场地存在溶洞的某高层建筑基础设计

史俊杰 王家麟 葛 畅

(1.无锡市建筑设计研究院，江苏 无锡 214001;2.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

1 工程概况

本工程位于6度抗震设防地区，包括1号～16号共16栋住宅和一个单层地下车库，地下车库与主楼连为整体。场地东北角存在溶洞，其中1号，2号，15号，16号楼在此场地上。

以1号楼为例，为34层住宅，层高均为2.9 m，建筑高度为98.6 m，主楼周边为大地下室。本工程室内标高±0.000相当于黄海系统绝对标高5.400 m。主楼设有二层地下室，为自行车库，地下1层层高2.8 m，地下2层层高2.9 m。主楼地下2层与大地下室相通，板面无高差，板面标高均为－5.700 m。大地下室为一层机动车停车库，层高3.9 m。主楼一层楼板与大地下室顶板高差1.8 m，大地下室覆土1.5 m。

2 工程地质条件

2.1 岩土工程勘察情况

根据岩土工程勘察报告，拟建场地第四纪沉积物覆盖厚度46.7 m～76.0 m，基岩为石灰岩(三叠系青龙群中下段)。在勘察深度范围内(85 m)地层主要由表填土、粉质粘土、粉土夹粉质粘土及粉土组成，可划分成13个工程地质层组。基岩顶面以下2.0 m～10.0 m段岩溶、裂隙及溶蚀现象较发育，为本场地主要不良地质作用现象。基岩顶面10.0 m以下岩层裂隙及溶蚀现象不发育，基岩完整，基岩质量指标RQD=97，为良好。

场地类别Ⅲ类，设计地震分组为第一组，场地特征周期0.45 s。

2.2 物探工程报告

为了更加准确掌握场地内溶洞的分布和特性，对建设场地又进行了10条高密度电法勘探(探测深度85 m)及场地内12个补勘钻孔(孔深47 m～70 m)CT层析成像野外物探测试工作。物探勘测查明，在测试剖面内，岩层总体均匀性良好，石灰岩层内局部岩溶发育，主要为粘土充填形式，存在多处空洞。测试探明了岩土层内的溶洞分布共计20个，其中空溶洞4个，(半)填充溶洞共计16个。

3 基础设计

根据建筑情况和已查明的场地地质条件，本工程拟采用桩筏基础。

3.1 桩的选型和基础形式

若采用嵌岩桩，单桩承载力比较高，可以采用墙下布桩方式，但是对于本工程而言存在以下问题:1)若桩端支承于溶洞顶面岩层，因岩层厚度的不确定性，岩面承载力难以保证，即使对溶洞采取灌浆填实，因溶洞大小的不确定性因素，注浆量难以估算。2)若桩端支承于溶洞下的基岩，需打穿溶洞上的岩层，施工难度较大。3)由于岩面起伏很大，且上覆土层厚度较大，考虑到嵌岩桩桩长变异性过大，嵌岩施工难以实施[1]。4)对于本工程而言，嵌岩桩单桩承载力较高，不能充分发挥桩的承载力，造成浪费。5)嵌岩桩本身施工难度大，工程造价较高，经济性不好。

若采用摩擦桩，虽然可以避免嵌岩桩的一些比较棘手的问题，但是也存在以下问题:

1)根据岩土工程勘察报告所提供的参数，试算各直径桩单桩竖向承载力特征值见表1。由于土的工程特性不佳，根据经验判断，单桩承载力相对本地区其他工程较低，采用墙下布桩方式比较困难。

2)桩端(桩长35 m)离溶洞顶面岩层的距离较近，大概只有5 m～6 m，上部结构通过实体桩基础传递到岩面的荷载有可能造成溶洞坍塌。

表1 各直径桩单桩竖向承载力特征值表

通过综合比较分析，本工程拟采用直径600 mm，桩长30 m的钻孔灌注桩满堂布置，单桩承载力特征值为Ra=1 420 kN。桩端持力层取⑥-3层粉质粘土，桩端进入⑥-3层土大于1.20 m，筏板厚度取1 600 mm，比同一地区、相同类型、地质条件简单的工程适当加厚。

采用以上基础形式基于以下几点原因:1)采用摩擦桩，相对嵌岩桩可以避免一些难以解决的问题，其施工难度低，可以缩短地基部分的工期，减少造价。2)桩端持力层选取⑥-3层，其土的承载力相对较低，为软弱土层，可以耗散一部分上部结构传至桩端的荷载，形成缓冲作用，使传至溶洞顶面岩层的荷载不至于太直接，以减小对溶洞顶面岩层的作用效应。3)桩端持力层选取⑥-3层使桩端至溶洞顶面岩层的距离加大，约为10.9 m～12.2 m，增加应力扩散深度，减小作用于溶洞顶面岩层的附加压力。4)采用满堂布桩形式，既可以使筏板与桩形成整体性和刚度都很大的块体，又可以充分发挥单桩承载能力。

因桩基持力层为软弱土，沉降要大一些，故采取以下措施减小沉降和沉降差:1)基础设计采用变刚度调平设计方法[1，2]，建筑中部荷载较大部位减小桩距，同时减少主楼周边桩数，大地下室部分采用天然地基。2)筏板边缘适当外扩，扩大基础平面尺寸，直接减小地基的附加应力，减小沉降。3)适当增加主楼筏板厚度，加强基础刚度，协调地基沉降，减小不均匀沉降。同时加大主楼外两跨范围的大地下室底板厚度，以抵抗由差异沉降引起的底板次应力。4)主楼和大地下室间设置沉降后浇带。

3.2 桩筏筏板计算

本工程基础计算采用中国建筑科学研究院开发的JCCAD桩筏筏板有限元计算(2010版)软件，计算模型采用弹性地基梁板模型(桩和土按WINKLER模型)，进行上部结构—基础—地基(桩土)共同作用分析计算。

3.3 计算结果分析

根据沉降计算结果可见，主楼最大沉降量为38.3，最大沉降量及沉降差均满足要求。主楼最大沉降量略小于同类型单体住宅(周边不带裙房和地下室)，考虑周边地下室的影响后，控制沉降措施效果比较明显。

根据桩顶反力计算结果，在标准组合1.0×恒+1.0×活的荷载作用下，最大桩反力约为1 380 kN，接近单桩承载力特征值。

4 结语

存在溶洞的软土地基，特别是含有空溶洞，桩基设计是一个棘手的问题。在本工程的设计过程中，以下几点思路贯穿始终:

1)使用安全、可靠的技术，尽量避免工程中的一些不确定因素，如工程中采用钻孔灌注桩而不是嵌岩桩。通过选择相对较弱土层作为桩端持力层，缩短桩长，增加桩端至溶洞顶面岩层的距离等措施，减小对溶洞顶面岩层的作用效应。

2)减小沉降和沉降差，桩基设计采用变刚度调平方法，采用加大基础底面积，加强基础刚度，主群楼间设置沉降后浇带等有效措施。

3)经济、简单原则，设计中采用钻孔灌注桩而不是嵌岩桩，既充分利用各桩的承载力，节省了工程造价，又便于施工，缩短了工期，间接提高了经济效益。

[1] JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范[S].

[2] 刘金砺，迟铃泉.桩土变形计算模型和变刚度调平设计[J].岩土工程学报，2000，22(2):151-157.

[3] 张 顺，杨媛媛.浅谈某工程地基的合理设计[J].山西建筑，2010，36(11):94-95.