刘泽坤

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北 武汉 430064)

因地下水侵蚀作用而形成的岩溶地质在我国各地区广泛分布，其地质条件复杂、且无规律，但由于城市建设用地日趋紧张，避开岩溶发育地区进行建设非常困难，因此，当必须在岩溶发育场地新建建筑物时，应视其具体情况进行分析研究，慎重对待，存在地下暗河、伏流的场地，不宜建设。

文献[1]对岩溶地质条件下地基基础设计提出了指导意见；文献[2]结合湖北省的地质特点和工程经验，制定了湖北省岩溶发育地区进行地基基础设计的相关条文；但由于岩溶地质情况复杂多变，实际设计中每个具体工程的情况都有较大差异，如何安全合理地进行复杂岩溶地质条件下的地基基础设计是个难题[3]。本文拟结合具体工程，就该工程的岩溶地质特点和地基基础设计情况进行研究分析，供类似工程参考。

1 工程概况

1.1 基本情况

咸宁高新区智能制造产业园工程位于湖北省咸宁市咸安区，规划总用地面积约11万m2，规划总建筑面积约15.6万m2，其中8栋多层厂房建筑面积约15万m2，其他附属配套设施的建筑面积约6000m2。1#、2#厂房建筑层数为三层，建筑高度19.05m，平面尺寸120m×42m，典型柱网为9m×9m；3#—6#厂房建筑层数为四层，建筑高度23.55m，平面尺寸120m×42m，典型柱网为9m×9m；7#、8#厂房建筑层数为四层，建筑高度23.80m，平面尺寸108m×48m，典型柱网为9m×9m。整个厂区东西长约366m，南北长约326m，呈北边略短，南边略长的梯形形状，地势东南高、西北低，自然地形最低标高35.65m，最高标高45.65m，东南向与西北向最大高差约10m。

工程所在地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组为第一组。所有建筑均为钢筋混凝土框架结构，抗震等级为四级，地基基础设计等级为乙级，建筑桩基设计等级为乙级。

1.2 地质情况

1.2.1 场区岩土地层分布

根据地勘报告，在勘察深度范围内，根据钻孔揭露的地层自上而下分为：

第①层杂填土：松散，稍湿，主要为粘性土夹少量砾石及建筑垃圾，经由近期人工堆填而成，堆填时间0～5a，欠夯实。局部分布，最薄处为0.50m，最厚处为12.50m，平均厚度为4.75m。

第②层粉质黏土：可塑，稍湿，粘粒为主，粉粒次之，含少量铁锰质结核，土质较软。局部分布，最薄处0.70m，最厚处7.00m，平均厚度2.95m。

第③-1层含砾粉质黏土：硬塑，稍湿，粘粒为主，粉粒次之，含少量白色高岭土团块及砾石，砾石约占20%，粒径2～30mm，个别30～50mm，呈次棱角状，土质较硬，粘性较好。局部分布，最薄处0.60m，最厚处12.50m，平均厚度5.25m。

第③-2层含砾粉质黏土：可塑，稍湿，粘粒为主，粉粒次之，含少量砾石(约占20%)，粒径2～30mm，个别30～50mm，呈次棱角状，土质较软。局部分布，最薄处0.50m，最厚处6.20m，平均厚度2.46m。

第③-3层含砾粉质黏土：软塑，湿，粘粒为主，粉粒次之，含砾石(约占20%)，粒径2～30mm，个别30～50mm，呈次棱角状，土质软。局部分布，最薄处0.90m，最厚处9.30m，平均厚度2.66m。

第④-1层中风化粉砂岩：粉砂质结构，层状构造，裂隙发育，岩芯破碎～较破碎，多呈块状夹短柱状。局部分布，勘察揭露深度范围内，最大揭露厚度为12.80m。

第④-2层中风化砾岩：砾状结构，层状构造，泥质胶结，胶结较差，岩石较破碎～较完整，芯多呈柱状、块状。全场分布，勘察揭露深度范围内，最大揭露厚度为8.80m，未揭穿该层。

1.2.2 场地不良工程地质作用

岩溶：该场地隐伏基岩第④-2层中风化砾岩中，见溶隙、溶洞等，本次勘察219个钻孔中揭露第④-2层中风化砾岩钻孔167个，其中有34个钻孔发现溶洞，见洞隙率为15.5%，最大洞高3.0m，充填类型全充填、半充填、无充填均有，充填物为可软塑状含砾粉质黏土。根据场地地质情况及钻孔见洞隙率，初步判定该场地岩溶中等发育[4-6]。

填土：该场地局部分布有第①层杂填土，最厚处达12.5m，主要由粘性土及少量建筑垃圾经人工近期堆填而成，土质松散，自然密实程度差，为欠固结土，物理力学性质极不稳定[7]。

地基不均匀：该场地自然土层类型简单，但各土层水平及垂直分布不均匀，岩土层的层面一般坡度大于10°，属不均匀地基土[8]。该建筑场地基岩为白垩—第三系粉砂岩、砾岩，沉积厚度较大，受古地理和岩溶溶蚀双重作用影响，岩层面凸凹不平，垂直起伏较大，其层面坡度一般大于10°。

场地各主要地层设计参数见表1。

表1 地层设计参数

2 基础选型

根据地勘报告可知，整个厂区大部分区域地层分布为第①层杂填土+第④-1层中风化粉砂岩或第④-2层中风化砾岩，杂填土厚度不均，最薄处为0.50m，最厚处为12.50m，且不能作为建筑物的基础持力层，因此该厂区建筑物除局部区域岩层埋深较浅可采用天然地基外，大部分区域均无法采用天然地基；如采用预应力混凝土管桩基础，厂区大部分区域桩侧为杂填土，无阻力，桩端承载力因管桩桩径不大也很小，单桩承载力很小不经济，且桩端需进入中风化岩层，施工也较为困难，综合分析比较，决定该厂区建筑物基础形式大部分采用大直径钻孔灌注桩，优点一是桩径较大，可以充分利用桩端中风化岩层的承载力，经济性好，二是现场钻孔施工，遇到不良地质情况时，可及时处理，且施工工艺成熟，桩端能够进入中风化岩层，三是在岩溶发育地区，采用大直径嵌岩桩，安全系数高。

根据上部结构计算结果，标准组合下该厂区大部分厂房的柱底轴力约为4600kN，最大值约为8600kN；经试算，如采用900mm直径钻孔灌注桩，桩端持力层为第④-1层中风化粉砂岩时，单桩承载力特征值约为1200kN，桩端持力层为第④-2层中风化砾岩时，单桩承载力特征值约为1800kN，厂房大部分柱下桩数为4～5根，个别柱下桩数达到6～9根，整个厂区建筑物桩基根数达到2000多根，地基基础造价过高，经济性较差。

经研究分析，认为地勘报告中对该场地中风化岩层的桩端阻力特征值取值偏小，可适当提高；为保证工程质量降低工程造价，由业主方邀请当地相关方面专家，组织召开了地勘报告研究方案会，经过会议讨论，形成处理方案如下：①该厂区所有建筑物均采用大直径钻孔灌注桩；②岩层距离地面3m以内采用柱下独立基础；③场地先进行3根试桩，根据试桩结果由勘察单位调整岩层桩端阻力特征值。

会后在厂区选取三个典型区域进行试桩，试验桩在加载至极限状态下均未破环，桩基沉降值在规范允许范围内，勘察单位根据试桩结果将第④-1层中风化粉砂岩的桩端阻力特征值调整为2500kPa，将第④-2层中风化砾岩的桩端阻力特征值调整为6000kPa，以此作为该场地桩基承载力设计依据。

3 基础设计

3.1 桩基础设计

根据地勘报告研究方案会处理方案，并基于施工及经济性考虑，该工程桩基采用钻孔灌注桩，桩径0.9m，因厂区大部分区域桩侧为杂填土，桩基无侧阻力，另外，因为该场地岩溶中等发育，为提高安全储备，设计中也不计入桩基嵌岩段的侧阻力，只计入桩端阻力，经计算，当桩端持力层为第④-1层中风化粉砂岩时，单桩竖向承载力特征值为1500kN，当桩端持力层为第④-2层中风化砾岩时，单桩竖向承载力特征值为3500kN。

在岩溶中等发育场地的嵌岩端承型桩，为增加桩基安全度，规范要求桩端全断面进入岩层表面深度不小于2m[9，10]；当岩层表面存在溶洞(槽)或串珠状溶洞(槽)时，桩端嵌入溶洞(槽)底部完整岩石的深度不小于0.5m，且桩身入岩深度总和不小于2m[2]；因此该工程桩基要求桩端进入中风化岩层按不小于2m考虑[11]。另在岩溶发育场地，岩溶分布无规律，前期详勘无法准确查明桩端以下岩溶的空间分布，对端承型桩基而言存在安全隐患，规范规定在岩溶发育区采用嵌岩桩时应逐桩进行施工勘察，钻孔进入桩端以下完整岩石的深度不应小于5m，并检查施工勘察钻孔柱状图，保证桩端以下5m内为完整岩石无岩溶发育，并以此作为该桩基终孔依据[2]。

该厂区根据桩基布置图完成施工勘察后，检查施工勘察钻孔柱状图发现，厂区大部分区域内第④-2层中风化砾岩与第④-1层中风化粉砂岩并没有明显的垂直分界面，上下互层，层层交叠，且厚度不一，与详勘报告不一致，施工勘察结果如图1所示；经与勘察单位沟通，为保证桩基安全，岩层上下互层区域桩端阻力特征值均按第④-1层中风化粉砂岩取值，并对该区域桩基承载力进行调整；另根据施工勘察结果，对桩端以下5m内存在溶洞的桩基桩长进行调整，要求桩端嵌入溶洞(槽)底部完整岩石的深度不小于0.5m，且桩身入岩深度总和不小于2m[12]。

图1 施工勘察钻孔柱状图

3.2 独立基础设计

根据地勘报告研究方案会处理方案，并基于施工及经济性考虑，岩层距离地面3m以内采用柱下独立基础，基础持力层为第④-1层中风化粉砂岩或第④-2层中风化砾岩，计算基底面积时，地基承载力特征值按地勘报告取值；经验算，厂房大部分柱下独立基础平面尺寸1.8m×1.8m即可。

由于建筑底层结构柱截面尺寸为900mm×900mm，基础底面尺寸小于柱宽加两倍基础有效高度，独立基础为刚性基础，根据规范[13]要求应验算柱与基础交接处的基础受剪切承载力，由于岩石地基基底反力较大，计算得出基础高度特别大，显然不合理，且由于需满足基础最小配筋率的要求，基础配筋会非常大，于是将基础平面尺寸调整为2.2m×2.2m，基础仅满足受冲切验算即可，并调整基础高度保证基础宽高比不大于1[14]，经验算，独立基础高度700mm时即可满足规范要求[15]。

4 施工问题处理

4.1 桩基护壁方式

因为旋挖钻机成孔机械化程度高、成孔速度快、质量好，该厂区大直径钻孔灌注桩施工采用旋挖钻机成孔技术，当地层分布为“含砾粉质黏土+中风化岩层”时，由于含砾粉质黏土呈硬塑状态，无地下水，无须担心塌孔，可采用干成孔技术；当地层分布为“杂填土+中风化岩层”时，由于杂填土松散，堆填时间短，欠夯实，含水丰富，拟采用泥浆护壁成孔技术；但在旋挖钻机施工过程中，发现厂区局部区域内杂填土层中夹有淤泥，且地下水含量丰富，在钻进过程中，孔壁容易坍塌，尤其在岩土交界线处，土质松散，钻孔后加速了地下水在岩土分界线处的流动，分界线上部土体在水流冲刷和浸泡下极易坍塌引起孔壁大面积坍塌。

根据场地实际情况，该工程对塌孔严重的桩位采用振动锤沉入钢护筒的护壁方式，通过钢护筒穿越易塌孔土层，当塌孔部位位于岩土交界处时，钢护筒下到基岩面以下300～500mm，钢护筒采用12mm厚钢板制作，并保证其内径大于钻头直径100mm。

4.2 溶洞处理

常用的溶洞处理方法有填充黏土和片石法、灌注低标号混凝土法、钢护筒跟进法等，根据施工勘察，该场地大部分溶洞洞高在3.0m以内，充填类型全充填、半充填、无充填均有，充填物为可软塑状含砾粉质黏土，为满足工程进度，结合现场实际情况，初步确定该工程桩侧溶洞采用灌注低标号混凝土法进行处理。

当施工勘察发现桩基平面范围内存在溶洞时，在钻孔揭穿溶洞顶板时，下导管到溶洞底，灌注C15混凝土，并在灌注过程中向孔内投入毛石，将毛石混凝土灌注至溶洞顶板上2m，待混凝土强度达到80%后再进行钻孔施工[16]。当相邻桩基均发现溶洞时，建议采用跳桩施工方法，待前桩桩芯混凝土灌注后再施工相邻桩基[17，18]。

4.3 基底岩面凹凸不平

该厂区独立基础施工开挖后，发现由于岩溶溶蚀作用的影响，基底中风化岩层表面凸凹不平，且局部岩面有溶蚀形成的溶沟；针对这种现象，为保证基础安全，对基底岩面采用素混凝土垫层调平的措施进行处理；岩面凸起部分采用素混凝土垫层调平，凸起高度控制在300mm左右，当凸起超过300mm时，将凸起部分凿平；岩面凹陷部分清空里面杂土、碎石，采用素混凝土垫层回填；如遇溶沟，继续下挖1～2m，挖至岩层也采用素混凝土垫层回填，如挖不到岩层，也采用素混凝土回填，并且根据基础面积范围内溶沟的占比，对地基承载力特征值进行相应折减，重新验算基底面积，基底岩面调平处理做法如图2所示[19]。

图2 基底岩面调平处理做法

5 结 论

1)当场地内存在不同的地层分布时，基础可根据实际情况选用不同的型式。

2)岩溶发育区采用嵌岩桩时应逐桩进行施工勘察，钻孔进入桩端以下完整岩石的深度不应小于5m，并应检查施工勘察钻孔柱状图，保证桩端以下5m内为完整岩石无岩溶发育，并以此作为该桩基终孔依据。

3)注意岩石地基上独立基础的受剪切承载力验算，如不满足，建议调整基底面积，基础高度满足受冲切验算，且宽高比不大于1。

4)根据场地实际情况，对塌孔严重的桩位采用振动锤沉入钢护筒的护壁措施，钢护筒穿越易塌孔土层，当塌孔部位位于岩土交界处时，钢护筒下到基岩面以下300～500mm。

5)桩基施工过程中如遇溶洞，可采用灌注低标号混凝土法进行处理，待混凝土强度达到80%后再进行钻孔施工。当相邻桩基均发现溶洞时，建议采用跳桩施工方法，待前桩桩芯混凝土灌注后再施工相邻桩基。

6)基底中风化岩层表面凸凹不平，且局部有溶蚀形成的溶沟时，对基底岩面采用素混凝土垫层调平的措施进行处理。