曹賢發(fā)，劉之葵，李海玲

(桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541004)

嵌巖樁是巖溶場地常見的基礎(chǔ)型式[1-3]。巖溶區(qū)中高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計常常需要對樁基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)、復(fù)合地基方案進行優(yōu)選。巖溶區(qū)工程實踐表明，地基設(shè)計階段能較合理地確定筏板基礎(chǔ)和復(fù)合地地基方案的工程造價、工期和施工難度，但樁基方案的技術(shù)經(jīng)濟性論證則常常是巖溶區(qū)地基基礎(chǔ)方案設(shè)計時的一個難題，導(dǎo)致巖溶地基基礎(chǔ)選型失誤的案例屢見不鮮。關(guān)于巖溶嵌巖樁與筏板基礎(chǔ)的技術(shù)經(jīng)濟性的比選論證，在工程實踐中也一直存在較為尖銳的爭論和分歧，巖溶區(qū)的地基方案選擇依賴行業(yè)權(quán)威及其經(jīng)驗多于理論。

基樁入巖深度，也稱為嵌巖厚度、嵌巖深度，不同行業(yè)和項目中的具體要求是不同的，但其入巖起算位置是統(tǒng)一的，均指樁端截面與巖石完全接觸的位置，本文將該位置對應(yīng)的高程定義為基樁入巖高程。顯然，若能合理預(yù)測巖溶場地所有基樁入巖高程的平均值(本文稱之為場地樁基平均入巖高程)，結(jié)合場地勘察資料，即可預(yù)測場地所有基樁的平均入巖深度或嵌巖厚度，評估其成樁難度，為樁基礎(chǔ)施工難度評價和樁基方案的技術(shù)經(jīng)濟性論證提供定量參數(shù)依據(jù)。

溶蝕溝槽、漏斗、洞隙等巖溶形態(tài)發(fā)育具有很大的隨機性，具宏觀規(guī)律而無微觀規(guī)律可循[4-8]。目前關(guān)于場地巖溶地基溶蝕特征仍以定性評價為主，最常見的就是對場地巖溶發(fā)育程度進行分級[9]。工程實踐表明，樁基難度與巖溶發(fā)育程度評價結(jié)果的相關(guān)性不明顯，評價為巖溶強發(fā)育的場地，其樁基實際施工難度可能并不大。反之，評價為巖溶弱發(fā)育的巖溶場地，卻常常潛在較大的成樁難度，由此引起的基樁質(zhì)量問題也較多，其關(guān)鍵問題在于現(xiàn)有巖溶地基溶蝕特征的定性評價未能提供合理的定量參數(shù)作為地基設(shè)計依據(jù)。巖溶地基勘察手段已呈多樣化發(fā)展，地質(zhì)雷達、高密度電法等多種常見物探手段已在巖溶勘察中得到了一定應(yīng)用和研究[10-11]。巖溶勘察鉆孔密度也較大，特別是一樁一孔或一樁多孔已成為巖溶樁基施工勘察的主要布孔要求[12-13]，在巖溶地基設(shè)計和施工階段已積累了豐富的地質(zhì)資料。但是，目前對于樁基入巖高程及入巖深度的預(yù)測依據(jù)主要是這些勘察數(shù)據(jù)的簡單統(tǒng)計值，如勘察鉆孔入巖高程平均值。巖溶地區(qū)工程實踐表明，工程物探的探測深度有限，探測精度及適用性受場地條件限制較大，在巖溶地基勘察實踐中的應(yīng)用仍不夠廣泛，而勘察孔與樁孔直徑相差較大，一樁一孔的施工勘察確定的基樁入巖深度與實際入巖深度常常存在較大偏差，尤其在溶蝕程度較高的巖溶地基條件下，這種偏差十分顯著。一樁多孔勘察能較好地確定基樁入巖情況，但勘察成本較高。另外，施工勘察后于地基設(shè)計，地基方案變更成本高。盡管如此，可以肯定的是目前巖溶地基勘察方法多樣，場地勘察數(shù)據(jù)已然十分豐富，但如何在有效地利用這些勘察資料、充分考慮場地溶蝕特征的基礎(chǔ)上，合理預(yù)測巖溶場地樁基平均入巖高程，為巖溶地基設(shè)計提供合理的巖溶定量參數(shù)，仍有待研究。

本文在文獻[14]所建立的巖溶場地樁基平均入巖概率分析模型的基礎(chǔ)上，以柳州市金盛廣場4#樓樁基為工程背景，建立了巖溶建筑場地樁基平均入巖高程預(yù)測模型，分析了模型的預(yù)測誤差，闡明了預(yù)測方法的合理性，其預(yù)測結(jié)果可作為巖溶地基基礎(chǔ)方案優(yōu)選和樁基技術(shù)經(jīng)濟性論證的基本依據(jù)。

1 工程概況

柳州市金盛廣場位于東環(huán)大道西側(cè)、箭盤路北側(cè)的原東環(huán)菜市場內(nèi)。4#樓高25層，地下室1層，框架結(jié)構(gòu)。設(shè)計采用56根樁基礎(chǔ)，其中22根樁徑0.8 m，8根樁徑1.2 m，11根樁徑1.4 m，15根樁徑1.5 m，要求：以較完整灰?guī)r為樁端持力層，樁端嵌巖深度不少于0.5 m，局部要求嵌入2.0 m；在樁孔開挖前進行一樁一孔的施工勘察，以確保樁端下3倍樁徑且不少于5 m的深度范圍內(nèi)無溶洞發(fā)育。樁基設(shè)計概況見圖1。從圖1可知，有十樁一承臺、三樁一承臺、兩樁一承臺，多數(shù)為一樁一承臺，承臺分布無規(guī)律，這種樁基設(shè)計在巖溶地區(qū)雖然也不多見，但基樁入巖情況主要取決于樁位地質(zhì)條件，受承臺設(shè)計因素的影響甚微，也不影響本文研究結(jié)果在相關(guān)巖溶建筑場地的適用性。

圖1 柳州金盛廣場4#樓的樁基平面設(shè)計圖Fig.1 Floor plan of pile of the No.4 building in the Jinsheng Plaza of Liuzhou

施工勘察期間，場地已平整，地面高程約88.65 m，上覆土層以紅黏土為主，上部淺層范圍分布較薄的雜填土和淤泥質(zhì)土。上覆土層厚度為8.43～21.15 m，平均厚度15.82 m。根據(jù)施工勘察結(jié)果推薦的樁基入巖深度為8.43～34.94 m，平均入巖深度18.77 m。樁基施工工藝根據(jù)樁長確定，超過20 m的采用沖孔樁，不大于20 m的采用人工挖孔樁，施工勘察初步確定除37#和48#采用沖孔樁施工外，其余全部用人工挖孔樁，并全面鋪開施工，人工挖孔樁預(yù)計45 d內(nèi)完成，沖孔樁則在挖孔樁完成后與該場地的5#樓樁基施工同時進行。

人工挖孔樁施工發(fā)現(xiàn)，場地溶蝕溝槽十分發(fā)育，很多樁孔在開挖至預(yù)定高程(由該樁位處施工勘察孔確定)后并未完全入巖，大部分樁孔實際入巖高程都要低于預(yù)定高程一定深度，最大高差為39#孔，達到13.87 m，平均為3.29 m，導(dǎo)致原來樁位處的施工勘察鉆孔深度不能確保樁端下完整巖厚度滿足設(shè)計要求，甚至樁孔開挖深度大于勘察孔深度，不得不暫停施工以進一步進行補充勘察。部分樁孔不得不變更采用沖孔樁施工方案，導(dǎo)致前期人工開挖的樁孔廢棄，樁基施工成本大幅度增加，工期也最終延長了近3個月，給工程建設(shè)帶來了很大損失。施工結(jié)果最終表明，1#～3#樓采用筏板基礎(chǔ)，已按預(yù)定計劃順利完成施工，而4#樓的樁基方案無論從造價方面還是工期方面都明顯不如筏板基礎(chǔ)方案，其樁基施工工藝選擇人工挖孔樁也證明是不恰當?shù)摹?/p>

場地分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4個亞區(qū)，主要考慮因素為：分區(qū)面積適宜，不應(yīng)太大或太小，按照樁數(shù)12～24個控制，以滿足統(tǒng)計樣本數(shù)要求；分區(qū)范圍內(nèi)的樁型盡量相對統(tǒng)一，如Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)均只有一種樁型，其樁徑分別為0.8 m和1.5 m。

各分區(qū)的樁型及數(shù)量分布情況為：Ⅰ區(qū)12根樁的直徑為0.8 m；Ⅲ區(qū)14根樁的直徑為1.5 m；場地Ⅱ區(qū)共16根樁，有4種樁型：6Ф0.8 m、6Ф1.2 m、3Ф1.4 m和1Ф1.5 m；場地Ⅳ區(qū)共14根樁，有3種樁型：4Ф0.8 m、2Ф1.2 m、8Ф1.4 m。各分區(qū)的基本概況見表1。

表1 場地工程概況表Table 1 Site engineering overview

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 各樁型的群樁入巖概率曲線

場地分區(qū)中存在多種樁型，要分析場地的平均入巖高程，應(yīng)先確定場地每個分區(qū)每種樁型的群樁入巖概率曲線，可按文獻[15]方法求解。

設(shè)高程Ha等于或略小于施工勘察孔的孔底高程最小值，Hb等于或略大于施工勘察鉆孔最大入巖高程，將區(qū)間[Ha,Hb]劃分為長度為ΔH的統(tǒng)計區(qū)間，區(qū)間底部高程Hi∈[Ha,Hb]，由大到小排列為：H1>H2>…>Hi-1>Hi>Hi+1>…。樁型j在高程Hi以上的入巖概率為：

(1)

(2)

式中：Dj——j樁型樁孔直徑；

ri——高程Hi處的溶蝕率。

式(2)中ri是高程H的函數(shù)[15]，其具體表達式為：

r(Hi)=aeb(Hi-H0)

(3)

式中：a，b——曲線擬合常數(shù)；

H0——起算高程。

ri=aeb(Hi-H0)

(4)

令r=ri，D=Di代入式(2)可求得Hi處的基樁入巖概率為：

(5)

圖2 場地各分區(qū)的群樁入巖概率高程分布曲線Fig.2 Height distribution curve of the entering-rock probability of grouped piles in each subarea of the site

2.2 樁基平均入巖高程

(6)

(7)

式中：Ψj——j樁型在該分區(qū)中所占比重。

Ψj按下式計算：

(8)

式中：nj——統(tǒng)計范圍內(nèi)j樁型的樁孔數(shù)；

n——統(tǒng)計范圍內(nèi)樁的總數(shù)。

圖3 勘察孔入巖誤差分布散點圖Fig.3 Scatter diagram of the distribution of entering-rock errors of the survey hole

表2 樁基平均入巖高程理論值計算Table 2 Computation of the theoretical value of the average entering-rock height of grouped piles

3 結(jié)果討論

根據(jù)圖2，場地各分區(qū)的樁基入巖概率具有隨高程減小(或深度增大)而增大的規(guī)律。樁基理論入巖率曲線變化規(guī)律與實測曲線基本一致，出現(xiàn)誤差較大的情況為：第Ⅱ區(qū)中樁徑為1.4 m和1.5 m等兩類樁型；第Ⅳ區(qū)中樁徑為0.8 m和1.2 m等兩種樁型。其中Ⅱ區(qū)中樁徑為1.4 m和1.5 m分別僅有3根和1根，Ⅳ區(qū)中樁徑為0.8 m和1.2 m分別僅有4根和2根，顯然這幾條曲線誤差來源于因樣本數(shù)量較少引起的統(tǒng)計誤差。除去以上統(tǒng)計誤差較大的情況外，場地其各分區(qū)的其他樁型的樁基入巖概率理論曲線和實測曲線誤差一般均在15%以內(nèi)，平均誤差均不超過10%，這表明場地樁基入巖概率的理論曲線和實測曲線誤差較小。

根據(jù)表2，按照各分區(qū)比重可得到整個場地的樁基平均入巖高程的理論值、實際值和勘察鉆孔入巖高程平均值分別為66.38，66.60和69.88 m。由此可得到理論值和實際值的誤差為0.21 m，以勘察鉆孔入巖平均高程作為樁基平均入巖高程的誤差為3.29 m。表明將場地作為整體進行評價分析和劃分為不同區(qū)域進行分析，理論誤差與各分區(qū)存在一定差異，但均在0.07～0.50 m之間，但以場地整體為對象進行分析，其精度較低，不能體現(xiàn)分區(qū)間的溶蝕程度差異對樁基入巖規(guī)律的影響。因此，建議在鉆孔密度足夠的情況下劃多個亞區(qū)進行分區(qū)評價，使其能夠體現(xiàn)場地不同局部范圍內(nèi)的基樁入巖規(guī)律差異，并更好地指導(dǎo)不同分區(qū)的樁基施工工藝選擇，這十分適用于在巖溶場地樁基施工勘察階段的基樁入巖特征預(yù)測。分區(qū)評價精度也受統(tǒng)計樣本數(shù)量的影響，因此也應(yīng)該確保分區(qū)范圍內(nèi)參與統(tǒng)計分析的勘察鉆孔數(shù)量要滿足最少統(tǒng)計樣本數(shù)的要求，一般考慮巖土工程參數(shù)變異性較大的特征，建議場地分布鉆孔數(shù)量應(yīng)不少于12個。

本文以金盛廣場4#樓場地施工勘察為工程背景，但從已有研究可知，只要詳細勘察階段的鉆孔密度和鉆孔數(shù)量滿足現(xiàn)行一定要求，詳細勘察階段和施工勘察階段所得到的溶蝕率深度分布曲線在大部分情況下是一致的，因此可以推斷，本文所建模型也適用于詳細階段對巖溶場地平均入巖高程的預(yù)測。需要注意的是，詳細勘察階段所預(yù)測的場地范圍要適當增大，如以較大的單棟建筑、或緊鄰的數(shù)棟較小建筑、或大型建筑的某個功能區(qū)塊作為樁基平均入巖高程預(yù)測范圍，以滿足評價場地溶蝕率深度分布曲線所需的鉆孔數(shù)量要求。顯然，這種預(yù)測范圍劃分與地基方案設(shè)計時的設(shè)計單元劃分是一致的，因此在詳細勘察階段，本預(yù)測模型預(yù)測可為地基設(shè)計提供巖溶參數(shù)依據(jù)。

如果場地按照一樁多孔進行施工勘察，實踐表明可以在施工勘察階段較好地確定每一根基樁的入巖深度和樁長，但勘察工作量較大，且由于施工勘察是在地基設(shè)計完成后進行的，因此無法及時地為地基設(shè)計提供相關(guān)參數(shù)，如果施工勘察結(jié)果表明所選樁基方案不是最優(yōu)方案，那么進行地基方案變更成本高，也耽誤了基礎(chǔ)施工期，這必然給工程建設(shè)帶來不良影響。

巖溶樁基施工勘察為場地獲得了更為豐富的地質(zhì)資料，鉆孔密度更大，據(jù)此可將場地劃分為更小的預(yù)測范圍進行分區(qū)預(yù)測，如本文將金盛廣場4#樓劃分為4個分區(qū)，并預(yù)測每個分區(qū)的樁基入巖高程，以此作為各分區(qū)地基設(shè)計變更、成樁工藝選擇依據(jù)，并據(jù)此可實現(xiàn)在地基基礎(chǔ)施工前對地基方案技術(shù)經(jīng)濟合理性的最后驗證。

4 結(jié)論

(1)本文建立的巖溶場地樁基平均入巖高程預(yù)測方法充分利用了目前巖溶地基的勘察資料，無需額外的勘察測試工作，合理考慮了巖溶地基溶蝕程度特征和樁徑等兩個因素，其預(yù)測值誤差一般在0.5 m以內(nèi)，滿足巖溶地區(qū)嵌巖樁技術(shù)經(jīng)濟性論證的精度要求，可作為巖溶地基優(yōu)選基礎(chǔ)方案和選擇成樁工藝的基本依據(jù)。

(2)對于一樁一孔的施工勘察，將其勘察孔平均入巖高程視為樁基平均入巖高程，由于地基溶蝕規(guī)律和樁徑大小對樁基入巖概率的影響沒有得到合理考慮，該統(tǒng)計值與實測值相比可能存在較大誤差。

(3)對于一樁多孔的施工勘察，雖然能較好地在樁基施工前確定各基樁入巖深度和樁長，但勘察成本較高、勘察周期較長，無法及時地為地基設(shè)計提供相關(guān)參數(shù)依據(jù)。

(4)樁基平均入巖高程預(yù)測范圍劃分應(yīng)確保劃分區(qū)域內(nèi)的有足夠的鉆孔數(shù)量以滿足其統(tǒng)計精度要求。