武汉石灰岩地区某工程基础选型的介绍

摘要：随着城市工程建设突飞猛进的发展，武汉石灰岩分布区的岩土工程问题日异突出，长江一级阶地砂层与石灰岩直接接触的不利地层组合关系已渐成了问题的交点，例武昌武泰闸至青菱乡；汉阳莲花湖至鹦鹉洲的长江两岸一带，如能由政府对该地区统筹勘察规划，是问题解决的最好出路。而在长江三级阶地的石灰岩分布区，则有很多成功的基础选型经验。本文就×××指挥中心大楼工程实例，谈谈我们的体会。
 

关键词：石灰岩地区 工程 基础 选型 介绍

三、场区水文地质条件

　　拟建场区东西两侧在勘察期间地貌仍为沟塘，上层滞水赋存于填土和淤泥层中，下伏石灰岩中不均匀分布有岩溶裂隙承压水，其水仅分布在溶沟、溶槽、溶洞等裂隙之中。距该场区约200米处，有武锅水井，每年均抽取地下水作工业冷却水用。此水井与场区属同一灰岩条带，抽水量约为400吨/日，夏季白天抽取。
　　本次勘察期间在3#、5#钻孔内设有水文观测孔，测得其动水位为13.18-14.20m，水温20°（见下图）。由于勘察期间正值抽水季节，只能提供岩溶动水位值，但留下水文观测孔，在工程施工时可作水位监测用。

图三 水位随时间变化图

四、本场区基础选型的不利条件

　　本场区对建筑物基础选型明显存在有以下不利条件：
1、7.5-10.0m以上均为Q₄地层，承载力低、压缩性高，不经地基处理，不能选作天然浅基础持力层。
2、第（5）层粘土碎石层，强度高、压缩性低，但埋深大、厚度小，且下卧有（5-1）软土和岩溶分布，不能满足《建筑地基基础设计规范》第6.5.2条。如选作基础持力层，土方量大，且存在基础的稳定性问题。
3、在16个石灰岩的钻孔中，见洞率，另据物探测出，钻孔中所遇到的洞体均有一定的规模，且洞体附近还有其它的物探异常。如以石灰岩为桩基持力层，必须逐柱逐桩进行岩溶勘察，耗时、耗力、投资大，且为工程工期不能接受。
4、从区域地质资料了解，场区处在大断层附近，灰岩地质年代为石炭系，灰岩的质地较纯，岩溶发育。从武锅抽水井资料得知，场区的岩溶承压水位高，水量丰富，如采用桩基础，必须降低地下水位，方可保障施工质量及人事安全。其降低承压地下水，投资很大。
5、采用钻孔灌注桩，钻穿第（5）层困难（内含有大块石英砂岩块石）需采用反循环，特殊钻头；采用人工挖孔桩，需对部分岩体实施爆破，这都是耗时、耗力、投资大的施工难点。

五、基础形式的确定

　　还在勘察外业工作的初期，勘察施工的难度，及基础选型的不利形势已经显露出来。本着为业主竭诚服务的宗旨，我们在边进行外业勘察的同时，边与建设单位、设计人员不断沟通。经过多次的技术论证、对比（还包括建址的前后移动方案对比），并由我院出面聘请资深专家召开咨询会，终于说服了建设单位和设计人员，放弃了原定的桩基方案，采用了我们推荐的基础方案，即：
1、确定可以在原址上建筑，保证了建筑物的最佳位置气势。
2、对地下室底板至（5）层之间的Q₄地层，进行满堂地基处理，处理方案由我们提出。
3、采用有足够刚度的筏板基础，砌置在满堂处理后的复合地基之上。

六、为什么要选择筏板基础和地基处理方案

(一)首先基于我们对场区岩溶现象的地质成因，分布范围，发展趋势和危害程度有了较大程度的了解。
1、场区历史上曾遭受过强烈的地质构造运动
　　武汉市地质构造主要受燕山期造山运动的影响，形成了一系列近东西走向的紧密线状褶皱压扭性断层和北北东、北北西张性断层。本场区位于线状褶皱的背向斜转折冀段，距场区西侧约800米处，有一推断的北北东向断层，受其影响，场区岩体表现为裂隙、破碎现象较为严重。在钻探中发现：1、2号地质剖石中的晚泥盆系砂岩、泥岩在66.0的深度仍见不到完整岩芯，取出的岩芯呈强风化及破碎岩状；3-5剖石的石炭系石灰岩则表现为裂隙发育，大量方解石充填，岩溶现象发育等。这佐证了场区岩体曾受过地质构造运动的强烈影响。
2、钻探、物探均发现了场区分布有大大小小不规则的溶洞。钻探在5个钻孔中见到洞跨大于1.0米的溶洞。而据物探资料提供，在场区1-4#钻孔一带的溶洞有一定的规模，最大溶洞为7.0米，最小为2.0米，其它还有溶洞呈零星分布。
　　但物探资料有一定的局限性，且钻探验证与物探异常不完全相符，虽然场区布设的钻孔密度较高，由于岩溶分布的随机性，还有可能存在未被发现的岩溶分布。
3、在建筑物的使用年限内，场区岩溶继续发育的速度是极其缓慢的。至少在200-300万年前，即第四系中晚更新世以前的流水作用，就已经使场区的石灰岩逐渐溶蚀、发展，而形成了现在隐伏于场区的岩溶景观。
　　石灰虽可被水溶蚀，但其溶蚀速度是非常缓慢的。经查阅有关文献，我国广西岩溶溶蚀速率为0.1-0.3mm/年，一般地区均低于1.0mm/年。可见建筑物的使用年限与岩溶发育的寿年相比，及属历史瞬间。
4、溶洞顶盖安全厚度的试算
　　溶洞的形成需漫长时代，在自然状态下已经形成的溶洞凡没有坍塌的，应该是稳定的，一般洞体呈稳定型自然拱。但增加了建筑物的附加荷载后，洞体还是否稳定？我们选用了物探绘制的几个最不利的洞体进行洞顶安全厚度的验算：
选用公式：
式中：P——附加荷载+土自重+顶盖岩体自重
I——洞体的跨度（长径）
b——洞体的短径
sub>——岩体的弯曲应力，灰岩一般取允许抗压强度的
H——顶盖所需的安全厚度
　　计算结果
 

计算单位

安全厚度(m)

实际厚度(m)

稳定中评价

备  注

10#

1.5

0.2

不稳定型

由于物探分辨限制，实际

钻孔资料比物探异常小

1#

3.69

1.8

不稳定型

洞体处在溶沟槽内，顶盖受力已与计算模式不符

另计算的5个点位

安全厚度＜顶盖实际厚度

稳定型

　　从上述计算，可以结论，对已掌握的溶洞，经计算过的及未经计算过的，当建筑物荷载上去以后，除个别还可讨论外，其余均属稳定型洞体。
5、岩溶地下水运动的不利影响
　　岩溶地下水的运动，有可能导致岩溶软土，土洞及地面塌陷等对建筑物稳定性的影响，本场区附近有抽水井，有地下水运动现象，对建筑物的影响是我们十分关注的问题。
a．（5-1）属场区岩溶软土，从初勘和详勘资料中可知，（5-1）层土并没有在灰岩面上呈层状分布，仅分布于溶沟槽及岩面低洼处，即见软土率为≈25%，可以说场区岩溶地下水对复盖土层虽有软化、侵蚀作用，但并不普遍和强烈。且所有钻孔中均未发现有土洞的存在。
b．与场区灰岩在同一条带上的抽水井，附近只有武锅一口井，且抽水量仅为400吨/日，抽水量不大。据“工程地质手册”有关条文说明，当地下水流的水力梯度（I）大于岩土层的临界水力梯度（Io）时，则易对岩土层产生潜蚀。由于武锅井正在运营，无法测量其水位降，如果我们假设其为最不利的降深40m（此水井抽水管安装最深为40m），本场区3#孔水位降深为14.2m，两点相距200m，则地下水流动的水力梯度。

岩土层第（5）层的临界水力梯度

　　式中：Gs=岩土层颗粒的比重（取Gs=2.75）
　　n=岩土孔隙度，以小数计算（取n=0.45）
　　两者相比，地下水流动的水力梯度大大小于第（5）层土，包括（5-1）层土的临界水力梯度，这说明抽水引起的潜蚀现象是非常有限的。
　　武锅抽水井建于五八年，距今40余年，调查没有发现场区及抽水井周围有地面塌陷现象发现。另武汉三镇正在运营的水井不少，据武汉市有记载的地面塌陷均分布在长江一级阶地地层中，而长江三级地地层中的地面塌陷到目前为止还未有记载。

（二）是基础方案优化的结
　　前面已经介绍，本场区无论选择桩基础，还是天然浅基础，均存在诸多不利条件，而采用筏板+地基处理基础是最经济合理的方案。
　　其一，筏板基础的平面尺寸大，有足够的刚度，可以满足《GB50007-2002》规范第6.5.4（2条）。即当基础的尺寸大于洞（或沟槽）的平面尺寸，并有足够的支承长度时，可以不考虑溶洞（或沟槽）对基础的稳定性影响。
　　其二，对浅部Q₄地层地基处理后，达到形成具有一定厚度的均匀的基础持力层，使其上部荷载应力传至下面软土或岩面时变得最小为目的。
　　推荐的地基处理方案有以下几种
1、换土垫层：可采用高炉矿渣、砂、石级配料换填，此方法施工直观、简单、易于操作，但需开挖7.5-10.0基坑，场区两侧分布有沟塘，从安全、经济的角度出发需论证，慎重采用。
2、碎石桩复合地基：预挖3.0米基坑，再进行小直径，高密度高置换率干法碎石桩。此法从受力机理分析，是除换填之外对地基应力分配最有利的一种加固形式，但后因此法已逐渐在武汉淘汰，未能系用。
3、水泥搅拌桩复合地基：可用满堂正方形或三角形模式，高置换率布桩。此法施工较易实施，质量也较易控制，但从地基应力分配的受力机理上分析，大大不如前两种形式。
4、人工素砼复合地基：此法是采用洛阳铲成孔、人工搅拌素砼铲入孔内，不进行捣实工艺，施工质量均由人工操作，完全不用机械，其受力机理上同前第3种。后经对比后，采用了此种方案。

七、地基承载力及变形计算

（一）地基承载力计算
1、复合地基承载力，可根据建筑地基处理技术规范《JG79-2002》的有关规定进行设计计算。（注：在此从略）
2、对第（5）层土按深宽修正，可得到以下设计值

　　采用公式：
　　其中     =19.7  _m =19.2
　　计算结果，其设计值fa=600kPa
（二）变形计算
　　第（5）层土以下有（5-1）软土的不均匀分布，能导致基础的不均匀沉降及倾斜超规。以下试算了基础各点的沉降及基础整体变形。

图四 沉降计算图（注：仅供设计参考）

　　从上图的计算结果可见：a基础的计算倾斜值是在国家有关规范规定的允许变形值范围之内；b虽各点计算值差异较大，但只要基础的刚度有足够的大，不发生整体超规的倾斜，则基础的整体变形，只会以小变形值体现出来。

八、建议与结束语

　　由于拟建物的工程重要性等级较高，我们在勘察报告的建议中提出：为使建筑物的主楼地基更安全，建议对1-4号钻孔一带已探明的岩溶、软土分布较集中地带，采用体积限量注浆处理。
　　该建筑物于2000年建成，使用至今，据后期沉降现测资料反映，其使用效果很好。可以算得上是个成功的建筑案例。