淺析岩溶地區地基基礎的應用

導語：喀斯特(KARST)即岩溶，是水對可溶性岩石(碳酸鹽巖、石膏、岩鹽等)進行以化學溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用為輔的地質作用，以及由這些作用所產生的現象的總稱。由喀斯特作用所造成地貌，稱喀斯特地貌(岩溶地貌)。

　　1、岩溶概況

岩溶地貌是具有溶蝕力的水對可溶性岩石進行溶蝕等作用所形成的地表和地下形態的總稱。又稱喀斯特地貌。它以溶蝕作用為主，還包括流水的沖蝕、潛蝕，以及坍陷等機械侵蝕過程。按出露條件分為：裸露型喀斯特、覆蓋型喀斯特、埋藏型喀斯特。岩溶地貌分佈在世界各地的可溶性岩石地區，佔地球總面積的10%。可溶性岩石有3類：①碳酸鹽類岩石;②硫酸鹽類岩石;③滷鹽類岩石。

中國岩溶地貌分佈廣、面積大。主要分佈在碳酸鹽巖(石灰岩、白雲岩、泥灰岩等)出露地區，面積約91～130萬平方千米。主要分佈在廣西、貴州、雲南東部和廣東北部，是世界上最大的岩溶區之一。

　　2、岩溶的一般形態和形成原因

岩溶是主要形態有溶洞、溶溝、溶槽、裂隙、暗河、石芽、漏斗及鐘乳石等，是可溶性巖受水的化學和物理作用的結果。岩溶發育的基本條件：1)具有可溶性岩層，2)具溶蝕能力和流量足夠的水，3)地下水有下滲、流動的途徑。

一般地說，硫酸鹽岩層、鹵素類岩層岩溶發展速度較快;碳酸鹽類岩層則發展速度較慢。質純層厚的岩層，岩溶發育強烈，且形態齊全、規模較大;含泥質或其他雜質的岩層岩溶發展較弱。結晶顆粒粗大的岩石，岩溶較為發育，結晶顆粒細小的岩石，岩溶發育較弱。岩溶的發育是緩慢的，在建築物使用年限內可認為是不變的。

覆蓋在岩溶面上的沖積、洪積層，在地表水下滲或地下水升降變化的情況下，土顆粒沿岩溶、洞穴裂隙帶走，使上層土形成空洞而形成土洞。土洞是岩溶作用的產物，土洞其下基岩必有岩溶水通道，土洞常分佈於溶溝西側和落水洞、石芽上口等位置。

　　3、岩溶探查及其施工問題

工程地質勘察的.目的是為設計和施工提供工程地質依據。但在岩溶地區岩石面高低起伏變化大，岩石露頭無連續性和規律性,表層岩層往往十分破脆[1]。普通的地質鑽探難度大，很難反映場地的岩溶情況，常常不能完全滿足設計要求，往往在施工過程中還要對場地環境進行復查，給地基處理、基礎選型方案的選擇帶來很大難度，造成工期長，造價高，施工質量還難以保證[2]。所以，在岩溶場地的勘察工作中不能單純依賴鑽探忽視物探，要兩相結合，互相認證。可採用電法、電磁法探測基岩埋深、土洞，劃分上覆鬆散沉積層序和風化帶，採用跨孔電磁波計算機層析成像(CT)技術探測地下洞穴、隱伏斷層、破碎帶。結合利用傳統鑽探孔，將部分孔加深作為電磁坡發射及接收井，即可實現由點到面(剖面)的探查成果。

由於岩溶的形態和特點岩溶地區工程活動中常見下列的一些現象、問題：1)鑽探或衝(鑽)孔樁作業時，發生漏漿、漏水、塌孔、卡鑽、埋鑽、掉鑽、偏孔;2)同一承臺，樁長相差甚大，數米到十餘米;3)地質鑽孔見巖與鑽(衝)樁、人工挖孔樁見巖不一致;4)出現超長樁;5)人工挖孔樁出現湧水、湧砂、掉入土洞;6)預製樁壓(打)破頂板突然掉入洞穴，深層攪拌樁掉入洞穴;7)靜壓(錘擊)預製管樁斷樁率高，斷樁率10%,甚至有的高達30～60%;8)地面塌陷，相鄰建築沉裂;9)同樁抽芯，幾個鑽孔完全不一樣。

　　4、岩溶地基的評價

岩溶不良地質構成的岩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[3]。隨著越來越多的工程興建在岩溶地區，岩溶地基問題就成為工程建設中的突出問題，加強岩溶地基穩定性分析評價，採用合理、經濟的地基處理措施，有著重大的技術價值和經濟意義。

岩溶地基分析評價過程的一般步驟為：實際洞體→幾何模型→力學模型→數學模型→計算方法→結論。其核心內容是力學模型、數學模型及計算方法的研究。近年來在該領域內的研究取得較大進展,對岩溶空洞地基穩定性的分析評價經歷了從定性→半定量→定量的過程。

定性評價法適用於初勘階段選擇場地及一般工程地基穩定性分析評價,包括綜合分析法、經驗比擬法。其中綜合分析法可根據洞隙各項邊界條件，對比表1中所列影響洞體的諸因素進行綜合分析並作出評價。

表1洞隙穩定性定性評價

半定量評價方法：1、頂板厚跨比法;此法常用於穩定圍巖。不考慮頂板形態、荷載大小和性質，根據近似的水平投影跨度L和頂部最薄處厚度h，求出厚跨比h/L，作為安全厚度評價依據。2、估算頂板安全厚度法。

定量評價法：岩溶地基穩定性研究的發展趨勢,必將是由定性到定量,由平面到三維的過程。

　　5、岩溶地區主要地基處理原則

地基評價不能滿足穩定性要求時，需要對地基進行適當的處理[4]。一般對地基穩定有影響的岩溶洞隙，應根據其位置、大小、埋深、圍巖穩定性和水文地質條件綜合分析、因地制宜的採取下列處理措施[5]：

1)對洞口較小的洞隙，宜採用鑲補、嵌塞與跨蓋等方法處理;

2)對洞口較大的洞隙，宜採用樑、板和拱等結構跨越。跨越結構應有可靠的支承面。樑式結構在岩石上支承長度應大於樑高的1.5倍，也可採用漿砌塊石等堵塞措施;

3)對於圍巖不穩定、風化裂隙破碎的巖體，可採用灌漿加固和清爆填塞等措施;

4)對規模較大的間隙，可採用洞底支撐或調整柱距等方法處理。

一般對地基穩定有影響的土洞，杜絕地表水滲入土層，使土洞停止發育和發展，當地質條件許可時，儘量對地下水採取截流、改道等，以阻止土洞繼續發展[6]。當土洞埋深較淺時，採用挖填和樑板跨越;對直徑較小的深埋土洞，可不處理，僅在洞頂上部採用樑板跨越即可;對直徑較大的深埋土洞，可採用頂部鑽孔灌砂或灌碎石混凝土，以充填空間。當對地下水不能採取截流、改道等方式以阻止土洞發育時，一般可採用樁基等措施。

　　6、地基基礎處理的比選

採用樁基在岩溶地基上建造高層建築需要面對一系列特殊問題[7]，如持力層的穩定、溶槽溶洞處理、同一承臺下長樁與短樁的應力應變協調問題等。基礎問題不但會嚴重影響安全、工期和造價，有時甚至成為工程成敗的關鍵。而目前規範規程中涉及岩溶樁基的技術規定甚少，設計與施工依據不足。下面概述一下岩溶地區主要使用的樁基型式。

　　1)衝孔灌注樁

這種樁適用於地下岩溶發育，有多層溶洞，但溶洞洞穴小，上部洞穴頂板薄的地質情況，這種樁可衝(鑽)穿上層溶洞頂板，到達下層溶洞頂板。有經驗的施工人員可以從衝擊聲中察覺到頂板的厚度，由此判斷是否已到達持力層。為穩妥起見，可在樁位先做超前鑽，查清洞穴情況，再將衝擊鑽衝至滿足設計要求之岩層。但在地下有大溶洞存在的情況下，不宜用這種樁，以免澆灌混凝土時，造成混凝土流失且難以控制。由於衝孔是靠鑽頭的自由落體運動形成的衝力來成孔的，所以衝孔樁還適用於開口裂隙多的地質情況，衝擊鑽所造成的樁孔垂直度好。

　　2)鑽孔樁

鑽孔樁的成孔直徑大，一柱一樁，受力清楚，施工方便，適用於單樁荷載大、地下有孤石，夾層分佈，岩溶表面不平的情況，用這種樁能鑽穿孤石、夾層，將樁端可靠地支承在持力層上，樁端的嵌巖情況也好。但鑽孔樁不宜用在溶岩裂除多，溶溝多的基岩中，因為施工中容易造成卡鑽、鑽桿沿溶岩斜壁偏斜，以至打偏等現象。

　　3)預應力管樁

預應力管樁適用於地下有淤泥、土洞、流砂、地下溶洞連通暗河等情況，壓樁採用的預製樁不受上述因素的影響，壓樁的單樁承載力可由壓樁機上的壓力錶觀察到，所以非常直觀，易於掌握，但在土巖軟弱過渡較快處容易出現斷樁。

　　4)群樁

當岩溶表面極其複雜，但岩溶表面上履蓋有較厚沙土層時，如果採用以上各種樁型都難於施工或保證成樁質量和安全度的情況下，群樁不失為解決此類複雜地質情況的一種有效選擇群樁的樁端並不一定要求支承在變化極其複雜的巖面上，只要在群樁樁端體的壓力泡，能有效搜蓋基岩面，即有堅硬的下臥層即可，這樣就避開了複雜變化的基岩表面對樁基造成的危害或潛伏的危害。採用靜壓預製管樁作為群樁是較好的一種方式。

　　5)夯擴樁

樁由上部樁身和下部複合載體組成，樁身為鋼筋混凝土結構，複合載體是避軟就硬，以碎磚、碎石、混凝土塊等為填充料，在持力層內夯擴加固擠密形成的擠密實體。夯擊過程中如遇土洞，可即時對土洞進行充填處理，不會危及地面安全。夯擊到巖面時，由於強大的夯擊能，實際上是對巖頂板進行強度及穩定性檢驗。若遇溶洞薄層頂板或節理裂隙較發育強度低時，即可擊穿進行“深層強夯”處理，只要達到某種“收錘標準”就可定量取得承載力。

　　6)複合地基

對於建築荷載較小，土層較厚，土洞較多，巖面起伏大，採用複合地基處理可避免直接應用天然地基時的沉降量大和承載力小的問題。複合地基部分土體被置換成增強體，由周圍地基土都共同承擔荷載，目前在工程實踐中多采用深層攪拌樁或剛性樁作為增強體。地基竣工驗收應進行壓板載荷試驗，一般承載力可以達到220kPa左右。

　　7)其它

可以採取削散荷載的方法來減低樁基承受的壓力，通常的做法是挖去一部分地基表面的軟土，做成一層或多層的地下室，可以減少這部分軟土體對樁基產生的附加荷載。可採用增大樁端接觸面，分散應力的擴底樁也是非常好用的樁基型式。另外，當岩溶地基不甚複雜基岩埋深較淺的情況下，挖孔樁也不失為一種安全、可靠、省錢、直觀的方式。

　　7、今後應著重研究解決的問題

1)勘探方面要解決鑽探與物探如何更好的結合的問題。可以考慮將部分鑽探孔加深兼作跨孔電磁波CT掃描成像技術孔;提高物探解析的準確度及精度[8];對土洞、溶洞的形態，形成由線到面再進入三維的立體映像，輔以岩層的產狀、夾層的巖性等，以提供給設計人員一個明晰的認識。

2)努力探尋適應岩溶地區的基礎型式。

①發展樁端噴漿、後注漿技術;

②改善樁頭的嵌固能力;

③發展與巖面有良好接觸應力的夯擴樁，提高施工效率;

④發展半剛性樁複合地基基礎型式。