浅谈强岩溶场地勘察与评价的几个关键问题

2019-10-29程宇,龙举,张霖

浙江建筑 2019年5期

程宇,龙举,张霖

(1.贵州省地质矿产勘查开发局111地质大队,贵州贵阳 550008；2.贵州地质工程勘察设计研究院,贵州贵阳 550008)

岩溶地区的地质条件复杂多变,岩溶的发育和分布具有隐蔽性和不均匀性的特点[1]。岩土工程勘察中很难真正查清溶洞、溶沟(槽)、裂隙和土洞等岩溶现象的发育形态和空间分布[2]。常常有些工程因对岩溶地基的认识不足或分析不够,产生不同程度的工程问题[3]。

贵州地处我国西南山区,整体地势西高东低,是全国唯一一个没有平原支撑的省份。地层从南华系到下志留统层位齐全,以浅海碳酸盐岩分布最广,其中岩溶普遍发育。地下水主要以孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水为主。由于地形起伏,在进行工程建设时,边坡多、岩溶发育、地下水复杂等基本的自然因素构成了贵州地区建筑场地和地基独特的岩土工程条件。

本文结合贵阳某集团金阳办公楼及五星级大酒店岩土工程勘察项目,对强岩溶场地岩土工程勘察与评价的几个问题谈一下认识。

1 工程概况

项目位于贵阳金阳新区行政中心,场地西侧为金阳大道,北侧为迎宾东路。拟建建筑由办公楼、大酒店组成。办公楼及大酒店均由裙楼及塔楼组成,办公楼塔楼地上25层，大酒店塔楼地上19层，裙楼地上2层,设有2层地下室。建筑结构为框支剪力墙结构,最大单柱荷载为9 000 kN,一般荷载为4 000 kN。

2 地质条件

2.1 地质构造

建筑场地在地质构造上处于贵阳向斜西翼,场地附近无断层通过,次一级构造亦不发育,出露地层为三叠系下统安顺组(T1a),岩性为中厚层白云岩,倾向65°,倾角15°。

2.2 地层岩性

场地地层由素填土、红黏土及下伏基岩组成,场地岩土单元细分如下：

1)素填土(Qml)：厚0～4.2 m,由黏土夹碎石、块石,力学强度低,零星分布于场地地表,局部为平场放炮震松的松动块石。

2)红黏土(Qel+dl)：红黏土位于素填土层之下或出露地表,黄色,根据状态可分为硬塑、可塑、软塑三个亚单元层,场地中局部地段缺失；硬塑红黏土厚度0～8 m,土质均匀,局部含黑色铁锰质氧化物；可塑红黏土分布于硬塑红黏土层之下,厚度0～5 m；软塑红黏土主要分布在场地中溶沟、溶槽或溶洞、裂隙中。

3)基岩(T1a)：场地基岩岩性为三叠系安顺组薄至中厚层白云岩,岩面起伏较大,零星出露地表,按风化程度可细分为强风化基岩和中风化基岩两个亚单元层。强风化基岩大部分地段缺失,质软,钻探岩芯呈砂块状；中风化基岩是场地基岩的主体,岩质较硬,本次钻探未揭穿,其白云岩岩芯呈柱状、短柱状,局部地段为砂状、碎块状。

2.3 水文地质条件

场地地下水有上层滞水和基岩溶蚀裂隙水两种类型。上层滞水主要贮存于土层中,受大气降水的影响,水量变化较大；场地地下水主要为基岩层中的溶蚀裂隙水,属潜水类型,贮存于基岩溶洞裂隙中,局部地段岩溶洞隙较发育,水量相对较大。通过在钻孔内作一孔两次降深抽水试验,测得渗透系数K=1.11 m/d。

3 勘察方案及钻探情况

3.1 勘察方案

3.1.1 勘察方法的选择

本工程勘察采用地面调查、工程测量、钻探、钻孔超声波纵波速测试、钻孔剪切波(横波)测试、常时微动测试、抽水试验、静载试验及室内岩土试验等多种勘察手段和工作方法。

3.1.2 钻孔布置原则

根据国家规范和地方标准,钻探孔的布置首先采用“一桩一孔”的方案布置钻孔；待设计提供基础设计图后,对于基础底面积A大于2 m2的桩孔增加一个钻孔；采用机械成孔的桩位,在详勘钻孔基础上增加不宜少于2个钻孔。

3.1.3 钻探深度控制原则

1)钻探孔应进入预计桩端平面以下连续稳定的中风化岩石不小于5 m,待设计提供桩径图后,对不满足5D的钻孔应进行补勘；

2)端承桩桩端全断面嵌入持力层岩石的深度不应小于0.5 m；

3)当某钻孔遇溶洞时,钻孔须揭穿溶洞后再满足1)和2)的要求,同时对相邻尚未施工结束的钻探孔按45°刚性角考虑加深钻孔的钻探深度；对相邻已施工结束的钻探孔,在成果资料整理过程中进行稳定性计算后再确定是否需要进行补勘加深钻探深度。

3.2 钻探情况

3.2.1 岩溶发育情况

该场地完成的412个钻探孔中有84个钻孔遇岩溶洞隙,钻孔见洞隙率为20.4%。场地的岩溶形态主要为溶洞、溶沟(槽)、裂隙等,场地中所有岩溶洞隙都被软塑状黏土或黏土夹风化石充填,无空洞存在。具体见表1、表2。

表1 岩溶洞隙发育统计表

表2 岩溶洞隙大小统计表

3.2.2 岩面起伏情况

根据钻探数据,绘制了场地基岩面高程等值线图,见图1。从图上可直观了解基岩面起伏较大,部分区段相邻钻孔之间基岩起伏面高差大于5 m,其中场地北侧和西南侧岩面起伏较大。该区域岩体存在较多临空面,定性评价该区域地基稳定性较差。

图1 基岩面高差等值线图

4 岩土工程分析评价的几个关键问题

4.1 特殊性岩土工程特性分析

红黏土分布于该场地大部分区域,其厚度变化较大。由于红黏土具有“上硬下软”的特征,即其物理力学特性沿深度的变化规律与一般土体剖面的变化规律正好相反。在基岩面高差较大形成的沟槽下部以及溶洞、溶槽内分布有一定厚度的软塑红黏土。

该层土体承载力低、自稳性差,在开挖施工扰动或抽取地下水时容易形成“流土”现象,影响工程施工的正常进行,严重者可能引起垮孔、塌陷等安全事故。

4.2 地基基础方案评价

4.2.1 持力层选择的问题

持力层的选择应根据场地工程地质条件,并结合拟建建筑上部荷载情况进行综合考虑。该场地中风化白云岩层承载力高、压缩性低、分布连续,且埋深不大,是最佳的天然地基持力层。

4.2.2 基础形式与基础埋深的确定

由于岩溶区基岩面起伏较大,同一场地基础的埋深差异也较大,从而导致基础形式也不一样,常见的组合为“柱下独立基础+桩基础”。

从质量可靠、技术可行、经济合理的角度出发,基础方案及基础埋深确定的原则如下：

1)当中风化基岩出露于地下室底板或从地下室基底面起算埋深小于3.0 m,且预计基础底面以下地基主要受力层深度内无深洞、临空面分布时,宜优先选用柱下独立基础。

2)有岩溶洞隙分布的桩位,当洞隙埋深比较大、洞顶板为中风化白云岩且厚度不小于5.0 m时,可以考虑用洞顶板作持力层,但须根据上部荷载大小适当作基础加大处理；当洞顶板厚度偏小或顶板质量较差时,基础须作穿洞处理并采用与之相适应的桩基础。

3)基岩层起伏性较大地段,适当加大基础埋深以避免基础应力扩散角范围内有临空面存在；相邻基础埋深相差较大的,应将埋深浅的基础适当加深,避免埋深浅的基底应力叠加在埋深大的基础上。如图2和图3,将基底标高降到1 280 m处,才能保证其稳定。

图2 基础存在临空面

图3 相邻基础埋深相差较大

4.3 成桩施工工艺评价

目前大直径灌注桩的成桩工艺主要为人工挖孔和机械成孔两种方案。但在岩溶场地,这两种成桩工艺各有优缺点。现针对以上两种成桩工艺的特点进行比较,见表3。

通过表3中对两种成桩工艺进行综合比较,从经济和质量的角度考虑,建议采用人工挖孔工艺。但对处在深大溶洞发育区、稳定岩层埋深比较大的孔桩,由于孔深较大、孔内抽水困难,软塑黏土厚度大,为了保证施工安全,可考虑机械成孔方案。

4.4 地下室抗浮问题

岩溶地区碳酸盐岩岩面以上土层通常为红黏土,其中红黏土的渗透系数很小,可视为不透水层；碳酸盐岩的渗透性主要取决于岩体的节理裂隙或岩溶洞隙的发育程度,其渗透性具有不均匀的特点。

而建筑物地下室底板常常置于不透水层(红黏土层)之中或以下,当出现强降雨或其他地表水倒灌或沿地下室侧墙的回填带下渗时,易引起水位快速上升,形成“盆池效应”,导致地下室底板上浮的事故。

4.5 持力层检查

岩溶洞隙制约着岩溶地基的稳定性。如果地基主要受力层深度范围内一旦有隐伏不明的岩溶洞隙存在,则在基础压力作用下地基易发生强度破坏造成工程隐患。故持力层检查对工程安全具有重大意义[4]。

表3 灌注桩成桩工艺特点比较

4.5.1 人工挖孔桩持力层检验方法

1)检验开挖情况是否与勘察报告一致,检验设计和地勘要求揭穿的岩溶洞隙是否揭穿到位,检验开挖到位的基底持力层的质量特征是否达到地勘报告的要求；

2)终孔时,应用钻机或风钻对孔底3～5d且不小于5 m深度范围内持力层性状进行检验,无异常后方能封底浇灌基础；

3)对实际开挖情况异常及与勘察报告有较大出入的桩孔,应进行施工勘察。

4.5.2 机械成孔桩持力层检验方法

由于机械成孔桩勘察技术人员无法下孔验槽,不能像人工挖孔桩一样可以直观地检查孔底地质情况和在孔底进行钎探检验。因此在复杂的岩溶场地采用机械成孔施工工艺成桩时,验槽通常从以下几个方面进行控制：

1)依据地勘资料建议标高控制。由于岩溶场地地质条件非常复杂,岩溶洞隙在岩体中的发育仅凭一个钻孔揭露的地质情况是无法控制整个桩底面积及其周边的地质情况的,所以常常采用一桩不少于3个钻孔的方式进行控制。

2)根据成孔时长控制。碳酸盐岩一般属于硬质岩,施工机械在稳定持力层中进行钻掘时,每米的成孔时间比在不完整(岩溶洞隙发育)岩层中的时间长。

3)对掘进获得的岩样进行检查,判断是否与地勘建议持力层的岩性相符。

4)当桩孔掘进至预定标高后,利用一种岩溶场地机械成孔桩验槽的简易装置对桩底进行全断面触探,检查桩底持力层的完整性。该装置是采用DN20的钢管制作而成。每节钢管的长度为3～5 m,选择其中一节钢管的一端焊接一个圆锥体端头进行封闭处理,另一端与其余钢管通过丝扣连接。连接的长度根据桩孔深度进行确定。该装置的使用获得了较好效果,能有效检查桩底持力层是否存在溶(沟)槽。