石灰岩地区某工程基础选型的介绍

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一、工程概论

　　×××指挥中心大楼，位于雄楚大道路北，武昌锅炉厂南墙外，大楼主楼12层，裙楼8层，框架结构，设置一层地下室，预计开挖深度为自然地面以下6.0m。

图一 工作量布置图

　　该项目单柱荷载较大，由于其特殊功能，工程重要性等级较高。我们在初勘基础上（初勘由其它单位完成），共布设勘探点23个，4个物探验证孔，2个岩溶裂隙水位观测孔，同时还委托神龙地质勘察院进行了物探工作（包括地质雷达和瞬变电磁法）。目的是从宏观上探测溶洞和软土的规模，以其达到缩短“卡洞”工期，节约勘察投资的目的。

二、场区岩土层的分布条件

图二：典型工程地质剖面图

 

表一  场区土层主要特征及力学性质

层号

岩石层名称

层面埋深(m)

一般厚度(m)

Ps范围值（MPa）

N范围值（击）

综合

岩性描述

fak(kPa)

Es(MPa)

2

淤泥

1.5-2.0

0.5-1.0

0.3-0.4

 

50

2.2

黑灰，饱和，流塑，局部软塑，普遍分布

3-1

粘土

2.5-3.0

0-3.5

0.9-1.8

 

110

4.3

褐灰，软塑，部分地段分布

3

粉质粘土

2.5-3.2

0-3.0

1.2-2.0

 

150

6.0

褐灰-褐黄，可塑，大部分地段分布

4

粉质粘土

夹粉土

5.5-6.5

0-3.5

0.6-1.0

 

95

3.8

褐黄-褐灰，湿，软塑，大部分地段分布

5

粘土夹碎石

7.5-10.0

3.5-6.0

 

N_63.5=23.4

350

13.0

黄褐-褐黄，稍湿，硬塑，碎石稍有磨园度，以石英砂岩为主。

5-1

粘土夹碎石

14.0-16.0

0-10.0

 

3.5-9.0

60-180

2.0-7.0

黄褐-褐黄，很湿-饱和，由硬→可→软→流塑，仅沟槽分布

6

石灰岩

13.0-18.0

未钻穿

 

frk=34~109MPa

fa=1000

不可

压缩

浅灰、灰白，溶蚀裂隙发育，分布在图一地质介线以南

7

砂岩、泥岩

10.0-11.0

未钻穿

 

 

fa=400

Eo=45

褐黄—砖红色，呈碎解状，分布在图—地质介线以北

三、场区水文地质条件

　　拟建场区东西两侧在勘察期间地貌仍为沟塘，上层滞水赋存于填土和淤泥层中，下伏石灰岩中不均匀分布有岩溶裂隙承压水，其水仅分布在溶沟、溶槽、溶洞等裂隙之中。距该场区约200米处，有武锅水井，每年均抽取地下水作工业冷却水用。此水井与场区属同一灰岩条带，抽水量约为400吨/日，夏季白天抽取。
　　本次勘察期间在3#、5#钻孔内设有水文观测孔，测得其动水位为13.18-14.20m，水温20°（见下图）。由于勘察期间正值抽水季节，只能提供岩溶动水位值，但留下水文观测孔，在工程施工时可作水位监测用。

图三 水位随时间变化图

 

四、本场区基础选型的不利条件

    本场区对建筑物基础选型明显存在有以下不利条件：
    1、7.5-10.0m以上均为Q₄地层，承载力低、压缩性高，不经地基处理，不能选作天然浅基础持力层。
    2、第（5）层粘土碎石层，强度高、压缩性低，但埋深大、厚度小，且下卧有（5-1）软土和岩溶分布，不能满足《建筑地基基础设计规范》第6.5.2条。如选作基础持力层，土方量大，且存在基础的稳定性问题。
    3、在16个石灰岩的钻孔中，见洞率，另据物探测出，钻孔中所遇到的洞体均有一定的规模，且洞体附近还有其它的物探异常。如以石灰岩为桩基持力层，必须逐柱逐桩进行岩溶勘察，耗时、耗力、投资大，且为工程工期不能接受。
    4、从区域地质资料了解，场区处在大断层附近，灰岩地质年代为石炭系，灰岩的质地较纯，岩溶发育。从武锅抽水井资料得知，场区的岩溶承压水位高，水量丰富，如采用桩基础，必须降低地下水位，方可保障施工质量及人事安全。其降低承压地下水，投资很大。
    5、采用钻孔灌注桩，钻穿第（5）层困难（内含有大块石英砂岩块石）需采用反循环，特殊钻头；采用人工挖孔桩，需对部分岩体实施爆破，这都是耗时、耗力、投资大的施工难点。

五、基础形式的确定

    还在勘察外业工作的初期，勘察施工的难度，及基础选型的不利形势已经显露出来。本着为业主竭诚服务的宗旨，我们在边进行外业勘察的同时，边与建设单位、设计人员不断沟通。经过多次的技术论证、对比（还包括建址的前后移动方案对比），并由我院出面聘请资深专家召开咨询会，终于说服了建设单位和设计人员，放弃了原定的桩基方案，采用了我们推荐的基础方案，即：
    1、确定可以在原址上建筑，保证了建筑物的最佳位置气势。
    2、对地下室底板至（5）层之间的Q₄地层，进行满堂地基处理，处理方案由我们提出。
    3、采用有足够刚度的筏板基础，砌置在满堂处理后的复合地基之上。

  六、为什么要选择筏板基础和地基处理方案

    (一)首先基于我们对场区岩溶现象的地质成因，分布范围，发展趋势和危害程度有了较大程度的了解。
    1、场区历史上曾遭受过强烈的地质构造运动
    武汉市地质构造主要受燕山期造山运动的影响，形成了一系列近东西走向的紧密线状褶皱压扭性断层和北北东、北北西张性断层。本场区位于线状褶皱的背向斜转折冀段，距场区西侧约800米处，有一推断的北北东向断层，受其影响，场区岩体表现为裂隙、破碎现象较为严重。在钻探中发现：1、2号地质剖石中的晚泥盆系砂岩、泥岩在66.0的深度仍见不到完整岩芯，取出的岩芯呈强风化及破碎岩状；3-5剖石的石炭系石灰岩则表现为裂隙发育，大量方解石充填，岩溶现象发育等。这佐证了场区岩体曾受过地质构造运动的强烈影响。
    2、钻探、物探均发现了场区分布有大大小小不规则的溶洞。钻探在5个钻孔中见到洞跨大于1.0米的溶洞。而据物探资料提供，在场区1-4#钻孔一带的溶洞有一定的规模，最大溶洞为7.0米，最小为2.0米，其它还有溶洞呈零星分布。
    但物探资料有一定的局限性，且钻探验证与物探异常不完全相符，虽然场区布设的钻孔密度较高，由于岩溶分布的随机性，还有可能存在未被发现的岩溶分布。
    3、在建筑物的使用年限内，场区岩溶继续发育的速度是极其缓慢的。至少在200-300万年前，即第四系中晚更新世以前的流水作用，就已经使场区的石灰岩逐渐溶蚀、发展，而形成了现在隐伏于场区的岩溶景观。
　　石灰虽可被水溶蚀，但其溶蚀速度是非常缓慢的。经查阅有关文献，我国广西岩溶溶蚀速率为0.1-0.3mm/年，一般地区均低于1.0mm/年。可见建筑物的使用年限与岩溶发育的寿年相比，及属历史瞬间。
    4、溶洞顶盖安全厚度的试算
    溶洞的形成需漫长时代，在自然状态下已经形成的溶洞凡没有坍塌的，应该是稳定的，一般洞体呈稳定型自然拱。但增加了建筑物的附加荷载后，洞体还是否稳定？我们选用了物探绘制的几个最不利的洞体进行洞顶安全厚度的验算：
选用公式：
式中：P——附加荷载+土自重+顶盖岩体自重
I——洞体的跨度（长径）
b——洞体的短径
sub>——岩体的弯曲应力，灰岩一般取允许抗压强度的
H——顶盖所需的安全厚度
　　计算结果
 

计算单位

安全厚度(m)

实际厚度(m)

稳定中评价

备  注

10#

1.5

0.2

不稳定型

由于物探分辨限制，实际

钻孔资料比物探异常小

1#

3.69

1.8

不稳定型

洞体处在溶沟槽内，顶盖受力已与计算模式不符

另计算的5个点位

安全厚度＜顶盖实际厚度

稳定型

 

    从上述计算，可以结论，对已掌握的溶洞，经计算过的及未经计算过的，当建筑物荷载上去以后，除个别还可讨论外，其余均属稳定型洞体。
    5、岩溶地下水运动的不利影响
    岩溶地下水的运动，有可能导致岩溶软土，土洞及地面塌陷等对建筑物稳定性的影响，本场区附近有抽水井，有地下水运动现象，对建筑物的影响是我们十分关注的问题。
    a．（5-1）属场区岩溶软土，从初勘和详勘资料中可知，（5-1）层土并没有在灰岩面上呈层状分布，仅分布于溶沟槽及岩面低洼处，即见软土率为≈25%，可以说场区岩溶地下水对复盖土层虽有软化、侵蚀作用，但并不普遍和强烈。且所有钻孔中均未发现有土洞的存在。
    b．与场区灰岩在同一条带上的抽水井，附近只有武锅一口井，且抽水量仅为400吨/日，抽水量不大。据“工程地质手册”有关条文说明，当地下水流的水力梯度（I）大于岩土层的临界水力梯度（Io）时，则易对岩土层产生潜蚀。由于武锅井正在运营，无法测量其水位降，如果我们假设其为最不利的降深40m（此水井抽水管安装最深为40m），本场区3#孔水位降深为14.2m，两点相距200m，则地下水流动的水力梯度。

岩土层第（5）层的临界水力梯度

　　式中：Gs=岩土层颗粒的比重（取Gs=2.75）
　　n=岩土孔隙度，以小数计算（取n=0.45）
    两者相比，地下水流动的水力梯度大大小于第（5）层土，包括（5-1）层土的临界水力梯度，这说明抽水引起的潜蚀现象是非常有限的。
    武锅抽水井建于五八年，距今40余年，调查没有发现场区及抽水井周围有地面塌陷现象发现。另武汉三镇正在运营的水井不少，据武汉市有记载的地面塌陷均分布在长江一级阶地地层中，而长江三级地地层中的地面塌陷到目前为止还未有记载。

    （二）是基础方案优化的结
    前面已经介绍，本场区无论选择桩基础，还是天然浅基础，均存在诸多不利条件，而采用筏板+地基处理基础是最经济合理的方案。
    即当基础的尺寸大于洞（或沟槽）的平面尺寸，并有足够的支承长度时，可以不考虑溶洞（或沟槽）对基础的稳定性影响。
    其二，对浅部Q₄地层地基处理后，达到形成具有一定厚度的均匀的基础持力层，使其上部荷载应力传至下面软土或岩面时变得最小为目的。
    推荐的地基处理方案有以下几种
    1、换土垫层：可采用高炉矿渣、砂、石级配料换填，此方法施工直观、简单、易于操作，但需开挖7.5-10.0基坑，场区两侧分布有沟塘，从安全、经济的角度出发需论证，慎重采用。
    2、碎石桩复合地基：预挖3.0米基坑，再进行小直径，高密度高置换率干法碎石桩。此法从受力机理分析，是除换填之外对地基应力分配最有利的一种加固形式，但后因此法已逐渐在武汉淘汰，未能系用。
    3、水泥搅拌桩复合地基：可用满堂正方形或三角形模式，高置换率布桩。此法施工较易实施，质量也较易控制，但从地基应力分配的受力机理上分析，大大不如前两种形式。
    4、人工素砼复合地基：此法是采用洛阳铲成孔、人工搅拌素砼铲入孔内，不进行捣实工艺，施工质量均由人工操作，完全不用机械，其受力机理上同前第3种。后经对比后，采用了此种方案。

七、地基承载力及变形计算

    （一）地基承载力计算
    1、复合地基承载力，可根据建筑地基处理技术规范《JG79-2002》的有关规定进行设计计算。（注：在此从略）
    2、对第（5）层土按深宽修正，可得到以下设计值

　　采用公式：
　　其中     =19.7  _m =19.2
　　计算结果，其设计值fa=600kPa
    （二）变形计算
    第（5）层土以下有（5-1）软土的不均匀分布，能导致基础的不均匀沉降及倾斜超规。以下试算了基础各点的沉降及基础整体变形。

图四 沉降计算图（注：仅供设计参考）

    从上图的计算结果可见：a基础的计算倾斜值是在国家有关规范规定的允许变形值范围之内；b虽各点计算值差异较大，但只要基础的刚度有足够的大，不发生整体超规的倾斜，则基础的整体变形，只会以小变形值体现出来。

八、建议与结束语

    由于拟建物的工程重要性等级较高，我们在勘察报告的建议中提出：为使建筑物的主楼地基更安全，建议对1-4号钻孔一带已探明的岩溶、软土分布较集中地带，采用体积限量注浆处理。
    该建筑物于2000年建成，使用至今，据后期沉降现测资料反映，其使用效果很好。可以算得上是个成功的建筑案例。