CN115032713A - 一种基于综合物探的岩溶区基础设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩溶空间探测技术领域，具体公开了一种基于综合物探的岩溶区基础设计方法及系统，其中方法包括采用高密度电阻率法、微动探测法和弹性波CT法相结合的综合物探方法对岩溶区进行探测得到岩溶发育区的位置分布规律；基坑开挖后，采用基底下铺设褥垫层的措施以调整不均匀沉降；在单柱荷载最大的位置采用桩基础，建筑物基础采用桩基础和筏板基础的组合基础形式。采用综合物探方法，不仅能够快速圈定溶洞的发育地段，而且能够较准确定位溶洞的大小和规模，可为岩溶区基础设计和地基处理提供有价值的参考。基于综合勘探成果，有针对性的进行岩溶地基处理，不仅能够有效的解决岩溶工程问题，而且能够节省大量的工期和成本。

Description

一种基于综合物探的岩溶区基础设计方法及系统

技术领域

本发明属于岩溶空间探测技术领域，特别是关于一种基于综合物探的岩溶区基础设计方法及系统。

背景技术

岩溶是一种特殊的不良地质作用，我国的岩溶区分布十分广泛。传统处理溶洞的方法，通常采用灌水泥浆、混凝土或其他废渣来充填溶洞，或者采用桩基穿过溶洞的方法以加固地基。可是当需要处理的溶洞较深、范围较大时，若继续采用材料充填的方法，则会出现耗材严重、不经济的现象，因此该方法不再适用。传统采用桩基通过时，桩孔成型过程中易造成漏浆、缩颈和塌孔，并且灌注混凝土时，容易造成混凝土超灌量、充盈系数高，并且桩基底部缺乏稳固的墩台。

此外，岩溶空腔走向复杂，在采用桩板结构跨越溶腔时，桩基础很难避免不穿越溶腔。在桩基础位于溶腔内、溶腔较大时，后期运营过程现有桩板结构裸露的桩基础很容易被溶腔顶部塌落的岩块撞击，形成病害，这些病害严重影响了铁路的正常运营并大大增加了路基的运营养护支出。

综上所述，在岩溶探测不够精确的情况下，无论是过度采用灌水泥浆、混凝土或其他废渣来充填溶洞，或者采用桩基穿过溶洞的方法以加固地基，都无法达到精确且资源节约的满足地基支撑作用，传统粗狂方式不仅耗时耗力经济成本高，且整体的支撑效果也不稳定，不利于高大建筑的搭建，安全隐患高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于综合物探的岩溶区基础设计方法及系统，其能够解决在岩溶发育和溶洞地下构造情况十分复杂情况下，如何针对性设计基础以提高稳定性节约成本的技术难题。

本发明提供了一种基于综合物探的岩溶区基础设计方法，包括以下步骤：

S1，采用高密度电阻率法、微动探测法和弹性波CT法相结合的综合物探方法对岩溶区进行探测得到岩溶发育区的位置分布规律；

S2，基坑开挖后，采用基底下铺设褥垫层的措施以调整不均匀沉降；

S3，在单柱荷载最大的位置采用桩基础，建筑物基础采用桩基础和筏板基础的组合基础形式。

优选地，所述S1具体包括：

S101，采用高密度电阻率法对目标区域进行整体探测，以圈定岩溶发育区；

S102，通过微动探测法对岩溶发育区进行局部探测，以获取岩溶发育范围、初步规模及基岩面起伏形态，得到局部岩溶发育区；

S103，采用弹性波CT法对局部岩溶发育区进行最终定位，得到岩溶的精确位置、精确规模及埋深。

优选地，所述S3具体包括：

地下室及4层建筑采用板式筏基础，7层及9层建筑采用桩基础；

筏板基础以地下室地面标高处的粉质黏土层、粉砂层、残积粉质黏土层为持力层，桩基础以微风化大理岩为基础持力层；

抗浮措施结合基础形式采用抗浮桩或抗拔锚杆。

优选地，所述S3具体包括：在纯地下室和4层建筑部位设计为筏板基础；筏板基础采用HRB400级φ25钢筋双层双向配筋以满足承载力要求。

优选地，所述筏板基础处岩溶上覆土层厚度不小于筏板基础地基的压缩层厚度。

优选地，所述S3具体包括：

当桩端正下方3倍桩径小于5m范围内存在溶洞时，桩基础穿透溶洞以达到完整的持力层；

当土洞或溶洞埋深不大于2.5m时，采用换填或下放钢护筒的方法，换填时开挖坡比不大于1:1或实际稳定坡度；下放钢护筒时，其高度不低于溶洞洞顶标高1.5m；

当土洞或溶洞埋深大于2.5m但小于6m时，采取回填片石、黏土并配合冲孔机小冲程冲打措施处理；

当土洞或溶洞埋深大于6m时，采取灌注水泥浆或填充C20混凝土进行处理；待水泥浆或混凝土强度达到设计强度的50％后，进行二次旋挖成孔，采用跳打法施工。

优选地，所述S3具体包括：当桩端侧下方3倍桩径小于5m范围内存在溶洞时；

若对于7层和9层建筑的落地剪力墙或柱下的桩基础，采用高压注浆的方式对溶洞进行填充处理，或者桩端延长到溶洞底部以下；

若对于裙楼和纯地下室柱下桩基，顶板厚度大于5m时不处理溶洞。

优选地，所述S3具体包括：当成桩后桩端持力层检测不满足要求时，采用“高压注浆置换溶洞充填物”方法处理，具体如下：

首先对桩端下溶洞范围内的充填物进行全面的高压冲洗清孔，将黏土和细砂从钻孔中冲冒出地面，将剩下的中、粗砂和碎石作为注浆体的骨料；

然后向空洞内高压注入水泥浆，形成补强体。

优选地，所述S3具体包括：

当筏板基础下5m范围内有溶洞时，进行换填处理或采用C35混凝土填充处理；

当筏板基础下溶洞深度超过5m时，若溶洞规模小于一定阈值，对溶洞平面分布范围内的筏板基础上增设加固钢筋；

若溶洞规模大于一定阈值时，可采用钢筋混凝土梁、板、拱等结构形式进行跨越处理；采用跨越梁时，确保梁端支撑在持力层上的长度不小于梁高的1.5倍。

本发明还提供了一种基于综合物探的岩溶区基础设计系统，所述系统用于实现基于综合物探的岩溶区基础设计方法，具体包括：

综合物探模块，用于采用高密度电阻率法、微动探测法和弹性波CT法相结合的综合物探方法对岩溶区进行探测得到岩溶发育区的位置分布规律；

基坑开挖模块，用于基坑开挖后，采用基底下铺设褥垫层的措施以调整不均匀沉降；

桩基模块，用于在单柱荷载最大的位置采用桩基础，建筑物基础采用桩基础和筏板基础的组合基础形式。

与现有技术相比，根据本发明的一种基于综合物探的岩溶区基础设计方法及系统，其中方法包括：采用高密度电阻率法、微动探测法和弹性波CT法相结合的综合物探方法对岩溶区进行探测得到岩溶发育区的位置分布规律；基坑开挖后，采用基底下铺设褥垫层的措施以调整不均匀沉降；在单柱荷载最大的位置采用桩基础，建筑物基础采用桩基础和筏板基础的组合基础形式。采用高密度电阻率法、微动探测法和弹性波CT法相结合的综合物探方法，不仅能够快速圈定溶洞的发育地段，而且能够较准确定位溶洞的大小和规模，可为岩溶区基础设计和地基处理提供有价值的参考。基于综合勘探成果，有针对性的进行岩溶地基处理，不仅能够有效的解决岩溶工程问题，而且能够节省大量的工期和成本。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于综合物探的岩溶空间探测方法流程图；

图2为本发明提供的一种基于综合物探的岩溶空间探测方法的基础平面布置。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1至图2所示，根据本发明优选实施方式的一种基于综合物探的岩溶区基础设计方法，包括：S1，采用高密度电阻率法、微动探测法和弹性波CT法相结合的综合物探方法对岩溶区进行探测得到岩溶发育区的位置分布规律；

S2，基坑开挖后，采用基底下铺设褥垫层的措施以调整不均匀沉降；

S3，在单柱荷载最大的位置采用桩基础，建筑物基础采用桩基础和筏板基础的组合基础形式。

基于综合勘探成果，有针对性的进行岩溶地基处理，不仅能够有效的解决岩溶工程问题，而且能够节省大量的工期和成本。

该方案是针对场地地质条件复杂，岩面埋深起伏大，岩溶强烈发育，而地勘报告无法准确反映溶洞的空间形态和分布的情况。基坑开挖后，微风化大理岩埋深较浅，岩层坚硬且较厚不易穿透，因而不适宜采用预应力管桩。冲(钻)孔桩虽然穿透能力强，能够使桩端较顺利地达到持力层设计标高，但是其施工速度较慢，且桩端持力层岩性判别难度大，成桩质量不易控制。因此，鉴于本工程项目工期紧、环保要求高，不宜采用冲(钻)孔成桩工艺。考虑到旋挖桩施工速度快，成桩单桩承载力大，可满足设计承载力要求等优势，结合本场地工程地质条件和项目需求，优先采用旋挖桩。

进一步的方案，步骤S1具体包括：

S101，采用高密度电阻率法对目标区域进行整体探测，以圈定岩溶发育区。

S102，通过微动探测法对岩溶发育区进行局部探测，以获取岩溶发育范围、初步规模及基岩面起伏形态，得到局部岩溶发育区；具体地，在圈定的岩溶发育区内布置微动测线2条，每条测线长度32m，点距4m，共计测点数18点，且采样间隔为1280μs，滤波方式为带通滤波。

S103，采用弹性波CT法对局部岩溶发育区进行最终定位，得到岩溶的精确位置、精确规模及埋深。

在一个具体的实施场景中，根据综合勘察结果，场地基坑开挖后基底标高约为30.75m，基底主要地层为主要揭露粉质黏土层、粉砂层、残积粉质黏土层、局部为溶槽堆积含角砾粉质黏土层。拟建工程的建筑楼层数为4～9层，按每层楼面荷载20kN/m²考虑，建筑均布荷载及基底岩土层承载力如表1所示。

表1建筑荷载和岩土层承载力

由表1结果可知，拟建建筑在基底标高处的均布荷载均小于其基底处岩土层的承载力修正值。因此，在考虑均布荷载的前提下可采用天然地基。考虑到各岩土层的承载力相差较大，属不均匀地基，因而需采用基底下铺设褥垫层的措施调整不均匀沉降。此外，场地建筑物的局部位置结构梁跨度大，最大单柱荷载10000～15000kN，对于单柱荷载大的位置采用桩基础，以满足承载力要求。

综上所述，根据本工程项目的建筑荷载特点，建筑物基础采用桩基和筏板的组合基础形式。地下室及4层建筑采用板式筏基础，7层及9层建筑采用桩基础。筏板基础以地下室地面标高处的粉质黏土层、粉砂层，残积粉质黏土层为持力层，桩基础以微风化大理岩为基础持力层。抗浮措施结合基础形式采用抗浮桩或抗拔锚杆。基础平面布置如图2所示。

优选的方案，采用桩基础时，根据《建筑地基基础设计规范》(DBJ 15-31-2016)及相关规范计算桩基承载能力。结合类似场地经验，各岩土层的桩侧土摩阻力特征值q_sa及桩端土承载力特征值q_pa参考表2。微风化桩端岩层的天然湿度单轴抗压强度分别为f_rp＝45MPa，桩端嵌入该岩层深度为0.5～1m。当桩侧存在土洞或溶洞时，不计入桩侧摩阻力。根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)第8.5.6条第6款规定，嵌岩灌注桩桩端以下3d且不小于5m范围内应无软弱夹层、断裂破碎带和洞穴分布，且在桩底应力扩散范围内应无岩体临空面。当岩体中有倾向临空面的软弱结构面时，应验算地基滑移稳定性，当相邻基础高差大于等于5m时，宜将相邻基础高差调为相近。

表2桩基础力学参数建议值(冲、挖孔桩，桩长≥15m)

优选的方案，在纯地下室和4层建筑部位设计为筏板基础，筏板基础处的下伏岩层整体起伏不大，溶洞平面呈点状分布，且溶洞面积不大。经计算，筏板基础厚度设计为800mm，采用HRB400级φ25钢筋双层双向配筋可满足承载力要求。在抗浮设计时，由于筏板基础局部存在覆盖层厚度差异较大的问题，部分抗浮桩需入岩才能保证抗拔承载力，可能导致基础刚度差异。因此，根据实际情况可采用加大局部筏板厚度的方法进行抗浮设计。

此外，为了减小附加荷载对岩溶稳定性的影响，筏板基础处岩溶上覆土层厚度不宜小于筏板基础地基的压缩层厚度。筏板基础地基的压缩层厚度Z_n可按《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》(JGJ 6—2011)第5.4.4条计算。当岩溶上覆土层厚度小于压缩层厚度时，应结合岩溶发育状态、溶洞形状、岩溶地下水活动和洞内充填情况等因素分析地基的稳定性。

优选的方案，当桩位遇岩溶发育时，成桩过程中易造成泥浆流失和孔内水位骤降，导致塌孔而引发地面塌陷。另外，桩端持力层范围内存在溶洞时，将大幅度降低桩基础的承载能力和稳定性，易导致桩基失稳。因此，工程桩施工时需对岩溶地基进行处理，以确保工程质量和安全。根据综合物探结果，在探明岩溶发育规律和溶洞与桩基空间位置关系的基础上，有针对性的采取以下处理方法：

(1)当桩端正下方3倍桩径小于5m范围内存在溶洞时，应穿透溶洞以达到完整的持力层。当土洞或溶洞埋深不大于2.5m时，可采用换填或下放钢护筒的方法。换填时开挖坡比不大于1:1或实际稳定坡度。下放钢护筒时，其高度不低于溶洞洞顶标高1.5m。当土洞或溶洞埋深大于2.5m但小于6m时，可采取回填片石、黏土并配合冲孔机小冲程冲打措施处理，当土洞或溶洞埋深大于6m时，可采取灌注水泥浆或填充C20混凝土进行处理。待水泥浆或混凝土强度达到设计强度的50％后，进行二次旋挖成孔，采用跳打法施工。

(2)当桩端侧下方3倍桩径小于5m范围内存在溶洞时，需考虑工程桩的应力扩散对溶洞稳定性的影响。对于7层和9层建筑的落地剪力墙或柱下的桩，可采用高压注浆的方式对溶洞进行填充处理，或者桩端延长到溶洞底部以下。对于裙楼和纯地下室柱下桩基，顶板厚度大于5m时可不处理溶洞。

(3)当成桩后桩端持力层检测不满足要求时，可采用“高压注浆置换溶洞充填物”方法处理。该方法首先对桩端下溶洞范围内的充填物进行全面的高压冲洗清孔，将黏土和细砂从钻孔中冲冒出地面，将剩下的中、粗砂和碎石作为注浆体的骨料，随后向“空洞”内高压注入水泥浆，形成具有足够强度的补强体。

(4)当上述情况不能避免时，可采用跨越方式处理。在需加固的桩基两侧增设两根工程桩，采用托换梁进行结构托换与支承。

当筏板基础下5m范围内有溶洞时，可进行换填处理或采用C35混凝土填充处理。当筏板基础下溶洞深度超过5m时，若溶洞规模较小，可不考虑溶洞的影响，但应对溶洞平面分布范围内的筏板基础上增设加固钢筋。若溶洞规模较大，可采用钢筋混凝土梁、板、拱等结构形式进行跨越处理。采用跨越梁时，应确保梁端支撑在持力层上的长度不小于梁高的1.5倍。

本发明实施例还提供了一种基于综合物探的岩溶区基础设计系统，所述系统用于实现基于综合物探的岩溶区基础设计方法，具体包括：

综合物探模块，用于采用高密度电阻率法、微动探测法和弹性波CT法相结合的综合物探方法对岩溶区进行探测得到岩溶发育区的位置分布规律；

基坑开挖模块，用于基坑开挖后，采用基底下铺设褥垫层的措施以调整不均匀沉降；

桩基模块，用于在单柱荷载最大的位置采用桩基础，建筑物基础采用桩基础和筏板基础的组合基础形式。

有益效果：

(1)采用高密度电阻率法、微动探测法和弹性波CT法相结合的综合物探方法，不仅能够快速圈定溶洞的发育地段，而且能够较准确定位溶洞的大小和规模，可为岩溶区基础设计和地基处理提供有价值的参考。

(2)桩筏基础具有刚度大、整体性好、调整不均匀沉降能力强等鲜明优点，能够较好的适用于覆盖型岩溶区工程。

(3)基于综合勘探成果，有针对性的进行岩溶地基处理，不仅能够有效的解决岩溶工程问题，而且能够节省大量的工期和成本。

(4)本文基于综合物探提出了精细化的基础设计和地基处理方法，在工程实践中取得了良好的应用效果，可为类似工程提供经验参考和借鉴。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种基于综合物探的岩溶区基础设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，采用高密度电阻率法、微动探测法和弹性波CT法相结合的综合物探方法对岩溶区进行探测得到岩溶发育区的位置分布规律；

S2，基坑开挖后，采用基底下铺设褥垫层的措施以调整不均匀沉降；

S3，在单柱荷载最大的位置采用桩基础，建筑物基础采用桩基础和筏板基础的组合基础形式。

2.根据权利要求1所述的基于综合物探的岩溶区基础设计方法，其特征在于，所述S1具体包括：

S101，采用高密度电阻率法对目标区域进行整体探测，以圈定岩溶发育区；

S102，通过微动探测法对岩溶发育区进行局部探测，以获取岩溶发育范围、初步规模及基岩面起伏形态，得到局部岩溶发育区；

S103，采用弹性波CT法对局部岩溶发育区进行最终定位，得到岩溶的精确位置、精确规模及埋深。

3.根据权利要求1所述的基于综合物探的岩溶区基础设计方法，其特征在于，所述S3具体包括：

地下室及4层建筑采用板式筏基础，7层及9层建筑采用桩基础；

筏板基础以地下室地面标高处的粉质黏土层、粉砂层、残积粉质黏土层为持力层，桩基础以微风化大理岩为基础持力层；

抗浮措施结合基础形式采用抗浮桩或抗拔锚杆。

4.根据权利要求3所述的基于综合物探的岩溶区基础设计方法，其特征在于，所述S3具体包括：在纯地下室和4层建筑部位设计为筏板基础；筏板基础采用HRB400级φ25钢筋双层双向配筋以满足承载力要求。

5.根据权利要求1所述的基于综合物探的岩溶区基础设计方法，其特征在于，所述筏板基础处岩溶上覆土层厚度不小于筏板基础地基的压缩层厚度。

6.根据权利要求1所述的基于综合物探的岩溶区基础设计方法，其特征在于，所述S3具体包括：

当桩端正下方3倍桩径小于5m范围内存在溶洞时，桩基础穿透溶洞以达到完整的持力层；

当土洞或溶洞埋深不大于2.5m时，采用换填或下放钢护筒的方法，换填时开挖坡比不大于1:1或实际稳定坡度；下放钢护筒时，其高度不低于溶洞洞顶标高1.5m；

当土洞或溶洞埋深大于2.5m但小于6m时，采取回填片石、黏土并配合冲孔机小冲程冲打措施处理；

当土洞或溶洞埋深大于6m时，采取灌注水泥浆或填充C20混凝土进行处理；待水泥浆或混凝土强度达到设计强度的50％后，进行二次旋挖成孔，采用跳打法施工。

7.根据权利要求1所述的基于综合物探的岩溶区基础设计方法，其特征在于，所述S3具体包括：当桩端侧下方3倍桩径小于5m范围内存在溶洞时；

若对于7层和9层建筑的落地剪力墙或柱下的桩基础，采用高压注浆的方式对溶洞进行填充处理，或者桩端延长到溶洞底部以下；

若对于裙楼和纯地下室柱下桩基，顶板厚度大于5m时不处理溶洞。

8.根据权利要求1所述的基于综合物探的岩溶区基础设计方法，其特征在于，所述S3具体包括：当成桩后桩端持力层检测不满足要求时，采用“高压注浆置换溶洞充填物”方法处理，具体如下：

首先对桩端下溶洞范围内的充填物进行全面的高压冲洗清孔，将黏土和细砂从钻孔中冲冒出地面，将剩下的中、粗砂和碎石作为注浆体的骨料；

然后向空洞内高压注入水泥浆，形成补强体。

9.根据权利要求1所述的基于综合物探的岩溶区基础设计方法，其特征在于，所述S3具体包括：

当筏板基础下5m范围内有溶洞时，进行换填处理或采用C35混凝土填充处理；

当筏板基础下溶洞深度超过5m时，若溶洞规模小于一定阈值，对溶洞平面分布范围内的筏板基础上增设加固钢筋；

若溶洞规模大于一定阈值时，可采用钢筋混凝土梁、板、拱等结构形式进行跨越处理；采用跨越梁时，确保梁端支撑在持力层上的长度不小于梁高的1.5倍。

10.一种基于综合物探的岩溶区基础设计系统，其特征在于，所述系统用于实现如权利要求1-9任一项所述的基于综合物探的岩溶区基础设计方法，具体包括：

综合物探模块，用于采用高密度电阻率法、微动探测法和弹性波CT法相结合的综合物探方法对岩溶区进行探测得到岩溶发育区的位置分布规律；

基坑开挖模块，用于基坑开挖后，采用基底下铺设褥垫层的措施以调整不均匀沉降；

桩基模块，用于在单柱荷载最大的位置采用桩基础，建筑物基础采用桩基础和筏板基础的组合基础形式。

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