岩溶地面塌陷区地质灾害治理及桩基设计探究

尚掩库

(贵州大学喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室，贵州 贵阳 550003)

随着社会的发展和科技的进步，地表的高层建筑物越来越多。由于人类的过度活动，地表已经越来越脆弱，在近几年也相继发生地面塌陷的事故。为了稳定建筑物，控制建筑物的沉降范围，一般采用桩基础。由于地质多种多样、情况比较复杂，经济、可靠、适合的新型桩基设计是地基界新兴的一项重要课题。下文将结合案例，论述地表脆弱地区的地基模型和桩基沉降变形模型，完善桩基设计技术和积累经验。

1 徐州岩溶地区高层建筑的地面塌陷

近年来，徐州加快城市发展脚步、高层建筑逐渐增多，建设高层建筑中遇到的岩土工程问题也越来越复杂。下面将借鉴塌陷区高层建筑物的成功例子，分析地质灾害的成因并对塌陷地区进行勘察研究、治理灾害地区。另外由于岩溶洞的裂隙发育，桩基可以根据不同的潜入深度来保持地基的安全。

1.1 工程的背景

徐州电业局新生街道的高层住宅楼处于本地老城区的东南部，东边接近故黄河和迎宾大道，西边连着岩溶住宅的塌陷区，这里多次发生地面塌陷。这个场地是国家批准立项确定的徐州市岩溶塌陷危险亚区。

电业局里有4栋高级住宅楼，建筑总面积达到10万m2，楼层总高度是80 m，地上28层，地下2层。4栋楼采用箱—桩的基础，分别在1999年，2001年相继完工。治理工程的第一件事是对地质进行初勘、详勘和施工勘探。

1.2 工程的地质条件和岩溶地面的塌陷情况

1)工程的地质条件。

该塌陷地带位于故黄河西边的高漫滩上，东边距离河床60 m～80 m，地表海拔达37.30 m，地面平坦，岩土层结构主要如下:

①层0.0 m～8.5 m以黄色粉土为主，夹杂一些粉质粘土，稍密是杂填土。②层8.5 m～21 m是灰黄～灰色粉砂，中密，底部中含有小砾石、瓦块。③21 m以下的是中厚层，以奥陶系灰岩为主、可见到部分角砾岩。岩溶裂缝发育过程中，青砖、砂石、瓦片填满浅层的溶洞裂缝，强度大。④塌陷地带的地下水中有少些上层滞水、岩溶裂隙弱承压水和孔隙潜水。岩溶裂隙的水年变化幅度大于9 m，主要在灰岩面上下波动。这一层灰岩水是徐州居民主要的供水来源。所以在它的南边已经开采了4口井，每天的开采量为0.8万m2，已经超出了标准的2倍多，所以漏斗逐年在下降。根据此勘察报告可以确定了该场地确实已经是岩溶地面的塌陷危险区，急需治理地质中存在的灾害。

2)岩溶地区的塌陷情况。

1992年4月12日左右，新生街发生大范围的塌陷事故，塌陷的坑洞达8处、面积南北长190 m、东西宽110 m，倒塌224所房屋和96户民房，民房损坏、地面裂开、地下水管破裂。用雷达和静力触探的方法发现有12个土洞情况异常，钻探过程发现里边冲洗液泄漏、溶洞裂开。

3)桩基技术在治理地质灾害中的应用。

因为塌陷的高层建筑物有2层是地下室，所以要开挖和支护基坑。先测试岩溶的裂隙情况，再确定桩基打进的深度。在钻孔前要对岩溶裂隙注浆，最终形成一个含水、土、岩的封闭单元体。

首先运用高压旋喷支护桩基坑。运用高压旋喷桩和百喷桩合成的止水帷幕在有效深度为5.2 m的基坑平面上，同时起支护作用。开挖基坑用陡坡和放坡方式，高压喷射注浆体要到岩面上。喷射器的钻孔直径是130 mm，遇到溶洞和漏液要先注浆，遇到裂隙要加深，特别是在基岩0.6 m～1.2 m处。

其次要进行施工勘察。查明桩基附近岩溶的裂隙情况，确定桩基嵌入的深度，如果发现漏水就要进行注浆，主要为了堵住各水力通道，保证取芯率达八成以上，并拍照和记录水位。

最后是进行桩基设计。用钻孔灌注嵌岩桩，保证桩基安全稳定。刚开始要检查桩端下的基岩的完整性和强度，在3倍～5倍的桩径范围内要达到要求。在施工中不断调整桩和孔的位置，才能让不同长度的桩基符合要求。

4)质量检测技术的应用。

质量检测技术包括基岩注浆、试验桩静荷载、检测桩身质量和观测建筑物沉降情况。治理地质灾害，判断依据是能否形成封闭的岩土单元体、是否切断地下水与外面的联系。根据基坑内外的观测孔观测得出:如果坑内管井降水，可以疏水，直到降水井抽完水后停止抽水。水位依旧但外侧观测孔观察不到水位变化，说明止水帷幕顺利。对岩溶裂隙进行注浆，可延伸到10 m外。在钻孔的后半阶段，发现裂隙中有已经凝固的注浆体。根据分析，进行注浆前漏液率是9.6%，注浆后从未发生漏液，说明施工顺利，堵住了基岩的裂隙。分析岩溶地区塌陷的成因，再针对性地进行勘察、支护和桩基设计，形成封闭的岩土单元体，才能真正治理地质灾害。钻孔前要勘探裂隙情况，才能确定桩基潜入的深度，保证工程安全、顺利进行。所以，徐州高层住宅楼的岩溶塌陷地质治理是治理地质灾害一个成功的例子，为以后高层建筑物的地质灾害治理提供了宝贵经验。

2 软土地区高层建筑物的桩基技术分析

徐州的例子可以让人更详细更明确地认识桩基技术在生活中的实际应用，下面则根据实际情况，研究桩基设计的方法和计算方法，着重详细论述软土地区的地基模型和桩基的沉降变化模型。

2.1 桩基的设计方法和计算方法

设计桩基第一步是选择桩基材料。根据建筑物的具体情况，包括施工条件和地质要求来选择桩的尺寸和型号，还有计划承台的尺寸、埋深和桩基的数量和布置情况，计算各桩基的承受能力以及参考荷载标准。减少沉桩是因为虽然承载力符合理论要求，但沉降量对于实际承受力却过大，所以要减少桩量来减少沉降，这种称为减沉桩，通过减少土中应力来达到减沉目的。减沉桩幅度小，一般减少的数量很少，即使这样减沉后地基的沉降情况相对于单桩的沉降量还是大很多，有些桩基沉降可以是150 mm，有些短桩沉降一般就小于50 mm。

城市地表上有高层建筑、下有水道或地铁，活动太过剧烈以致地表非常脆弱，所以很多情况属于软土地基。软土地基属于不良地基，其中软土强度低、透水性差、压缩性高。在软土地上建设建筑物，要重视地基的稳定情况、防止变形的不良影响。在软土地上进行建筑工程，首先要认识地基强度和变形情况，处理地基使其满足建筑要求。处理是为了提高软土地基的强度，保持地基稳定，从而减少软土沉降或不均匀沉降、降低软土压缩性，可以使用换土、排水固结等方法。其中厚的软土地基用钢筋混凝土处理，含水较多的用砂桩、堆载预压等方法处理。每种方法都有特定的作用，所以要合理选择，才能正确处理好地基。

桩基础的历史使用时间悠久，在古时候经常用木桩来解决建筑在软土地上的建造问题。桩一端承接着建筑物上层的荷载，一端连接着土地或基岩，把上方的载荷力移到下方岩土中，既有效地承载负荷又降低上部结构，防止建筑物沉降。运用桩来保证建筑物的稳定，减少地基或其他振动对建筑物的影响。总的来说，桩基础是脆弱地区建筑物广泛应用的方式，具有抗倾覆能力还有抗震的作用。

2.2 分析软土地区的地基模型

地基模型，是用来反映土体受外力作用时，地基土应力和应变关系变化特点的数学表达式。选择地基模型，要依据建筑物的地基承载力和性质、负载能力等情况进行合理选择。模型既要形象准确描述受力情况和力学性质，又要便于计算和分析。在计算中应注意实际的基础刚度处于柔性和绝对性基础两者之间，没有一个绝对值。运用结构和基础分析得出地基反力的分布。如果建筑物荷载小而地基承受力大，可用线性弹性地基模型分析，常用的是分层地基模型。此方法分析地基土分散和变形的特点，着重考虑土层非均质性，根据深度变化而分层，计算结果比较可靠。

确定场地和建筑物形式后，综合分析荷载力、建筑类型和其他地质条件来选择地基模型。分析材料、荷载力、几何形状以及其他因素来选择模型的参数，一般要考虑土层分布、土地变形和荷载在地基中引起的应力、上层结构刚度和埋置深度等因素。

2.3 分析软土地地基沉降变形模型

桩基设计要充分考虑沉降量，作为评价地基设计适用的标准。先估计地基在静荷载力作用后的沉降量，可用三部分相加进行计算:S=Sd+Sc+Ss，即沉降量=畸变沉降量+固结沉降量+次压缩沉降量。

在实际情况中，固结致使部分饱和土中桩发生沉降;一部分沉降和消散的孔隙水压有关系，这部分变形称为流变，所以计算时要考虑固结和流变两种情况。从以上论述可以看出，合理建立桩基础模型，要全面分析土的特点、孔隙水压的变化和结构应力、桩基和建筑物的变形和受力变化。认识这些，才能合理设计桩基、预测建筑物的安全。

计算桩基沉降的模型，一般有以下两种模型:1)实体深基础模型，它把桩与桩之间的地基土假设成一实体，所以建筑物的沉降就是整个实心体在地基下部分的压缩变形。2)连续体模型，它把桩和土当作两个参数进行分析计算。建筑物沉降是桩和土两个介质一起垂直变形，跟实际情况比较吻合。计算方法则有简易理论法和半理论半经验法。

岩溶塌陷是目前建筑物密集带的一种地理灾害，徐州治理塌陷地质灾害的成功例子给我们指明一条治理道路。在实际工作中，影响桩基设计的因素既多又复杂多变，需要工程建设者选择合理的方法和模型，注意选用合适的计算方法和参数，才能得出对实际工程有指导意义的数据和方法。

［1］江苏省地质矿产局第五地质大队.江苏省徐州市岩溶地面塌陷灾害地质勘查报告［R］.

［2］高进科.桩基设计应注意的几个问题［J］.交通世界(建养·机械)，2008(1):18-19.

［3］胡金会.桩基设计中计算公式的应用［J］.山西建筑，2007，33(6):95-96.