn)為是不變的。

覆蓋在巖溶面上的沖積、洪積層，在地表水下滲或地下水升降變化的情況下，土顆粒沿巖溶、洞穴裂隙帶走，使上層土形成空洞而形成土洞。土洞是巖溶作用的產(chǎn)物，土洞其下基巖必有巖溶水通道，土洞常分布于溶溝西側(cè)和落水洞、石芽上口等位置。

2 巖溶地基的分析

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。隨著越來越多的工程興建在巖溶地區(qū)，巖溶地基問題就成為工程建設(shè)中的突出問題，加強(qiáng)巖溶地基穩(wěn)定性分析評價(jià)，采用合理、經(jīng)濟(jì)的地基處理措施，有著重大的技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。

巖溶地基分析評價(jià)過程的一般步驟為：實(shí)際洞體→幾何模型→力學(xué)模型→數(shù)學(xué)模型→計(jì)算方法→結(jié)論。其核心內(nèi)容是力學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法的研究。近年來在該領(lǐng)域內(nèi)的研究取得較大進(jìn)展,對巖溶空洞地基穩(wěn)定性的分析評價(jià)經(jīng)歷了從定性→半定量→定量的過程。

定性評價(jià)法適用于初勘階段選擇場地及一般工程地基穩(wěn)定性分析評價(jià),包括綜合分析法、經(jīng)驗(yàn)比擬法。其中綜合分析法可根據(jù)洞隙各項(xiàng)邊界條件，對比表1中所列影響洞體的諸因素進(jìn)行綜合分析并作出評價(jià)。

半定量評價(jià)方法：（1）頂板厚跨比法；此法常用于穩(wěn)定圍巖。不考慮頂板形態(tài)、荷載大小和性質(zhì)，根據(jù)近似的水平投影跨度L和頂部最薄處厚度h，求出厚跨比h/L，作為安全厚度評價(jià)依據(jù)。（2）估算頂板安全厚度法。

表1 洞隙穩(wěn)定性定性評價(jià)

定量評價(jià)法：巖溶地基穩(wěn)定性研究的發(fā)展趨勢,必將是由定性到定量,由平面到三維的過程。

3 巖溶探查及其施工問題

工程地質(zhì)勘察的目的是為設(shè)計(jì)和施工提供工程地質(zhì)依據(jù)。但在巖溶地區(qū)巖石面高低起伏變化大，巖石露頭無連續(xù)性和規(guī)律性,表層巖層往往十分破脆。普通的地質(zhì)鉆探難度大，很難反映場地的巖溶情況，常常不能完全滿足設(shè)計(jì)要求，往往在施工過程中還要對場地環(huán)境進(jìn)行復(fù)查，給地基處理、基礎(chǔ)選型方案的選擇帶來很大難度，造成工期長，造價(jià)高，施工質(zhì)量還難以保證。所以，在巖溶場地的勘察工作中不能單純依賴鉆探忽視物探，要兩相結(jié)合，互相認(rèn)證?？刹捎秒姺?、電磁法探測基巖埋深、土洞，劃分上覆松散沉積層序和風(fēng)化帶，采用跨孔電磁波計(jì)算機(jī)層析成像（CT）技術(shù)探測地下洞穴、隱伏斷層、破碎帶。結(jié)合利用傳統(tǒng)鉆探孔，將部分孔加深作為電磁坡發(fā)射及接收井，即可實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)到面（剖面）的探查成果。由于巖溶的形態(tài)和特點(diǎn)巖溶地區(qū)工程活動中常見下列的一些現(xiàn)象、問題：1）鉆探或沖（鉆）孔樁作業(yè)時(shí)，發(fā)生漏漿、漏水、塌孔、卡鉆、埋鉆、掉鉆、偏孔；2）同一承臺，樁長相差甚大，數(shù)米到十余米；3）地質(zhì)鉆孔見巖與鉆（沖）樁、人工挖孔樁見巖不一致；4）出現(xiàn)超長樁；5）人工挖孔樁出現(xiàn)涌水、涌砂、掉入土洞；6）預(yù)制樁壓（打）破頂板突然掉入洞穴，深層攪拌樁掉入洞穴；7）靜壓（錘擊）預(yù)制管樁斷樁率高，斷樁率10%,甚至有的高達(dá) 30～60%；8）地面塌陷，相鄰建筑沉裂；9）同樁抽芯，幾個(gè)鉆孔完全不一樣。

4 巖溶地區(qū)主要地基處理原則

地基評價(jià)不能滿足穩(wěn)定性要求時(shí)，需要對地基進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。一般對地基穩(wěn)定有影響的巖溶洞隙，應(yīng)根據(jù)其位置、大小、埋深、圍巖穩(wěn)定性和水文地質(zhì)條件綜合分析、因地制宜的采取下列處理措施：

4.1 對洞口較小的洞隙，宜采用鑲補(bǔ)、嵌塞與跨蓋等方法處理;

4.2 對洞口較大的洞隙，宜采用梁、板和拱等結(jié)構(gòu)跨越?？缭浇Y(jié)構(gòu)應(yīng)有可靠的支承面。梁式結(jié)構(gòu)在巖石上支承長度應(yīng)大于梁高的1.5倍，也可采用漿砌塊石等堵塞措施;

4.3 對于圍巖不穩(wěn)定、風(fēng)化裂隙破碎的巖體，可采用灌漿加固和清爆填塞等措施;

4.4 對規(guī)模較大的間隙，可采用洞底支撐或調(diào)整柱距等方法處理。

一般對地基穩(wěn)定有影響的土洞，杜絕地表水滲入土層，使土洞停止發(fā)育和發(fā)展，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件許可時(shí)，盡量對地下水采取截流、改道等，以阻止土洞繼續(xù)發(fā)展。當(dāng)土洞埋深較淺時(shí)，采用挖填和梁板跨越；對直徑較小的深埋土洞，可不處理，僅在洞頂上部采用梁板跨越即可；對直徑較大的深埋土洞，可采用頂部鉆孔灌砂或灌碎石混凝土，以充填空間。當(dāng)對地下水不能采取截流、改道等方式以阻止土洞發(fā)育時(shí)，一般可采用樁基等措施。

5 地基基礎(chǔ)處理的比選

采用樁基在巖溶地基上建造高層建筑需要面對一系列特殊問題，如持力層的穩(wěn)定、溶槽溶洞處理、同一承臺下長樁與短樁的應(yīng)力應(yīng)變協(xié)調(diào)問題等。基礎(chǔ)問題不但會嚴(yán)重影響安全、工期和造價(jià)，有時(shí)甚至成為工程成敗的關(guān)鍵。而目前規(guī)范規(guī)程中涉及巖溶樁基的技術(shù)規(guī)定甚少，設(shè)計(jì)與施工依據(jù)不足。下面概述一下巖溶地區(qū)主要使用的樁基形式。

1.1 試驗(yàn)材料 “新超越”黃瓜種子由蘇州市種子管理站提供?！懊鐗阉亍庇商K州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院、蘇州科技大學(xué)合作研制，其主要成分為6類微生物(表1)與黃腐殖酸配制而成的特殊生物制劑。其組成成分中微生物成分占10%，微生物營養(yǎng)占8%(4%的有機(jī)酸和4%的海草灰)，其他成分占82%(基于葡萄糖的培養(yǎng)基)，具有微生物菌群多、營養(yǎng)互補(bǔ)、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。

5.1 沖孔灌注樁

這種樁適用于地下巖溶發(fā)育，有多層溶洞，但溶洞洞穴小，上部洞穴頂板薄的地質(zhì)情況，這種樁可沖(鉆)穿上層溶洞頂板，到達(dá)下層溶洞頂板。有經(jīng)驗(yàn)的施工人員可以從沖擊聲中察覺到頂板的厚度，由此判斷是否已到達(dá)持力層。為穩(wěn)妥起見，可在樁位先做超前鉆，查清洞穴情況，再將沖擊鉆沖至滿足設(shè)計(jì)要求之巖層。但在地下有大溶洞存在的情況下，不宜用這種樁，以免澆灌混凝土?xí)r，造成混凝土流失且難以控制。由于沖孔是靠鉆頭的自由落體運(yùn)動形成的沖力來成孔的，所以沖孔樁還適用于開口裂隙多的地質(zhì)情況，沖擊鉆所造成的樁孔垂直度好。

5.2 鉆孔樁

鉆孔樁的成孔直徑大，一柱一樁，受力清楚，施工方便，適用于單樁荷載大、地下有孤石，夾層分布，巖溶表面不平的情況，用這種樁能鉆穿孤石、夾層，將樁端可靠地支承在持力層上，樁端的嵌巖情況也好。但鉆孔樁不宜用在溶巖裂除多，溶溝多的基巖中，因?yàn)槭┕ぶ腥菀自斐煽ㄣ@、鉆桿沿溶巖斜壁偏斜，以至打偏等現(xiàn)象。

5.3 預(yù)應(yīng)力管樁

預(yù)應(yīng)力管樁適用于地下有淤泥、土洞、流砂、地下溶洞連通暗河等情況，壓樁采用的預(yù)制樁不受上述因素的影響，壓樁的單樁承載力可由壓樁機(jī)上的壓力表觀察到，所以非常直觀，易于掌握，但在土巖軟弱過渡較快處容易出現(xiàn)斷樁。

5.4 群樁

當(dāng)巖溶表面極其復(fù)雜，但巖溶表面上履蓋有較厚沙土層時(shí)，如果采用以上各種樁型都難于施工或保證成樁質(zhì)量和安全度的情況下，群樁不失為解決此類復(fù)雜地質(zhì)情況的一種有效選擇群樁的樁端并不一定要求支承在變化極其復(fù)雜的巖面上，只要在群樁樁端體的壓力泡，能有效搜蓋基巖面，即有堅(jiān)硬的下臥層即可，這樣就避開了復(fù)雜變化的基巖表面對樁基造成的危害或潛伏的危害。采用靜壓預(yù)制管樁作為群樁是較好的一種方式。

5.5 夯擴(kuò)樁

樁由上部樁身和下部復(fù)合載體組成，樁身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，復(fù)合載體是避軟就硬，以碎磚、碎石、混凝土塊等為填充料，在持力層內(nèi)夯擴(kuò)加固擠密形成的擠密實(shí)體。夯擊過程中如遇土洞，可即時(shí)對土洞進(jìn)行充填處理，不會危及地面安全。夯擊到巖面時(shí)，由于強(qiáng)大的夯擊能，實(shí)際上是對巖頂板進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢驗(yàn)。若遇溶洞薄層頂板或節(jié)理裂隙較發(fā)育強(qiáng)度低時(shí)，即可擊穿進(jìn)行“深層強(qiáng)夯”處理，只要達(dá)到某種“收錘標(biāo)準(zhǔn)”就可定量取得承載力。

5.6 復(fù)合地基

對于建筑荷載較小，土層較厚，土洞較多，巖面起伏大，采用復(fù)合地基處理可避免直接應(yīng)用天然地基時(shí)的沉降量大和承載力小的問題。復(fù)合地基部分土體被置換成增強(qiáng)體，由周圍地基土共同承擔(dān)荷載，目前在工程實(shí)踐中多采用深層攪拌樁或剛性樁作為增強(qiáng)體。地基竣工驗(yàn)收應(yīng)進(jìn)行壓板載荷試驗(yàn)，一般承載力可以達(dá)到220kPa左右。

5.7 其它

可以采取削散荷載的方法來減低樁基承受的壓力，通常的做法是挖去一部分地基表面的軟土，做成一層或多層的地下室，可以減少這部分軟土體對樁基產(chǎn)生的附加荷載。可采用增大樁端接觸面，分散應(yīng)力的擴(kuò)底樁也是非常好用的樁基型式。另外，當(dāng)巖溶地基不甚復(fù)雜基巖埋深較淺的情況下，挖孔樁也不失為一種安全、可靠、省錢、直觀的方式。

6 今后應(yīng)著重研究解決的問題

6.1 勘探方面要解決鉆探與物探如何更好的結(jié)合的問題?？梢钥紤]將部分鉆探孔加深兼作跨孔電磁波CT掃描成像技術(shù)孔；提高物探解析的準(zhǔn)確度及精度；對土洞、溶洞的形態(tài)，形成由線到面再進(jìn)入三維的立體映像，輔以巖層的產(chǎn)狀、夾層的巖性等，以提供給設(shè)計(jì)人員一個(gè)明晰的認(rèn)識。

6.2 努力探尋適應(yīng)巖溶地區(qū)的基礎(chǔ)型式。

①發(fā)展樁端噴漿、后注漿技術(shù)；②改善樁頭的嵌固能力；③發(fā)展與巖面有良好接觸應(yīng)力的夯擴(kuò)樁，提高施工效率；④發(fā)展半剛性樁復(fù)合地基基礎(chǔ)型式。