某高层建筑群建址区溶洞物探普查及地基基础设计

某高层建筑群建址区溶洞物探普查及地基基础设计
肖飞;李霆;王颢
【摘要】该文介绍了某高层建筑群拟建场区内存在溶洞分布,必须通过适当的工程物探技术并结合钻探对场地溶洞的分布及其形态作出判断与分析;高层建筑下溶洞区的处理方法,通过基础方案的比较分析,选择采用利用天然地基的筏板基础.%The design procedure of building foundation for a karst cave subgrade is presented in this paper. The distribution and configuration of karst caves was detected by a geophysical prospecting approach, which provided the basis for doundation design. In addition, the camparative analysis of foundation schemes was operafed to find the most appropriate building foundation and choose a suitable karst cave treatment method for the karst cave subgrade.
【期刊名称】《华中建筑》
【年(卷),期】2011(029)005
【总页数】4页(P62-65)
【关键词】灰岩;物探;溶洞处理;筏基
【作者】肖飞;李霆;王颢
【作者单位】中南建筑设计院股份有限公司;中南建筑设计院股份有限公司;中南建筑设计院股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU222
本工程含8栋22～31层高层住宅楼。

岩土分布情况如表1。

根据岩土工程勘察报告，场区灰岩内有4个勘探孔存在溶洞。

溶洞的情况如表2。

地勘报告提供溶洞形态图如图1～4。

以上四个孔位溶洞均在高层建筑物范围内或靠近高层主楼。

溶洞的发现带来两个问题：①目前发现的溶洞体量巨大，各勘探孔仅对溶洞的高度准确的反映，而对溶洞的宽度及水平分布则不能反映。

②各勘探孔位间距较大，勘探孔之间是否还有溶洞存在？
为了弄清由于溶洞的发现带来的两个问题，因此需要对整个场区灰岩地段进行物探溶洞普查，并对物探推断岩溶异常的地段进行钻孔验证勘察工作，这样有的放矢，效率更高。

物探技术在矿产行业及采空区探测中应用广泛，但在土木工程中的应
用尚不多见。

由于工程物探技术可以利用连续加密测点的资料从而获得连续的地质界面，因此能有效地解决传统钻探手段以点代面划分地质界面的方法带来的一些问题。

根据文献1中阐述的物探技术在工程中的使用原则对整个拟建场区进行溶洞
物探工作。

运用物探中的高密度电法和瞬变电磁法对整个场区进行一次网格式的探测，探测场地基岩中所存在的岩溶及其发育特征。

其工作原理均是利用溶洞充填物和围岩介质之间存在较明显的电性差异，通过测定其电性差异性来寻找“目标物（溶洞）”。

整个场地探测工作共施测了29条剖面，共完成高密度电法测点1337个（其中含39个质检点），完成瞬变电磁测深点812个（其中含40个质
检点）。

瞬变电磁法是一种脉冲感应类电法勘探，属于时间域电磁法。

它通过不接地回线向勘探目标发送一次磁场，测量一次磁场激励电源关断后一段时间内的二次磁场变化，通过二次磁场衰减变化的信号特征来解释和反演地下介质结构的性状。

当地下存在
良导体时，良导体在一次磁场的激励下产生感应涡流，在脉冲磁场断掉后涡流磁场不立即消失，而是大致按照指数规律衰减；反之，若地下存在隐伏高阻介质，由于没有相当的感应涡流，其二次感应场的幅度很小，二次磁场很快衰减。

此方法对寻找“目标物”比较精准，主要用于高层住宅区的场地普查。

瞬变电磁法的工作原理，仪器和装置类型，数据处理及解释可参考文献2。

高密度电法是采用供电电极向地下供直流（或超低频流）电流，同时在测量电极间观测电势差，并计算出电阻率。

它是以岩土介质的导电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律来实现的。

其电极以某个固定的间距分布于一条直线上，采集的数据经处理后以等视电阻率断面的形式出现。

图5为高
密度电法二维反演成果图，其数据成果分析可参考文献3，从图中能较直观的看到岩溶异常点。

测区内施测的29条测线首先是在已发现的溶洞地段都获得了清晰的电性异常。

在圈定的高密度电法异常点和瞬变电磁法异常点的基础上，经过物探综合分析，共圈定了岩溶42处，并对这42处岩溶异常给予评定，对其埋深、岩溶
高度、南北长及东西宽均做了定量的划定。

由于测区内岩溶地质构造特征复杂，物探推断成果存在某种不确定性，所以对有代表性的低阻岩溶异常实施钻探验证，予以查实。

验证的重点是分布于高层建筑物建址区的岩溶异常，选择高层主楼范围内的9处异常点进行钻孔探验。

其中一栋高
层范围内的推断岩溶异常点平面及钻孔探验图见图6。

至此，整个场地的岩溶分布情况基本排查清楚，这对指导下一步的基础设计有重大意义。

由于本工程场地属灰岩条带区，分布的溶洞洞体较大，洞顶较薄，且平面分布不确定，依据《建筑地基基础设计规范》[4]必须考虑岩溶对地基稳定性的影响。

针对
该场地的实际情况，该场地属灰岩地区，一是应对已发现溶洞的拟建场地进行加密钻孔勘察工作，通过加密钻孔勘察的工作，我们可以在一些点位上、在一定深度内排除溶洞的存在，也可以排除在一定范围内一些巨大溶洞的存在。

二是对已发现的
溶洞进行确定溶洞范围的钻孔勘察工作。

孔位依据本地地质构造，岩体走向及勘探已揭露的溶沟、溶槽的走向分两个方向进行布置，选取本工程其中一栋高层下溶洞处的孔位布置（图7）。

通过确定溶洞范围的钻孔勘察工作可以清楚的看到其中一个已知溶洞在某个方向的走向和空间形态（图8），溶洞并不是通常想象中的圆球形状或椭圆球形状，正如前面图1中的B78号孔在勘探报告描绘成一个球状一样，通过对溶洞范围的确定，可以清晰地看到它的空间分布、走向及形状，它是一个非常复杂的空间体。

溶洞对地基稳定性的影响见《规范》[4]第6.5.2条，若从广义的概念上将点式高层拟采用的梁板式筏板基础视为独立基础，将板式高层拟采用的梁板式筏板基础视为条形基础（图9～10），其基础底面以下土层厚度均不满足第6.5.2条之规定。

按照《规范》[4]第6.5.4条所要求的条件也较难达到,其一，由于溶洞内充填物状态
软硬不均，充填成分复杂，且不能利用，前期地勘报告未提供其承载力特征值和压缩模量。

后期对溶洞充填物采用钻探取样，室内（岩）土工试验，标准贯入试验，重型动力触探试验（N63.5）方法和手段综合进行试验以获取其物理力学性质指标，其中充填物（4a）黏土层fak=80kPa，Es=3.5Mpa。

其二，由于洞体很大，溶洞的平面尺寸难以探定，难以确定基础的尺寸大于洞的平面尺寸，并有足够的支承长度。

其三，由于灰岩中溶洞洞体顶板厚度很薄，如前文所述，洞顶厚度远小于洞跨，均不能满足《规范》[4]第6.5.4条之第1，2，3条。

经计算各主楼基底压力扩散
至溶洞顶面时，溶洞顶面附加压力约为170kPa，因此依据地勘报告和《规范》[4]，本场地溶洞必须考虑其对地基稳定性的影响，并采取措施给予处理。

基础设计有两种方案，第一种方案是高层主楼全部采用冲孔灌注桩；采用冲孔灌注桩的优点是可以穿越溶洞，减小溶洞对地基基础的影响，但其缺点是首先忽视了溶洞上方较厚的（3-1）黏土层（fak=420kPa，Es=14.0MPa）和（3-2）角砾层（fak=600kPa, Es=38.0MPa）作为天然地基能够提供承载力的良好条件；其次
是冲孔灌注桩在此场区施工难度较大，造价高，施工周期长，业主难以接受；第三是若采用冲孔灌注桩，前期的物探、加密钻探孔及确定溶洞范围的勘探成果没有起到指导设计应有的目的。

这种方案的思路是因几个点位的溶洞而影响全面的设计，得不偿失，不可取。

第二种方案是采用筏板基础，并对溶洞处加以处理。

该方案采用筏基充分利用溶洞上方的（3-1）黏土层和（3-2）角砾层的良好承载力，基础在满足《高层建筑混
凝土结构技术规程》[5]埋深要求的前提下尽量浅埋。

在主楼建址区根据地勘和物
探单位圈定的溶洞范围，按《建筑桩基技术规范》[6]要求的桩最小中心间距和桩
承载力计算方法网格式布置冲孔灌注桩（图11）。

桩应优先布置于剪力墙下，成
为基础的第二道防线，若溶洞上方土体在基础的附加压力下出现下沉等情况，桩能够将墙体荷载直接传至基岩。

布置于筏板下的桩应考虑桩对筏板的冲切作用，若土体下沉时，桩对筏板的支承力不致使筏板破坏，同时加强主楼筏板的厚度及配筋，增加其整体刚度。

其溶洞处理的设计思想是在溶洞上方土体不能承担上部建筑的荷重时，所布桩基能替代溶洞上方土体承担建筑物重量，防止建筑物垮塌。

所有桩均应进行施工前勘察（超前钻），超前钻探深度为该处溶洞最低底部岩面以下不小于5m，按此深度实施超前钻，若桩不在溶洞范围内则取消该桩。

桩和筏板之间设置褥垫层，褥垫层的设置按《建筑地基处理技术规程》[7]有关要求实施，使结构沉
降趋于一致。

300mm厚的褥垫层采用中砂、粗砂、级配砂石和碎石等，不得采用卵石，最大粒径不大于30mm；采用静力压实法，夯实度（夯实后的褥垫层厚度
与虚铺厚度的比值）取0.87；桩顶凿平且不得穿越褥垫层和筏板连接成一体（图12）。

第二种方案为最终的实施方案，此方案在利用已有的优良持力层的基础上，充分利用前期的物探和勘探成果，对溶洞加以处理，结构上安全合理，经济上降低造价，施工上节约周期，业主满意。

①对于有溶洞分布的建筑场地，必须先采用合适的工程物探技术对场地溶洞进行普
查，对异常点再进行钻探验证，以确定溶洞的范围。

②溶洞的形状并非一般意义上的洞（圆洞、椭圆洞等），而是一个非常复杂的空间体。

③要求勘察单位对溶洞内的充填物提供具体的物理力学指标，然后结合溶洞分析其对地基稳定性的影响，依据相应的规范规程确定是否须作处理，切不可冒险设计。

④对于建筑物拟建区局部存在溶洞，而溶洞与基底间土层承载力较高的情况，可对局部区域的溶洞进行处理，尽可能利用天然地基。

【相关文献】
1 王建能，胡文富．物探技术在土木工程中的应用．科技传播，2010（06）：111+115.
2 郝玉昭，苍震球，张凤予．瞬变电磁法在地下采空区勘探中的应用．安阳工学院学报，2010（2）：64-67．
3 董双林，宫传梅．高密度电法在工程地质勘察中的应用．山西建筑，2010（19）：110-111.
4 GB5007-2002 建筑地基基础设计规范．北京：中国建筑工业出版社，2002.
5 JGJ3-2002 高层建筑混凝土结构技术规程．北京：中国建筑工业出版社，2002.
6 JGJ94-2008 建筑桩基技术规范．北京：中国建筑工业出版社，2008.
7 JGJ79-2002 建筑地基处理技术规范．北京：中国建筑工业出版社，2002.
第二作者中南建筑设计院股份有限公司教授级高工
第三作者中南建筑设计院股份有限公司高级工程师
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