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岩溶地基与桩筏基础共同作用研究

摘要：本文介绍了岩溶的产生及类型，岩溶地基对建设工程的影响；对目前考虑上部结构、桩筏基础与岩溶共同作用的研究现状进行了分析和总结，提出了一些研究和工程设计中有待进一步考虑的问题。
关键词：岩溶地基；桩筏基础；共同作用
0引言
岩溶，在我国的一些地区是一种很普遍的地质灾害，主要分布在广西、广东、云南、贵州、江西、山东等省份。在岩溶地基上，如果溶洞洞口较大，当洞口周围有较好的支撑条件，一般首先考虑的基础形式为跨越式的钢筋混凝土筏板基础；如果在岩溶地基上有深厚软土，沉降变形成为控制基础最终设计的决定性因素。桩筏基础不仅可以有效地控制不均匀沉降，而且桩为溶洞上方跨越式筏板提供稳定支撑，因此，桩筏基础在具有软土、溶洞洞口大的岩溶地基上较适用。传统的桩筏基础设计理论认为：筏板不承受荷载，上部结构荷载全部由桩承担，群桩中各桩平均分担荷载，桩基总承载力等于各单桩承载力之和。这种理论没有考虑到筏板基础底面土体对荷载的分担作用，不符合实际情况，因而在设计中过于保守，造成经济浪费。采用共同作用的分析方法，对上部结构的设计，可以考虑常规设计中无法考虑的由于基础不均匀沉降在上部结构中引起的次应力，对于结构的安全设计、预防建筑事故的发生有着重要的意义；对基础的设计，由于共同作用整体分析理论充分考虑了上部结构刚度对基础的贡献，为最大限度地减少基础尺寸提供了理论依据，充分合理地利用地基土的承载力，从而增大桩距、减少桩数，综合考虑各方面的因素，采用最优的布桩方式。
1岩溶地基及对建筑工程的影响
岩溶是可溶性岩石（碳酸盐类、硫酸盐类、卤盐类岩石）在水的侵蚀作用下，产生各种地质作用、形态和现象的总称。近些年，越来越多的科技工作者对岩溶发育的条件、成因、机制、类型、工程影响、岩溶地形地貌、岩溶塌陷、稳定性评价等方面进行了研究，并且取得了许多成就。岩溶发育的基本条件：1)具有可溶性岩层，2)具有溶蚀能力和流量足够的水，3)地下水有下渗、流动的途径。岩溶的主要形态有溶洞、溶沟、溶槽、裂隙、暗河、石芽、漏斗及钟乳石等，在工程中研究比较多的是溶洞，一般所说的溶洞指的是石灰岩在地下水的长期溶蚀作用形成的。石灰岩的主要成分是碳酸钙，在有水和二氧化碳时发生化学反应生成碳酸氢钙，后者可溶于水，于是有空洞形成并逐步扩大。
作为一种特殊的地质条件，岩溶对工程建设带来了不良影响主要有：（1）岩溶岩面起伏，导致其上覆土质地基压缩变形不均；（2）岩体洞穴顶板变形造成地基失稳，尤其是一些浅埋、扁平状、跨度大的洞体，其顶板岩体受数组结构面切割，在自然或人为作用下，有可能塌落造成地基的局部破坏；（3）岩溶水的动态变化给施工和建筑物使用造成不良影响。（4）溶洞坍落形成地表塌陷，溶洞形成后可保持相对稳定，若外界条件改变，可逐渐塌落，最后波及地表形成地表塌陷或地面变形。对岩溶地基稳定性评价，考虑合适的地基处理办法是要解决的首要问题。目前，评价岩溶地基稳定性和岩溶地基处理的方法多是定性的、经验性的。岩溶地基稳定性评价多是采用《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)和《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)中的有关定性评价，即使是定量评价也大多参考《工程地质手册》中所推荐的计算方法。[1][2]
由于没有权威性的计算评价方法，分析溶洞及土洞对建筑地基所产生影响，结果往往与实际不相符合，不适合作为地基处理和基础设计的依据。因此，有些工程技术人员，只要是在工程地质勘察中发现地基中存在溶洞或土洞，即采取地基处理措施，人为地加大安全措施，不可避免地会造成浪费。
目前在岩溶地区进行工程建设，无论是对建筑地基的勘察，还是基础设计和施工，其经验方法手段多于理论方法手段、定性分析评价多于定量分析评价。岩溶地基分析评价过程的一般步骤为：实际洞体→几何模型→力学模型→数学模型→计算方法→结论，其核心内容是力学模型、数学模型及计算方法的研究。随着科技的发展和计算方法的改进，岩溶地基研究的发展趋势必将是由定性到定量,由平面到三维的过程。所以今后关于岩溶地基方面的研究方向不仅仅是计算模型与计算方法的研究，溶洞勘探方面要解决钻探与物探如何更好地结合的问题。可以考虑将部分钻探孔加深兼作跨孔电磁波CT扫描成像技术孔，提高物探解析的准确度及精度，对土洞、溶洞的形态，形成由线到面再进入三维的立体映像，辅以岩层的产状、夹层的岩性等，以提供给设计人员一个明晰的认识。
2桩筏基础共同作用研究现状
随着经济与技术的发展，高层建筑日益增多，桩基成为更加普遍的基础形式。桩筏基础受力明确，既能充分发挥桩的潜力，同时又能充分利用地基土自身的承载力，作为高层建筑的重要基础形式被广泛采用。随着共同作用理论的发展，以及计算机的普及和性能的不断提高，人们对桩筏基础有了较多认识。但是由于桩筏基础是一个十分复杂的系统，其研究涉及众多因素，有必要进一步认识上部结构、桩筏基础与地基土的共同作用机制。近些年来，关于高层建筑的上部结构-基础-地基共同作用的研究取得很大进展。国外，80年代H.G.Poulos[3]利用Mindlin公式提出桩与地基土共同作用的弹性理论法，推动了桩土与上部结构、基础之间共同作用的深入研究。90年代，Ottaviani和Kuwabara分别运用有限元和边界元分析了弹性地基中刚性承台下的群桩，但由于计算量较大，很少用于实际工程的分析;Muki和Stemberg提出一个较严格的数学模型，用于求解弹性介质中弹性杆的轴向荷载传递问题，求解时将该体系分解为扩展半无限弹性体系和虚拟杆的叠加，以虚拟杆的轴力为基本未知量，根据应变协调条件建立第二类Fredholm积分方程进行求解。国内，杨敏等[5]宰金琅[6]别基于Geddes应力解和广义剪切位移法分析了极限荷载作用下桩筏基础的沉降特性，但他们在分析中都没有考虑桩土分离后桩位置留下的孔洞，在理论上还不够严密；1989年赵锡宏等著的《上海高层建筑桩筏与桩箱基础设计理论》[7],反映了80年代后期共同作用的理论和实践成果，该书与此后出版的宰金珉等著的《高层建筑基础分析与设计》[8]以及董建国等著的《高层建筑地基基础》对推广共同作用理论在设计中的应用有着巨大的作用。今后对桩筏基础桩土共同作用研究的方向为采用优化理论进行分析，将承载力设计控制与沉降设计控制相结合；将设计中必须考虑的各种因素以约束的方式量化表示，建立假设-分析-最优设计的过程；将设计所追求的目标与应满足的各种条件用数学规划和工程经验有机地联系起来。
3岩溶地基与桩筏基础共同作用
实际建筑物都是由上部结构、基础和地基三者组成的完整系统，上部结构、基础和地基之间是共同作用的。在这个完整的系统之中，桩筏基础的受力和变形受着上部结构和地基的制约，因此，必须进行上部结构、桩筏基础和地基的共同作用分析。《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)中也指出，对于软弱地基，设计时应考虑上部结构与地基的共同作用；对于以控制沉降为目的的桩基，应采用上部结构与地基共同作用的分析方法。由于桩筏基础是一个复杂的系统，其研究的对象包括基础的沉降、筏板的内力、桩顶的荷载分布，桩土分担荷载比等内容，涉及因素有上部结构的型式和荷载大小、桩筏基础的型式和几何参数(平面形状和尺寸大小)、地基土的性质和分布以及建筑物所使用的材料性质等等，分析起来非常困难，致使目前已有的研究成果与实际的需要还存在着一些差距。
对上部结构与桩筏基础共同作用分析主要体现在上部结构刚度对基础内力和变形的影响。从共同作用分析方法可知，增加上部结构的刚度会减小基础的相对挠曲和内力，但同时上部结构自身内力（次应力）增大，上部结构刚度对基础的贡献随其层数的增加而衰减。任何建筑物都是介于绝对刚性与绝对柔性之间，在常规设计中，通常把剪力墙、核心筒结构的建筑定性地当作刚性结构，而把排架结构建筑当作柔性结构，这种定性的估计没有合理地考虑到上部结构刚度对基础的影响。就桩筏基础而言，随着上部结构刚度的增加，地基差异沉降减小，其自身次应力增大，桩顶荷载向边桩集中，设计时应边桩和角桩粗，中桩细。
对岩溶地基与桩筏基础共同作用分析主要体现桩-筏板荷载分担比上。在筏板跨越溶洞的情况下，根据分析筏板承担荷载产生基底附加应力情况，再考虑溶洞顶板覆土层土体的自重应力来评价溶洞顶板的稳定性。如果溶洞顶板稳定性不能满足，则需要对岩溶地基进行合理的处理。在有溶洞的地基按常规的桩筏基础设计，由于不考虑筏板承担的上部结构荷载，只需根据溶洞顶板覆土层自重应力来评价溶洞顶板的稳定性，这显然与实际情况不相符合，评价结果偏于不安全。对于桩穿越溶洞的情况，分析桩的摩擦力损失，得出更准确的桩-筏板荷载分担比，采用经济合理的筏板厚度、桩数、布桩方式。在传统的桩筏基础设计理论中，认为所有的上部结构荷载均由桩承担，筏板不承担上部结构的荷载。但随着理论研究的不断深入和实践经验的不断丰富，特别是从现场实测情况和模型试验的结果来看，绝大多数情况下筏板下的土体都或多或少地承受着上部结构的荷载。大量工程观测表明，建筑物群桩基础筏板不同程度地起到分担荷载的作用。例如，武汉某22层框剪结构桩箱基础，筏板底地基土为粉土、粉质粘土，筏板分担荷载约16%(何颐华等，1987)；上海有5栋12层到32层不同结构类型的高层建筑桩基为常规桩距3d-4d,筏板底为淤泥质亚粘、亚砂或粉砂，筏板分担荷载比为10%-28%(赵锡宏等，1989)；软土地区上海某25层框筒结构桩箱基础，筏板底为淤泥质亚粘土，筏板分担荷载约26%(金宝森等，1991)；新加坡某42层建筑采用大直径桩支承于软岩中，建至17层时，实测桩筏式筏板分担荷载40%(Leung,eta1.1985)。桩筏基础桩土共同工作，理论分析和实测表明：只要筏板不与筏底土层脱离，桩土都是共同工作的，但桩土分担的荷载比例与地基土的类别、沉桩方法、桩距、桩土的相对刚度等有关。当桩端持力层较硬、桩间土较差时，桩的沉降量较小，底板分担的荷载也小;当桩端土较差，桩间土较好时，桩的沉降量就大，则筏板承担的荷载也较多。由实测资料知，桩筏基础中桩与筏板共同分担建筑物荷载已成为客观存在的事实，设计中合理考虑桩与筏板共同作用，使桩间土分担部分外荷载，是基础优化设计、降低造价的重要途径之一，具有重要的实际意义和经济价值。
地基与桩筏基础的相互作用问题就是桩群、筏板和土体共同作用的问题，实质上是桩与筏板荷载分担的问题，这个问题涉及多种介质及其界面间变形的反复协调过程。在筏板浇注初期，筏板重量几乎全部由土承担，当筏板混凝土硬结后，再增加的荷载即开始向桩转移。随着结构层数的增加，上部结构与筏板共同工作的刚度增大，继续增加荷载，荷载则较多地传给具有更大刚度的桩，而较少分配给土。按单桩允许承载力设计时，这一过程会延续到施工完毕。若桩端持力层不很硬，或桩的使用荷载较大，则当桩间土在筏板底面压力和桩群迭加应力作用下固结下沉，筏板把部分荷载转移给桩之后，桩端势必产生相应的刺入变形，这时筏板对土的压力会有所增长，迫使桩间土压缩。桩的刺入变形与桩间土的压缩变形就这样经历着一个反复循环，协调的过程，同时伴随着一个土体压密和强度增长的过程。[4]在此可以这么认为：桩土荷载分担比随时间的变化而变化，是一个动态的过程，到一定时间应趋于稳定。
4设计和研究中有待提高的问题
（1）岩溶地基与桩筏基础共同作用分析，针对不同溶洞填充情况（地下水、填充物）采用相应不同的分析理论，这方面有待完善。如讨论溶洞中地下水、填充物对地基承载力和桩筏基础荷载分担比情况；
（2）目前的上部结构—桩—筏—地基共同作用研究一般仅对竖向静力荷载作用，而在地震作用时，考虑水平荷载的共同作用问题更为重要，这也是今后的研究方向；
（3）优化桩筏基础设计方法，将设计中必须考虑的各种因素以约束的方式量化表示，建立假设—分析搜索—最优设计的优化设计过程，把桩土共同作用的研究成果作为优化设计的一部分应用到工程实践。
参考文献:
[1]岩土工程勘察规范GB50021-2001
[2]建筑地基基础设计规范GB50007-2011
[3]PoulosH.G.&DavisE.H.Pilefoundationanalysisanddesign.NewYork:Wiley1980
[4]吴建林.桩筏基础中桩与筏板荷载分担问题的研究[硕士论文].武汉:华中科技大学2006.5
[5]杨敏.ThamL.G.CheungY.K.分层土中的群桩分析法.同济大学学报1993,(2)：211-219.
[6]宰金琅.群桩与土和承台非线性共同作用的半数值半解析方法.建筑结构学报1996,17(1):63-73.
[7]赵锡宏等.上海高层建筑桩筏与桩箱基础设计理论.上海:同济大学出版社，1989：126.
[8]宰金珉，宰金璋.高层建筑基础分析与设计.北京:中国建筑工业出版社，1993：259.

-全文完-