巖溶區建筑場地樁基平均入巖高程預測

曹賢發，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型式[1-3]。巖溶區中高層建筑地基基礎設計常常需要對樁基礎、筏板基礎、復合地基方案進行優選。巖溶區工程實踐表明，地基設計階段能較合理地確定筏板基礎和復合地地基方案的工程造價、工期和施工難度，但樁基方案的技術經濟性論證則常常是巖溶區地基基礎方案設計時的一個難題，導致巖溶地基基礎選型失誤的案例屢見不鮮。關于巖溶嵌巖樁與筏板基礎的技術經濟性的比選論證，在工程實踐中也一直存在較為尖銳的爭論和分歧，巖溶區的地基方案選擇依賴行業權威及其經驗多于理論。

基樁入巖深度，也稱為嵌巖厚度、嵌巖深度，不同行業和項目中的具體要求是不同的，但其入巖起算位置是統一的，均指樁端截面與巖石完全接觸的位置，本文將該位置對應的高程定義為基樁入巖高程。顯然，若能合理預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)，結合場地勘察資料，即可預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，為樁基礎施工難度評價和樁基方案的技術經濟性論證提供定量參數依據。

溶蝕溝槽、漏斗、洞隙等巖溶形態發育具有很大的隨機性，具宏觀規律而無微觀規律可循[4-8]。目前關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育程度進行分級[9]。工程實踐表明，樁基難度與巖溶發育程度評價結果的相關性不明顯，評價為巖溶強發育的場地，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，由此引起的基樁質量問題也較多，其關鍵問題在于現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作為地基設計依據。巖溶地基勘察手段已呈多樣化發展，地質雷達、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]，在巖溶地基設計和施工階段已積累了豐富的地質資料。但是，目前對于樁基入巖高程及入巖深度的預測依據主要是這些勘察數據的簡單統計值，如勘察鉆孔入巖高程平均值。巖溶地區工程實踐表明，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，場地勘察數據已然十分豐富，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上，合理預測巖溶場地樁基平均入巖高程，為巖溶地基設計提供合理的巖溶定量參數，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測模型，分析了模型的預測誤差，闡明了預測方法的合理性，其預測結果可作為巖溶地基基礎方案優選和樁基技術經濟性論證的基本依據。

1 工程概況

柳州市金盛廣場位于東環大道西側、箭盤路北側的原東環菜市場內。4#樓高25層，地下室1層，框架結構。設計采用56根樁基礎，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：以較完整灰巖為樁端持力層，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的深度范圍內無溶洞發育。樁基設計概況見圖1。從圖1可知，有十樁一承臺、三樁一承臺、兩樁一承臺，多數為一樁一承臺，承臺分布無規律，這種樁基設計在巖溶地區雖然也不多見，但基樁入巖情況主要取決于樁位地質條件，受承臺設計因素的影響甚微，也不影響本文研究結果在相關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土。上覆土層厚度為8.43～21.15 m，平均厚度15.82 m。根據施工勘察結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，人工挖孔樁預計45 d內完成，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。

人工挖孔樁施工發現，場地溶蝕溝槽十分發育，很多樁孔在開挖至預定高程(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，給工程建設帶來了很大損失。施工結果最終表明，1#～3#樓采用筏板基礎，已按預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方案，其樁基施工工藝選擇人工挖孔樁也證明是不恰當的。

場地分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4個亞區，主要考慮因素為：分區面積適宜，不應太大或太小，按照樁數12～24個控制，以滿足統計樣本數要求；分區范圍內的樁型盡量相對統一，如Ⅰ區和Ⅲ區均只有一種樁型，其樁徑分別為0.8 m和1.5 m。

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

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

2 數據處理

2.1 各樁型的群樁入巖概率曲線

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

設高程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，將區間[Ha,Hb]劃分為長度為ΔH的統計區間，區間底部高程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[15]，其具體表達式為：

r(Hi)=aeb(Hi-H0)

(3)

式中：a，b——曲線擬合常數；

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樁型在該分區中所占比重。

Ψj按下式計算：

(8)

式中：nj——統計范圍內j樁型的樁孔數；

n——統計范圍內樁的總數。

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 結果討論

根據圖2，場地各分區的樁基入巖概率具有隨高程減小(或深度增大)而增大的規律。樁基理論入巖率曲線變化規律與實測曲線基本一致，出現誤差較大的情況為：第Ⅱ區中樁徑為1.4 m和1.5 m等兩類樁型；第Ⅳ區中樁徑為0.8 m和1.2 m等兩種樁型。其中Ⅱ區中樁徑為1.4 m和1.5 m分別僅有3根和1根，Ⅳ區中樁徑為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量較少引起的統計誤差。除去以上統計誤差較大的情況外，場地其各分區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，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。

根據表2，按照各分區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域進行分析，理論誤差與各分區存在一定差異，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，不能體現分區間的溶蝕程度差異對樁基入巖規律的影響。因此，建議在鉆孔密度足夠的情況下劃多個亞區進行分區評價，使其能夠體現場地不同局部范圍內的基樁入巖規律差異，并更好地指導不同分區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測。分區評價精度也受統計樣本數量的影響，因此也應該確保分區范圍內參與統計分析的勘察鉆孔數量要滿足最少統計樣本數的要求，一般考慮巖土工程參數變異性較大的特征，建議場地分布鉆孔數量應不少于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量滿足現行一定要求，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測。需要注意的是，詳細勘察階段所預測的場地范圍要適當增大，如以較大的單棟建筑、或緊鄰的數棟較小建筑、或大型建筑的某個功能區塊作為樁基平均入巖高程預測范圍，以滿足評價場地溶蝕率深度分布曲線所需的鉆孔數量要求。顯然，這種預測范圍劃分與地基方案設計時的設計單元劃分是一致的，因此在詳細勘察階段，本預測模型預測可為地基設計提供巖溶參數依據。

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計完成后進行的，因此無法及時地為地基設計提供相關參數，如果施工勘察結果表明所選樁基方案不是最優方案，那么進行地基方案變更成本高，也耽誤了基礎施工期，這必然給工程建設帶來不良影響。

巖溶樁基施工勘察為場地獲得了更為豐富的地質資料，鉆孔密度更大，據此可將場地劃分為更小的預測范圍進行分區預測，如本文將金盛廣場4#樓劃分為4個分區，并預測每個分區的樁基入巖高程，以此作為各分區地基設計變更、成樁工藝選擇依據，并據此可實現在地基基礎施工前對地基方案技術經濟合理性的最后驗證。

4 結論

(1)本文建立的巖溶場地樁基平均入巖高程預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，其預測值誤差一般在0.5 m以內，滿足巖溶地區嵌巖樁技術經濟性論證的精度要求，可作為巖溶地基優選基礎方案和選擇成樁工藝的基本依據。

(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計提供相關參數依據。

(4)樁基平均入巖高程預測范圍劃分應確保劃分區域內的有足夠的鉆孔數量以滿足其統計精度要求。