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建筑地基基础设计的若干问题 2013 4 1 地基承载力的确定方法 地基承载力特征值characteristicvalueofsubgradebearingcapacity指由载荷试验测定的地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值 其最大值为比例界限值 修正后的地基承载力特征值revisedcharacteristicvalueofsubgradebearingcapacity指在保证地基稳定的条件下 地基变形不超过允许值的地基承载力 修正后的地基承载力特征值 也即地基容许承载力 其定义涉及二方面的内容 地基的强度和变形 影响地基强度的主要因素有 a 土的物理力学指标 粘聚力 内摩擦角 重度 基底以上土的加权平均重度等 b 基础宽度 c 基础埋深 d 地下水位 影响地基变形的主要因素有 a 基底平均附加压力p0 b 土的力学性质如压缩模量或变形模量 泊松比等 c 基础的尺寸 形状及平面布置 d 压缩层厚度 由此可知 当设计还未开始时 地基承载力的容许值就无从确定 地基承载力容许值的确定过程也就是地基计算过程 对 地基承载力特征值的经验值 作二方面的修正 1 深度 宽度修正即强度方面的修正 2 控制变形方面的修正 包括沉降 沉降差的计算 必要时应调整地基承载力取值 确定地基承载力的常规方法有 a 根据土的抗剪强度指标由理论公式计算 b 查表 c 平板荷载试验 d 借鉴已有建筑的经验 必要时 也可由几种方法综合确定 全风化 强风化岩的载荷试验 岩石地基还是土基 常规的确定地基承载力的方法各有其优缺点 实用上 可互为参照 互为补充 尤其重要的是设计人的经验 包括借鉴及合理利用他人的经验 2 地基变形的估算 1所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定 2设计等级为甲级 乙级建筑物应进行地基变形计算 均应按地基变形设计 有可靠经验 下列情况可不作变形计算 浅基础持力层为中 微风化岩 或十五层以下 基础为条形 筏形基础 持力层地基承载力特征值 300kPa的碎石土 密实砂 硬塑至坚硬残积土层或强风化岩层 桩基础持力层为中 密实砂层 卵 碎石层 且没有软弱下卧层 硬塑至坚硬残积土层及岩层的建筑物 2当地基压缩层为残积土 全风化和强风化岩层且比较均匀时 地基最终变形量可按下式计算 6 3 5 4 式中s 地基最终变形量 mm 土的变形模量 MPa 按式 4 3 9 确定 相应于荷载效应准永久组合标准值的基底附加应力 MPa b 基础宽度 mm 经验系数 按当地经验取值 缺乏经验时 可按表6 3 5 2取值 表6 3 5 2沉降计算经验系数单独基础方形0 5 0 8 矩形0 7 1 2 条形基础1 0 1 5 片筏基础0 3 0 5注 1矩形基础长边与短边之比a b 1 5 4 条形基础长边与短边之比a b 4 2片筏基础宽度b 50m 宽度大时取较小值 长边与短边之比a b 1 5时取较大值 当地基压缩层各土层压缩性差别较大时 地基最终变形量可按下式计算 6 3 5 5 6 3 5 6 式中h 变形计算深度 单独基础可取h 1 1 5 b 矩形基础可取h 1 5 2 b 条形基础可取h 2 3 b 片筏基础可取h 0 5 0 9 b 变形计算深度范围内土变形模量的当量值 基岩层的厚度 基岩层的变形模量 第层土的变形模量 基底起自上至下第层土的厚度 在计算深度范围内存在中微风化基岩时 式 6 3 5 6 中及可不计 5花岗岩和泥质软岩的残积土 全风化岩及强风化岩的变形模量值 应按浅层平板荷载试验确定 对乙级 丙级工程 当无条件试验时 可用实测标准贯入击数N 按下式估算 MPa 式中 载荷试验与标准贯入试验对比而得的经验系数 N 实测 未经修正 标准贯入击数 例1 某花岗岩残积土层上的柱下扩展基础 平面尺寸4X5m 竖向荷载作用下的柱轴力为600t 土层的标贯击数为15击 持力层的承载力特征值为30t m2 试估算基础的最终沉降 解 由式 4 3 9 N 15 E0 2 3X15 34 5Mpa 3450t m2由式 6 3 5 4 最终沉降S 0 6X30X4 3450 0 02m 2cm 例2 其它条件同例1 但基底以下0 2m为花岗岩残积土 标贯击数为15击 2 4m为花岗岩强风化层 标贯击数为55击 其余为中风化岩层 试估算基础的最终沉降 解 由式 4 3 9 残积层E01 3450t m2 花岗岩强风化层E02 300X55 16500t m2h 1 5b 1 5X4 6m 由式 6 3 5 6 变形模量当量值E0 4X2X3450 2X2X16500 2X2 4X2 7800t m2 最终沉降S 0 6X30X4 7800 0 009m 0 9cm 工程实例1 广东汕头市旧殡仪馆2 广州市西郊某住宅 3 广东省常用的桩型及其优缺点 人工挖孔灌注桩钻孔灌注桩钢管护壁机械成孔灌注桩冲击成孔灌注桩旋挖桩 振动沉管灌注桩锤击沉管灌注桩大直径锤击沉管灌注桩内击沉管灌注桩打入式预应力混凝土管桩静压预应力混凝土管桩预制混凝土方桩 依成桩方式 可分排土桩 挤土桩 部分挤土桩 例如 排土桩 钻孔桩 人工挖孔桩挤土桩 静压 锤击预制桩部分挤土桩 开口预应力管桩 预钻孔预制桩 4 桩的承载力验算 单桩竖向承载力特征值应符合下列规定 1 竖向荷载效应标准组合 在轴心竖向力作用下 单桩竖向力 11 1 在偏心竖向力作用下 除满足式 11 1 外 尚应满足 11 2 2 竖向荷载与风荷载效应标准组合 在轴向竖向力作用下 11 3 在偏心竖向力作用下 除满足式 11 3 外 尚应满足 11 4 3 竖向荷载与地震作用效应标准组合 在轴心竖向力作用下 11 5 在偏心竖向力用下 除满足式 11 5 外 尚应满足 11 6 除按地基岩土条件确定单桩竖向承载力特征值外 桩身尚应满足截面承载力要求 5 用于控制或减少建筑物沉降的桩 10 1 8 式中 单桩极限承载力值 但桩身截面承载力仍应满足10 2 7条规定 取重要性系数 1 6 基桩的承载力试验与检测 属下列情况之一者 设计 施工前应进行桩的静荷载试验 1地基基础设计等级为甲级的桩基且没有相同桩型在相似工程地质条件下的试桩资料作参考 2采用新的桩型或新的成桩工艺 对桩的承载力取值尚无可靠的经验 3对桩的成桩质量或承载力取值没有把握 当不具备静载试桩的条件时 大直径嵌岩桩的承载力特征值 可根据持力层岩样单轴抗压强度或持力层原位载荷试验结果及桩身混凝土芯样强度等综合确定 其他情况的桩基承载力特征值可根据经验公式 有关参数 土的抗剪强度指标估算 并可按相同桩型 相近承载力取值及相似工程地质条件的试桩资料综合确定 人工挖孔桩终孔时 应进行桩端持力层检验 大直径嵌岩桩应检验孔底3倍桩身直径或5m深度范围内有无土洞 溶洞 破碎带或夹层等不良地质情况 必要时可抽取岩芯进行抗压强度试验或原位岩石地基载荷试验 持力层为灰岩时钻取岩芯检验的判断 施工完成后的工程桩应进行桩身完整性检验和竖向承载力试验 抗拔桩应进行抗拔承载力试验 承受较大水平力或永久水平力的桩应进行水平承载力试验 当大直径嵌岩桩静载试验有困难时 其竖向承载力可由桩身混凝土质量 桩底基岩性状结合桩底沉渣等情况综合评定 工程实例广州琶洲会展 中国出口商品交易会新展馆 广州珠江新城西塔花都某高层住宅广西南宁九洲大厦 7 桩的竖向承载力 由岩土条件决定的桩竖向承载力 广东省地基基础规范根据工程经验提高了细 中 粗砂 角砾 圆砾 砾砂 卵碎石的端阻力取值 使按经验公式的计算承载力与试桩结果更为接近 增加了全风化和强风化岩的侧阻力 端阻力特征值的经验值 嵌岩桩承载力的计算沿用公路桥涵地基基础规范 仅依据试验和工程经验提高了桩侧阻的取值 花岗岩地层泥浆护壁钻孔桩的侧阻力问题 工程实例1 东莞广电中心2 广州长隆集团后勤用房3 中山嘉明电力有限公司生产控制大楼4 东莞厚街文化中心 除按地基岩土条件确定桩竖向承载力特征值外 桩身混凝土强度应满足桩的承载力设计要求 1对于轴向受压的混凝土灌注桩和预制桩 当不考虑桩身构造配筋的作用时 按下式验算桩身截面强度 式中 工作条件系数 灌注桩取0 75 0 85 水下灌注桩取低值 预制桩取0 8 0 9 fc 桩身混凝土轴心抗压强度设计值 Ap 桩身横截面面积 Q 相应于荷载效应基本组合时的单桩竖向力设计值 理论与工程实践证明 低桩台中的桩 即使桩周土非常软弱 也不会有稳定问题 根据 混凝土结构设计规范 轴心受压构件正截面受压承载力的计算公式 不考虑稳定的影响 即取稳定系数 不考虑钢筋的作用 由桩身材料决定的钢筋砼预制桩 取工作条件系数为0 8 0 9 相当于安全系数K 1 35 1 4 0 8 0 9 2 36 2 1 现场灌注桩取工作条件系数为0 75 0 85 相当于安全系数K 1 35 1 4 0 75 0 85 2 52 2 22 对照 工业与民用建筑地基基础设计规范 TJ7 74 钢筋混凝土结构设计规范 TJ10 74 及 工业与民用建筑灌注桩基础设计与施工规程 JGJ4 80 不考虑钢筋的作用 桩身强度的安全系数提高了约36 62 工程实践表明 灌注桩的施工除确保砼质量外 保证桩身的完整性 不颈缩 不夹泥 不断桩 甚至更为重要 预应力管桩的正截面承载力计算可参照厂家提供的资料 砼受压强度设计值应扣除予压应力的影响 即取 实用上也可取5MPa 8 桩的负摩擦问题 桩周负摩阻力产生的原因 1桩周存在欠固结土层2桩侧存在软土层 且地面大面积堆载 包括新近填土 3桩基完工后桩侧土层中地下水位下降 设计可采取的应对措施 当满足桩最小中心距的要求时 群桩的负摩阻力可视为各单桩负摩阻力之和 但算得的负摩阻力不应大于中性点以上的桩间土重 未考虑端阻作用的摩擦桩或桩端持力层为软 可塑粘性土时 可把中性点以上的桩侧摩阻力视为零 验算单桩的承载力 桩端持力层为密实的砂 砾砂层 卵 碎石层及基岩时 应将负摩阻力作为附加下拉荷载 验算桩中性点处的桩身截面承载力 对于负摩阻力较大 桩长变化较大 持力层土层较不均匀 建筑物对差异沉降控制要求较严格的结构 宜适当加强承台间地梁的强度 刚度及上部结构的整体刚度 工程实例 江门某工程汕头市粮食局某粮食仓库 9 柱下扩展基础的承载力验算 承载力验算包括受冲切承载力 受剪切承载力和受弯承载力验算 受剪切承载力问题讨论临界截面 柱下扩展基础的受冲切 受剪承载力验算 对矩形截面柱的矩形基础应验算柱与基础交接处及基础变阶处的受冲切承载力 受冲切承载力应按下列公式验算 9 2 7 1 9 2 7 2 9 2 7 3 并满足 9 2 7 4 一般来说 柱下单独基础板双向受力 墙下条形基础板单向受力 冲切与剪切 其破坏机理类似 承载力均受混凝土的抗拉强度所控制 不同的是剪切破坏面可视为平面 而冲切破坏面则可视为空间曲面 如截圆锥 截角锥或棱台及其它不规则曲面等 剪切又称单向剪切 onewayshear 冲切有时也称冲剪 又称双向剪切 punching twowayshear 对于双向受力的柱下单独基础应验算控制截面的受冲切承载力 必要时应验算抗剪承载力 对于单向受力的墙下条形基础只需验算控制截面的受剪承载力 实际工程中有这种情况 由于场地或柱网布置所限 柱下独立基础长边与短边之比大于2 基础底板近乎单向受力 应验算基础的受剪切承载力 新版国标 建筑地基基础设计规范 已做了改进 要求底板宽大于柱截面宽 2倍板厚的基础应验算基础板的受剪承载力 对于验算控制截面 有不同的做法 国标 混凝土结构设计规范 根据大量的试验结果 以支座边的剪力值即最大剪力值为依据进行分析 得出了承受均布荷载为主的无腹筋一般受弯构件的受剪承载力计算公式 因此 把构件剪力最大的截面即柱 墙等支座边处作为验算控制截面比较合理 美国混凝土学会 ACI 钢筋混凝土房屋建筑规范 把受剪验算截面定于距支座边处 较之支座边处 计算剪力减少了 但其受剪承载力计算的材料强度值相应低取 仅为受冲切承载力计算时的一半 国标 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 筏板取距梁边处作为板受剪验算的部位 柱下扩展取柱边截面 比较国标GB50010 2002 GB50007 2002与美国ACI318关于受剪承载力验算的有关规定 可知三规范并不协调 虽然基础下土反力有集中效应 底板与地基土间存在摩擦力作用等有利因素 但也只能是某种工程地质条件下某种基础形式的一种定性的判断 结合长期以来本省的工程实践 本规范把受剪验算截面定于距支座边 2处 基础板的受弯承载力 基础板受弯破坏的主要破坏模式 a 井形破坏模式b 梯形破坏模式c 井形翘角破坏模式 极限分析及上限定理 下限定理和单值定理1 上限定理对于一个结构 可以取各种可能的既满足平衡条件和力的边界条件 又满足使外力作正功的位移场 即机动容许的位移场 与每一个破坏机构 机动容许的位移场 相应的荷载称为可破坏荷载 这些可破坏荷载都大于极限荷载 其中最小的一个荷载就是极限荷载 根据上限定理 可以使用机动法求解结构的极限荷载 使用塑性铰线理论可以求解已知尺寸和配筋板的极限承载力 根据塑性铰线理论的机动法或平衡法求得的板的极限荷载为上限解 2 下限定理对于一个结构 可以选取各种可能的既满足平衡条件又满足力的边界条件 又不破坏极限条件的内力场 即静力容许的内力场 与每一个静力容许的内力场相应的荷载称为可接受荷载 这些可接受荷载都是小于极限荷载的 其中最大的一个荷载就是极限荷载 根据下限定理 可以使用静力法求解结构的极限荷载 在静力法中 不考虑结构变形方面的条件 也就放松了对机动条件的要求 3 单值定理如果一个荷载既是极限荷载的下限 可接受荷载 又是极限荷载的上限 可破坏荷载 则这个荷载满足极限分析理论的全部条件 它就是结构真实的极限荷载 因此将这个解称为完全解 理论上可以证明 由梯形机构所求得基础极限承载力大于井字形机构所求得基础极限承载力 按井形破坏模式计算的是比按梯形破坏模式计算的小的上限解 根据极限分析方法的上限定理 按梯形破坏模式计算来确定基础的承载力或进行配筋 必然偏于不安全 试验也表明 按井形破坏模式计算结果更合理 结论 按照规范的计算公式确定的配筋量偏小 在常用的柱下独立基础尺寸范围内 两者约相差25 左右 以上的试验研究和理论分析表明 国内习用的柱下独立基础按梯形面积反力的配筋计算方法在理论上不正确 计算结果偏于不安全 建议以过柱边的截面为控制截面 以矩形面积反力计算柱下扩展基础板的受弯承载力 11 刚性桩复合地基 刚性桩复合地基中的刚性桩 增强体 包括预制混凝土桩 混凝土灌注桩和钢管注浆桩 适用于处理粘性土 粉土 砂土和分层压实的素填土等地基 不宜用于处理淤泥地基 桩顶需有一定位移以发挥桩间土的承载力 设计时可考虑 1 桩设计为摩擦型桩 2 桩顶设置褥垫层 垫层材料可用中 粗砂 石屑或级配砂石等 最大粒径不宜大于20mm 垫层厚度宜为200 400mm 石灰岩地基上刚性桩复合地基的几个问题刚性桩 增强体 的选择 素混凝土灌注桩 CFG桩 钢筋混凝土灌注桩 预应力管桩 预制方桩 钢管桩桩持力层的选择 基岩以上承载力较高的土层 基岩面 入岩土洞 溶洞的处理 工程实例广州市规划展览中心广州荔港南湾广西柳州九洲国际大厦云浮某住宅 关于复合地基深宽系数的讨论国家规范 建筑地基处理技术规范 中规定复合地基的宽度修正系数取0 深度修正系数取1 导致某些情况下复合地基的承载力比经深宽修正的天然地基承载力还低的不合理现象 可见 复合地基的宽度修正系数取0 深度修正系数取1是不正确的 地基承载力深宽修正系数从1974年的国家 建筑地基基础设计规范 TJ7 74 开始 一直沿用到现在 编74规范时 根据各地大量的载荷试验资料 经统计分析给出了各类土的地基承载力表 并提出深宽修正方法 当时 收集了国内外的相关资料 根据当时国内已有的实践经验 并经少量的试验资料校核 提出了各种土类的深宽修正系数 当时房子盖得少 也没什么高层建筑 基础的埋深较浅 尺寸也较小 与现在已不可相比 从这个角度出发 建筑地基基础设计规范 里的宽度修正系数也需要调整 从道理上说 复合地基由于有增强体 桩 较不可能发生整体剪切破坏 较可能发生局部剪切破坏或刺入破坏 而规范的宽度修正系数是基于整体剪切破坏 即地基中出现连续的滑动面提出的 因此 复合地基的深宽修正系数会比一般的浅基础小 例如 太沙基的地基承载力公式是按整体剪切破坏导出的 如果是局部剪切破坏 则把土的强度指标 C 乘以2 3查承载力系数 另外 有研究认为地基强度不会随基础宽度的增大而增大 如地基基础规范规定大于6米取6米 水工规范规定大于8米取8米 实用上 可暂参照太沙基的做法 且深度系数不小于1 12 地下室设计的几个问题 地下室的整体及局部抗浮稳定性水压 浮 力能否折减 水头h的取值抗浮稳定性验算 施工阶段 正常使用阶段减少水浮力的措施控制室外的地下水位控制地下室底板下的地下水位 地下室壁板的土压力水压力土压力静止土压力压实填土的土压力 工程实例广州京光广场广东国际大厦南京工业大学体育馆广州新体育馆训练馆 能源中心 13 基床系数的确定 基床系数k p y 物理意义 使单位面积的地基产生单位沉降量所需的力 按压板试验结果确定k1 p2 p1 s2 s1 或k1 p s对粘土 k B1 B k1 B1 压板宽 B 基础底板宽对砂性土 太沙基 压缩层较软 较薄的情形S pH E0k p s E0 H压缩层较厚的情形k 0 7 1 4 E0 B估算基础的平均沉降sk p s 岩溶地区基础设计的一般原则一 问题的提出 岩溶地区建筑物的基础设计是工程师们常感困惑的难题 多年来的工程实践 有机会接触不少此类问题 有成功的心得 也有对失败的思考 通过对其中部分有代表性的工程实例的简要介绍分析 来探讨岩溶地区基础设计的一般原则 例1 广州市景泰坑某住宅小区 工程概况 建筑物九层 局部十层 首层层高5 6m 其余2 8m 总建筑面积6 5万 钢筋混凝土框架结构 场区工程地质条件 人工填土 耕植层厚0 8 2m 坡洪积层 粘土及粉质粘土 厚4 8m 标贯数3 10击 残积层 粘土 粉质粘土 粉土 厚3 12m 标贯数5 15 5击 下伏基岩为石炭系壶天群灰岩 灰色 深灰色 岩质坚硬 岩石上部裂隙发育 有三个钻孔发现溶洞 洞深分别为0 2 1 3 1 55m 有填充物 场地内 发现钻孔8 9 12 13 14 一带灰岩顶面标高特别低 与周围钻孔的灰岩顶板标高相差3 10米不等 该地段区域存在一个以8 13 为中心的溶蚀漏斗 基础型式 采用天然地基上的条形基础 基底置于坡洪积粉质粘土层上 设计估算最大沉降6 7 竣工验收时实测5 7 建成后效果良好 例2 肇庆市某办公楼工程概况 十四层钢筋混凝土框剪结构 一层地下室 总建筑面积约2万 场区工程地质条件 耕植土层0 3 1m 淤泥及淤泥质土层7 10m 粉质粘土 粘土层4 7m 下伏基岩为灰岩 岩溶发育 溶洞高0 5 3 1m不等 基础型式 采用桩筏基础 混凝土灌注桩加筏基 考虑到淤泥层的透水性很差 桩距较密的沉管灌注桩将造成地面隆起 桩的质量难以保证 故以挤土桩 沉管灌注桩 与排土桩 钻孔灌注桩 相间 桩端支承于残积层上 建成后效果良好 例3 韶关某办公 住宅楼工程概况 二十层钢筋混凝土框 剪结构 一层地下室 总建筑面积约3万 柱最大轴力约2000t 场区工程地质条件 冲洪积软可塑粉质粘土 粘土8 20m 其中卵石层平均厚3 4m 下伏基岩为灰岩 灰色 岩质坚硬 岩溶发育 钻孔见洞率约28 溶洞深0 5 3m不等 基础型式 采用冲孔桩 桩径为 800 1000 1200 C30水下混凝土 单桩竖向容许承载力分别为350t 500t 700t 桩端支承于灰岩上 建成后效果良好 例4 花县某宿舍楼工程概况 八层钢筋混凝土框架结构 层高3 2m 建筑面积每幢约3000 场区工程地质条件 杂填土1 3m 砂层 细 中 粗砂 约2 7m 粉质粘土厚薄悬殊 从不到1m到15 6m 溶洞非常发育 洞中半填充或无填充 灰岩面标高变化较大 从地面以下8m到21m 附近有采石场 长期抽水 地下水位变化频繁 基础型式 天然地基上条形基础 基底置于砂层上 建成后发现基础不均下沉 周围室外地坪地面塌陷 需加固处理 例5 广州市大坦沙污水处理厂污水池工程概况 钢筋混凝土方形污水池 池深4m 池内设钢筋混凝土柱支承池顶盖 场区工程地质条件 冲洪积砂层 粉质粘土厚约20m 下伏基岩为钙质胶结的砂岩 基础型式及施工过程的难题 钢筋混凝土钻孔灌注桩 施工过程由于钻穿溶洞顶板 造成塌陷 形成直径约11m左右的水池 整台钻机陷落 没顶 例6 广州市罗冲围某解困住宅工程概况 九层钢筋混凝土框架结构场区工程地质条件 淤泥质软土6 8m 残积层5 7m 下伏基岩为灰岩 石笋 石芽 溶洞较发育 基础型式及施工过程的难题 原设计采用 500预应力钢筋混凝土管桩基础 柴油锤施打 施工过程断桩严重 断桩率达40 有一桩从工程地质钻孔剖面图看约14m左右抵坚硬的石灰岩面 却一直打入26m 例7 花县某邮件处理中心工程概况 单层钢筋混凝土柱 网架结构屋盖 柱网约28 5m 28m 高约12 16m 建筑面积约5万平方 工程地质条件 杂填土2 3m 粉质粘土 粉土厚平均厚约18m 下伏基岩为灰岩 岩溶非常发育 有串珠状溶洞 溶洞无填充或半填充 基础型式 采用冲孔混凝土灌注桩 施工很困难 不时有塌孔现象发生 抽芯结果表明 一些桩倾斜 桩底沉渣过厚 工期长 造价高 例8 韶关某办公楼工程地质条件 与例3韶关某办公 住宅楼相近 基础型式 原采用人工挖孔桩 由于溶洞地下水与北江连通 致使无法抽干水 护壁变形 施工困难 无法成孔 例9 徐州中国矿业大学南湖新校区某学生公寓工程概况 六层钢筋混凝土框架结构 工程地质条件 粘土 粉质粘土 含姜石 厚约2 10m 下伏石灰岩 基础型式 天然地基上的柱下单独基础 灰岩露头部分将岩石凿低至柱基底以下50 设置土垫层 承载力特征值取80 100t 不等 土部分的承载力特征值取20 24t 建成后效果良好 二 岩溶的工程地质特点 要分析以上工程实例的得失 有必要大致了解一下岩溶的工程地质特点 所谓岩溶 是指可溶性岩石如石灰岩 泥灰岩 白云岩 大理岩 主要成分为碳酸盐 石膏 主要成分为硫酸盐 岩盐 主要成分为氯盐 等 长期受水的化学物理作用而形成溶洞 溶沟 暗河 石芽 石笋 落水洞 钟乳石等地貌地质形态 广东地区常见的岩溶有石灰岩 白云岩 泥灰岩等 岩质坚硬 岩样单轴抗压强度常在50 100Mpa以上 岩石的强度虽高 但要把基础可靠地置于其上却不容易 对基础工程而言 最令工程师们头痛的是 1 岩溶地区基岩上复土层由于水的潜蚀作用时有土洞发育 2 岩层表面有石芽 石笋 溶沟 溶槽存在 3 溶洞分布无规律 沿竖向可能有几层溶洞 即所谓串珠型溶洞 4 岩面变化大 常见岩石临空面 鹰嘴石 5 溶洞地下水与外部水源 江 河 地下河等 有水力联系 6 岩层表面处 由于溶沟 溶槽 裂隙地下水积聚 残积层常呈软塑状 地质剖面图中的溶洞和土洞常会令人困惑 但另一方面也应注意到 1 岩溶的溶蚀速度虽有快有慢 与岩性及周围地下水中CO2含量及水动力条件相关 但与建筑物的设计使用期限相比 除了广东地区不常见的石膏及岩盐以外 却完全可以忽略 换句话说 设计时仅需考虑其现状 而不必考虑其发展 2 相比之下 土洞的形成与发展所需时间要短得多 对建筑物的危害也更为严重 但也并非有溶洞必有土洞 土洞发育的最主要的条件是 上复土层的性质 与下伏基岩中溶洞相联系的水通道 主要是裂隙 分布及地下水的流动 地下水位的变化等等 当存在长期的人工抽水源时 由于人工降低地下水位时引起的水位升降幅度与频率远较自然条件大 土洞的发育尤为强烈 地面塌陷 即土洞发育至地面 危险性相对较大 3 当建筑物的规模不大 层数不多 而上复土层有一定厚度及强度时 基底荷载引起的地基附加应力影响范围有限 对深部基岩中的溶洞影响很小 三 几个工程实例成败的简要分析 基于对岩溶工程地质特点的认识 可对上述几个工程实例的成败作一简要的分析 期望从中得到一些有益的启示 例1 广州市景泰坑某住宅小区从工程地质勘察报告中知 在均匀布置的钻探孔中仅约占十分之一的钻探孔发现溶洞 且洞高度小 洞内有填充 地下水位远高于基岩面 且变化幅度不大 上复土层多为透水性差或较差的粘土或粉质粘土 地表水不易下渗 地下水活动不强烈 显然 场地可判断为基本稳定 由于复盖层有一定厚度 建筑物层数不多 只有九层 故首先考虑采用天然地基上浅基础 柱下条形基础及片筏基础 有地下室部分 综合考虑上部结构的载荷及地基压缩层厚度的不同而采用不同的基底附加应力 并采用刚度较大的柱下条形地基梁 从而尽可能减少柱间的沉降差异 实践表明 设计是成功的 突出的优点是大大缩短了工期 加快了进度 例2 肇庆市某办公楼建筑物的层数不多 只有14层 但地面以上软土层较厚 无法采用浅基础 基岩面以上的残积层有一定的强度及厚度 采用小直径桩可充分利用该层的承载力 桩端不与石灰岩面接触 更使施工快捷方便 设置有一定刚度和强度的筏板减少了柱间差异沉降的风险 例3 韶关某办公 住宅楼由于单柱轴力较大 浅部土层无法提供必要的承载力 灰岩顶板较破碎 采用小直径桩也存在风险 故采用冲孔混凝土灌注桩 端承桩 虽然施工周期较长 过程中也有塌孔现象 但由于施工单位较有经验 桩基质量还是能满足要求 建成后情况良好 例4 花县某教工宿舍楼该工程建成投入使用后不久 1 楼 4 楼附近地面突然发生地面塌陷 1 楼由于基础的不均匀沉陷导致建筑物倾斜 墙体开裂而使住户人心惶惶 如果对工程地质情况作深入一步的分析 或者对基础方案的选择会更为慎重些 首先 场区存在厚度大 透水性极好的粗砂 砾砂层 有的砂层底面距溶洞十分发育的下伏石灰岩不到1m 这就便于地表水下渗 使浅层土易于被冲蚀淘空 其次 附近采石场的长期大量抽水更有利于土洞的形成并向上发育 一旦松软的土洞顶板承受不了上复砂层的压力而塌陷 砂层在水的作用下极易形成漏斗而造成地表陷落 显然 在这样不稳定的地基上采用浅基础要冒很大风险 是不可取的 例5 大坦沙污水处理厂污水池基底附加应力并不大 每方平米仅10t左右 且基岩的上复土层并不太差 砂层的标贯数在13 4击以上 砂层之下的粘性土也有一定的强度与厚度 采用天然地基上的浅基础应是一个较好的 既安全又可缩短工期 节省投资的方案 例6 罗冲围某解困住宅据现场的施工管理人员反映 预应力管桩施打过程中大致可分为三种情况 1 正常 尽管最后三阵锤的平均贯入度不大于2 控制偏严 总锤击数达800 1000击 但桩身完好 2 断桩 当桩端穿过软土层到达灰岩面时 柴油锤反弹明显 明白无误表示桩端已到硬层 由于贯入度控制偏严格 在继续施打的过程中 桩突然打断 3 断桩 但桩并无抵达硬层的明显感觉 桩锤反弹不高 虽然贯入度较之在软土层大为减少 但远未达控制标准 而是以一锤1 2 不断贯入 对照地质剖面 竟有一桩进入微风化基岩10m以上 显然这是绝无可能的 经分析 这三种情况应是对应灰岩表面的几种情况 1 基岩面较为平坦 此时桩端全部或大部接触基岩 由于管桩有预压应力存在 有效地降低了冲击打桩过程桩身的拉应力 故桩很耐受反复击打 桩的承载力也高 将为桩身强度所控制 2 桩端处于溶槽或裂隙的非整合表面 有稍微的倾斜 或更简单的说 桩端处一边硬一边软而造成桩身偏心冲击受力 这除了大大减少桩的有效贯入能量外 还大大增加了桩身的弯曲拉应力 最后 在桩截面到达极限弯曲承载力时即发生断桩 3 桩端一端处于十分陡峭的石芽 石笋或岩体侧面 由于岩石十分坚硬 在柴油锤的冲击下 桩端边缘贴着岩石的陡峭表面慢慢下滑 直至最后弯断 令人惊讶的是 有一根桩竟然弯进溶洞10米 后来 处理的办法很简单 由于采用管桩已不相宜 即把桩型换成 480的混凝土沉管灌注桩 桩端支承于残积层 自由落锤的冲击能量远较柴油锤小 施工过程未发现异常 桩的承载力能满足要求 建筑物完工后情况良好 例7 花县某邮件处理中心本工程场地空阔 附近无建筑物 虽然柱网大 但仅一层 本来可采用强夯等简单的浅层地基处理方法解决 采用冲孔桩基础方案 最终也可满足设计要求 只是造成施工困难 成桩质量不尽人意 工期长 基础造价高 例8 韶关某办公楼人工挖孔桩属于干作业桩 对于地下水位高的场地 应考虑地下水的赋存条件及补给源情况 如果与附近的江 河 湖泊等有水力有关系 则无法抽干水 且抽水过程常造成护壁周围的压力不平衡 有护壁变形 塌陷的安全隐患 不应采用人工挖孔桩 例9 徐州中国矿业大学南湖新校区某学生公寓本工程下伏基岩为灰岩 也存在溶洞 但地下水位很低 溶洞基本不会再发育 地基是稳定的 采用天然地基上的浅基础的关键在于如何控制柱间的差异沉降 利用褥垫层以及不同的基底附加应力 成功地将沉降差控制在可以接受的范围 建成后效果良好 四 岩溶地区基础设计的一般原则 从以上的讨论可得到岩溶地区基础设计的一般原则 1 把握拟建建筑物场址的工程地质情况是基础选型和设计的必要前提 除了查明溶洞 土洞的分布 规模 埋深外 应留意溶洞的填充情况 填充物的性状 地