場地存在溶洞的某高層建筑基礎設計

史俊杰 王家麟 葛 暢

(1.無錫市建筑設計研究院，江蘇 無錫 214001;2.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

1 工程概況

本工程位于6度抗震設防地區，包括1號～16號共16棟住宅和一個單層地下車庫，地下車庫與主樓連為整體。場地東北角存在溶洞，其中1號，2號，15號，16號樓在此場地上。

以1號樓為例，為34層住宅，層高均為2.9 m，建筑高度為98.6 m，主樓周邊為大地下室。本工程室內標高±0.000相當于黃海系統絕對標高5.400 m。主樓設有二層地下室，為自行車庫，地下1層層高2.8 m，地下2層層高2.9 m。主樓地下2層與大地下室相通，板面無高差，板面標高均為－5.700 m。大地下室為一層機動車停車庫，層高3.9 m。主樓一層樓板與大地下室頂板高差1.8 m，大地下室覆土1.5 m。

2 工程地質條件

2.1 巖土工程勘察情況

根據巖土工程勘察報告，擬建場地第四紀沉積物覆蓋厚度46.7 m～76.0 m，基巖為石灰巖(三疊系青龍群中下段)。在勘察深度范圍內(85 m)地層主要由表填土、粉質粘土、粉土夾粉質粘土及粉土組成，可劃分成13個工程地質層組。基巖頂面以下2.0 m～10.0 m段巖溶、裂隙及溶蝕現象較發育，為本場地主要不良地質作用現象。基巖頂面10.0 m以下巖層裂隙及溶蝕現象不發育，基巖完整，基巖質量指標RQD=97，為良好。

場地類別Ⅲ類，設計地震分組為第一組，場地特征周期0.45 s。

2.2 物探工程報告

為了更加準確掌握場地內溶洞的分布和特性，對建設場地又進行了10條高密度電法勘探(探測深度85 m)及場地內12個補勘鉆孔(孔深47 m～70 m)CT層析成像野外物探測試工作。物探勘測查明，在測試剖面內，巖層總體均勻性良好，石灰巖層內局部巖溶發育，主要為粘土充填形式，存在多處空洞。測試探明了巖土層內的溶洞分布共計20個，其中空溶洞4個，(半)填充溶洞共計16個。

3 基礎設計

根據建筑情況和已查明的場地地質條件，本工程擬采用樁筏基礎。

3.1 樁的選型和基礎形式

若采用嵌巖樁，單樁承載力比較高，可以采用墻下布樁方式，但是對于本工程而言存在以下問題:1)若樁端支承于溶洞頂面巖層，因巖層厚度的不確定性，巖面承載力難以保證，即使對溶洞采取灌漿填實，因溶洞大小的不確定性因素，注漿量難以估算。2)若樁端支承于溶洞下的基巖，需打穿溶洞上的巖層，施工難度較大。3)由于巖面起伏很大，且上覆土層厚度較大，考慮到嵌巖樁樁長變異性過大，嵌巖施工難以實施[1]。4)對于本工程而言，嵌巖樁單樁承載力較高，不能充分發揮樁的承載力，造成浪費。5)嵌巖樁本身施工難度大，工程造價較高，經濟性不好。

若采用摩擦樁，雖然可以避免嵌巖樁的一些比較棘手的問題，但是也存在以下問題:

1)根據巖土工程勘察報告所提供的參數，試算各直徑樁單樁豎向承載力特征值見表1。由于土的工程特性不佳，根據經驗判斷，單樁承載力相對本地區其他工程較低，采用墻下布樁方式比較困難。

2)樁端(樁長35 m)離溶洞頂面巖層的距離較近，大概只有5 m～6 m，上部結構通過實體樁基礎傳遞到巖面的荷載有可能造成溶洞坍塌。

表1 各直徑樁單樁豎向承載力特征值表

通過綜合比較分析，本工程擬采用直徑600 mm，樁長30 m的鉆孔灌注樁滿堂布置，單樁承載力特征值為Ra=1 420 kN。樁端持力層取⑥-3層粉質粘土，樁端進入⑥-3層土大于1.20 m，筏板厚度取1 600 mm，比同一地區、相同類型、地質條件簡單的工程適當加厚。

采用以上基礎形式基于以下幾點原因:1)采用摩擦樁，相對嵌巖樁可以避免一些難以解決的問題，其施工難度低，可以縮短地基部分的工期，減少造價。2)樁端持力層選取⑥-3層，其土的承載力相對較低，為軟弱土層，可以耗散一部分上部結構傳至樁端的荷載，形成緩沖作用，使傳至溶洞頂面巖層的荷載不至于太直接，以減小對溶洞頂面巖層的作用效應。3)樁端持力層選取⑥-3層使樁端至溶洞頂面巖層的距離加大，約為10.9 m～12.2 m，增加應力擴散深度，減小作用于溶洞頂面巖層的附加壓力。4)采用滿堂布樁形式，既可以使筏板與樁形成整體性和剛度都很大的塊體，又可以充分發揮單樁承載能力。

因樁基持力層為軟弱土，沉降要大一些，故采取以下措施減小沉降和沉降差:1)基礎設計采用變剛度調平設計方法[1，2]，建筑中部荷載較大部位減小樁距，同時減少主樓周邊樁數，大地下室部分采用天然地基。2)筏板邊緣適當外擴，擴大基礎平面尺寸，直接減小地基的附加應力，減小沉降。3)適當增加主樓筏板厚度，加強基礎剛度，協調地基沉降，減小不均勻沉降。同時加大主樓外兩跨范圍的大地下室底板厚度，以抵抗由差異沉降引起的底板次應力。4)主樓和大地下室間設置沉降后澆帶。

3.2 樁筏筏板計算

本工程基礎計算采用中國建筑科學研究院開發的JCCAD樁筏筏板有限元計算(2010版)軟件，計算模型采用彈性地基梁板模型(樁和土按WINKLER模型)，進行上部結構—基礎—地基(樁土)共同作用分析計算。

3.3 計算結果分析

根據沉降計算結果可見，主樓最大沉降量為38.3，最大沉降量及沉降差均滿足要求。主樓最大沉降量略小于同類型單體住宅(周邊不帶裙房和地下室)，考慮周邊地下室的影響后，控制沉降措施效果比較明顯。

根據樁頂反力計算結果，在標準組合1.0×恒+1.0×活的荷載作用下，最大樁反力約為1 380 kN，接近單樁承載力特征值。

4 結語

存在溶洞的軟土地基，特別是含有空溶洞，樁基設計是一個棘手的問題。在本工程的設計過程中，以下幾點思路貫穿始終:

1)使用安全、可靠的技術，盡量避免工程中的一些不確定因素，如工程中采用鉆孔灌注樁而不是嵌巖樁。通過選擇相對較弱土層作為樁端持力層，縮短樁長，增加樁端至溶洞頂面巖層的距離等措施，減小對溶洞頂面巖層的作用效應。

2)減小沉降和沉降差，樁基設計采用變剛度調平方法，采用加大基礎底面積，加強基礎剛度，主群樓間設置沉降后澆帶等有效措施。

3)經濟、簡單原則，設計中采用鉆孔灌注樁而不是嵌巖樁，既充分利用各樁的承載力，節省了工程造價，又便于施工，縮短了工期，間接提高了經濟效益。

[1] JGJ 94-2008，建筑樁基技術規范[S].

[2] 劉金礪，遲鈴泉.樁土變形計算模型和變剛度調平設計[J].巖土工程學報，2000，22(2):151-157.

[3] 張 順，楊媛媛.淺談某工程地基的合理設計[J].山西建筑，2010，36(11):94-95.