浅析刚性桩复合地基在岩溶地区中的应用

摘要：文章通过笔者的工作实践，简要阐述了复合地基的概念和对岩溶地区工程的有利影响，从中总结了介绍了刚性桩复合地基特点，并针对刚性桩复合地基在岩溶地基处理中的应用进行了分析与研究，提出了设计中应注意问题，以提供设计人员参考。

关键词：刚性桩复合地基；岩溶地基；特点；应用

近年来，随着岩溶地区大量分布于我国各个省分，由于岩溶的发育使岩石中形成了不同程度的孔洞，破坏了岩石的完整性，大幅度地降低了岩体的强度和稳定性，从而影响了建筑物的安全。因此，对于岩溶及其桩基技术的研究，掌握岩溶的形态特征及分布规律，认识不同岩溶的特点，对岩溶地区带来的不利因素采取相应的措施，从中确保地基基础稳定具有重要的意义。

1 复合地基概述

复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体和增强体两部分组成的人工地基。竖向增强体习惯上称为桩，竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基。桩体复合地基根据竖向增强体的性质又可分为三类：散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。

散体材料桩复合地基的桩体是由散体材料组成的，桩身材料没有粘结强度，单独不能形成桩体，只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体。其中，这种地基的承载力主要取决于散体材料内摩擦角和周围地基土体能够提供的桩侧侧限力。散体材料桩复合地基的桩体主要形式有碎石桩、砂桩等。

柔性桩复合地基的桩体刚度较小，但桩体具有一定粘结强度，柔性桩中部分强度较高的桩（如粉喷桩）已较强地表现出桩的性状。柔性桩复合地基的承载力由桩体和桩间同承担。柔性桩复合地基的桩体主要形式有灰土桩、石灰桩、水泥土桩等。

刚性桩复合地基的桩体通常以水泥为主的胶结材料，有时由混凝土或由混凝土和其他掺合料构成，桩身强度较高。为保证桩同作用，通常在桩顶设置一定厚度的褥垫层。刚性桩复合地基较散体材料桩复合地基和柔性桩复合地基具有更高的承载力和压缩模量，而且复合地基承载力也具有较大的调整幅度。

综上，本文主要就刚性桩复合地基在岩溶地区中的应用进行了论述。

2 刚性桩复合地基特点

刚性桩复合地基即是采用刚性桩增强天然地基的部分土体，通过设置于基础和桩之间的褥垫层来使增强体和地基同承担荷载的人工地基。夯扩桩是沉管灌注桩的施工工艺与机械挤扩桩的桩基基础相结合的产物，即用柴油锤等将内外双管打入桩位，采用夯扩的方式将桩端现浇混凝土扩大成大头形的一种桩型。它具有止淤止水，减少缩颈和断桩，工程造价低等优点。

3 刚性桩复合地基在岩溶地区中的应用

3.1工程概况

某变电站配电装置楼地上三层、一层半地下室，楼高18.3m。场地的复杂程度为二级，地基复杂程度为二级，建筑场地类别为二类，建筑物地基基础设计等级为二级。

3.2地质条件

本项目处于批发市场周围，属于山前宽缓冲沟～剥蚀残丘地形地貌，场地范围内未发现活动断裂通过，但中间地段为石灰岩地区，钻探揭示出此地段岩溶较发育。

场内地层中分布的地下水主要为第四系中孔隙潜水及下伏基岩中的裂隙水及岩溶水。孔隙潜水分布于浅部粘性土层中，受大气降水及高处农田地表水体的补给，以蒸发及渗流方式排泄，其水位和水量受季节影响明显，雨季水位埋藏浅，旱季相对稍深。

本场地位于抗震设防烈度6度区，地震动峰值加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别属Ⅱ类，设计特征周期（Tg）为0.35，埋深在20米范围内无饱和粉土及砂土，故可不考虑液化的影响。

3.3 岩土性能

（1）素填土层分布范围广，堆积时间短，未经碾压，松散状，不可作建筑物天然地基持力层。

（2）含碎石粉质粘土层，可塑，中等压缩性，建筑性能较好，全场分布，可作为一般建筑物天然地基持力层。

（3）含碎石粉质粘土层，软塑，中、高压缩性，分布范围较广，力学强度低，埋深一般较大，不宜作天然地基持力层，当以②层土作持力层时，本层为软弱下卧层。

（4）含角砾淤泥质粘土，流塑，高压缩性，力学强度低，分布范围小且厚度不均匀，埋深大，不可作地基持力层，为软弱下卧层。

3.4基础方案选择

由于该覆盖型岩溶区上覆土层具有上硬下软特点，存在的松散软弱土层，承载力低，接近基岩面的土体局部发育成土洞，其稳定性较差，故不宜采用天然地基方案。综合室内和现场试验统计资料，并参考类似工程地质条件的经验数据，对可能采用的地基方案包括刚性桩复合地基地基处理和桩基方案进行分析及比较，选出最可行、最优的基础方案。

（1）刚性桩复合地基方案。刚性桩复合地基法是指采用预制桩、灌注桩等刚性桩作为地基竖向增强体而形成的由地基土和增强体共同承担荷载，并在增强体顶部设置褥垫层形成刚性桩复合地基的地基处理方法。复合地基基础型式建议采用柱下条形基础或片筏基础，视建筑物的荷重、溶洞及土洞的发育程度及建筑物对沉降的敏感度而定。地基土持力层选用②含碎石粉质粘土。褥垫层材料采用粗砂、中砂、级配砂石，最大粒径不宜大于20mm，厚度一般取100～300mm，当桩径大，桩距大时褥垫层厚度宜取高值。

该方案具有桩身强度均匀，桩与上部基础协同作用，有效避免了溶洞及土洞对基础的沉降及稳定性的不利影响，施工速度快，不受场地的影响，造价低，无污染等特点。

（2）高压旋喷注浆法地基处理方案。根据场地地基土工程地质条件和拟建物的荷载要求，亦可采用高压旋喷注浆法对松软土、土洞等进行处理。建议复合基础持力层选用地基处理后②、③联合持力层，并应尽量采用宽基浅埋基础方案。在基础结构措施中，应选用有利于与上部结构共同工作，并可适应小范围塌落变位、整体性好的基础形式，如配筋的十字交叉条形基础、筏形基础等，同时采取必要的结构加强措施。

该方案可以增强软土层的强度，但由于该方案施工工艺相对复杂，注浆量不易控制，质量控制受施工工艺、施工人员素质差异影响较大，且施工工期较长。

（3）桩基础方案。当采用桩基时，冲（钻）钻孔灌注桩，桩径可依据具体建筑物的柱下荷载大小确定，桩端全断面进入持力层深度不小于0.5m，且桩端下3D范围内无软弱层（溶洞）。并应符合下列要求：1）桩以下相当桩径的3倍范围内，无倾斜或水平状岩溶洞隙的浅层洞隙，可按冲剪条件验算顶板稳定；2）桩底应力扩散范围内，无临空面或倾向临空面的不利角度的裂隙面可按滑移条件验算其稳定。

由于该场地溶洞、溶沟较发育，且相当部分地段溶洞层层相叠，采用冲钻孔灌注桩，需采取全孔套管钻进，基岩层钻进进尺较慢，部分地段需进入二十几米方可到达稳定基岩层，故施工难度较大，工期较长；另外，该方案并不能消除土洞的不利影响（如地面坍塌），不能控制土洞的发育发展，尚须结合地基处理，故也是不够经济的。

根据上述三个地基基础方案的分析及比较，从安全、经济、施工工期等因素考虑，选用刚性桩复合地基是最佳方案。

3.5 设计方案

管桩基础安全等级为二级，柱下单桩的重要性系数取1.1。

（1）本工程采用刚性桩复合地基。刚性桩采用静压预应力混凝土管桩（PHC）管径选用500mm，桩长4～28m，分二节，桩尖持力层选用⑥-2中风化灰岩层，要求桩端全断面进入持力层0.5m，总桩根数554根。

（2）复合基础持力层选用②含碎石粉质粘土层，并在基础底面与桩顶之间设置掺砂30%的碎石垫层，每边比基础宽出200mm。

（3）本场地基岩面以上土层以可塑～流塑的含碎石粉质粘土为主，碎石含量约为10%～20%之间，对压桩的影响不大，但局部地段⑤砂岩残积粘性土夹有全～强风化砂岩残留体，其强度较大，对沉桩有一定的影响，对这些地段以压桩力值控制为主，设计时根据岩土层的桩端承载力大小及相关规范确定施工压桩力为1500kN。

4 结论

总之，随着岩溶地区在建筑项目建设中的频繁出现，岩溶地基问题就成为工程建设中的突出问题，地基处理必须慎之又慎。同时，在充分了解项目的地质资料情况下，通过地基稳定性分析评价，对比选出合理的地基方案。其中应特别注意以下几点：

（1）在考虑整体支承上部荷载的方案时，应重点处理顶板很薄的溶洞；

（2）溶洞、土洞的地下水具有流动性，在选用地基方案时，就特别注意水泥浆可能被稀释或带走，影响构件的形成或削弱构件的强度；

（3）溶洞、土洞的空隙填充均匀、密实，有一定的难度，施工队伍的选择就显得尤为重要。

参考文献：

[1]《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2002）

[2] 杨光华.刚性桩复合地基优化设计[J].岩石力学与工程学报，2011（04）