浅谈岩溶地区房屋建筑的基础设计
2016-09-26
岩溶地区上高层建筑的基础设计是建筑工程中的难点。由于岩溶地区存在土洞和溶洞，岩面起伏大，地下水多，各种桩基都有应用，但一般施工都较困难，因此，岩溶地区高层建筑基础设计一直是一个尚未很好解决的问题。
一、岩溶地区地基状况介绍
岩溶（karst）亦译喀斯特。岩溶指可溶性岩石，特别是碳酸盐类岩石（如石灰岩、石膏等），受含有二氧化碳的流水溶蚀，有时并加以沉积作用而形成的地貌。往往呈奇特形状，有洞穴、石芽、石沟、石林、溶洞、地下河也有峭壁。此种地貌地区，往往奇峰林立。通常指岩石裸露、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区。是地下水对可溶性块状石灰岩溶蚀的结果。岩溶不良地质构成的岩溶地基常常引起地基承载力不足、不均匀沉降、地基滑动和塌陷等地基变形破坏。岩溶给建筑工程的地基处理带来一定的难度，因为一是岩溶面标高起伏差异大；二是形成岩洞的位置、大小变化不一，且无一定的规律有些在同一垂直面上可能有两个以上的岩洞，各岩层风化程度也错综复杂；三是各溶洞的连通性难以评估，地下水的变化也使得地基处理复杂；四是土洞由于比岩溶发育更快，情况更难以判断。因此，在岩溶地区建造建筑物应十分慎重。
二、岩溶地区基础设计前应注意的事项
在岩溶地区，建筑物的基础设计作为结构设计的重难点，在工程界普遍引起重视。因此，在对场地进行总体规划时，结构和勘探专业就应提前介入，同时给规划和勘探专业提供一些专业性的建议，尤其是对一些特别不适合建造建筑物的地段，如果该地段地下溶洞很大很深等，我们就应该在规划时尽量避开。在掌握建筑物平面布置、结构形式及荷载资料的同时，对场地的各种土层性质、溶层和溶洞的分布等详细的地质情况的了解更是成了基础设计中的重中之重。
三、设计实例
某工程由8栋住宅楼组成，塔楼部分拟建地上33层，地2层，裙楼部分地下2层，地上无建筑，为带局部转换的剪力墙结构（见图1所示）。该工程原设计基础形式为冲孔灌注桩，桩端持力层为溶洞底面以下的微风化泥岩或灰岩。工程地质报告显示C5、C8栋场地地质情况良好，而C6、C7栋则地质情况较复杂，地下溶洞发育较广，且底板以下土层分布有两层砂层及局部土洞。工程桩施工已完成约130根，大部分位于C5和C8塔楼范围内。而在施工C6、C7塔楼范围内桩的过程中，经常发生塌孔情况，造成施工困难，施工进度受到影响。针对以上现场情况，决定对C5～C8的基础方案进行优化
（一）工程地质及水文地质条件
该工程第四系覆盖层主要为人工填土、冲积淤泥质土、砂层、粉质粘土以及残积土，下伏白垩系和三叠系沉积岩。场地地下水主要为冲积区内第四系孔隙潜水及深部基岩裂隙、岩溶水，勘探期间水位埋深1.9～2.3m。场地内砂层、岩溶发育，地下水丰富且与珠江水系存在强烈水力联系，水文地质条件复杂。
该工程场地岩溶类型有两种：第一种是第四系覆盖灰岩的浅覆盖岩溶，呈东、西条带状，近似南北走向，其中C6、C7栋建筑位于东条带；第二种是灰岩上覆泥岩及第四系的埋藏型岩溶。根据前期勘探资料，后者发育相对较弱，前者则强烈发育。岩溶发育特征有：灰岩（浅覆盖岩溶区）岩面起伏剧烈，溶沟（槽）极为发育；钻孔遇岩溶洞隙率高达75%；溶洞竖向分叉形成多层洞穴甚至出现4、5层洞穴，受构造控制，发育主导方向为南北向并相互联通，在平面上形成网状岩溶、裂隙管道。岩溶洞穴顶板厚度不足3m的达69.3%，溶洞顶板过薄是其主要特征；洞穴充填率77.8%，主要为流塑状粉质粘土且不稳定，工程上难以利用。
（二）基础优化方案
根据场地范围内的溶洞发育情况，综合考虑上部结构的荷载情况及施工现场进度对C5～C8基础进行优化，分别采用以下三种基础形式：
（1）天然基础+抗拔锚杆
塔楼范围外仅设2层地下室，地面以上无裙楼该部分柱荷载较小，可改用天然基础，持力层为粉质粘土层，承载力特征值要求为200kPa。此外由于上部荷载较小，存在上浮力。故在天然基础内加设抗拔锚杆，单锚抗拔力设计值220kN，锚杆为φ150嵌固层为中风化以上岩层，入岩长度为3m。计算结果显示天然基础沉降约32mm小于0.005倍柱距满足基础设计规范要求。
（2）筏板基础+复合地基
C6、C7塔楼范围由于岩溶较发育，桩基施工难度较大。故设计改为筏板基础+复合地基基础形式。筏板总长约64m、宽约40m。C5与C6、C7与C8交接部位由于建筑位置限制仅出挑约100mm。由于此出挑长度不足以造成局部应力集中现象，故设计中通过加大板厚及提高该区域地基承载力措施予以改善。经试算设计筏板基础厚度为1.8m，核心筒部位为2.2m。C5、C6与C7、C8交接部位为2.2m转换柱下布置板下墩，厚2.2m。以C6栋核心筒为例验算
A.抗冲切验算m=22.3m内筒最大荷载Nmax=36974KN，筏板最大荷载9.8578×105KN筏板底面积2617.8m2，平均基底反力376.6kPa；冲切锥体底面积51.73m2，冲切力F1=17495KN。F1/umho=0454.8<0.7βhp，ft/η=808.3，满足要求。B.抗剪验算：筒外h0处边长29.2m，面积51.73m2，剪力Vs=599.13kN/m<0.7，βhpftbwh0=1569，满足要求。其余结果显示，柱及剪力墙下筏板的冲切均满足要求，筏板的配筋也在合理范围内。计算结果显示，筏板基底反力约400kPa，核心筒及C6、C7交接位置基底反力约500kPa，C5与C6、C7与C8交接部位基底反力约500kPa，故上述各部位设计要求筏板下地基经处理后承载力特征值分别为500、550、600kPa，转换柱下板跨要求为450kPa。筏板计算模型变形模量按30MPa考虑，计算结果显示筏板上柱与剪力墙之间的不均匀沉降最大值小于0.0025倍柱距，满足基础设计规范要求。地基采用CFG桩复合地基形式，桩径φ400桩身为C25素混凝土。根据地基承载力要求，采用正方形或三角形布桩，桩距1m，桩底进入强风化岩2～3m或坐落于中微风化岩面。单桩承载力特征值根据地基承载力要求设计为320～410kN。施工完成后为410～560kPa，考虑地基深度修正后满足设计要求。
（3）冲孔灌注桩基础
C5及C8塔楼范围内地下溶洞较不发育，且施工进度反映C8塔楼冲孔桩已基本完成，C5塔楼的冲孔桩已完成约30根，证明冲孔桩在此两塔楼范围内施工基本可行，本次基础修改方案C5、C8塔楼范围的工程桩按原设计桩基础。
我们根据以上分析进行基础设计，投资方和施工单位根据我们的要求进行选择施工，实践证明工程进展顺利，并通过各种检测和验收，顺利进入主体施工。
