岩溶建筑地基强溶蚀带划分

曹贤发，刘之葵，李海玲

(1.广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林 541004;2.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004;)

强溶蚀带是碳酸盐岩场地岩面起伏和洞隙发育的主要深度范围，其岩体溶蚀程度较高［1］，属于典型的土-岩组合地基。强溶蚀带厚度越大，溶洞、溶沟、溶槽、石芽等岩溶形态越发育，其岩面不连续起伏越剧烈，岩体完整性越差和地基稳定性也越差。将强溶蚀带作为不良地质夹层从岩溶地基中单独划分出来，能反映场地岩溶发育的主要深度范围和岩溶地基处理难度，这对建筑地基岩溶问题的处置具有积极的工程实际意义。

岩溶发育程度分级［2～4］是目前岩溶地基溶蚀特征分析的主要方法。研究表明，在以碳酸盐岩为主的较大区域范围内的岩溶场地，岩溶发育程度具有随深度增加而减弱的规律［5～9］。曹贤发等指出岩溶建筑地基溶蚀程度具有随深度呈指数衰减的规律［10］，进而提出了相应的定量分析理论和方法［11］。可见，尽管强溶蚀带仍未提出合理的划分方法，但现有理论研究成果和工程实践经验已为该问题的解决奠定了良好的研究基础。

本文结合工程实践将强溶蚀带作为独立的不良地层从岩溶地基中划分出来，提出了强溶蚀带划分方法和建议标准，并结合具体的工程案例对其方法的先进合理性进行了论证。

1 强溶蚀带地层参数

将强溶蚀带定义为岩溶地基的一个独立地层后，岩溶地基可视为土层—强溶蚀带—较完整岩层的三元结构(图1)。当场地没有上覆土层时，则为强溶蚀带—较完整岩层的二元结构。

图1 岩溶地基结构示意图Fig.1 Diagram of karst ground structure

根据图1，强溶蚀带各地层参数的相互关系见式(1)～(3)。

式中:hs——强溶蚀带上覆土层厚度;

hr——强溶蚀带层底深度;

H'cr——强溶蚀带上界高程;

Hcr——强溶蚀带下界高程;

H0——地基起算高程，一般取浅基础基底高程，如桩基础则建议采用桩基施工前的场地整平高程;

△hr——强溶蚀带厚度。

2 强溶蚀带界限确定

强溶蚀带上界高程H'cr及下界高程Hcr是划分强溶蚀带界限的基本参数，而溶蚀程度深度分布规律是确定这两个参数的主要依据。文献［11］定义的溶蚀率同时考虑了岩面溶蚀和洞隙溶蚀情况，通过高程离散处理可统计求得不同深度处的溶蚀率，进而可确定场地的溶蚀率深度分布函数，该函数能合理刻画岩溶地基的溶蚀程度深度(高程)分布规律，因而可作为强溶蚀带界限高程的确定依据，该函数可表示为:

式中:r——深度为h的溶蚀率/(%);

r(h)——实测溶蚀率深度分布函数;

H0——岩面深度的起算高程/(m)，一般参照场地勘察钻孔揭露的岩面最大高程选取;

h——自高程H0起算的相对深度/(m)。

图2为式(2)的实测溶蚀率的高程分布函数曲线。设高程H'cr对应的强溶蚀带上界溶蚀率为r'cr，高程Hcr对应的强溶蚀带下界溶蚀率为rcr，则在图2中做垂线r=r'cr和r=rcr分别交溶蚀率深度分布曲线于点A和B，这两点对应的高程即分别为强溶蚀带的上界高程和下界高程。

图2 作图法求强溶蚀带界限示意图Fig.2 Graphic method for the boundary of the intensity dissolution layer

目前，大部分学者认为碳酸盐岩场地的岩溶发育具有分层特征，事实上岩溶特征分层一般只有在岩层厚度较大的情况下才能反映出来。建筑工程涉及的岩溶深度十分有限，在占地面积较小的深度范围内，岩溶特征评价涉及的岩层厚度一般小于30 m，属于浅层岩溶，因而其溶蚀率分布曲线往往表现为深度的递减函数，根据文献［10］～［11］研究结果，该溶蚀率可按下式拟合:

式中:a、b——拟合系数，其余符号意义同前。

溶蚀率拟合曲线刻画的溶蚀程度深度分布规律在理论上较实测曲线更为合理，因此，当场地实测溶蚀率可较好地拟合成式(3)的形式时，宜按式(4)计算确定其强溶蚀带界限高程，反之强溶蚀带界限高程应按作图法(图2)确定。

根据课题研究阶段收集的中国西南岩溶地区600余份场地(涉及建筑物1200余栋)的勘察资料分析，各场地溶蚀率一般可拟合成形式(3)的指数函数形式，由此推断，按式(4)计算强溶蚀带界限高程具有较好的适用性。

3 界限溶蚀率取值建议

rcr和r'cr是合理确定强溶蚀带界限高程的关键参数，其取值应和当前岩溶地基处理技术水平相适应。GB50007-2011建筑地基基础设计规范［2］规定:(1)对于地基设计等级为丙级的荷载较小的建筑物，当基底以下垂直洞隙面积小于25%时，可不考虑岩溶对地基稳定性的影响;(2)对地基稳定性有影响的裂隙，若基底下洞隙面积不超过25%且充填物难以挖除时，可通过钢筋混凝土板跨越或钻孔桩穿越进行处理;(3)当线岩溶率为20%或遇洞率为30%时，场地应判为强发育。另外，文献［1］的研究结果指出，当线岩溶率小于15%时，岩溶发育对岩溶地基的稳定性影响较小;线岩溶率在15%～25%时，岩溶发育对地基稳定性的影响为中等;线岩溶率大于25%时，岩溶发育对地基稳定性的影响较大。可见，由于目前关于岩溶洞隙稳定性分析已取得了丰富的研究成果，溶洞处理技术比较成熟。因此，现有岩溶地基处理技术水平已基本能满足大部分溶洞处理的需求，少数溶洞发育对岩溶地基的工程造价影响不大。根据文献［11］，在一定深度以下的溶蚀率代表的主要是该深度平面上的洞隙面积比，因此，结合GB50007-2011建筑地基基础设计规范［2］相关规定及文献［1］的研究结果认为，rcr取25%符合当前岩溶处置水平。

强溶蚀带底部洞隙面积比与其下的岩体完整性密切相关，而强溶蚀带顶部的岩石面积比则与土层地基的均匀性密切相关。强溶蚀带顶部岩层溶蚀程度越高，土层地基底部残留的岩石面积越小，其地基越均匀。事实上，与溶洞处理相比，对土层地基底部残留岩石的处理措施更加简单。因此，强溶蚀带上界溶蚀率可参照下界溶蚀率标准取值:下界溶蚀率按洞隙面积比为25%确定，上界溶蚀率则按残留岩石的面积比为25%确定;根据溶蚀率定义可知，残留岩石面积为25%时对应的上界溶蚀率r'cr为:

将rcr=25%和r'cr=75%代入式(4)可得当前岩溶处置技术水平下强溶蚀带界限参数式，见式(6)。可见，下界溶蚀率可作为强溶蚀带上、下界限高程确定的主要依据，因此本文将其定义为强溶蚀带界限溶蚀率。

4 工程实例

4.1 工程概况

黔龙·阳光御园4#楼位于重庆市秀山县滨江公园内侧，下伏基岩为寒武系下统龙王庙阶清虚洞组七段石灰岩(∈1q7)，采用钻孔嵌岩灌注桩基础，以中风化灰岩桩端持力层。该场地分别进行详细勘察和施工勘察，其勘察工作情况见表1。

表1 勘察工作一览表Table 1 Summary of geotechnical engineering investigation

根据文献［11］可得场地的溶蚀率深度分布曲线如图3。从图3可知，其实测曲线符合式(3)的函数曲线特征，其拟合结果见表2及图3，拟合时的岩面起算高程H0取341 m，由此可求得该场地的强溶蚀带地层参数，见表2。

图3 溶蚀率高程分布曲线Fig.3 Elevation distribution curve of dissolution ratio

表2 强溶蚀带界限参数表Table 2 Parameters for the boundary of the intensity dissolution layer

4.2 强溶蚀带的层位稳定性

强溶蚀带属于岩溶场地的一个特征地层，应具有较好的层位稳定性。也就是说，同一个场地在不同岩土工程勘察阶段所确定的强溶蚀带分布深度范围应相差不大。文献［11］的研究表明，如果场地各勘察阶段布置了足够数量的钻孔，那么在不同的勘察阶段确定的溶蚀率曲线(r-h曲线)具有良好数值稳定性。因此，以此为依据划分的强溶蚀带也具有良好的层位稳定性。

由表2可知，黔龙·阳光御园4#楼场地在详细勘察和施工勘察阶段，其强溶蚀带上界高程差为0.48 m，下界高程之差为0.08 m，强溶蚀带厚度之差为0.5 m，这显然与场地一般的稳定地层统计误差是一致的，这表明，岩溶建筑地基的强溶蚀带具有较好的层位稳定性，本文提出的强溶蚀带划分方法是合理的。

根据表1可知，黔龙·阳光御园4#楼在不同勘察阶段确定的遇洞率值相差很大，绝对误差高达33.79%，相对误差高达127%，线岩溶率值绝对误差为5.37%，相对误差高达353%。根据这2个指标确定的岩溶发育程度等级在详细勘察阶段和施工勘察阶段分别为中等发育和强发育，其评价结果也相差较大，这种情况并非个例，这在目前的工程实践十分常见。可见，同一场地在不同勘察阶段的岩溶发育程度评价指标及其结果差异较大，这给目前的岩溶地基处置带来很大的不确定性。强溶蚀带厚度直接反映了岩溶场地的岩溶发育程度和地基处理深度范围，且其地层参数具有较好的地层稳定性。因此，将其作为岩溶发育程度评价指标具有明显的先进性和合理性。

4.3 界限溶蚀率取值的合理性

强溶蚀带作为场地溶蚀程度最高的深度范围，因而不宜直接作为基础持力层。对于黔龙·阳光御园4#楼，强溶蚀带不应成为该场地桩基的主要持力层。根据该场地的桩基施工情况可得到其桩端持力层在不同高程的分布情况，见图4。

图4 桩端高程分布情况图Fig.4 Elevation distribution of pile tip

根据图4，仅2根桩桩端落在强溶蚀带深度范围内，占总桩数的2.32%。这两根桩分别为2#和68#桩，桩端高程分别为335.46 m、335.55 m，仅高出强溶蚀带底部界限0.71～0.80 m，因此，可以认为这2根桩处于强溶蚀带底部界限附近的深度范围。28根单桩的桩端落于Hcr以下5 m的深度范围内(高程330～334.75 m)，占总桩数的32.56%;36根单桩位于Hcr以下5～10 m的深度范围(高程325～330 m)，占总桩数的41.86%。即桩端落于高程Hcr以下10 m深度范围内的单桩比例高达74.42%。可见，场地大部分单桩桩端均位于强溶蚀带以下的深度范围，而桩端位于高程Hcr以上的桩数较少，这表明本文方法确定的强溶蚀带不宜直接作为桩基持力层，其下界限溶蚀率取rcr=25%符合当前岩溶地基的处置水平。

5 结论

(1)强溶蚀带是岩溶地基中岩体溶蚀程度最高的深度范围，未经处理不宜直接作为岩溶地基的主要持力层，其分布界限高程可由溶蚀率深度分布曲线确定。

(2)在保证场地各勘察阶段具有足够的钻孔数量的前提下，同一场地在不同勘察阶段确定的强溶蚀带分布范围基本一致，这表明强溶蚀带具有较好的层位稳定性，将其作为岩溶发育程度评价指标具有明显的先进性和合理性。

(3)工程案例表明，按下界溶蚀率rcr=25%确定的强溶蚀带下界限高程Hcr，能保证大部分嵌岩桩桩端位于高程Hcr以下，只有少数单桩持力层位于高程Hcr以上，这表明下界溶蚀率rcr=25%是符合当前的岩溶地基处置水平。

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