岩溶地区基础设计的一般原则

方小丹

（华南理工大学建筑设计研究院）

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。本文拟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7～10 m。粉质粘土，粘土层4～7 m。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

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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8～20 m，其中卵石层平均厚3～4 m，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φ800、φ1000、φ1200，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3.2 m，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1 m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8 m到21 m。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φ500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。

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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20-24 t/㎡。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；

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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，加快了形象进度。

例2、肇庆市某办公楼

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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

记得当年施工过程塌陷事故发生后，在关于基础方案的讨论会上，我曾建议取消钻

孔桩基础，而改用天然地基上的浅基础，利用水池的底板做片筏基础。因为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，可惜这意见并未有人重视。

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

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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φ480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

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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、地下水的特征、地下水位的高低、与外部水源的水力联系、地面积水的可能性等；对于单柱轴力较大的大跨度建筑或高层建筑，应一柱一钻孔，必要时加密钻孔或辅以地质雷达等其它手段，力争尽可能详细、准确地了解岩溶、土洞的现状，并对其影响及发展趋势作出判断，在此基础上，对场址地基的稳定性作出评价。

2、如果地基是稳定的或者基本上是稳定的，应首先考虑是否存在做天然地基上浅基础的可能性。此时，尤要注意浅层土洞的危害。浅层土洞指的是存在于建筑物基底附加应力影响范围内的土洞。一般的中低层缩性土层的基底应力影响范围，对于单独基础，厚度约为3～4倍基础宽度；对于条形基础，厚度约为6～7倍基础宽度；对于片筏基础，厚度约为1～2倍基础宽度。由于较难估计建筑物完工后几十年期间周围环境的变化，为稳妥起见，原则上浅层土洞均应作处理。常规的做法是填灌碎石、砂，或压力注水泥砂浆、水泥浆，必要时可先填灌砂或碎石，后注水泥浆。还可采用二次或三次注浆，以求消除水泥浆体收缩导致充填不密实的情况。对于浅层的半填充、无填充溶洞，如果顶板较薄较破碎，也应作充填处理。

天然地基上浅基础的型式可视浅层地基承载力的高低及建筑结构的具体情况，采用柱下单独基础，条型基础或片筏基础，必要时采用整体刚度更大的箱形基础。基础的刚度越大、“跨越”能力越强，即使地基中有个别漏网未处理或处理效果不好的土洞、溶洞，也不致对建筑物的安全造成影响。

还要注意的是，由于基岩面的高低起伏，使得地基压缩层的厚薄变化较大，控制建筑物差异沉降十分重要。设计人除了应具备基础的常规设计知识外，更应有估算地基变形的能力与经验。

3、如果浅部土层不能提供必要的承载力，或者建筑物较不规则，或者相邻柱的轴力相差较大，对控制柱间的差异沉降没有把握，但基岩之上有一定强度和厚度的持力层，则尽量利用之，可考虑采用支承于其上的小桩（相对于直径≥800mm的灌注桩而言）基础。可结合地质条件及建筑物的具体情况，采用预应力管桩、预制方桩、夯扩桩、小直径钻孔桩、旋挖桩等桩型，还可采用刚性桩复合地基或桩筏基础。采用小直径桩的目的在于保证地基基

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础有必要的承载力，控制建筑物的沉降，而不去触动竖硬而又起伏不平、溶洞发育的基岩。

4、当基岩以上没有合适的持力层，建筑物为荷载较大的中高层建筑时，可考虑采用支持于基岩上的桩基础。一般来说，十八层以下的建筑可采用静压预应力管桩或预制方桩，设计单桩承载力取值宜适当降低，宜采用厚壁基桩或适当提高预制方桩的混凝土强度等级和配筋率。虽然可以预计断桩率会较高，但如果在10%以下仍可以接受，因为对比其它桩型，预制管桩还是有性价比较好的优势。通常φ400－95的高强预应力管桩的单桩竖向承载力特征值可取70～100t，φ500-125管桩可取110～150t。当断桩率较高时，可不必要求复压，只要桩端到达岩面即可。如果基岩面石笋、石芽、溶沟、溶槽特别发育，断桩率超过10%，表明采用预制桩已不合适，宜改变桩型。对于十二层以下的建筑，可考虑夯扩桩；对于二十层以上或者柱轴力较大的建筑，则可选择的桩型已不多。在地质条件允许，地下水位低，有可能干作业的情况下，可采用人工挖孔桩，否则就不得不采用钻冲孔混凝土灌注桩了。虽然钻冲孔桩有施工困难、工期长、造价相对较高等缺点，但终究是一种可以满足设计承载力要求的选择。

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