我国幅员辽阔,岩溶地貌分布广、面积大,主要集中在西南(广西、贵州、云南东部、四川南部和广东北部)地区,占西南地区面积的三分之一,是世界上最大的岩溶区之一。岩溶地貌形成的物质基础为可溶岩,一般可以理解为灰岩,所以灰岩分布地区即可形成岩溶地貌。北方也有大量的灰岩分布,但由于气候、降雨等因素,其发育程度远远不及南方。笔者所在地安徽省铜陵市是平原(丘陵)地区和皖南山区的交接部位,有大量的灰岩分布,且雨量充沛,溶洞很发育,大多数建(构)筑物下均有溶洞。笔者结合多年设计和施工图审查经验,对岩溶地基的设计及处理方法进行总结。

　　 岩溶又称喀斯特(国际通用语Karst),是可溶性岩石在水(地表水和地下水)的溶蚀作用下形成溶洞、溶沟、裂隙、暗河、石牙、漏斗、钟乳石等奇特的地面及地下形态的总称。

　　 可溶性岩石包括碳酸盐类岩石(石灰石、白云岩等)、硫酸盐类岩石(石膏、芒硝等)和卤素类岩石(岩盐等)。后两种溶解速度快,对工程危害大,不能作为建筑场地。碳酸盐类岩石发展速度较慢,在我国各类岩溶中分布最广,经适当处理或采取措施后可作为建筑场地。

　　 一般认为,碳酸盐类岩石出现岩溶的过程是不溶性碳酸钙与二氧化碳和水反应生产微溶性碳酸氢钙,即:CaCO₃+H₂O+CO₂↔Ca(HCO₃)₂。但也有些研究者认为上述反应式与实际情况不符,因为从未发现Ca(HCO₃)₂离子,且CaCO₃与CO₂参加反应的比例也并非1∶1。由此可见这一反应的复杂性。

　　 岩溶发育的三个基本条件如下:1)岩体是可溶性岩石;2)岩体有侵蚀性水,水中含有CO₂;3)水在岩体中不断循环交替(具有地表水下渗或地下水流动的途径)。上述三个条件必须同时满足缺一不可。

　　 土洞是覆盖型岩溶发育区在特定的水文地质条件下,基岩面以上的部分土体遭水流携失、迁移而形成的洞穴和洞内塌落堆积物,并诱发地面变形甚至破坏的总称。土洞是岩溶的一种特殊形态,由于土洞埋藏浅、分布密、发展快、顶板强度低,危害大于溶洞。即使在施工阶段没有土洞,后来地表水和地下水条件的改变,也可能会产生新的土洞和地表塌陷。

　　 土洞发育的三个基本条件如下:1)土层为易产生裂隙和潜蚀的土层(一般多发生于黏性土中,在砂石及碎石土中比较少见);2)岩溶地区;3)地表水活动(地表水下渗)或地下水活动(地下水在上覆土层与下伏基岩交界面作频繁升降)。上述三个条件必须同时满足缺一不可。

　　 土洞分类如下:1)地表水活动形成的土洞:地表水沿上覆土层中裂隙、生物孔洞、石牙边缘等通道渗入地下,对土体起冲蚀、淘空作用,从而形成土洞。2)地下水活动形成的土洞:对于地下水在上覆土层与下伏基岩交界面作频繁升降变化的地区,当水位上升到高于基岩面时,土体被水浸泡,便逐渐湿化、崩解,形成松软土带;当水位下降(包括人工降水)到基岩面以下时,水对松软土产生潜蚀、搬运作用,在岩土交界面处形成土洞。

　　 土洞地基处理方法可采用下列方法中的一种或同时采用几种。

　　 由于地表水或地下水活动是土洞发育的三个基本条件之一,因此,可采取措施消除该条件,防止土洞的出现或已有土洞的继续发展。地表水活动形成的土洞或塌陷,可采取地表截流、防渗或堵塞地表水下渗通道等措施进行处理。地下水活动形成的土洞,当地质条件许可时,可采用截流、改道方法处理;附近如有抽水井应停用;如有矿山突水口应封闭。地表水活动形成的土洞处理方法实施较易(如场地满填一定厚度的黏土隔水层,并分层夯实),地下水活动形成的土洞处理方法理论上可行,但实施较难,因为很难准确找到地下水的位置。另外,按《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)^[1](简称地基规范)第6.6.8条第3款规定,采用阻止地表水和地下水活动法处理的同时,尚应采用梁、板或拱跨越方法处理。

　　 土洞较浅时,可采用挖填法,即直接挖去软土,用级配砂石或强度等级低的混凝土或毛石混凝土换填至基础底,也可在清除软土后抛填块石,在块石上面铺垫一定厚度的砂作为反滤层,反滤层以上用黏土夯填。

　　 土洞较深时,可采用灌注法,即可通过钻孔(钻孔为两个孔:一个灌注孔,孔径不小于100mm;另一个为出气孔,孔径不小于50mm)向洞内灌注砂、砾石、水泥砂浆或细石混凝土,充填土洞。

　　 采用注浆法处理土洞,即利用注浆设备,将水泥浆液或其他浆液均匀地注入到土洞和其周围土体的裂缝、孔隙中,使其与土洞内容物和周围土体胶结成一个整体,形成一个强度大、压缩性低、抗渗性高和稳定性良好的新岩土体。同时注浆法还能起到加固整体地基,改善地基的物理化学性质,并能阻塞地下水通道,防止土洞进一步发育的作用。该方法处理效果好、工艺简单、造价较低,特别是在处理埋藏较深的土洞时具有优越性。另外,当采用灌注法向洞内灌注砂、砾石后,需进一步提高强度、增加整体性时,也可再对其采用注浆法处理。

　　 同2.1节一样,按地基规范第6.6.8条第3款规定,在采用挖填法和灌注法处理土洞的同时,尚应采用梁、板或拱跨越方法处理。

　　 对于浅埋而密集的土洞,如果挖除工程量非常大,而且场地和周围环境符合强夯条件,可采用强夯法将土洞夯塌,然后用碎石土回填并夯实或采用强度等级低的混凝土(毛石混凝土)回填;也可采用重锤夯实处理。强夯的有效加固深度与单击夯击能和土洞顶板土体性质有关,一般为4～9m。

　　 对于埋藏较深、发育缓慢的土洞,当上部结构为低层且整体性较好时,基础尽可能浅埋,以保证基底距土洞顶的距离尽可能大。当持力层较深时,超深部分可采用换土填层,以尽可能提高基底标高,减小土洞顶板的附加压力。当然,采用该方法应慎重,应进行计算分析和风险评估。

　　 利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土洞位置,利用高压喷浆冲击破坏土洞充填物和土洞周围土体,将浆液与土粒强制搅拌混合,浆液凝固后,在土中形成一个固结体。该方法处理效果好,但造价高。

　　 当按2.1～2.5节方法处理后,土洞可能还继续发展,或地下水位可能下降形成土洞时,应采用桩基将建筑物荷载直接传至稳定岩层,底层地坪设计成架空楼面。在建筑使用期间,定期对人员经常活动或有重要设备及货物的场地进行勘察,当发现土洞有可能造成地面塌陷时,应采用2.1～2.5节方法进行处理。

　　 地基规范第6.6.5条规定:对于完整、较完整的坚硬岩、较坚硬岩,当符合下列条件之一时,可不考虑岩溶对地基稳定性的影响:1)洞体较小,基础底面尺寸大于洞的平面尺寸,并有足够支承长度;2)顶板岩石厚度大于或等于洞的跨度。湖北《建筑地基基础技术规范》(DB 42/242—2014)^[2](简称湖北地基规范)第9.3.5条规定:基础位于微风化硬质岩石表面时,对于宽度小于1m的竖向溶蚀裂隙或落水洞近旁,可不考虑其对地基稳定性的影响。除此以外,应进行地基处理,采用合适的基础形式。

　　 当石笋、石林裸露,溶沟、溶槽内填充物承载力特征值大于150kPa、房屋为单层排架结构或一、二层墙体承重结构时,参照地基规范第6.2.4条,可不对填充物进行处理,只需在石笋、石林部位设褥垫即可。

　　 当石笋、石林顶标高基本相同,顶部有厚度不小于0.5m的覆土,且该覆土和溶沟、溶槽内填充物承载力均较高时,对于一般多层建筑,可直接采用条基或筏基,且对上部结构进行适当加强。

　　 当石笋、石林裸露(或有厚度较小的覆土)时,溶沟、溶槽内有厚度不大(不超过4m)的承载力低的填充物时,直接挖去填充物,换填低强度等级混凝土或毛石混凝土作为基础持力层,采用独立基础或其他基础形式;当溶沟、溶槽内承载力低的填充物厚度较大时,很难将填充物全部挖除,可对填充物采用注浆法提高承载力后作为持力层,在裸露的石笋、石林顶面设褥垫,基础采用条基或筏基,且对上部结构进行适当加强。

　　 地基规范第6.6.9条规定:对地基稳定性有影响的溶洞洞隙,当岩溶裂隙较小时,可采用镶补、嵌塞与跨越等方法处理;当岩溶裂隙较大时,可采用浆砌块石等堵塞措施,也可采用洞底支撑或调整柱距等方法,还可采用梁、板和拱跨越方法;跨越结构应有可靠的支承面,梁式结构在稳定岩石上的支承长度应大于梁高1.5倍。

　　 《贵州省建筑岩土工程技术规范》(DB 52/T046—2018)^[3](简称贵州岩土规范)第7.4.4条规定,当岩溶为深度较大的竖向溶槽、溶洞或串珠状溶洞时,可采用梁、板跨越,梁、板在溶槽或溶洞平面投影范围外的支承面积上的基底承载力应不小于基础设计荷载的1.25倍。

　　 当溶洞埋深较浅、溶洞顶板厚度较小、溶洞体量不大时,可炸开顶板,然后按3.1,3.2节方法处理。

　　 地基规范第6.6.9条第4款规定:对于荷载不大的低层、多层建筑,围岩稳定,如溶洞位于条形基础末端,跨越工程量大时,可按悬臂梁设计基础,若溶洞位于单独基础重心一侧,可按偏心荷载设计基础。笔者认为单独基础柱整个截面应位于溶洞平面投影范围外,且采用该方法处理应慎重,务必确保溶洞边缘为稳定的、完整的硬质岩。

　　 地基规范第6.6.6条规定,地基基础设计等级为丙级且荷载较小的建筑物,当符合下列条件之一时,可不考虑岩溶对地基稳定的影响:

　　 (1)基础底面以下的土层厚度大于独立基础宽度的3倍或条形基础宽度的6倍(相当于地基压缩层厚度),且不具备形成土洞的条件时。

　　 (2)基础底面以下的土层厚度小于独立基础宽度的3倍或条形基础宽度的6倍,洞隙或岩溶漏斗被沉积物填满,其承载力特征值超过150kPa,且无被水冲蚀的可能时。

　　 (3)基础底面存在面积小于基础底面积25%的垂直洞隙,但基底岩石面积满足上部荷载要求时。

　　 由于筏基、箱基刚度大、调整不均匀沉降能力强,所以在岩溶地区当具备一定条件时可以采用筏基或箱基。《贵州省建筑地基基础设计规范》(DBJ 52/45—2018)^[4](简称贵州基础规范)第6.3.6条规定:岩溶强发育地段,采用桩基处理困难时,可采用箱、筏基础。贵州岩土规范第7.4.5条规定:在溶沟、溶槽、石牙或岩溶洞隙强烈发育,不能满足独立基础或条形基础的地基条件,但却存在较大面积可靠支点分布的场地,可采用筏基、箱基或桩筏、桩箱基础;为增强筏板刚度与强度,可辅以暗梁;必要时,基底下的破碎岩体可采用灌浆加固;深度不大的溶沟、溶槽,可清除充填物回填毛石混凝土。

　　 采用筏基或箱基,一般应满足以下要求:

　　 (1)岩溶稳定,岩顶标高总体基本相同(局部可有较大高差),溶洞在平面上分布基本均匀,每个溶洞面积不大。其中“岩溶稳定”是前提条件;“岩顶标高总体基本相同”才能保证建筑整体倾斜满足要求,如一端岩顶高,另一端岩顶很低,则建筑由于不均匀沉降将出现倾斜;“溶洞在平面上分布基本均匀”才能保证非溶洞部位基岩受力基本均匀,避免某些非溶洞部位基岩顶面土体局部破坏,出现较大的塑性变形;“每个溶洞面积不大”才能保证溶洞顶板强度满足要求。上述均应通过详细勘察或施工勘察查明,勘察布点建议参照贵州岩土规范第7.2.3条条形基础的勘察布点进行:对于岩溶强发育地段,每柱下布一个点,且点间距不大于6m;对于微发育或中等发育地段,可每柱下布一个点,或6～12m布一个点;当需要确定溶洞边界时,应增加补孔。

　　 (2)岩溶上覆土层厚度较大、地基承载力较高。“岩溶上覆土层厚度较大”指岩溶上覆土层厚度不宜小于地基压缩层厚度,因为此时传到基岩顶面的附加应力已经很小,对岩溶稳定的影响可以忽略不计。在岩溶地区,如果基础底面以下的土层厚度大于地基压缩层厚度,且不具备形成土洞条件时,可以不考虑岩溶对地基稳定的影响^[5]。

　　 筏基及箱基地基压缩层厚度z_n可按《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》(JGJ 6—2011)^[6](简称高层筏基与箱基规范)第5.4.4条计算:

　　 $z{}_{\text{n}}=(z{}_{\text{m}}+\S b)\beta (1)$

　　 式中:z_m为与基础长宽比有关的经验值,m;§为折减系数;z_m,§值均可按高层筏基与箱基规范表5.4.4-1”确定;β为调整系数,其值可按高层筏基与箱基规范表5.4.4-2确定;b为基础宽度,m。

　　 例如:宽度b为13m的住宅,当长宽比L/b在1～5之间变化时,可按式(1)求得地基压缩层厚度z_n为13～20m(当地基为黏性土时)、5～8m(当地基为碎石土时)。

　　 筏基及箱基的地基压缩层厚度z_n也可按高层筏基与箱基规范式(4.2.3-2)右边的后半部分求得:

　　 $z{}_{\text{n}}=\alpha {}_{\text{c}}\beta b(2)$

　　 式中:α_c为与土层有关的经验系数,按高层筏基与箱基规范表4.2.3取值;β为经验系数,按高层筏基与箱基规范第4.2.3条第1款规定取值,地基基础设计等级为甲级的高层建筑取1.1,甲级以外的高层建筑取1.0;b为基础宽度,m。

　　 例如:当b=13m时,可按式(2)求得地基压缩层厚度z_n。对于甲级高层建筑,当地基为碎石土时,z_n为7.15～10m,当地基为黏性土时,z_n为14.3～21.5m;对于甲级以外高层建筑,当地基为碎石土时,z_n为6.5～9.1m,当地基为黏性土时,z_n为13～19.5m,和式(1)计算结果相差不大。

　　 以上要求“岩溶上覆土层厚度不宜小于地基压缩层厚度”是指满足该条件时,一般可不考虑溶洞大小(溶洞面积非常大时例外)和顶板厚度。当岩溶顶板与基础底面之间的土层厚度小于地基压缩层厚度时,应根据洞体大小、顶板形状及厚度、岩体结构及强度、洞内充填情况以及岩溶地下水活动等因素进行洞体稳定分析^[5]。当施工勘察已探明溶洞面积较小、顶板厚度较大,或虽顶板厚度较小但按重庆市《建筑地基基础设计规范》(DBJ 50-047—2016)^[7](简称重庆地基规范)附录C验算后强度及稳定性满足时,上覆土层厚度可减小。

　　 当较大溶洞位于不利位置(如建筑物的角部、端部)时,则不得采用筏基或箱基。

　　 当满足4.2节的要求,但上部结构为较高高层时,岩溶上覆土层地基承载力可能不满足。例如30层左右的住宅,需要的地基承载力特征值约为550kPa,而一般土层地基承载力特征值没有这么大。此时可采用CFG桩或其他刚性桩复合地基。笔者所在的铜陵地区有很多成功的案例,如恒大绿洲33层住宅小区、宏福东第花园小区(26层和33层)、金玉华府小区(30层和33层)等均是利用岩溶以上厚度较大、承载力较高的硬缩黏土、砾石土等作为CFG桩复合地基土,然后再制作筏板基础。

　　 《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)^[8](简称桩基规范)第3.4.4条第3款指出:当基岩面起伏很大且埋深较大时,宜采用摩擦性灌注桩。

　　 当基岩的溶蚀极为发育,溶沟、溶槽、溶洞密布,岩面局部起伏很大,上覆土层厚度较大但承载力较低时,如采用CFG桩复合地基,由于土层承载力较低导致复合地基承载力较低,达不到需要的承载力;如采用嵌岩桩,则由于桩长变异性太大、桩需穿越多层溶洞、相邻桩底高差太大(即有临空面)、混凝土超灌量太大等问题,施工困难,既不经济又耽误工期。此时可采用较小桩径(直径600mm左右)密布非嵌岩桩,并桩端、桩侧后注浆,形成整体性好、刚度很大的块体基础,然后再制作筏板。如宜春邮电大楼即是采用该方法,建成后沉降均匀,最大不超过10mm;笔者所在的铜陵市保障房工程新光路小区也是采用该方法,沉降很小。

　　 岩溶地区,由于以下原因不宜采用预制桩(管桩):1)预制桩(管桩)桩端落在岩面上,无法满足进入基岩(中风化、微风化或新鲜基岩)0.4d(d为桩径)且不小于500mm的要求。2)预制桩(管桩)穿过覆盖层到达基岩面后,如果基岩面是平的,当采用锤击施工时,贯入度立即变得很小,桩身剧烈反弹而破坏;如果基岩面倾斜,桩端沿岩面滑移,桩身倾斜或发生断桩。3)由于基岩面起伏大,桩长变异也大,配桩困难。4)如果柱下独立桩基承台下有n根预制桩(管桩)落在较薄的溶洞顶板上时,进行单桩静载试验时可能满足承载力要求,即溶洞顶板不破坏,但当承台下所有桩都同时承担上部荷载时,则由于溶洞顶板承担的荷载是单桩静载试验时的n倍,溶洞顶板就有可能破坏。

　　 在岩溶地区宜采用灌注桩,岩溶地区适合的灌注桩有人工挖孔灌注桩(简称挖孔桩)、冲击成孔灌注桩(简称冲击桩)、旋挖成孔灌注桩(简称旋挖桩)、反循环钻成孔灌注桩、正循环钻成孔灌注桩和贝诺托灌注桩^[9]。前三种为常用灌注桩,下面对其进行重点介绍。

　　 挖孔桩适合于地下水位低和非软土场地,桩长不超过30m,且当超过16m时应进行专项论证。当遇有流动性软土夹层和流土流砂时应有可靠应对措施;孔底有较深积水时,应采用水下灌注混凝土。优点是造价低,成桩质量可靠,桩底可清理干净,在场地狭小处也能施工,一般可在施工到基岩面后进行钎探,不需在施工前钎探,节约成本。缺点是易发生安全事故、施工速度较慢。

　　 冲击桩适合于含有漂石、碎石土层,能进入基岩、穿越溶洞。优点是中风化、微风化和新鲜基岩均能进入,可确保嵌岩深度;操作人员少,设备小,一个工地可同时很多台设备施工。缺点是外运泥浆渣土量大,钻进过程有噪声,遇黏土层钻进效率低,扩孔率大;桩端清孔不干净时对承载力影响大。

　　 旋挖桩适合于各种地层,能穿越溶洞,进入中风化基岩。桩径600～1 200mm,深度限值为60m。优点是成孔效率高,泥浆量少且可重复使用,渣土含浆量低,外运量少,施工对环境影响小,漂石中钻进可更换短螺旋钻头,嵌岩时可更换嵌岩钻头,绝大多数溶洞均能穿越;缺点是造价高,极软土中成孔易蹋孔,进入微风化岩困难。

　　 有些情况下,上述成孔工艺可互换。例如,当挖孔桩施工到基岩面钎探后发现下面有高度较大的溶洞或串珠状溶洞,继续采用挖孔桩施工困难时,可改用冲击桩或旋挖桩;当采用旋挖桩穿越溶洞顶板困难时,可改用冲击桩。挖孔桩改为旋挖桩时,要求旋挖桩桩径比挖孔桩桩径小,且原挖孔桩孔壁垂直。否则,旋挖钻头在孔内上升或下降时会碰坏挖孔桩护壁,造成塌孔,此时必须在孔内回填黏土,从上到下重新成孔。挖孔桩改为旋挖桩时,无论桩径是否变小,均应对单桩竖向承载力及桩身强度进行复核,因为后者桩的极限侧阻力标准值q_sk、极限端阻力标准值q_pk和基桩成桩工艺系数Ψ_c比前者小。如铜陵市五松瓜果市场安置房高层住宅(33层)设计采用挖孔桩,施工到基岩后,发现有些岩面倾斜角达70°以上,下挖10多米仍无法满足设计要求的桩全截面进入基岩1d的要求,此时桩长已达25m;有些桩位下溶洞很高且填充物物理性质为软塑～流塑。如继续采用挖孔桩施工不仅工期长,而且存在很大的安全隐患。经专家论证,改为旋挖桩,桩径改小(经设计单位复核,桩径改小后承载力满足),在原挖孔内旋挖成孔,部分桩垂直度较差,重新回填黏土后,从上到下重新旋挖成孔。

　　 由于岩溶地区属于场地和地基条件复杂的情况,因此,岩溶地区建筑桩基设计等级属于甲级或乙级。

　　 单桩竖向抗压承载力可按桩基规范第5.3.9条计算。贵州岩土规范第7.4.4条第4款规定:桩身穿过的溶洞顶板岩体一般不计其侧阻力(地基规范第6.6.4～6.6.9条条文说明也有同样阐述);基本质量等级为Ι级、Ⅱ级岩体构成的竖向溶洞顶板,其厚度大于2m时,可将厚度乘以0.75系数后计入侧阻力。

　　 单桩竖向抗拔承载力可按桩基规范式(5.4.5-2)及式(5.4.6-1)计算。按桩基规范式(5.4.6-1)计算整根桩的抗拔极限承载力标准值T_uk时,其中嵌岩段的侧阻力计算分两种情况:1)当勘察报告提供嵌岩段桩侧表面抗压极限侧阻力标准值q_sk时,可直接按桩基规范式(5.4.6-1)计算。2)当勘察报告未提供嵌岩段桩侧表面抗压极限侧阻力标准值q_sk,则可根据桩基规范第5.3.9条条文说明,按下式计算嵌岩段桩极限侧阻力:

　　 $Q{}_{\text{r}\text{s}}=\zeta {}_{\text{s}}f{}_{\text{r}\text{k}}\text{π}dh{}_{\text{r}}$

　　 式中:ζ_s为嵌岩段侧阻力系数,按桩基规范第5.3.9条条文说明表9取值;f_rk为岩石饱和单轴抗压强度标准值;h_r为桩嵌岩深度。

　　 抗压桩桩身强度验算可按地基规范第8.5.11条或桩基规范第5.8.2条进行。需注意的是,只有在桩顶以下5倍桩径范围内螺旋箍筋间距不大于100mm且钢筋耐久性得到保证的灌注桩,才可计入桩身纵筋的抗压作用。嵌岩桩的桩身强度验算非常重要,桩直径(截面面积)往往不是由桩侧与桩端的岩土阻力控制的,而是由桩身强度控制的。

　　 按桩基规范第3.1.6条,抗拔桩应进行桩身混凝土抗裂验算,裂缝宽度限值按桩基规范第3.5.3条取值,裂缝计算按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)^[10]第7.1.1,7.1.2条进行。

　　 桩基规范第3.3.3条第6款规定:1)对于嵌入平整、完整的坚硬基岩和较坚硬基岩的深度不宜小于0.2d且不应小于0.2m;2)对于嵌入倾斜的完整和较完整岩的全截面深度不宜小于0.4d且不应小于0.5m;倾斜度大于30%的中风化岩,宜根据倾斜度及基岩完整性适当加大嵌岩深度。这里只定性地要求“加大嵌岩深度”,未进行定量。

　　 文献[9]附录H第H.0.3条第5款规定:1)岩面倾斜角≤10°(即坡度为17.6%)时,全截面嵌岩深度不小于(0.5～1.0)d;2)岩面倾斜角>10°而≤30°(即坡度>17.6%,而≤57.7%)时,全截面嵌岩深度不小于1.0d。当为坚硬岩时,桩底可顺岩石倾斜面做成三阶台阶,桩与岩石交界面最低点高出最低台阶不小于1.0d,高出最高台阶面不小于0.5d。

　　 湖北地基规范第9.3.12条规定:岩溶中等和强烈发育场地的嵌岩端承型桩,桩端全截面嵌入完整岩层表面的深度不应小于2.0d,且不小于2.0m;第9.3.13条规定,当桩穿过溶洞(串珠状溶洞)时,桩端嵌入完整基岩不小于0.5m,且桩身嵌入岩深度不应小于2.0d,且不小于2.0m。该要求比桩基规范和文献[9]要求高得多。

　　 当岩面倾斜角很大时,为满足全截面嵌岩深度往往非常困难,对于旋挖桩和冲击桩,只有继续向下钻以满足要求。但对于挖孔桩,当桩端基岩有不超过桩端截面面积的1/4为洞隙充填物,难以挖除时,可参照贵州地基规范第6.3.5条第4款方法处理,即在桩底设置一定厚度的钢筋混凝土底板,底板宽度视情况向周边加大(笔者认为,应保证底板支承在基岩上的面积不小于桩截面积),并采取有效措施保证该底板不向残留洞隙滑移或变位。笔者建议,具体有效措施可为:1)桩端岩面凿成斜面,靠近残留洞隙一侧高,另一侧低;2)桩端岩面凿出平行于残留洞隙方向的抗滑键,桩端的钢筋混凝土底板在抗滑键内应配筋;3)在桩端基岩上打孔,插入短钢筋,上端锚入钢筋混凝土底板内,起到销栓作用。

　　 地基规范第10.2.13条规定:人工挖孔桩终孔时,应进行桩端持力层检验。单柱单桩的大直径灌注桩,应视岩性检验孔底下3倍直径或5m(结合文献[1]第8.5.6条第6款规定,此条的“3倍直径或5m”应改为“3倍直径且不小于5m”)深度范围内有无土洞、溶洞、破碎带或软弱夹层等不良地质条件。”

　　 上述规定为强制性条文,但在具体工程中,完全满足很难。笔者建议:1)当桩穿过串珠状溶洞且溶洞顶板为Ι级、Ⅱ级岩体时,如按第5.3.1节计入溶洞顶板的侧阻力后,需要的桩端承载力较小时,对桩端持力层(基岩)厚度可适当放松。当然,由于地基规范第10.2.13条规定为强制性条文,因此,应进行专家论证。2)当桩遇到很深的溶槽或竖井,但溶槽宽度和竖井直径小于桩径时,参照贵州岩土规范第7.4.4条第3款,按悬挂式嵌岩桩进行计算,如嵌岩段岩体基本质量为Ⅰ级、Ⅱ级岩体时,嵌岩深度应大于2倍桩径,如嵌岩段岩体基本质量为Ⅲ级、Ⅳ级岩体时,嵌岩深度应大于5倍桩径,且侧阻力应大于设计荷载的1.25倍,并于基岩面上加做适当尺寸的承台。

　　 所谓临空面是指为滑移体提供变形、滑移空间的面。一般可分为顺坡陡倾临空面(图1(a))、倒坡陡倾临空面(图1(b))和水平临空面(图1(c))三种类型^[11]。顺坡陡倾临空面:边缘陡壁大致呈顺坡,坡角一般大于45°。倒坡陡倾临空面:桩底处于陡壁边坡,边缘陡壁大致呈倒坡或桩底处于鹰嘴崖之上。水平状洞顶临空面:溶洞顶板有一定的厚度,溶洞形态不规则,且有一定的跨度。其临空面近水平为主。由于此种临空面属于溶洞范畴,一般要求满足地基规范第10.2.13条规定即可,因此,下文将不再涉及这种临空面。

　　 1)地基规范第8.5.6条第6款规定:在桩底应力扩散范围内无岩体临空面。2)文献[9]附录H第H.0.1条第7款规定:应在桩底6倍桩端直径范围内无岩体临空面,若不满足6倍桩端直径时,应专题研究。

　　 桩端传给基岩的应力通过岩体扩散后随深度和水平距离加大而越来越小,应力较小处(即超过一定距离后)即使有临空面也不会影响地基稳定。这里“一定距离”可按照文献[9]附录H第H.0.1条第7款的“桩底6倍桩端直径”执行。因此,在实际工程中应控制如下范围内不得有顺坡陡倾临空面和倒坡陡倾临空面:桩端周边向下45°扩散角(参照混凝土扩散角取45°)与以桩端中心为圆心、以6d为半径的球面相交范围内,即图1(d)中阴影部分。如不满足,应进行专题研究。

　　 在岩溶地区,临空面是非常多的,往往相邻3m左右的桩端基岩面高差达10多米甚至30m的情况时有发生。临空面带来的问题是(图2):当有软弱面向临空面倾斜时,在桩竖向荷载作用下,桩端岩体(即图2中阴影部分三角形楔体)可能向临空面滑移。文献[12]采用三维有限单元法求得桩的允许嵌固力[P]与上覆土层厚度h、软弱结构面摩察系数f、软弱结构面倾角α、临空面倾角θ、结构面高度D、桩径d之间的相互关系:

　　 [P]=180.703h+23 909.57f+10.8a²-1 040.24a-90.3θ+301.12D+11 563.597d+15 705.46 (3)

　　 式中:h,D,d单位为m;α,θ单位为°。

　　 用式(3)计算出的桩的允许嵌固力[P]已经考虑了安全系数,[P]等于桩临界(极限)嵌固力P的1/3,满足地基规范附录H规定。

　　 对函数y=10.8a²-1 040.24a求极值可知,α=48°时,对[P]最不利;从构造考虑,D至少为2m左右;θ最大值取为90°,虽然大于90°的情况也有,但较少。将α=48°,D=2.0m,θ=90°代入式(2)得到一般情况下偏于安全的计算公式:

　　 $\begin{array}{l}[{\rm P}]{}_{\min }=180.703h+11563.597d+\\ 23909.57f-16857(4)\end{array}$

　　 式中f的取值,对于泥化夹层和夹泥层为0.15～0.25,对于破碎夹泥层为0.3～0.4,对于破碎夹层为0.5～0.6,对于含铁锰质角砾破碎夹层为0.65～0.85^[12]。

　　 文献[12]求得的式(3)、式(4),得到六个工程实例验证,因此,有一定的可靠性。

　　 需注意的是,式(3)、式(4)是建立在临空面外侧有土体的情况下,当临空面位于溶洞边,且溶洞内无较密实的填充物时(图3),则式(3)、式(4)不适用。此时,如桩底基岩有向临空面倾斜的软弱面时,应采用注浆法充填溶洞后才可采用式(3)、式(4)验算。

　　 桩基设计时,从勘察报告中可了解到基岩上覆土层厚度、岩溶发育情况、基岩面起伏大体情况等。按照式(4)就能求出最小[P]_min,当设计要求的单桩竖向承载力特征值R_a小于[P]_min时,就不需考虑临空面问题了。例如:当桩径d为1.0m,h分别为15,20,25,30,35,40m,f取最小值0.15时,按照式(4)求得[P]_min分别为1 008,1 913,2 818,3 723,4 628,5 533kN。以上[P]_min大约分别对应4层、8层、12层、15层、18层、21层住宅设计要求的单桩竖向承载力特征值R_a。也就是说,一般情况下,当桩径为1.0m,基岩上覆土厚度分别为15,20,25,30,35,40m时,分别对应4层、8层、12层、15层、18层、21层以下的住宅可以不考虑基岩临空面稳定性问题。

　　 当设计要求的单桩竖向承载力特征值R_a大于[P]_min时,如R_a计算时已计入桩的侧阻力,则可采用桩侧后注浆,利用后注浆提高的侧阻力来弥补R_a与[P]_min的差值;如R_a计算时未计入桩的侧阻力,则可利用桩的侧阻力或桩侧后注浆后的侧阻力来弥补R_a与[P]_min的差值。因为桩基在竖向荷载作用下,不管计算是否考虑桩侧摩阻力,它都客观存在,且先发挥作用,只有当其达到极限后,桩端阻力才发挥作用。如铜陵长江新村小区,33层,相邻嵌岩桩桩底高差达10～25m(桩距3m左右),基岩上覆土层较厚,达20～30m,上覆土为粉质黏土(地基承载力特征值f_ak=200kPa)和黏土(地基承载力特征值f_ak=280kPa),设计时未计及上覆土层的侧阻力。经专家论证采用桩侧后注浆方法处理,通过计算,桩侧阻力特征值达3 000kN以上,约占设计要求的单桩竖向承载力特征值R_a的一半。该工程已竣工两年多,处理效果很好。

　　 如考虑桩的侧阻力或桩侧后注浆后的侧阻力仍有极少数桩不满足要求,则可根据造价、工期、操作可行性等因素,采取以下方法中的一种或同时采用几种方法处理:

　　 (1)对位于临空面顶的嵌岩桩,采用冲击成孔施工工艺降低桩底标高(由于旋挖桩不能穿越微风化和新鲜基岩,而桩底标高下降较多时就会遇到微风化和新鲜基岩,此时只能采用冲击成孔工艺),使相邻桩底高差不大于桩中心距。这也是很多设计人员解决临空面的方法,一般在图纸中都注明“相邻桩底高差不大于桩中心距”的要求。

　　 这种方法理论可行,但实际操作起来可能难度很大,出现“恶性循环”。例如,相邻两根编号分别为1#,2#的桩,根据第一次超前钻确定的桩底标高,前者桩底标高比后者桩底标高高,且高差大于桩中心距,按照“相邻桩底高差不大于桩中心距”的要求,需降低1#桩的桩底标高,然后按照其新的桩底标高补做超前钻,当发现新的桩底标高以下完整基岩厚度小于3d和5m时,超前钻需继续下钻,直到找到满足要求的基岩作为桩端持力层为止,此时1#桩的桩底标高可能反而比2#桩底标高低了,如果高差大于桩中心距,又要降低2#桩的桩底标高,如此循环往复,桩深不断加深,直到同时满足“相邻桩底高差不大于桩中心距”和桩底以下完整基岩厚度不小于3d和5m为止。这样可能会导致桩很长。这是两根桩的情况,如果涉及三根及以上的桩,将更复杂。例如,铜陵融信海亮·澜山府小区三层幼儿园桩基工程,有两根桩持力层基岩有溶洞,为了同时满足“相邻桩底高差不大于桩中心距”和桩底以下完整基岩厚度不小于3d和5m的要求,最终桩长达35m,且桩身灌注混凝土时超量很多,是桩身混凝土体积的好多倍,不仅造价高,且耽误工期。

　　 (2)对临空面进行施工勘察,减小勘察钻孔间距,查清是否有向临空面倾斜的软弱结构面,如无,则不存在稳定性问题;如有,则查清软弱结构面倾斜角度、软弱结构面摩察系数f、临空面倾斜角度等参数,然后按式(3)求出桩的允许嵌固力[P],当其大于设计需要的单桩竖向承载力特征值R_a时,则基岩稳定性满足。

　　 (3)采用桩筏基础。桩筏基础整体性好、刚度大、调整不均匀沉降能力强,即使个别桩因为临空面或其他原因导致承载力不足,周围其他桩可以分担其部分荷载。近年来,铜陵岩溶地区有地下室的工程采用平板式桩筏基础较多,将桩尽可能布置在剪力墙和柱下方,这样传力直接,不会引起较大的筏板内力。平板筏基厚度:18层住宅一般800～1 000mm,30层左右住宅一般1 000～1 300mm;局部冲切不满足处可适当加大板厚。大部分位置的筏板配筋由水浮力控制,当地下室不是很深,即水浮力不大时,构造配筋(配筋率0.15%)即可。局部由上部荷载控制的配筋较大时,可另行附加钢筋。当然,这种基础形式得以大量采用还有另一个重要原因:开发商经过造价比较发现,采用平板式桩筏基础比采用桩基加防水板做法综合造价稍低。

　　 关于超前钻孔数量,目前国家规范、规程及全国统一措施均未明确,建议参照以下资料执行:1)湖北地基规范第9.3.11条规定:岩溶发育区采用嵌岩桩时,应逐桩进行施工勘察,桩径大于1m的桩或岩石埋深大于40m,当承台下桩数少于9根时,每桩超前钻孔数不得少于2个。2)《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)^[13] “钻芯法”的第7.1.2条第1款:桩径小于1.2m时可为1～2个孔,桩径不小于1.2m时宜为2个孔,桩径大于1.6m时宜为3个孔。

　　 笔者建议:1)岩溶微发育、中等发育场地,桩径小于1.2m时可为1～2个孔,桩径不小于1.2m时宜为2个孔,桩径大于1.6m时宜为3个孔;3)强发育场地,桩径不大于1m时可为1个孔,桩径大于1m时不得少于2个孔,桩径大于1.6m时,宜为3个孔。

　　 一般挖孔桩的超前钻是在挖孔见岩后才钎探的,但对于岩溶强发育场地,宜在开始挖孔前做超前钻。因为勘察报告中的布孔间距较大,勘探孔反映的土(岩)层情况与每个桩的实际情况可能出入较大,以至于按勘察报告确定的挖孔桩,最后由于超深或溶洞太大等原因而无法施工,不得不改为钻孔桩。如果人工挖的孔可以利用的话,影响不大,但如果人工挖的孔无法利用,则应将其重新回填再施工,耽误工期,浪费造价。铜陵地区有好几个工程就出现过这种情况。

　　 桩基施工时,如果基岩面是平的,那么超前钻见岩标高与桩基施工成孔见岩标高应基本一致;如果基岩面是倾斜的,那么超前钻见岩标高应介于成孔时最先见岩标高和最终全截面见岩标高之间,否则,就可能是超前钻孔过于倾斜或标高记录失误所致,应重新补钻,查明原因。对于倾斜岩面,当基岩面很徒时,最终全截面见岩标高可能会比超前钻见岩标高低很多,此时也应重新补钻,如果补钻表明桩端以下完整基岩厚度不小于3d和5m,则满足要求;否则,超前钻应继续下钻,直到找到满足要求的基岩作为持力层。有些甲方担心施工单位为增加工程量而向下加大桩长,明确规定施工单位必须无条件地按超前钻标高施工是错误的。归根结底,桩底标高是以桩端全截面进入基岩深度满足设计要求且桩端以下完整基岩厚度不小于3d和5m为准的。另外,当桩端全截面进入基岩深度满足设计要求后,应停止施工成孔,否则有可能导致桩端以下完整基岩厚度小于3d和5m。当然,这种情况实际上一般仍能满足桩的承载力要求,桩进入基岩深度加大,同时也加大了其与孔壁间的摩擦力,另外桩端也能承担部分荷载;如果清孔做得非常好,桩与混凝土形成整体,桩基承载力更能保证。但由于桩端以下完整基岩厚度小于3d和5m,不满足规范要求,验收很难通过,最终可能要通过专家论证形式解决。

　　 铜陵某小区3栋30多层住宅,在对桩基采用钻心法检测桩身完整性并钻取岩心检测承载力时,发现很多桩端以下完整基岩厚度小于3d和5m(最薄的只有0.6m)。多次论证后决定采取以下措施:先钻5个孔(桩身钻1个孔,紧贴桩周边的土体等间距钻4个孔),利用桩身两个孔(1个孔为钻芯取样孔,另1个孔为后钻的孔)轮流对桩端溶洞进行清孔,泥砂从桩身另1个孔和桩周4个孔中排出,然后对桩端溶洞注浆加固,注浆时要求桩周4孔和桩身另1个孔出现返浆。返浆一可表明溶洞注浆已满,二可对桩侧起到后注浆增加桩侧阻力的作用(当某个孔未出现返浆时,为确保桩侧后注浆增大侧阻力,从该孔上口向下补浆)。达到龄期后,钻取溶洞中注浆体芯样,芯样完整,经试压强度为5～18MPa,经静载荷试验检测,桩基承载力能满足要求;理论计算时考虑桩端基岩扩散角作用,桩基承载力也能满足要求。但该处理造价高(平均1m高溶洞灌浆量约为7m³)、时间长。

　　 (1)绝大多数岩溶对建筑地基影响较大,土洞影响更甚,但经过处理或采取适当基础形式后能作为多层甚至高层的建筑地基。

　　 (2)满足以下条件时可不对岩溶进行处理,直接采用独立基础、条基、筏基、CFG桩复合(刚性桩复合地基)地基+筏基:1)岩溶稳定,岩顶标高总体基本相同(局部可有较大高差),溶洞在平面上分布基本均匀,每个溶洞面积不大;2)岩溶以上覆土承载力较高且厚度不小于地基压缩层,或厚度虽小于地基压缩层厚度,但通过施工勘察已探明溶洞面积较小、岩溶顶板厚度较大,或岩溶顶板厚度虽较小但按重庆地基规范附录C验算后强度及稳定性满足要求。

　　 (3)当岩溶上覆土层厚度较大,但厚薄不均(即基岩顶面总体坡度较大)或承载力较低时,可采用摩擦型灌注桩,桩侧、桩端后注浆,形成整体性好、刚度很大的块体基础,然后再制作筏板承台。

　　 (4)预制桩(管桩)不适合于岩溶地区,灌注桩是岩溶地区较可靠的基础形式。较适合的桩型有挖孔桩、冲击桩和旋挖桩等。

　　 (5)一般情况下,桩全截面嵌岩深度不应小于0.5m,基岩面倾斜度大于30%时不宜小于1倍桩径,当上述要求很难满足时,应采取可靠措施,确保桩基稳定。

　　 (6)嵌岩桩桩端以下3倍直径且不小于5m深度范围内应无土洞、溶洞、破碎带或软弱夹层等不良地质条件,但当桩穿过串珠状溶洞且溶洞顶板为Ι级、Ⅱ级岩体时,要求可适当放松。

　　 (7)不是所有桩端岩体的临空面都影响地基稳定,只有存在向临空面方向倾斜的软弱面时,才有可能出现岩体稳定性不足的问题。此时,可按式(3)或偏于安全地按式(4)进行稳定性验算,如稳定性不足,可采用桩侧后注浆增大侧阻的方法或其他方法处理。

　　 (8)超前钻数量:岩溶微发育、中等发育场地,桩径小于1.2m时可为1或2个孔,桩径不小于1.2m时宜为2个孔,桩径大于1.6m时宜为3个孔;岩溶强发育场地,桩径不大于1m时可为1个孔,桩径大于1m时不得少于2个孔,桩径大于1.6m时,宜为3个孔。

　　 (9)超前钻见岩标高和桩基施工成孔见岩标高不一致时,应重新补钻,查明原因,不得盲目施工。