埋藏型巖溶地質基礎設計方法初探

【摘要】

巖溶地質根據埋藏條件可分為裸露型、覆蓋型和埋藏型。福建地區常見的多為覆蓋型巖溶，埋藏型巖溶較為少見。介紹了兩個埋藏型巖溶地區的建筑基礎設計實例，探討了該地質條件下基礎的設計、選型及溶洞處理方法，最后總結了埋藏型巖溶地質的基礎設計要點。

【關鍵詞】

埋藏型巖溶； 基礎設計； 溶洞處理

【中圖分類號】TU470+.2【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-05-29

［作者簡介］洪哲 （1982—），男，碩士，高級工程師，一級注冊結構師，從事建筑結構設計工作。

0 引言

巖溶又稱喀斯特，是可溶性巖層如石灰巖、白云巖、石膏、巖鹽等在水的化學溶蝕作用以及其他形式的機械作用下而形成溝槽、裂隙、洞穴等一系列現象的總稱。我國的巖溶地區分布較廣，四川、云南、貴州、湖南、福建等省均有分布。福建巖溶地貌主要發育于閩西南碳酸鹽巖分布區的將樂、沙縣、三明、明溪、寧化、清流、永安、上杭、連城、武平、龍巖等地。福建地區發育有大量的巖溶洞隙、土洞，地質情況多變且復雜，其成因、性狀等因素直接影響了落于其上的建筑基礎的安全穩定性及建筑方案布置。

GB/T51238-2018《巖溶地區建筑地基基礎技術標準》［1］中第3.0.4條對巖溶地質的分類，根據埋藏條件可分為裸露型、淺覆蓋型、深覆蓋型和埋藏型等地質。從福建地區實際情況來看，常見的多為覆蓋型巖溶，埋藏型巖溶則較少見。埋藏型巖溶指的是可溶性的巖層被不可溶的巖層所覆蓋，所形成的地質。由于覆蓋層為不可溶的巖層，因此該地質條件下溶洞的伴生土洞較少出現，因此埋藏型巖溶地質條件下的建筑基礎設計，主要考慮如何處理溶洞的問題。本文旨在通過幾個實際設計案例，介紹下埋藏型巖溶地質條件下的基礎設計方法，供類似項目參考。

1 案例一設計情況

案例一為龍巖某高層辦公項目，項目總建筑面積約12萬m2，地上建筑面積約11.5萬m2，地下建筑面積約5 000 m2。根據場地地勘報告，本區域屬穩定的區域構造地塊，未發現泥石流、滑坡、崩塌、塌陷、岸邊沖刷、地下水強烈潛蝕等不良地質作用，但場地下伏為巖溶區，存在溶洞發育情況，為不良地質作用發育地段，地質環境受到一般破壞。

場地的巖土層自上而下可分為①雜填土、植物成因的②耕植土、第四系更新統形成的沖洪積形成的③細砂、④卵石、⑤含卵石粉質黏土、殘積成因的⑥粉砂質泥巖殘積黏性土、下伏二疊系下統童子巖組的⑦11全風化粉砂質泥巖、⑦12砂土狀強風化粉砂質泥巖、⑦13碎塊狀強風化粉砂質泥巖、⑦2強風化炭質粉砂巖、⑧1全風化粉砂質泥巖、⑧2粉砂質泥巖殘積黏性土、⑧3粉砂質泥巖殘積黏性土，二疊紀下統棲霞組的⑨1破碎灰巖和⑨2中風化灰巖。

本場地溶洞主要揭露于破碎灰巖⑨1層，揭露灰巖鉆孔為19個，見溶洞鉆孔10個，鉆孔溶洞發育率52.60%，線巖溶率24.10%，根據DBJ13-84-2006《巖土工程勘察規范》［2］第7.2.1條判定：場地巖溶發育強度分級為強烈發育。可溶灰巖之上由不可溶的粉砂質泥巖風化層所覆蓋，厚度普遍大于30 m，與地表水不密切聯系，巖溶類別屬埋藏型。本場地未見土洞發育。場地典型的地質剖面如圖1所示，巖土參數如表1所示。

從該地勘剖面上看，溶洞發育于中風化破碎灰巖層中，呈豎向成串分布，溶洞頂埋深大于40 m，屬埋藏型巖溶地質，且埋藏深度較深。主樓基礎底（圖中陰影區為基礎標高及厚度示意）距溶洞頂約38 m，場地未揭示有土洞，溶洞為全充填的形式，充填物為含角礫粉質黏土，充填物承載力特征值為80 kPa。

上部主樓為地上22層（99 m），地下一層的高層辦公建筑，上部荷載較重。由于基底存在靜壓預制管樁不易壓入的卵石、含卵石粉質黏土及全風化粉砂質泥巖層，因此管樁方案首先排除，設計時主要考慮采用兩種方案：方案一為采用沖孔灌注樁作為基礎，樁基持力層為中風化灰巖，樁端應穿透溶洞并保證樁端持力層的可靠性。方案二為采用復合地基的方式對覆蓋土層進行地基處理，以處理后的復合地基作為持力層，主樓采用筏板基礎。

當采用方案一時，根據規范需對設計樁位進行每樁一探的施工勘察，目的是一方面確定樁長，另一方面需確保樁端以下3倍樁徑且不小于5 m的范圍不存在溶洞發育。方案二的主要思路是盡可能利用埋藏型巖溶上覆蓋巖層作為復合地基剛性樁的持力層，發揮上部巖層承載力較高的特點，在覆蓋層中均布施打剛性樁，使樁與土有效結合形成復合地基，提高基底承載力的同時避免對覆蓋層以下復雜的巖溶地質進行破壞。當復合地基承載力和變形能滿足設計要求時，主樓可采用筏板基礎。當采用復合地基基礎方案時，應注意對溶洞填充物按JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》［3］第5.4.1條進行樁端軟弱下臥層驗算，若溶洞填充物承載力不滿足要求時需進行處理。采用復合地基基礎還應按分層總和法進行沉降驗算，復合土層的壓縮模量按JGJ79-2012《建筑地基處理技術規范》［4］ 第7.1.7條進行估算。

方案一與方案二的基礎布置如圖2、圖3所示，兩者的基礎造價對比見表2。

方案一沖孔灌注樁樁徑為1 m，單樁承載力特征值是5 800 kN，樁端持力層為⑨2中風化灰巖。平均有效樁長為46 m，樁數為160根，樁基、承臺及施工勘察合計總造價約為1 561萬元。方案二采用旋挖素混凝土樁復合地基基礎，剛性樁為800 mm旋挖素混凝土樁，單樁承載力特征值是2 200 kN，平均有效樁長為25 m，按3.5倍樁徑網格狀布樁，總樁數為338根，復合地基承載力特征值按JGJ79-2012《建筑地基處理技術規范》［4］ 第7.1.5條估算為400 kPa。方案二樁基、承臺及施工勘察合計總造價約為1 273萬元，比方案一減少造價288萬。同時方案一由于沖孔樁施工速度慢、每樁一探施工勘察時間長等造成施工工期的增加，引起的財務成本的增長，其代價也難以估量。方案二僅需局部補充施工勘察（加密勘孔后控制勘探孔間距小于15 m），同時由于溶洞埋藏深度較深（大于40 m），復合地基剛性樁端距溶洞頂較遠（約12 m），且溶洞覆蓋巖層變形模量較大，因此當把溶洞填充物當成軟弱下臥層，按JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》［3］第5.4.1條進行樁端軟弱下臥層驗算時，下臥層（溶洞填充物）頂面的附加應力值已經很小，遠小于其承載力特征值，原則上對該全填充溶洞可不進行處理，同時本工程組織了相關專家進行地基處理的專家咨詢，咨詢的結論是由于本工程溶洞均為全填充且埋深較深，附加應力很小，對溶洞可不進行處理。

對復合地基基礎，還應進行沉降驗算。根據處理后的地層的分布情況及調整后的地基壓縮模量，運用分層總和法對主體結構進行沉降計算，計算結果見圖4，可見沉降計算結果呈中部大，外圍小的分布情況，最大沉降值不大于82 mm，滿足規范要求。

通過本案例可見，當場地主要為覆蓋層厚度較大的埋藏型巖溶地質，上部主樓為高層建筑時，采用復合地基的基礎方案無論從基礎造價，還是施工工期來看，均較傳統采用沖鉆孔灌注樁的基礎方案具有更大的優勢。

2 案例二設計情況

案例二為龍巖某高層住宅項目，項目總建筑面積約16萬m2，地上建筑面積約13萬m2，地下建筑面積約3萬m2。根據場地地勘報告，擬建場地跨越剝蝕低丘和沖洪積階地，地形較平緩、開闊，但部分地段上部填土的厚度較大，地基均勻性差，且溶洞較發育。依有關標準和相關條文說明進行劃分，屬對建筑抗震不利地段，應采取相應的抗震設防措施。

場地的巖土層自上而下可分為人工成因的雜填土①a、素填土①b屬軟弱土；粉質黏土②a、含角礫粉質黏土②b、含卵石粉質黏土②c和溶洞充填物⑧屬中軟土；含碎石粉質黏土⑤b、土狀強風化泥巖夾砂巖⑥a屬中硬土；碎塊狀強風化泥巖夾砂巖⑦a屬軟質巖石；中風化灰巖⑩屬巖石。

本場地溶洞主要揭露于中風化灰巖層，本工程勘察的159個鉆孔中有57個揭露有全填充溶洞，溶洞充填物為含角礫粉質黏土⑧，溶洞發育率為35.8%。根據DBJ13-84-2006《巖土工程勘察規范》［2］第7.2.1條判定：巖溶發育強度分級為強烈發育，巖溶類別屬埋藏型。本場地未見土洞發育。場地典型的地質剖面如圖5所示，巖土參數如表3所示。

從該地勘剖面上看，本項目溶洞充填物（第⑧層）具有分布范圍大、高度高（洞高35 m左右）的特點，主要發育于中風化灰巖層上，洞頂埋深變化較大，最淺處埋深為34 m，屬埋藏深度較淺的埋藏型巖溶地質。上覆蓋巖層主要為⑥a土狀強風化泥巖夾砂巖及⑦a碎塊狀強風化泥巖夾砂巖。基礎底（圖中陰影區為基礎標高及厚度示意）距溶洞頂約32 m；場地未揭示有土洞，溶洞為全充填的形式，充填物為含角礫粉質黏土，充填物⑧承載力特征值多數為150 kPa，個別最小為130 kPa。

上部主樓為地上31層（91 m），地下一層的高層住宅建筑，上部荷載較重。由于基底存在靜壓預制管樁不易壓入的含卵石粉質黏土、含角礫粉質黏土及碎塊狀強風化泥巖夾砂巖層，因此管樁方案首先排除，設計時主要考慮采用兩種方案：方案一為長樁方案，采用沖孔灌注樁作為基礎，樁基持力層為中風化灰巖，樁端應穿透溶洞并保證樁端持力層的可靠性。方案二為短樁方案，主樓采用樁筏基礎，樁基采用全短樁的方式，將樁端持力層落于⑥a土狀強風化泥巖夾砂巖或⑦a碎塊狀強風化泥巖夾砂巖層，并對第⑧層溶洞填充物進行軟弱下臥層驗算，當驗算不能滿足要求時進行注漿加固處理。

方案一采用沖孔灌注樁方案需先對設計樁位進行每樁一探的施工勘察，目的是一方面確定樁長，另一方面需確保樁端以下一定范圍內（3倍樁徑且不小于5 m）不存在溶洞發育。方案二的主要思路是盡可能利用埋藏型巖溶上覆蓋巖層作為樁基持力層，發揮上部巖層承載力較高的特點，同時采用整體性較好的筏板基礎應對巖溶地基，短樁應確保樁端以下5倍樁徑且不小于5 m范圍內不存在溶洞發育。由于溶洞填充物為全填充且具有一定承載能力，對其進行部分注漿加固使其能滿足主體基礎下臥層的承載力及抵抗變形能力。該方案相對第一個方案，在基礎施工工期及造價上具有較大優勢。

方案一與方案二的基礎布置如圖6、圖7所示，兩者的基礎造價對比見表4。

方案一沖孔灌注樁樁徑為1.2 m，單樁承載力特征值是5500 kN，樁端持力層為⑩中風化灰巖。平均有效樁長為85 m，樁數為117根，樁基、承臺及施工勘察合計總造價約為2072萬元。方案二采用旋挖灌注樁，樁徑為800 mm，單樁承載力特征值是3 200 kN，平均有效樁長為35 m，樁數為250根。方案二樁基、承臺及施工勘察合計總造價約為1 075萬元，比方案一減少造價約1 000萬元，造價差距巨大。同時根據試樁結果，方案一長85 m左右的沖孔長樁，一根樁的施工工期約為15天，而方案二短樁可采用旋挖工藝，一天一臺設備即可完成三根左右的樁基施工，施工工期方面較方案一也具有較大優勢。

但應當注意，當采用全短樁方案時，需對溶洞填充物進行軟弱下臥層驗算，本案例按JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》［3］第5.4.1條進行樁端軟弱下臥層驗算時，埋深50 m以下的溶洞填充物附加應力值已經很小，遠小于其承載力特征值，原則上對埋深50 m以下全填充溶洞可不進行處理。同時本工程組織了相關專家進行地基處理的專家咨詢，咨詢的結論是：

（1）充填溶洞洞頂埋藏深度50 m以下的充填溶洞可不處理，但樁端與洞頂距離應大于5倍樁徑以上。

（2）充填溶洞洞頂埋藏深度小于50 m，空洞部分及重二動探不大于3擊（未修正）的均應進行處理；對空洞處理填充物應由粗到細。

（3）處理方法采用注漿處理，最好采用雙液注漿。

結合軟弱下臥層驗算及專家咨詢意見，僅對埋深50 m范圍內的充填溶洞進行處理，具體處理范圍見圖8中的陰影區域。地基處理前溶洞填充物承載力特征值fak=130～150 kPa，變形模量E0=10 MPa，要求注漿處理后的地基承載力為fak′=280 kPa，變形模量E0′=20 MPa。以下臥層處理后的參數按JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》［3］第5.4.1條進行復核，軟弱下臥層驗算能滿足設計要求。

實際注漿處理后，對檢測孔采用重型動力觸探檢測，擊數為9.3～18，根據JGJ 340-2015《建筑地基檢測技術規范》［5］表8.4.9-2得fak′≥290 kPa，E0′≥22 MPa，均滿足設計要求。

本工程還應進行沉降驗算。根據地層的分布情況及處理后的下臥層變形模量，運用分層總和法對主體結構進行沉降計算，計算結果見圖9，可見沉降計算結果呈中部大，外圍小的分布情況，最大沉降值不大于50 mm，滿足規范要求。

通過本案例可見，當場地主要為覆蓋層厚度較小的埋藏型巖溶地質，上部主樓為高層建筑時，當采用沖鉆孔灌注樁方案穿越溶洞可能造成樁長較長，引起施工工期及樁基成本大幅提高時，也可根據實際地質情況考慮采用全短樁樁筏或者復合地基的基礎方案，并根據實際計算需求對溶洞填充物

進行局部處理，可能比全長樁方案更具有施工工期和經濟性上的優勢。

3 埋藏型巖溶地質基礎設計要點

通過上述兩個案例可見，于埋藏型巖溶地質條件下進行高層基礎設計時，首先應分析巖溶埋藏的深淺情況、溶洞填充物的充填情況以及上覆蓋巖層、土層的厚度及巖土參數，結合上部結構的荷載大小及分布，有針對性地采取相應措施。原則上當埋藏型巖溶具有一定埋置深度，且填充物為全填充并具有一定承載力時，優先考慮采用短樁或復合地基方案，相較沖孔灌注樁穿越溶洞方案具有更好的經濟性并能有效節約施工工期。當采用短樁或復合地基方案時應對溶洞填充物進行軟弱下臥層驗算，當承載力或變形不滿足設計要求時應對溶洞進行處理，并對處理后的成果提出設計要求。對于埋藏型巖溶上的多層建筑，當基底土層承載力能滿足設計要求時，優先考慮天然基礎方案，溶洞填充物根據軟弱下臥層驗算情況酌情處理。

4 結束語

埋藏型巖溶指的是可溶性的巖層被不可溶的巖層所覆蓋，所形成的地質。該地質條件下溶洞的伴生土洞一般較少出現，因此埋藏型巖溶地質條件下的建筑基礎設計，主要考慮如何處理溶洞的問題。通過兩個埋藏型巖溶地區的建筑基礎設計實例可見，當覆蓋層具有一定厚度時，基礎設計優先考慮利用溶洞上覆蓋的巖、土層承載力，可取得較好的經濟效益并節約施工工期，同時對溶洞應根據充填情況及其實際受力情況進行分析驗算，采用適當的處理措施。

參考文獻

［1］ 巖溶地區建筑地基基礎技術標準： GB/T51238-2018［S］.北京：中國計劃出版社，2018.

［2］ 巖土工程勘察規范： DBJ13-84-2006［S］.福州：福建科學技術出版社，2006.

［3］ 建筑樁基技術規范： JGJ94-2008［S］.北京：中國建筑工業出版社，2008.

［4］ 建筑地基處理技術規范： JGJ79-2012［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012.

［5］ 建筑地基檢測技術規范： JGJ340-2015［S］.北京：中國建筑工業出版社，2015.