某复杂岩溶地区的地基基础设计

杨 坤，张汉龙

（广州珠江外资建筑设计院有限公司 广州 510060）

0 引言

我国地域辽阔，场地地质条件复杂且具有明显的地区性特点，其中岩溶地质在我国广泛分布，如广东省的清远、韶关、肇庆、广州北部，以及广西、贵州等地。随着我国城市化水平不断提高，建筑用地日趋紧张，在岩溶地质区域上开发建造的建筑物也日益增多，如何安全、经济地设计岩溶地区建筑物的基础，已成为当下结构工程师不可避免的课题。

1 工程概况

某绿色金融商业项目A、C 地块位于广州市花都区，项目拟打造成为融合现代综合办公、商业为一体的公共建筑综合体。项目总建筑面积约37 万m2。项目单体包括数栋商业综合体，4栋办公楼及地下广场。其中T1、T4栋办公楼共30层，建筑总高度约140 m，为框筒结构；T2、T3 栋办公楼共22 层，建筑总高度约100 m，为框筒结构；其他单体均为多层框架结构，各单体下均设2 层地下室。项目的建筑效果、建筑总平面分区示意分别如图1、图2所示。

图1 建筑效果Fig.1 The Construction Effect Chart

图2 建筑总平面分区示意Fig.2 General Layout of Building

本工程设计使用年限为50年，结构安全等级为二级。根据《建筑工程抗震设防分类标准：GB 50233—2008》［1］，本工程为标准设防类，属于丙类建筑。场地抗震设防烈度为6 度，设计基本地震加速度值为0.05g。设计地震分组为第一组，设计特征周期为0.35 s，建筑场地类别为Ⅱ类。

2 岩土层分布情况

根据本项目的勘探报告，场地自上至下各岩土分层及其特征如下：

人工填土层：主要为杂填土，局部为素填土。呈稍压实状，局部压实，土质较杂乱，性质不均匀。天然地基承载力较低，压缩性中等或高，平均厚度2.99 m。

粉土层1：大多呈稍密～密实状，在场地内大部分孔有揭露，直接位于填土层之下，垂直向力学性质均匀，天然承载力低，平均厚度3.24 m。

粉土层2：大多呈稍密～密实状，在场地内广泛分布，位于砂层之下，残积土或基岩之上，垂直向力学性质均匀，天然承载力低，平均厚度3.13 m。

粉细砂层：呈稍密～中密状，砂质较纯，粒径均匀。在场地局部分布，层厚变化较大，局部水平分布较连续，密实度较均匀，天然地基承载力一般，平均厚度为2.27 m。

中粗砂层：呈稍密～中密状，砂质较纯，粒径较均匀，局部含少量黏粒。在场地广泛分布，层厚变化大，水平分布较连续，密实度较均匀，天然地基承载力一般，平均厚度3.05 m。

砾砂层：呈稍密～中密状，砂质较纯，粒径较均匀，局部含少量黏粒。在场地大部分区域均有揭露，层厚变化大，局部水平分布较连续，密实度较均匀，天然地基承载力一般，平均厚度为3.58 m。

粉质黏土层：可塑状为主，土质较不均匀，在场地内分布较广泛，垂直向力学性质均匀，天然地基承载力较低，平均厚度为2.64 m。

中等风化岩层：在场地内零星分布，主要呈碎块状、半壁状，局部呈扁柱状，或夹强风化碎块状，垂直向力学性质不均匀。天然地基承载力高，但大部分较破碎，溶蚀发育，为溶蚀发育区，局部存在溶蚀沟槽，局部溶蚀沟槽充填黏性土，平均厚度1.65 m。

微风化岩层：在场地内广泛分布，局部夹中等风化岩块。水平分布较连续，垂直向力学性质不均匀，多呈长柱状、短柱状，地基承载力高，平均厚度3.89 m。

3 岩溶地质情况

详勘阶段溶洞分布情况：

A 地块：总钻孔109 个，揭露溶洞钻孔34 个，见洞率31.19%，洞顶岩层厚度≤0.5 m 的比例为78.95%，最大洞高为7.30 m。

C 地块：总钻孔110 个，揭露溶洞钻孔55 个，见洞率50.00%，洞顶岩层厚度≤0.5 m 的比例为45.45%，最大洞高为26.40 m，下面主要以C地块为例展开论述。

溶洞的充填物多为流塑～软塑状黏性土，易被水流冲蚀，局部洞体充填物夹灰岩质碎石、岩块，钻探中表现为漏水，地层软弱，工程性质差，钻具有自重下沉现象；无充填物溶洞为空洞，在钻探中出现掉钻现象，严重漏水。

超前钻阶段，C 地块T3栋及其周边裙楼溶洞见洞率达90%，溶洞规模大，串珠状溶洞普遍揭示，超前钻揭露有溶洞的区域如图3阴影填充范围。典型的土层剖面如图4所示。

图3 C地块溶洞分布示意图Fig.3 Distribution of Karst Caves in Block C

图4 典型土层剖面Fig.4 Typical Soil Profile

4 岩溶地区地基处理方法

根据《岩溶地区建筑地基基础技术规范：广东省标准DBJ/T 15-136—2018》［2］，岩溶地区可采用阻止地表水和地下水活动法、充填法、跨越法、桩基穿越法、注浆法、褥垫层法等处理方法进行岩溶地基处理。对于地貌、地质、水文条件复杂及塌陷量大、影响范围大的地段，可采用多种方法综合处理。

岩溶地区地基处理方法选择应考虑地基、基础和上部结构的共同作用、基坑支护结构以及施工工艺等内容。当场地存在下列情况之一时，可采用桩基础穿越不稳定土层［3］，将建筑物荷载直接传至稳定岩层：①浅埋的溶洞、溶沟、溶蚀或洞体顶板破碎的地段；②洞体围岩为微风化岩石、顶板岩石厚度小于洞跨，或基础底面积小于洞体的平面尺寸并且无足够支撑长度的地段；③基础底面以下土层厚度大于独立基础的3 倍或条形基础的6 倍，但具备形成土洞或其他地面变形条件的地段；未经有效处理的隐伏土洞或地表塌陷影响范围内地基基础设计等级为甲级的建筑物；④浅部地基存在溶蚀持续作用或地基存在滑移条件的地段；⑤采用注浆加固等方法达不到处理要求的地段。

5 项目技术难点

根据详勘资料本项目溶洞见洞率高，其中T3 塔楼及其周边裙楼见洞率近90%，基础设计时，无法通过其他有效途径避开溶洞的不利影响。

串珠状溶洞比例大，多分布于岩层浅表，溶洞间岩层厚度普遍较薄，基础设计时难以选择满足承载力要求的持力层。

溶洞顶板较薄且多为破碎岩，大多数溶洞无充填，局部洞腔内充填有软塑状粉质黏土夹少量岩石碎屑，溶洞稳定性难以保证。在受到外力作用情况下，可造成顶板塌落，地面发生塌陷，对于结构稳定性和桩基施工影响较大。

6 基础方案比选

根据本项目溶洞见洞率高且溶洞顶部岩层普遍较薄的特点，并参考《岩溶地区高层建筑复合地基与基础设计》［4］和《岩溶地区基础设计应用》［5］的理论成果，场地浅部土层强度低、厚度大、工程性质差，无法提供上部建筑物所需的承载力，因此可以判断溶洞顶部基岩基本不能作为上部建筑基础的持力层，若采用天然基础、复合地基基础方案显然不合适。

根据勘探报告，项目场地内基岩面起伏较大，斜岩面倾角较大，若采用预制桩基础则会产生下列问题：①预制桩穿越覆盖层到达基岩面后，桩端会沿岩面滑移，桩身倾斜或发生断桩；②预制桩桩端落在岩面上，无法满足进入基岩0.4d的要求；③基岩面起伏较大，桩长参差不齐，甚至同一承台下的桩长度也相差较大，配桩相当困难；④如果同一承台下的桩全部落在同一溶洞的顶板上且溶洞顶板较薄时，进行单桩静载试验时可能满足承载力要求。但正常使用状态下，上部建筑的荷载将会通过承台下所有桩落在溶洞顶部，这时溶洞顶板可能会发生破坏，增加检测的难度。因此预制桩基础也不适合用于本项目。

该区域岩溶发育强烈，溶洞见洞率较高，溶洞分布且无规律，岩面起伏较大，也存在岩溶顶板较薄情况，为降低桩失效的风险，结合验桩方便，并结合周边类似项目成功经验，拟采用钻（冲）孔灌注桩基础。

7 灌注桩基础设计思路

7.1 大直径灌注桩+承台设计方案

考虑到高层结构自重大，需要很高的桩基承载力，若仅靠溶洞以上土层的侧摩阻力则难以提供支承上部建筑的承载力，根据《建筑地基基础设计规范：广东省标准DBJ 15-31—2016》［6］第10.1.5 条，岩溶地区的桩基宜采用嵌岩钻孔灌注桩。因此本项目优先考虑桩端岩层的端阻力作用，按照嵌岩灌注桩进行设计。嵌岩桩承载力计算数据如表1 所示，单桩承载力特征值按式⑴和式⑵计算。

表1 嵌岩桩承载力数据一览Tab.1 List of Bearing Capacity Data of Rock Socketed Pile

式中：Rra为桩侧土总摩阻力特征值（kN）；Rpa为持力岩层桩端总端阻力特征值（kN）；k1、k2分别为考虑岩溶发育的桩端岩石阻力修正系数、考虑岩溶发育的桩侧岩石层侧阻力修正系数；c1、c2为系数（根据岩石完整程度等因素而定）；frs、frp分别为桩侧岩层和桩端岩层的岩样天然湿度单轴抗压强度（kPa）；hri为嵌岩深度（m）；Ap为桩端截面面积（m2）。

根据文献［2］第9.2.4 条的相关规定，且计算单桩竖向承载力时保守不考虑桩侧土摩阻力，仅考虑持力岩层桩端总端阻力的作用。根据本项目的工程特点并结合周边已施工项目的工程经验，灌注桩的混凝土等级采用C35。以T3塔楼为例，外围框架柱下布置直径为1 200 mm 的桩，核心筒下布置直径为1 600 mm的桩，桩中心距根据《建筑桩基技术规范：JGJ 94—2008》［7］的相关规定设置。单桩承载力特征值取持力层端总端阻力特征值和桩身强度标准值两者的较小值，桩身强度计算时仅考虑混凝土抗压，经计算可知单桩承载力均以桩身强度为控制值。2种桩径的单桩承载力特征值取值如表2所示，桩基础平面如图5所示。

图5 T3塔楼桩基础布置方案1Fig.5 Pile Foundation Layout Scheme 1 of T3 Tower

表2 桩承载力特征值取值Tab.2 Characteristic Value of Single Pile Bearing Capacity

根据文献［2］第9.1.6 条，岩溶地区嵌岩桩桩端持力层应符合以下规定：端承桩桩端下完整基岩层厚度不宜小于3d（d为桩径）且不小于5 m；当桩下持力层岩性较差、岩体较破碎、岩溶裂隙发育强烈、裂隙水丰富时，岩层厚度不宜小于4d且不小于6 m。

在本工程，灌注桩混凝土浇筑在技术上并无太大的问题，主要困难是如何确定桩终孔标高及如何穿越土洞、溶洞、溶沟槽。桩终孔标高由地质勘察孔、超前钻孔以及施工验孔决定。

项目现场施工单位试桩时发现，若按照T3 塔楼桩基础布置方案一设定的桩型进行施工，桩端持力层难以达到终孔条件，甚至有些孔钻到70 m还找不到合适的持力层。显然，如果继续采用此方案施工不仅会增加施工难度而且施工成本和工期也将无法估计。为项目的顺利推进，设计团队必须综合考虑各方面的因素重新调整桩基础方案。

7.2 “小直径”灌注桩+筏板设计方案

从上述论证可知，桩径大小和桩端承载力特征值的设定是影响嵌岩桩终孔的主要因素。因此选取合适的桩径和桩端承载力特征值是我们调整桩基础方案的关键因素。从这2 个因素上考虑，基本确定桩基础方案调整方向为采用“多桩，小直径”的灌注桩基础［8］，单桩承载力设计时，首先考虑降低单桩承载力特征值，其次适当考虑桩侧不连续岩层的摩阻力并且根据每个桩孔的土层情况降低桩端持力岩层总端阻力对单桩承载力的贡献，优化桩端进入岩层的深度，使得桩端更易满足终孔条件从而达到桩设计承载力的要求。同时，桩身强度设计时考虑提高一级混凝土强度以达到在相同的承载力特征值下减少桩径的目的。考虑不连续岩层摩阻力的计算简图如图6所示。

图6 考虑不连续岩层摩阻力的计算简图Fig.6 Calculation Diagram of Considering Discontinuous Rock Friction

另一方面，为提高本项目桩基础的可靠性，从加强基础的整体性上考虑，把基础整体设计为刚度较大的桩筏基础并适当加大筏板的厚度增强桩与桩之间的协同作用。这样设计的好处是即使个别桩由于塌孔失效，其周边的桩也能为上部结构提供足够的承载力，但前提是布桩时需要考虑一定的富余度。经过研究讨论和对比分析，最终灌注桩桩径采1 000 mm，单桩承载力特征值设为5 000 kN，桩型设计信息如表2所示；筏板厚度为1 800 mm，桩筏基础平面布置如图7所示。

图7 T3塔楼桩基础布置方案2Fig.7 Pile Foundation Layout Scheme 2 of T3 Tower

7.3 传统和新型的勘测技术相结合

在岩溶地区进行施工勘探时，对于大直径嵌岩桩，以往一般采用“一桩一孔”或“一桩多孔”的方式，但此勘探结果存在其自身的局限性，仍不能有效地探明桩位范围内的岩溶发育情况，尚存在基桩半边嵌岩、持力层中存在溶洞的风险隐患。而且“一桩多孔”的钻探方式勘探费用大、勘探周期长不利于项目的推进。为准确地探明桩下岩溶发育情况，进而为基础桩长设计提供依据，本项目经各方讨论并咨询行业内专家的意见，决定采用新型的勘测技术-管波法探测［9］。管波探测法是一种理论成熟、依据充分、勘探效果显著的孔中物探方法。其有效探测直径大于2 m，可分辨大于0.3 m 的孔旁岩溶、软弱岩层及裂隙发育带，典型的管波探测解析成果如图8所示。

图8 管波探测解析成果Fig.8 Analytical Results of Tube Wave Detection

结合柱底内力计算结果、超前钻资料、管波物探资料、现场施工条件及专家意见，T3 塔楼下1 000 mm直径的灌注桩长度拟定需满足以下条件：

⑴桩均应入岩，且桩底均需有持力层岩层，桩底持力层厚度保证不小于2 m。当桩侧岩层厚度满足不小于2 m且为有效岩段时，方可计入该岩段的侧阻力作用。

⑵部分超前钻孔为防止开孔倾斜和防止塌孔，增加了钢套管护壁，但该屏蔽段无法做管波物探，考虑此屏蔽段涉及的顶板较破碎，因此建议这些屏蔽段内的岩层不宜考虑作持力岩段。

⑶对于管波法中受钢套管屏蔽段的钻孔，则以屏蔽段中的超前钻岩层厚度资料为依据计算这此屏蔽岩段的侧阻力。

（4）对于桩穿越各层有效岩段，可把该层厚累计计入桩的入岩深度中。即桩身穿越2 m以上有效岩段时，其进入持力岩层的深度可计入其上穿越的桩侧有效岩段的厚度，但总穿越岩段厚度不得少于表3 注明的入岩深度，且其桩端入岩深度仍需满足持力层为微风化时入岩500 mm，持力层为中风化时入岩1 000 mm的最低要求。

⑸因场地中岩面起伏较大，施工时桩端应以全截面入岩，当岩面倾斜时，应从最低点算起。

⑹尽量减少塔楼的设计桩长，当在一定深度内嵌岩端承桩条件无法实现时，考虑将其设计为摩擦桩。

根据以上原则，以图8 典型的钻孔为例进行桩长拟定的分析：如图8的钻孔管波物探结果所示，该孔岩层为中风化岩，存在串珠状溶洞，钢套管屏蔽段下首段连续岩层厚度为3.7 m，层底标高为-18.6 m，但其为溶蚀裂隙发育段即为较破碎的岩层，故不应计入该岩段的桩侧阻力；第二段连续岩层厚度为3.7 m，顶标高为-20.7 m，底标高为-22.4 m，该岩层共分为两部分，一部分为节理裂隙发育段，另一部分为溶蚀裂隙发育段，根据既定的桩长拟定原则，虽然节理裂隙发育段为完整的岩层但其层厚小于2.0 m，因此不能判定为有效岩段；第三段连续岩层为1.3 m 厚的溶蚀裂隙发育段，故不能计入其桩侧阻力。第四段连续有效岩层厚度为7.4 m，拟定桩进入该连续岩段2.0 m，桩底标高为-34.5 m，桩顶标高为5.3 m，桩长为39.8 m，满足施工条件要求。

按照此方法确定的T3 塔楼范围内的灌注桩桩长基本控制在40 m以内，桩长约为原大直径灌注桩方案的50%。因此，“小直径”灌注桩+筏板的基础方案不仅满足了上部塔楼对灌注桩的承载力需求，也极大地提高了成孔的质量，同时还节省了施工工期和降低了施工难度，使得项目能够顺利推进，得到业主的好评。

8 桩身质量及承载力检测

基桩检测的常用方法分为静载试验、钻芯法、低应变法、高应变法和声波透射法，详见《建筑基桩检测技术规范：JGJ 106—2014》［10］表3.1.1。静载试验主要用于确定单桩竖向极限承载力；钻芯法、低应变法及声波透射法检测主要用于判定桩身的完整性；高应变检测一般用于预制管桩基础，主要检测目的是判定单桩竖向抗压承载力是否满足设计要求和判定桩身完整性，岩溶地区的灌注桩检测，可采用高应变法作为钻芯法的补充方法，取2 种方法的检测结果综合评定桩完整性和承载力［11］。

本项目采用钻孔灌注桩基础，根据文献［2］第9.1.6 条及第12.1.6 条规定并结合上述确定的桩终孔原则，桩端持力层厚度不小于2 m，当穿越有效岩层的厚度满足表3的要求时，桩端入岩深度仍需满足持力层为微风化时入岩500 mm，持力层为中风化时入岩1 000 mm的要求。对于钻孔灌注桩，应检验并确认桩端进入持力层的位置、桩孔深度和钢筋笼制作安装质量。直径大于800 mm 的灌注桩，应采用钻芯法检测桩身完整性和鉴别桩底持力层，位于岩溶强烈发育区的桩基，宜加大抽检数量；承载力检测应采用静载荷试验，抽检数量不少于总桩数的1%，且不小于3根。

T3塔楼及周边裙楼钻孔灌注桩共412根。静载试验的灌注桩共7根，占总桩数的1.7%，7根灌注桩承载力的试验结果全部合格。低应变检测桩数为280根，占总桩数的68%，全部合格，其中Ⅰ类桩占检测桩数的96%。声波透射法检测桩数大于总桩数的20%，检测结果全部合格。钻芯法检测的桩身混凝土全部合格，桩底持力层均符合设计要求。从检测结果看，桩的质量良好。

9 结语

⑴岩溶地质对高层建筑的基础设计影响很大，必须根据场地特点选择合适的地基处理方法或采用合适的基础形式。

⑵溶洞见洞率高、溶洞顶部岩层较薄不适宜采用天然基础和复合地基基础。

⑶预应力管桩虽然施工速度快、经济性较好，但将其用于岩溶地区断桩率相对较高，普遍达到30%以上，成桩质量难以保证。

⑷灌注桩是岩溶地区较为可靠的基础形式，基础设计时应尽量采用“多桩、小直径+筏板”的方式进行布桩，从而达到降低单桩承载力、减少桩长的目的。

⑸桩长拟定时需结合超前钻资料和管波物探资料，考虑桩侧有效岩层侧阻力的有利作用，优化桩嵌岩深度设计。

⑹场地岩层起伏较大，桩端应全截面入岩且岩面倾斜时嵌岩深度应从最低点算起，以保证桩基的稳定。

⑺高层塔楼下宜采用刚度较大、整体协同性较好的桩筏基础［12］，并且布桩时需适当留有一定的富余度。

⑻灌注桩的承载力是否满足设计要求必须依据静载试验、钻芯法、低应变法和声波透射法等检测结果综合评定，对不满足设计承载力要求的灌注桩应及时补桩或采取其他可行的加强措施。