淺析巖溶地區地基基礎的應用

淺析巖溶地區地基基礎的應用

　　導語：喀斯特(KARST)即巖溶，是水對可溶性巖石(碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等)進行以化學溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用為輔的地質作用，以及由這些作用所產生的現象的總稱。由喀斯特作用所造成地貌，稱喀斯特地貌(巖溶地貌)。

　　1、巖溶概況

　　巖溶地貌是具有溶蝕力的水對可溶性巖石進行溶蝕等作用所形成的地表和地下形態的總稱。又稱喀斯特地貌。它以溶蝕作用為主，還包括流水的沖蝕、潛蝕，以及坍陷等機械侵蝕過程。按出露條件分為：裸露型喀斯特、覆蓋型喀斯特、埋藏型喀斯特。巖溶地貌分布在世界各地的可溶性巖石地區，占地球總面積的10%。可溶性巖石有3類：①碳酸鹽類巖石;②硫酸鹽類巖石;③鹵鹽類巖石。

　　中國巖溶地貌分布廣、面積大。主要分布在碳酸鹽巖(石灰巖、白云巖、泥灰巖等)出露地區，面積約91～130萬平方千米。主要分布在廣西、貴州、云南東部和廣東北部，是世界上最大的巖溶區之一。

　　2、巖溶的一般形態和形成原因

　　巖溶是主要形態有溶洞、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和物理作用的結果。巖溶發育的基本條件：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、鹵素類巖層巖溶發展速度較快;碳酸鹽類巖層則發展速度較慢。質純層厚的巖層，巖溶發育強烈，且形態齊全、規模較大;含泥質或其他雜質的巖層巖溶發展較弱。結晶顆粒粗大的巖石，巖溶較為發育，結晶顆粒細小的巖石，巖溶發育較弱。巖溶的發育是緩慢的，在建筑物使用年限內可認為是不變的。

　　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物，土洞其下基巖必有巖溶水通道，土洞常分布于溶溝西側和落水洞、石芽上口等位置。

　　3、巖溶探查及其施工問題

　　工程地質勘察的目的是為設計和施工提供工程地質依據。但在巖溶地區巖石面高低起伏變化大，巖石露頭無連續性和規律性,表層巖層往往十分破脆[1]。普通的地質鉆探難度大，很難反映場地的巖溶情況，常常不能完全滿足設計要求，往往在施工過程中還要對場地環境進行復查，給地基處理、基礎選型方案的選擇帶來很大難度，造成工期長，造價高，施工質量還難以保證[2]。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，要兩相結合，互相認證。可采用電法、電磁法探測基巖埋深、土洞，劃分上覆松散沉積層序和風化帶，采用跨孔電磁波計算機層析成像(CT)技術探測地下洞穴、隱伏斷層、破碎帶。結合利用傳統鉆探孔，將部分孔加深作為電磁坡發射及接收井，即可實現由點到面(剖面)的探查成果。

　　由于巖溶的形態和特點巖溶地區工程活動中常見下列的一些現象、問題：1)鉆探或沖(鉆)孔樁作業時，發生漏漿、漏水、塌孔、卡鉆、埋鉆、掉鉆、偏孔;2)同一承臺，樁長相差甚大，數米到十余米;3)地質鉆孔見巖與鉆(沖)樁、人工挖孔樁見巖不一致;4)出現超長樁;5)人工挖孔樁出現涌水、涌砂、掉入土洞;6)預制樁壓(打)破頂板突然掉入洞穴，深層攪拌樁掉入洞穴;7)靜壓(錘擊)預制管樁斷樁率高，斷樁率10%,甚至有的高達30～60%;8)地面塌陷，相鄰建筑沉裂;9)同樁抽芯，幾個鉆孔完全不一樣。

　　4、巖溶地基的評價

　　巖溶不良地質構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[3]。隨著越來越多的工程興建在巖溶地區，巖溶地基問題就成為工程建設中的突出問題，加強巖溶地基穩定性分析評價，采用合理、經濟的地基處理措施，有著重大的技術價值和經濟意義。

　　巖溶地基分析評價過程的一般步驟為：實際洞體→幾何模型→力學模型→數學模型→計算方法→結論。其核心內容是力學模型、數學模型及計算方法的研究。近年來在該領域內的研究取得較大進展,對巖溶空洞地基穩定性的分析評價經歷了從定性→半定量→定量的過程。

　　定性評價法適用于初勘階段選擇場地及一般工程地基穩定性分析評價,包括綜合分析法、經驗比擬法。其中綜合分析法可根據洞隙各項邊界條件，對比表1中所列影響洞體的諸因素進行綜合分析并作出評價。

　　表1洞隙穩定性定性評價

半定量評價方法：1、頂板厚跨比法;此法常用于穩定圍巖。不考慮頂板形態、荷載大小和性質，根據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，作為安全厚度評價依據。2、估算頂板安全厚度法。

　　定量評價法：巖溶地基穩定性研究的發展趨勢,必將是由定性到定量,由平面到三維的過程。

　　5、巖溶地區主要地基處理原則

　　地基評價不能滿足穩定性要求時，需要對地基進行適當的處理[4]。一般對地基穩定有影響的巖溶洞隙，應根據其位置、大小、埋深、圍巖穩定性和水文地質條件綜合分析、因地制宜的采取下列處理措施[5]：

　　1)對洞口較小的洞隙，宜采用鑲補、嵌塞與跨蓋等方法處理;

　　2)對洞口較大的洞隙，宜采用梁、板和拱等結構跨越。跨越結構應有可靠的支承面。梁式結構在巖石上支承長度應大于梁高的1.5倍，也可采用漿砌塊石等堵塞措施;

　　3)對于圍巖不穩定、風化裂隙破碎的巖體，可采用灌漿加固和清爆填塞等措施;

　　4)對規模較大的間隙，可采用洞底支撐或調整柱距等方法處理。

　　一般對地基穩定有影響的土洞，杜絕地表水滲入土層，使土洞停止發育和發展，當地質條件許可時，盡量對地下水采取截流、改道等，以阻止土洞繼續發展[6]。當土洞埋深較淺時，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。當對地下水不能采取截流、改道等方式以阻止土洞發育時，一般可采用樁基等措施。

　　6、地基基礎處理的比選

　　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[7]，如持力層的穩定、溶槽溶洞處理、同一承臺下長樁與短樁的應力應變協調問題等。基礎問題不但會嚴重影響安全、工期和造價，有時甚至成為工程成敗的關鍵。而目前規范規程中涉及巖溶樁基的技術規定甚少，設計與施工依據不足。下面概述一下巖溶地區主要使用的樁基型式。

　　1)沖孔灌注樁

　　這種樁適用于地下巖溶發育，有多層溶洞，但溶洞洞穴小，上部洞穴頂板薄的地質情況，這種樁可沖(鉆)穿上層溶洞頂板，到達下層溶洞頂板。有經驗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持力層。為穩妥起見，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計要求之巖層。但在地下有大溶洞存在的情況下，不宜用這種樁，以免澆灌混凝土時，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情況，沖擊鉆所造成的樁孔垂直度好。

　　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，因為施工中容易造成卡鉆、鉆桿沿溶巖斜壁偏斜，以至打偏等現象。

　　3)預應力管樁

　　預應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，壓樁采用的預制樁不受上述因素的影響，壓樁的單樁承載力可由壓樁機上的壓力表觀察到，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斷樁。

　　4)群樁

　　當巖溶表面極其復雜，但巖溶表面上履蓋有較厚沙土層時，如果采用以上各種樁型都難于施工或保證成樁質量和安全度的情況下，群樁不失為解決此類復雜地質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，即有堅硬的下臥層即可，這樣就避開了復雜變化的基巖表面對樁基造成的危害或潛伏的危害。采用靜壓預制管樁作為群樁是較好的一種方式。

　　5)夯擴樁

　　樁由上部樁身和下部復合載體組成，樁身為鋼筋混凝土結構，復合載體是避軟就硬，以碎磚、碎石、混凝土塊等為填充料，在持力層內夯擴加固擠密形成的擠密實體。夯擊過程中如遇土洞，可即時對土洞進行充填處理，不會危及地面安全。夯擊到巖面時，由于強大的夯擊能，實際上是對巖頂板進行強度及穩定性檢驗。若遇溶洞薄層頂板或節理裂隙較發育強度低時，即可擊穿進行“深層強夯”處理，只要達到某種“收錘標準”就可定量取得承載力。

　　6)復合地基

　　對于建筑荷載較小，土層較厚，土洞較多，巖面起伏大，采用復合地基處理可避免直接應用天然地基時的沉降量大和承載力小的問題。復合地基部分土體被置換成增強體，由周圍地基土都共同承擔荷載，目前在工程實踐中多采用深層攪拌樁或剛性樁作為增強體。地基竣工驗收應進行壓板載荷試驗，一般承載力可以達到220kPa左右。

　　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生的附加荷載。可采用增大樁端接觸面，分散應力的擴底樁也是非常好用的樁基型式。另外，當巖溶地基不甚復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。

　　7、今后應著重研究解決的問題

　　1)勘探方面要解決鉆探與物探如何更好的結合的問題。可以考慮將部分鉆探孔加深兼作跨孔電磁波CT掃描成像技術孔;提高物探解析的準確度及精度[8];對土洞、溶洞的形態，形成由線到面再進入三維的立體映像，輔以巖層的產狀、夾層的巖性等，以提供給設計人員一個明晰的認識。

　　2)努力探尋適應巖溶地區的基礎型式。

　　①發展樁端噴漿、后注漿技術;

　　②改善樁頭的嵌固能力;

　　③發展與巖面有良好接觸應力的夯擴樁，提高施工效率;

　　④發展半剛性樁復合地基基礎型式。

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