場地存在溶洞的某高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

史俊杰 王家麟 葛 暢

(1.無錫市建筑設(shè)計(jì)研究院，江蘇 無錫 214001;2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

1 工程概況

本工程位于6度抗震設(shè)防地區(qū)，包括1號～16號共16棟住宅和一個(gè)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(nèi)標(biāo)高±0.000相當(dāng)于黃海系統(tǒng)絕對標(biāo)高5.400 m。主樓設(shè)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(biāo)高均為－5.700 m。大地下室為一層機(jī)動(dòng)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(zhì)條件

2.1 巖土工程勘察情況

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，擬建場地第四紀(jì)沉積物覆蓋厚度46.7 m～76.0 m，基巖為石灰?guī)r(三疊系青龍群中下段)。在勘察深度范圍內(nèi)(85 m)地層主要由表填土、粉質(zhì)粘土、粉土夾粉質(zhì)粘土及粉土組成，可劃分成13個(gè)工程地質(zhì)層組?；鶐r頂面以下2.0 m～10.0 m段巖溶、裂隙及溶蝕現(xiàn)象較發(fā)育，為本場地主要不良地質(zhì)作用現(xiàn)象。基巖頂面10.0 m以下巖層裂隙及溶蝕現(xiàn)象不發(fā)育，基巖完整，基巖質(zhì)量指標(biāo)RQD=97，為良好。

場地類別Ⅲ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地特征周期0.45 s。

2.2 物探工程報(bào)告

為了更加準(zhǔn)確掌握場地內(nèi)溶洞的分布和特性，對建設(shè)場地又進(jìn)行了10條高密度電法勘探(探測深度85 m)及場地內(nèi)12個(gè)補(bǔ)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(nèi)，巖層總體均勻性良好，石灰?guī)r層內(nèi)局部巖溶發(fā)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(nèi)的溶洞分布共計(jì)20個(gè)，其中空溶洞4個(gè)，(半)填充溶洞共計(jì)16個(gè)。

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)建筑情況和已查明的場地地質(zhì)條件，本工程擬采用樁筏基礎(chǔ)。

3.1 樁的選型和基礎(chǔ)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(shí)，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(shí)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(fā)揮樁的承載力，造成浪費(fèi)。5)嵌巖樁本身施工難度大，工程造價(jià)較高，經(jīng)濟(jì)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(jù)巖土工程勘察報(bào)告所提供的參數(shù)，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(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，單樁承載力相對本地區(qū)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(jié)構(gòu)通過實(shí)體樁基礎(chǔ)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(zhì)粘土，樁端進(jìn)入⑥-3層土大于1.20 m，筏板厚度取1 600 mm，比同一地區(qū)、相同類型、地質(zhì)條件簡單的工程適當(dāng)加厚。

采用以上基礎(chǔ)形式基于以下幾點(diǎn)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(jià)。2)樁端持力層選?、?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(jié)構(gòu)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(yīng)。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(yīng)力擴(kuò)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(fā)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(chǔ)設(shè)計(jì)采用變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)方法[1，2]，建筑中部荷載較大部位減小樁距，同時(shí)減少主樓周邊樁數(shù)，大地下室部分采用天然地基。2)筏板邊緣適當(dāng)外擴(kuò)，擴(kuò)大基礎(chǔ)平面尺寸，直接減小地基的附加應(yīng)力，減小沉降。3)適當(dāng)增加主樓筏板厚度，加強(qiáng)基礎(chǔ)剛度，協(xié)調(diào)地基沉降，減小不均勻沉降。同時(shí)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(yīng)力。4)主樓和大地下室間設(shè)置沉降后澆帶。

3.2 樁筏筏板計(jì)算

本工程基礎(chǔ)計(jì)算采用中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的JCCAD樁筏筏板有限元計(jì)算(2010版)軟件，計(jì)算模型采用彈性地基梁板模型(樁和土按WINKLER模型)，進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)—基礎(chǔ)—地基(樁土)共同作用分析計(jì)算。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)沉降計(jì)算結(jié)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(jù)樁頂反力計(jì)算結(jié)果，在標(biāo)準(zhǔn)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(jié)語

存在溶洞的軟土地基，特別是含有空溶洞，樁基設(shè)計(jì)是一個(gè)棘手的問題。在本工程的設(shè)計(jì)過程中，以下幾點(diǎn)思路貫穿始終:

1)使用安全、可靠的技術(shù)，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(yīng)。

2)減小沉降和沉降差，樁基設(shè)計(jì)采用變剛度調(diào)平方法，采用加大基礎(chǔ)底面積，加強(qiáng)基礎(chǔ)剛度，主群樓間設(shè)置沉降后澆帶等有效措施。

3)經(jīng)濟(jì)、簡單原則，設(shè)計(jì)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(jié)省了工程造價(jià)，又便于施工，縮短了工期，間接提高了經(jīng)濟(jì)效益。

[1] JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 劉金礪，遲鈴泉.樁土變形計(jì)算模型和變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22(2):151-157.

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