浅论岩溶发育地区建筑地基基础设计方案选择

区铭恒

【摘要】优选岩溶發育地区的地基基础方案，对保证结构安全，控制项目工期造价，具有很大的影响。结合场地特性、上部结构特征，灵活选择地基基础方案，是一个值得总结和探究的课题。

【关键词】岩溶发育；溶洞；地基基础设计；技术方案

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.044

1、引言

在我国南方，碳酸盐基岩广泛出露，在长年累月水位变化和高温高湿的环境下，基岩溶蚀现象广泛发生，形成了许多岩溶发育的场地。独特的岩溶地质，给工程建设中的地基基础设计带来了不少挑战和课题。我国工程建设者在长期的技术攻关和改造自然的过程中，积累了丰富的，在岩溶发育场地进行建设的宝贵经验和技术措施。而国家标准《岩溶地区建筑地基基础技术标准》GB/T51238-2018在2018年11月1日被住建部批准实施，更体现了国家有关部门对岩溶地区工程建设活动的技术规范化、科学化的重视。

笔者在岩溶发育场地较广的广东地区从事建筑结构设计工作，从业以来遇到了不少岩溶地区地基基础设计的工程案例，在技术方案的必选和设计工作中学习了一些相关的处理方法，得到了一些心得体会，特在下文总结分享。

2、岩溶地质对地基基础设计的影响

目前溶洞埋藏情况大多通过地质勘查和超前钻等方式，“以点代面”地予以评估，溶洞对建筑结构地基基础的稳定性、承载力有很大的影响，因此溶洞也是工程地质勘察和基础设计的重点关注内容。溶洞引起地工程事故时有发生，例如桩基施工阶段一旦桩端破坏了较大的溶洞的顶板，容易发生桩身突然下滑失稳，甚至地表坍塌的严重事故，而在建筑使用阶段，未经处理的溶洞如果处于基础应力扩散区域较浅的范围，则会导致基础安全系数下降，不均匀沉降扩大等现象，危及结构安全。

3、溶洞地基的处理方法和基础设计方案

《岩溶地区建筑地基基础技术标准》GB/ T51238-2018中总结了岩溶地基处理的几种方法：充填法、跨越法、桩基法、高压旋喷注浆法、褥垫层法等，是目前溶洞建筑地基基础处理的主流方法，下文简述一些运用这些方法处理溶洞地基的工程案例，并尝试比较几种处理方案的优势，总结其适用范围。

3.1 桩基方案

某科技产业园项目位于广州市白云区白云湖畔，主要为一栋商墅、三栋办公楼以及展厅及市民活动中心及相关配套设施，地下1层，地上5～13层，结构形式为框架剪力墙结构，总建筑面积128321.59m2。根据勘察报告钻孔资料，拟建场地地层按地质成因及力学性质依次分为：由人工填土（Qml）、冲积-洪积层（Qal+pl）、残积层（Qel）及下覆基岩二叠系（P）的灰岩。场地范围内下伏灰岩属可溶性岩石，表现为隐伏型岩溶，为岩溶强烈发育场地。

根据场地上覆土层承载力和固结程度偏低和结构柱底力较大的情况，首先排除筏板基础方案，拟采用桩身质量可靠、施工周期短的预应力管桩基础，管桩桩端以中风化岩为桩端持力层。由于桩侧土软弱，经验算，单桩承载力Ra取值只有1000kN，管桩可以满足裙楼和多层结构的基础承载力要求，但即使满堂布置也不足以满足高层塔楼的承载力要求，故高层塔楼采用钻孔灌注桩基础，其余单体和纯地下室部分采用管桩基础。

在基础设计中，除了通过计算保证理论上桩基的承载力可靠之外，还需要在施工方法和构造上提出针对性的要求，以克服溶洞强发育对地基基础的不利影响。

（1）岩溶强发育地区往往因为溶蚀作用产生大量的石芽等起伏岩面，容易造成管桩压桩施工过程中桩身倾斜断裂，造成废桩，为降低断桩风险，可适当降低单桩承载力设计要求，使压桩力相应降低，采用锯齿式十字形桩尖，使其能适应倾角>45°的岩面，对防止水平偏移效果较好；（2）在岩溶发育地区，平面距离很近的两个点的土层情况可能截然不同，“以点代面”的地勘钻孔资料往往不足以充分揭示每个桩位的实际地质情况，为了规避溶洞对桩基的不利影响，在每个桩基施工前进行超前钻是非常必要的；（3）根据地勘和超前钻资料，在桩基施工前应对位于桩底下3倍桩身直径范围以上的溶洞需要预处理，预处理方法多用充填片石和预注浆法，通过分析施工记录中的注浆量，可以大致反推溶洞的充盈情况，判断施工质量；（4）较大直径的灌注桩，可能存在超前钻点位不能揭示桩侧溶洞的风险，加之灌注桩施工过程中导管提升过快、护壁泥浆稠度不足等原因，会出现灌注桩漏浆现象，造成桩身缺陷，导致出现Ⅲ、Ⅳ类桩，严重降低桩身承载力。对于这个问题，一是需要加大超前钻的分布广度，提前发现隐患；二是需要保证桩身施工过程中按照规范和工序操作，严密关注泥浆液面的下沉情况，及时发现和处理；三是加强后期检测，更广泛地采用抽芯检测或者高、低应变法等，对岩溶地区的灌注桩桩身完整性予以检测确认，以免留下安全隐患。

桩基法常常与超前钻和充填法、注浆法结合使用，是高层建筑结构在岩溶发育地区最常规可靠的做法，其受力明确、针对性强，能有效贯穿桩侧溶洞，发现桩底潜伏溶洞并予以预处理，技术成熟。

3.2 浅基础方案

当建筑结构柱底力较小，溶洞埋深较大，且上有较厚的顶板时，可以考虑采用浅基础方案，充分利用上覆土层的地基承载力，如采用梁板式筏板等刚度较大的基础形式，还能通过基础的架越作用，进一步降低小型溶洞的工程风险。

采用浅基础方案时，可参考《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011中验算软弱下卧层的公式，计算溶洞顶板上的荷载，并根据溶洞顶板裂隙发展的程度，按悬臂梁、简支梁、固支梁等力学模型，验算顶板承载力是否符合要求：

式中，p0为基底附加压力，l、b为基底尺寸、pz为溶洞顶板附加压力，pcz为溶洞顶板土层自重压力、q为溶洞顶板总压力。

浅基础方案充分利用了上覆土層的承载力和持力层应力扩散的原理，避免扰动深层溶洞，节省了大量的溶洞处理费用和桩基础造价，检测方便，工期大幅缩短，在上部土层承载力高，溶洞埋藏深的场地建设多层建筑时，该方法具有很好的经济效益。

梅州市蕉岭县某医疗建筑项目的场地下发现溶洞，地面以下土层依次为素填土（平均厚度2.32m）、粉质粘土（平均厚度为10.38米，地基承载力160kPa）、中风化岩。其中中风化岩层中发育溶洞，溶洞平均高度10.38m。

该项目上部为五层框架结构，无地下室，用途为负压感染病房，传至基础的荷载较小，粉质粘土层承载力尚可，固结程度好，可作为浅基础的持力层，溶洞埋藏深，经试算，基底应力扩散后，顶板可以满足受力要求。本项目经综合比较后，选用了独立基础方案，避免了扰动深处的溶洞，没有产生难以预估的注浆处理费用，节约了造价，缩短了工期，是岩溶发育地区浅基础方案的又一次成功运用。

3.3 地基处理+浅基础方案

由于溶洞深埋地下，其大小和发育情况不容易被完全精确了解，所以实施桩基方案前的预处理往往难以预估注浆和充填的工程量，造价和工期因此不受控。同时，若溶洞上方土层较为软弱，则给直接采用浅基础方案带来困难。此时，若能采用换填或者搅拌桩等地基处理形式，提高上覆土层的地基承载力，则为采用浅基础提供了前提条件。

广州市党员干部法纪教育基地项目位于广州市花都区，地上建筑面积14430㎡，地下建筑面积1733㎡。基地建筑总高度23.4m，地上3层，地下1层。地表以下依次是：填土层（欠固结）、粉质黏土层<2-1>（fak=80～100kpa）、粉细砂层（不液化）、粉质黏土层<2-2>（fak=220kpa）、中风化灰岩、微风化灰岩。场地地下水丰富，岩溶强发育，溶洞顶板厚度较薄，完整性较差，强度较低，且远小于溶洞的洞高，对场地地基稳定性极为不利。

结合地勘报告的建议，原设计采用灌注桩基础，以微风化岩为持力层，穿透溶洞发育层（如图1），钻孔桩直径800～1000mm，属于较为常规的基础设计方案。

在提交方案后，建设单位提出，本项目为重大政治性任务，在保证安全的前提下，要力争压缩工期，节省造价，采用灌注桩方案工期长，溶洞处理费用不可控，希望设计单位对基础方案进行优化。

设计单位经过研究分析，认为要大幅度压缩工期造价，就必须避免产生溶洞处理这一变量因素，而本项目上覆表层土层粉质粘土层<2-1>软弱，不可直接作为浅基础持力层，需要进行地基处理，经过比选，决定采用水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）局部处理柱下区域，形成复合地基，然后设置柱下独立基础的方案，桩径采用600mm，桩距1200mm，桩端设在粉质粘土层<2-2>，通过充分发挥桩侧阻力，达到单桩承载力特征值130kN，能有效提高复合地基的承载力，处理后基底承载力特征值达到400kPa，满足独立基础的设计前提，成功规避了溶洞的处理费用和其对基础质量的风险。经过估算，可以大约节省资金投入598万元（如表1）。该方案得到建设单位等各方的认可并予以实施，目前建筑已经竣工并投入使用，结构安全性表现良好。

总结：

如表2所示，根据岩溶发育情况、建筑结构荷载情况、上覆土层的厚度及承载力、工程项目对造价和工期的要求等各因素，结构设计人员应该灵活运用规范和设计原理，高度重视地下溶（土）洞对基础承载力和稳定性的影响，尽量预判工程实施过程中可能发生的问题，充分做好相关技术交底，针对性地补充技术措施要求，保证结构安全，降低工程造价，使每个项目都能产生良好的社会效益。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.岩溶地区建筑地基基础技术标准GB/T51238-2018[UDC].中国建筑工业出版社，2012（11）.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑桩基技术规范JGJ94-2008[UDC].中国建筑工业出版社，2008（4）.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑地基基础设计规范GB50007-2011[UDC].中国建筑工业出版社，2012（7）.

[4]《工程地质手册》编委会.工程地质手册（第五版）.中国建筑工业出版社，2018（4）.