埋藏型岩溶地质基础设计方法初探

【摘要】

岩溶地质根据埋藏条件可分为裸露型、覆盖型和埋藏型。福建地区常见的多为覆盖型岩溶，埋藏型岩溶较为少见。介绍了两个埋藏型岩溶地区的建筑基础设计实例，探讨了该地质条件下基础的设计、选型及溶洞处理方法，最后总结了埋藏型岩溶地质的基础设计要点。

【关键词】

埋藏型岩溶； 基础设计； 溶洞处理

【中图分类号】TU470+.2【文献标志码】A

［定稿日期］2023-05-29

［作者简介］洪哲 （1982—），男，硕士，高级工程师，一级注册结构师，从事建筑结构设计工作。

0 引言

岩溶又称喀斯特，是可溶性岩层如石灰岩、白云岩、石膏、岩盐等在水的化学溶蚀作用以及其他形式的机械作用下而形成沟槽、裂隙、洞穴等一系列现象的总称。我国的岩溶地区分布较广，四川、云南、贵州、湖南、福建等省均有分布。福建岩溶地貌主要发育于闽西南碳酸盐岩分布区的将乐、沙县、三明、明溪、宁化、清流、永安、上杭、连城、武平、龙岩等地。福建地区发育有大量的岩溶洞隙、土洞，地质情况多变且复杂，其成因、性状等因素直接影响了落于其上的建筑基础的安全稳定性及建筑方案布置。

GB/T51238-2018《岩溶地区建筑地基基础技术标准》［1］中第3.0.4条对岩溶地质的分类，根据埋藏条件可分为裸露型、浅覆盖型、深覆盖型和埋藏型等地质。从福建地区实际情况来看，常见的多为覆盖型岩溶，埋藏型岩溶则较少见。埋藏型岩溶指的是可溶性的岩层被不可溶的岩层所覆盖，所形成的地质。由于覆盖层为不可溶的岩层，因此该地质条件下溶洞的伴生土洞较少出现，因此埋藏型岩溶地质条件下的建筑基础设计，主要考虑如何处理溶洞的问题。本文旨在通过几个实际设计案例，介绍下埋藏型岩溶地质条件下的基础设计方法，供类似项目参考。

1 案例一设计情况

案例一为龙岩某高层办公项目，项目总建筑面积约12万m2，地上建筑面积约11.5万m2，地下建筑面积约5 000 m2。根据场地地勘报告，本区域属稳定的区域构造地块，未发现泥石流、滑坡、崩塌、塌陷、岸边冲刷、地下水强烈潜蚀等不良地质作用，但场地下伏为岩溶区，存在溶洞发育情况，为不良地质作用发育地段，地质环境受到一般破坏。

场地的岩土层自上而下可分为①杂填土、植物成因的②耕植土、第四系更新统形成的冲洪积形成的③细砂、④卵石、⑤含卵石粉质黏土、残积成因的⑥粉砂质泥岩残积黏性土、下伏二叠系下统童子岩组的⑦11全风化粉砂质泥岩、⑦12砂土状强风化粉砂质泥岩、⑦13碎块状强风化粉砂质泥岩、⑦2强风化炭质粉砂岩、⑧1全风化粉砂质泥岩、⑧2粉砂质泥岩残积黏性土、⑧3粉砂质泥岩残积黏性土，二叠纪下统栖霞组的⑨1破碎灰岩和⑨2中风化灰岩。

本场地溶洞主要揭露于破碎灰岩⑨1层，揭露灰岩钻孔为19个，见溶洞钻孔10个，钻孔溶洞发育率52.60%，线岩溶率24.10%，根据DBJ13-84-2006《岩土工程勘察规范》［2］第7.2.1条判定：场地岩溶发育强度分级为强烈发育。可溶灰岩之上由不可溶的粉砂质泥岩风化层所覆盖，厚度普遍大于30 m，与地表水不密切联系，岩溶类别属埋藏型。本场地未见土洞发育。场地典型的地质剖面如图1所示，岩土参数如表1所示。

从该地勘剖面上看，溶洞发育于中风化破碎灰岩层中，呈竖向成串分布，溶洞顶埋深大于40 m，属埋藏型岩溶地质，且埋藏深度较深。主楼基础底（图中阴影区为基础标高及厚度示意）距溶洞顶约38 m，场地未揭示有土洞，溶洞为全充填的形式，充填物为含角砾粉质黏土，充填物承载力特征值为80 kPa。

上部主楼为地上22层（99 m），地下一层的高层办公建筑，上部荷载较重。由于基底存在静压预制管桩不易压入的卵石、含卵石粉质黏土及全风化粉砂质泥岩层，因此管桩方案首先排除，设计时主要考虑采用两种方案：方案一为采用冲孔灌注桩作为基础，桩基持力层为中风化灰岩，桩端应穿透溶洞并保证桩端持力层的可靠性。方案二为采用复合地基的方式对覆盖土层进行地基处理，以处理后的复合地基作为持力层，主楼采用筏板基础。

当采用方案一时，根据规范需对设计桩位进行每桩一探的施工勘察，目的是一方面确定桩长，另一方面需确保桩端以下3倍桩径且不小于5 m的范围不存在溶洞发育。方案二的主要思路是尽可能利用埋藏型岩溶上覆盖岩层作为复合地基刚性桩的持力层，发挥上部岩层承载力较高的特点，在覆盖层中均布施打刚性桩，使桩与土有效结合形成复合地基，提高基底承载力的同时避免对覆盖层以下复杂的岩溶地质进行破坏。当复合地基承载力和变形能满足设计要求时，主楼可采用筏板基础。当采用复合地基基础方案时，应注意对溶洞填充物按JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》［3］第5.4.1条进行桩端软弱下卧层验算，若溶洞填充物承载力不满足要求时需进行处理。采用复合地基基础还应按分层总和法进行沉降验算，复合土层的压缩模量按JGJ79-2012《建筑地基处理技术规范》［4］ 第7.1.7条进行估算。

方案一与方案二的基础布置如图2、图3所示，两者的基础造价对比见表2。

方案一冲孔灌注桩桩径为1 m，单桩承载力特征值是5 800 kN，桩端持力层为⑨2中风化灰岩。平均有效桩长为46 m，桩数为160根，桩基、承台及施工勘察合计总造价约为1 561万元。方案二采用旋挖素混凝土桩复合地基基础，刚性桩为800 mm旋挖素混凝土桩，单桩承载力特征值是2 200 kN，平均有效桩长为25 m，按3.5倍桩径网格状布桩，总桩数为338根，复合地基承载力特征值按JGJ79-2012《建筑地基处理技术规范》［4］ 第7.1.5条估算为400 kPa。方案二桩基、承台及施工勘察合计总造价约为1 273万元，比方案一减少造价288万。同时方案一由于冲孔桩施工速度慢、每桩一探施工勘察时间长等造成施工工期的增加，引起的财务成本的增长，其代价也难以估量。方案二仅需局部补充施工勘察（加密勘孔后控制勘探孔间距小于15 m），同时由于溶洞埋藏深度较深（大于40 m），复合地基刚性桩端距溶洞顶较远（约12 m），且溶洞覆盖岩层变形模量较大，因此当把溶洞填充物当成软弱下卧层，按JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》［3］第5.4.1条进行桩端软弱下卧层验算时，下卧层（溶洞填充物）顶面的附加应力值已经很小，远小于其承载力特征值，原则上对该全填充溶洞可不进行处理，同时本工程组织了相关专家进行地基处理的专家咨询，咨询的结论是由于本工程溶洞均为全填充且埋深较深，附加应力很小，对溶洞可不进行处理。

对复合地基基础，还应进行沉降验算。根据处理后的地层的分布情况及调整后的地基压缩模量，运用分层总和法对主体结构进行沉降计算，计算结果见图4，可见沉降计算结果呈中部大，外围小的分布情况，最大沉降值不大于82 mm，满足规范要求。

通过本案例可见，当场地主要为覆盖层厚度较大的埋藏型岩溶地质，上部主楼为高层建筑时，采用复合地基的基础方案无论从基础造价，还是施工工期来看，均较传统采用冲钻孔灌注桩的基础方案具有更大的优势。

2 案例二设计情况

案例二为龙岩某高层住宅项目，项目总建筑面积约16万m2，地上建筑面积约13万m2，地下建筑面积约3万m2。根据场地地勘报告，拟建场地跨越剥蚀低丘和冲洪积阶地，地形较平缓、开阔，但部分地段上部填土的厚度较大，地基均匀性差，且溶洞较发育。依有关标准和相关条文说明进行划分，属对建筑抗震不利地段，应采取相应的抗震设防措施。

场地的岩土层自上而下可分为人工成因的杂填土①a、素填土①b属软弱土；粉质黏土②a、含角砾粉质黏土②b、含卵石粉质黏土②c和溶洞充填物⑧属中软土；含碎石粉质黏土⑤b、土状强风化泥岩夹砂岩⑥a属中硬土；碎块状强风化泥岩夹砂岩⑦a属软质岩石；中风化灰岩⑩属岩石。

本场地溶洞主要揭露于中风化灰岩层，本工程勘察的159个钻孔中有57个揭露有全填充溶洞，溶洞充填物为含角砾粉质黏土⑧，溶洞发育率为35.8%。根据DBJ13-84-2006《岩土工程勘察规范》［2］第7.2.1条判定：岩溶发育强度分级为强烈发育，岩溶类别属埋藏型。本场地未见土洞发育。场地典型的地质剖面如图5所示，岩土参数如表3所示。

从该地勘剖面上看，本项目溶洞充填物（第⑧层）具有分布范围大、高度高（洞高35 m左右）的特点，主要发育于中风化灰岩层上，洞顶埋深变化较大，最浅处埋深为34 m，属埋藏深度较浅的埋藏型岩溶地质。上覆盖岩层主要为⑥a土状强风化泥岩夹砂岩及⑦a碎块状强风化泥岩夹砂岩。基础底（图中阴影区为基础标高及厚度示意）距溶洞顶约32 m；场地未揭示有土洞，溶洞为全充填的形式，充填物为含角砾粉质黏土，充填物⑧承载力特征值多数为150 kPa，个别最小为130 kPa。

上部主楼为地上31层（91 m），地下一层的高层住宅建筑，上部荷载较重。由于基底存在静压预制管桩不易压入的含卵石粉质黏土、含角砾粉质黏土及碎块状强风化泥岩夹砂岩层，因此管桩方案首先排除，设计时主要考虑采用两种方案：方案一为长桩方案，采用冲孔灌注桩作为基础，桩基持力层为中风化灰岩，桩端应穿透溶洞并保证桩端持力层的可靠性。方案二为短桩方案，主楼采用桩筏基础，桩基采用全短桩的方式，将桩端持力层落于⑥a土状强风化泥岩夹砂岩或⑦a碎块状强风化泥岩夹砂岩层，并对第⑧层溶洞填充物进行软弱下卧层验算，当验算不能满足要求时进行注浆加固处理。

方案一采用冲孔灌注桩方案需先对设计桩位进行每桩一探的施工勘察，目的是一方面确定桩长，另一方面需确保桩端以下一定范围内（3倍桩径且不小于5 m）不存在溶洞发育。方案二的主要思路是尽可能利用埋藏型岩溶上覆盖岩层作为桩基持力层，发挥上部岩层承载力较高的特点，同时采用整体性较好的筏板基础应对岩溶地基，短桩应确保桩端以下5倍桩径且不小于5 m范围内不存在溶洞发育。由于溶洞填充物为全填充且具有一定承载能力，对其进行部分注浆加固使其能满足主体基础下卧层的承载力及抵抗变形能力。该方案相对第一个方案，在基础施工工期及造价上具有较大优势。

方案一与方案二的基础布置如图6、图7所示，两者的基础造价对比见表4。

方案一冲孔灌注桩桩径为1.2 m，单桩承载力特征值是5500 kN，桩端持力层为⑩中风化灰岩。平均有效桩长为85 m，桩数为117根，桩基、承台及施工勘察合计总造价约为2072万元。方案二采用旋挖灌注桩，桩径为800 mm，单桩承载力特征值是3 200 kN，平均有效桩长为35 m，桩数为250根。方案二桩基、承台及施工勘察合计总造价约为1 075万元，比方案一减少造价约1 000万元，造价差距巨大。同时根据试桩结果，方案一长85 m左右的冲孔长桩，一根桩的施工工期约为15天，而方案二短桩可采用旋挖工艺，一天一台设备即可完成三根左右的桩基施工，施工工期方面较方案一也具有较大优势。

但应当注意，当采用全短桩方案时，需对溶洞填充物进行软弱下卧层验算，本案例按JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》［3］第5.4.1条进行桩端软弱下卧层验算时，埋深50 m以下的溶洞填充物附加应力值已经很小，远小于其承载力特征值，原则上对埋深50 m以下全填充溶洞可不进行处理。同时本工程组织了相关专家进行地基处理的专家咨询，咨询的结论是：

（1）充填溶洞洞顶埋藏深度50 m以下的充填溶洞可不处理，但桩端与洞顶距离应大于5倍桩径以上。

（2）充填溶洞洞顶埋藏深度小于50 m，空洞部分及重二动探不大于3击（未修正）的均应进行处理；对空洞处理填充物应由粗到细。

（3）处理方法采用注浆处理，最好采用双液注浆。

结合软弱下卧层验算及专家咨询意见，仅对埋深50 m范围内的充填溶洞进行处理，具体处理范围见图8中的阴影区域。地基处理前溶洞填充物承载力特征值fak=130～150 kPa，变形模量E0=10 MPa，要求注浆处理后的地基承载力为fak′=280 kPa，变形模量E0′=20 MPa。以下卧层处理后的参数按JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》［3］第5.4.1条进行复核，软弱下卧层验算能满足设计要求。

实际注浆处理后，对检测孔采用重型动力触探检测，击数为9.3～18，根据JGJ 340-2015《建筑地基检测技术规范》［5］表8.4.9-2得fak′≥290 kPa，E0′≥22 MPa，均满足设计要求。

本工程还应进行沉降验算。根据地层的分布情况及处理后的下卧层变形模量，运用分层总和法对主体结构进行沉降计算，计算结果见图9，可见沉降计算结果呈中部大，外围小的分布情况，最大沉降值不大于50 mm，满足规范要求。

通过本案例可见，当场地主要为覆盖层厚度较小的埋藏型岩溶地质，上部主楼为高层建筑时，当采用冲钻孔灌注桩方案穿越溶洞可能造成桩长较长，引起施工工期及桩基成本大幅提高时，也可根据实际地质情况考虑采用全短桩桩筏或者复合地基的基础方案，并根据实际计算需求对溶洞填充物

进行局部处理，可能比全长桩方案更具有施工工期和经济性上的优势。

3 埋藏型岩溶地质基础设计要点

通过上述两个案例可见，于埋藏型岩溶地质条件下进行高层基础设计时，首先应分析岩溶埋藏的深浅情况、溶洞填充物的充填情况以及上覆盖岩层、土层的厚度及岩土参数，结合上部结构的荷载大小及分布，有针对性地采取相应措施。原则上当埋藏型岩溶具有一定埋置深度，且填充物为全填充并具有一定承载力时，优先考虑采用短桩或复合地基方案，相较冲孔灌注桩穿越溶洞方案具有更好的经济性并能有效节约施工工期。当采用短桩或复合地基方案时应对溶洞填充物进行软弱下卧层验算，当承载力或变形不满足设计要求时应对溶洞进行处理，并对处理后的成果提出设计要求。对于埋藏型岩溶上的多层建筑，当基底土层承载力能满足设计要求时，优先考虑天然基础方案，溶洞填充物根据软弱下卧层验算情况酌情处理。

4 结束语

埋藏型岩溶指的是可溶性的岩层被不可溶的岩层所覆盖，所形成的地质。该地质条件下溶洞的伴生土洞一般较少出现，因此埋藏型岩溶地质条件下的建筑基础设计，主要考虑如何处理溶洞的问题。通过两个埋藏型岩溶地区的建筑基础设计实例可见，当覆盖层具有一定厚度时，基础设计优先考虑利用溶洞上覆盖的岩、土层承载力，可取得较好的经济效益并节约施工工期，同时对溶洞应根据充填情况及其实际受力情况进行分析验算，采用适当的处理措施。

参考文献

［1］ 岩溶地区建筑地基基础技术标准： GB/T51238-2018［S］.北京：中国计划出版社，2018.

［2］ 岩土工程勘察规范： DBJ13-84-2006［S］.福州：福建科学技术出版社，2006.

［3］ 建筑桩基技术规范： JGJ94-2008［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［4］ 建筑地基处理技术规范： JGJ79-2012［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［5］ 建筑地基检测技术规范： JGJ340-2015［S］.北京：中国建筑工业出版社，2015.