淺談巖溶地區(qū)房屋建筑的基礎設計
2016-09-26
巖溶地區(qū)上高層建筑的基礎設計是建筑工程中的難點。由于巖溶地區(qū)存在土洞和溶洞，巖面起伏大，地下水多，各種樁基都有應用，但一般施工都較困難，因此，巖溶地區(qū)高層建筑基礎設計一直是一個尚未很好解決的問題。
一、巖溶地區(qū)地基狀況介紹
巖溶（karst）亦譯喀斯特。巖溶指可溶性巖石，特別是碳酸鹽類巖石（如石灰?guī)r、石膏等），受含有二氧化碳的流水溶蝕，有時并加以沉積作用而形成的地貌。往往呈奇特形狀，有洞穴、石芽、石溝、石林、溶洞、地下河也有峭壁。此種地貌地區(qū)，往往奇峰林立。通常指巖石裸露、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區(qū)。是地下水對可溶性塊狀石灰?guī)r溶蝕的結果。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。巖溶給建筑工程的地基處理帶來一定的難度，因為一是巖溶面標高起伏差異大；二是形成巖洞的位置、大小變化不一，且無一定的規(guī)律有些在同一垂直面上可能有兩個以上的巖洞，各巖層風化程度也錯綜復雜；三是各溶洞的連通性難以評估，地下水的變化也使得地基處理復雜；四是土洞由于比巖溶發(fā)育更快，情況更難以判斷。因此，在巖溶地區(qū)建造建筑物應十分慎重。
二、巖溶地區(qū)基礎設計前應注意的事項
在巖溶地區(qū)，建筑物的基礎設計作為結構設計的重難點，在工程界普遍引起重視。因此，在對場地進行總體規(guī)劃時，結構和勘探專業(yè)就應提前介入，同時給規(guī)劃和勘探專業(yè)提供一些專業(yè)性的建議，尤其是對一些特別不適合建造建筑物的地段，如果該地段地下溶洞很大很深等，我們就應該在規(guī)劃時盡量避開。在掌握建筑物平面布置、結構形式及荷載資料的同時，對場地的各種土層性質、溶層和溶洞的分布等詳細的地質情況的了解更是成了基礎設計中的重中之重。
三、設計實例
某工程由8棟住宅樓組成，塔樓部分擬建地上33層，地2層，裙樓部分地下2層，地上無建筑，為帶局部轉換的剪力墻結構（見圖1所示）。該工程原設計基礎形式為沖孔灌注樁，樁端持力層為溶洞底面以下的微風化泥巖或灰?guī)r。工程地質報告顯示C5、C8棟場地地質情況良好，而C6、C7棟則地質情況較復雜，地下溶洞發(fā)育較廣，且底板以下土層分布有兩層砂層及局部土洞。工程樁施工已完成約130根，大部分位于C5和C8塔樓范圍內。而在施工C6、C7塔樓范圍內樁的過程中，經(jīng)常發(fā)生塌孔情況，造成施工困難，施工進度受到影響。針對以上現(xiàn)場情況，決定對C5～C8的基礎方案進行優(yōu)化
?。ㄒ唬┕こ痰刭|及水文地質條件
該工程第四系覆蓋層主要為人工填土、沖積淤泥質土、砂層、粉質粘土以及殘積土，下伏白堊系和三疊系沉積巖。場地地下水主要為沖積區(qū)內第四系孔隙潛水及深部基巖裂隙、巖溶水，勘探期間水位埋深1.9～2.3m。場地內砂層、巖溶發(fā)育，地下水豐富且與珠江水系存在強烈水力聯(lián)系，水文地質條件復雜。
該工程場地巖溶類型有兩種：第一種是第四系覆蓋灰?guī)r的淺覆蓋巖溶，呈東、西條帶狀，近似南北走向，其中C6、C7棟建筑位于東條帶；第二種是灰?guī)r上覆泥巖及第四系的埋藏型巖溶。根據(jù)前期勘探資料，后者發(fā)育相對較弱，前者則強烈發(fā)育。巖溶發(fā)育特征有：灰?guī)r（淺覆蓋巖溶區(qū)）巖面起伏劇烈，溶溝（槽）極為發(fā)育；鉆孔遇巖溶洞隙率高達75%；溶洞豎向分叉形成多層洞穴甚至出現(xiàn)4、5層洞穴，受構造控制，發(fā)育主導方向為南北向并相互聯(lián)通，在平面上形成網(wǎng)狀巖溶、裂隙管道。巖溶洞穴頂板厚度不足3m的達69.3%，溶洞頂板過薄是其主要特征；洞穴充填率77.8%，主要為流塑狀粉質粘土且不穩(wěn)定，工程上難以利用。
?。ǘ┗A優(yōu)化方案
根據(jù)場地范圍內的溶洞發(fā)育情況，綜合考慮上部結構的荷載情況及施工現(xiàn)場進度對C5～C8基礎進行優(yōu)化，分別采用以下三種基礎形式：
?。?）天然基礎+抗拔錨桿
塔樓范圍外僅設2層地下室，地面以上無裙樓該部分柱荷載較小，可改用天然基礎，持力層為粉質粘土層，承載力特征值要求為200kPa。此外由于上部荷載較小，存在上浮力。故在天然基礎內加設抗拔錨桿，單錨抗拔力設計值220kN，錨桿為φ150嵌固層為中風化以上巖層，入巖長度為3m。計算結果顯示天然基礎沉降約32mm小于0.005倍柱距滿足基礎設計規(guī)范要求。
（2）筏板基礎+復合地基
C6、C7塔樓范圍由于巖溶較發(fā)育，樁基施工難度較大。故設計改為筏板基礎+復合地基基礎形式。筏板總長約64m、寬約40m。C5與C6、C7與C8交接部位由于建筑位置限制僅出挑約100mm。由于此出挑長度不足以造成局部應力集中現(xiàn)象，故設計中通過加大板厚及提高該區(qū)域地基承載力措施予以改善。經(jīng)試算設計筏板基礎厚度為1.8m，核心筒部位為2.2m。C5、C6與C7、C8交接部位為2.2m轉換柱下布置板下墩，厚2.2m。以C6棟核心筒為例驗算
A.抗沖切驗算m=22.3m內筒最大荷載Nmax=36974KN，筏板最大荷載9.8578×105KN筏板底面積2617.8m2，平均基底反力376.6kPa；沖切錐體底面積51.73m2，沖切力F1=17495KN。F1/umho=0454.8<0.7βhp，ft/η=808.3，滿足要求。B.抗剪驗算：筒外h0處邊長29.2m，面積51.73m2，剪力Vs=599.13kN/m<0.7，βhpftbwh0=1569，滿足要求。其余結果顯示，柱及剪力墻下筏板的沖切均滿足要求，筏板的配筋也在合理范圍內。計算結果顯示，筏板基底反力約400kPa，核心筒及C6、C7交接位置基底反力約500kPa，C5與C6、C7與C8交接部位基底反力約500kPa，故上述各部位設計要求筏板下地基經(jīng)處理后承載力特征值分別為500、550、600kPa，轉換柱下板跨要求為450kPa。筏板計算模型變形模量按30MPa考慮，計算結果顯示筏板上柱與剪力墻之間的不均勻沉降最大值小于0.0025倍柱距，滿足基礎設計規(guī)范要求。地基采用CFG樁復合地基形式，樁徑φ400樁身為C25素混凝土。根據(jù)地基承載力要求，采用正方形或三角形布樁，樁距1m，樁底進入強風化巖2～3m或坐落于中微風化巖面。單樁承載力特征值根據(jù)地基承載力要求設計為320～410kN。施工完成后為410～560kPa，考慮地基深度修正后滿足設計要求。
（3）沖孔灌注樁基礎
C5及C8塔樓范圍內地下溶洞較不發(fā)育，且施工進度反映C8塔樓沖孔樁已基本完成，C5塔樓的沖孔樁已完成約30根，證明沖孔樁在此兩塔樓范圍內施工基本可行，本次基礎修改方案C5、C8塔樓范圍的工程樁按原設計樁基礎。
我們根據(jù)以上分析進行基礎設計，投資方和施工單位根據(jù)我們的要求進行選擇施工，實踐證明工程進展順利，并通過各種檢測和驗收，順利進入主體施工。
