淺談巖土工程勘察中樁基礎(chǔ)選擇類型及其考慮因素

劉飛

安徽建筑大學勘測設(shè)計研究院有限公司 安徽合肥 230022

眾所周知，巖土勘察是一項專業(yè)性極強且復雜的工程，其涉及到的工作內(nèi)容較為復雜，因此要想做好巖土工程的勘察工作，針對其難度系數(shù)高的特點，如今很多傳統(tǒng)的勘察技術(shù)已經(jīng)滿足不了現(xiàn)實的實際工作需求，進而無法保障勘察工作的順利進行。但是，通過采用巖土勘察技術(shù)的手段，可綜合利用當前諸多先進的技術(shù)優(yōu)勢，有效提升巖土勘察工作的質(zhì)量和效率，進而真實的反應巖土工程情況，為后期的巖土工程建設(shè)奠定基礎(chǔ)。由此可見，加強對綜合勘察技術(shù)的運用對巖土工程勘察來說具有積極的意義。

1 工程概況

某冶煉廠擬建場地屬于工業(yè)用地。擬建建（構(gòu)）筑物主要包括熔渣冶煉、煙化爐鼓風、閃速熔煉爐豎爐煙氣除塵、閃速熔煉爐電爐煙氣除塵、煙化爐煙氣除塵和熔煉爐余熱利用。擬建結(jié)構(gòu)的最大柱荷載為15000KN，最小柱荷載為2500KN。場地現(xiàn)狀為渣場和標準廠房，道路環(huán)繞，交通便利，有利于大型設(shè)備進出。

2 巖土層結(jié)構(gòu)特征及設(shè)計參數(shù)

2.1 巖土層的結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)鉆探結(jié)果，場地裸露地層主要分為四個主要工程地質(zhì)層，即：①人工素填土層；②第四系坡殘積層；③強風化砂巖；④石炭系灰?guī)r。現(xiàn)分述如下：

素填土（土層編號①，下同）：黃褐色、灰褐色等雜色，以黏性土、碎石為主，含少量砼塊，松散，局部稍密，為未壓實欠固結(jié)狀態(tài)，壓縮性高，回填時間較長（超過10年），土體均勻性較差。其主要物理力學性質(zhì)指標統(tǒng)計值為：天然含水量 ω=28.23%、密度ρ=1.95g/cm3、天然孔隙比e=0.76、液性指數(shù)IL=0.35、抗剪強度值（直接快剪）Ck=16.92kPa、φk=15.44；壓縮性指標平均值為：壓縮系數(shù) α1-2=0.54MPa-1、壓縮模量 Es1-2=3.95MPa，屬中等-高壓縮性土層。做標準貫入試驗25次，實測擊數(shù)N=3擊/30cm-5擊/30cm、平均值N=3.76擊/30cm；修正后平均值為3.58 擊/30cm，標準值為3.37擊/30cm。承載力特征值fak=80kPa。

可塑狀粉質(zhì)黏土②1：棕黃色、黃色、黃褐色，可塑，主要成分為粉粒和黏粒，局部含少量風化巖塊、巖屑及角礫，干強度高，韌性中等，無搖振反應，稍有光澤，土體結(jié)構(gòu)較均勻。其主要物理力學性質(zhì)指標統(tǒng)計值為：天然含水量ω=24.56%、密度ρ=1.91g/cm3、天然孔隙比e=0.78、液性指數(shù)IL=0.41、抗剪強度值（直接快剪）Ck=23.92kPa、φk=15.09；壓縮性指標平均值為：壓縮系數(shù)α1-2=0.45MPa-1、壓縮模量Es1-2=5.37MPa，屬中等壓縮性土層。做標準貫入試驗31次，實測擊數(shù)N=7擊/30cm-13擊/30cm，平均值N=9 擊/30cm，修正后平均值為7.55擊/30cm，標準值為7.17擊/30cm。承載力特征值fak=160kPa。

軟塑狀粉質(zhì)黏土②2：黃褐色，軟塑，主要成分為粉粒和黏粒，局部含少量風化角礫，干強度高，韌性中等，無搖振反應，土體結(jié)構(gòu)較均勻。屬中等-高壓縮性土層。其主要物理力學性質(zhì)指標統(tǒng)計值為：天然含水量ω=25.07%、密度ρ=1.86g/cm3、天然孔隙比e=0.73、液性指數(shù)IL=0.58、抗剪強度值（直接快剪）Ck=15.37kPa、φk=15.63；壓縮性指標平均值為：壓縮系數(shù) α1-2=0.52MPa-1、壓縮模量 Es1-2=4.30MPa，屬中等-高壓縮性土層。標準貫入試驗10 次，實測擊數(shù)N=2擊/30cm-5擊/30cm、平均值N=3.8擊/30cm；修正后平均值為2.81擊/30cm，標準值為2.36擊/30cm。承載力特征值fak =80kPa。

強風化砂巖③1：局部地層揭露，灰褐色、粉紅色，粉細砂結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要礦物成分以長石為主、石英次之，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面可見錳鐵質(zhì)礦物，巖芯多呈半巖半土狀，泡水易軟化，巖質(zhì)較硬，巖芯破碎。做重型動力觸探試驗200 次，實測擊數(shù)N=24擊/10cm-36擊/10cm、平均值N=31.02擊/10cm；修正后平均值為15.44擊/10cm，標準值為15.16擊/10cm。本層承載力特征值fak=600kPa。

中風化石灰?guī)r④1：淺灰色，微晶結(jié)構(gòu)，中厚層夾薄層構(gòu)造，礦物成分以方解石為主、次為白云石，巖石較破碎，巖質(zhì)較堅硬，巖芯多呈碎塊狀，局部呈短柱狀，白色方解石細脈較發(fā)育（多呈網(wǎng)脈狀），結(jié)構(gòu)面結(jié)合較差，部分巖芯表面呈蜂窩狀，溶蝕現(xiàn)象嚴重，溶蝕裂隙較發(fā)育，巖芯采取率一般為55% -65%。巖石飽和單軸抗壓強度為22.00MPa-54.40MPa，平均值為36.09MPa，屬較軟巖-較硬巖，巖體較破碎。根據(jù)野外鑒別結(jié)合天然單軸抗壓強度試驗，判定該場地鉆探深度內(nèi)揭露的巖體基本質(zhì)量等級為IV 級。承載力特征值fak=2500kPa。

微風化石灰?guī)r④2：淺灰色，微晶結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，主要礦物成分為方解石、次為白云石，巖石堅硬、較完整，巖芯呈短-長柱狀，風化裂隙稍發(fā)育，裂隙面被方解石充填、多呈網(wǎng)脈狀，結(jié)構(gòu)面結(jié)合較好。巖芯采取率一般為80%-92%，巖石質(zhì)量指標RQD一般為75-82。巖石天然單軸抗壓強度為33.80MPa-59.40MPa，平均為56.48MPa，屬較硬巖，巖體較完整[1]。根據(jù)野外鑒別結(jié)合飽和單軸抗壓強度試驗，判定該場地鉆探深度內(nèi)揭露的巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ 級。承載力特征值fak=4000kPa。

2.2 巖土設(shè)計參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場土質(zhì)鑒定，野外原位測試及室內(nèi)試驗結(jié)果，參照國家標準《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）、行業(yè)標準《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范（JGJ79-2012）及《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）等有關(guān)規(guī)范，場地內(nèi)各地層的工程特性指標值詳見下表1。

表1 各地層工程特性指標建議值

2.3 巖土設(shè)計參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場土工鑒定、現(xiàn)場原位試驗和室內(nèi)試驗的結(jié)果，參考國家標準《建筑地基設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）、行業(yè)標準《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）提供。

3 樁基的對比分析與選擇

3.1 樁基

擬建的爐渣冶煉、煙化爐吹煉、閃速熔煉爐豎爐煙氣除塵、閃速熔煉爐電爐煙氣除塵、煙化爐煙氣除塵和熔煉爐余熱車間的垂直負荷較大，最大柱負荷為15000KN，最小柱負荷為2500KN。受風荷載等因素影響，水平力也較大，宜采用沖孔（鉆孔）樁、旋挖樁或靜壓樁。布置樁時，除了單樁豎向承載力較高外，還應考慮樁和各構(gòu)件荷載差異較大的建（構(gòu)）筑物的水平荷載要求。在選擇樁基持力層時，不僅要考慮單樁豎向承載力滿足設(shè)計排樁要求，還要考慮擬建建筑物總沉降和附屬設(shè)施間差異沉降的控制。樁基持力層的選擇應同時滿足以下條件：a.單樁豎向承載力應滿足設(shè)計排樁要求；b.基礎(chǔ)沉降和沉降差應符合規(guī)范和設(shè)計要求；c.靜壓樁的深度應充分發(fā)揮樁體的結(jié)構(gòu)強度；d.考慮到抗震要求，同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)應采用相同的樁長，或樁長不應相差太大[2]。

3.2 筏板基礎(chǔ)

根據(jù)本次勘察揭示的地層情況，擬建的爐渣冶煉、煙化爐吹煉、閃速熔煉爐豎爐煙氣除塵、閃速熔煉爐電爐煙氣除塵、煙化爐煙氣除塵和熔煉爐余熱車間的基礎(chǔ)設(shè)計也可考慮樁基（夯擴樁、沉管灌注樁和長螺旋鉆孔灌注樁）+筏形基礎(chǔ)。采用樁筏基礎(chǔ)時應注意:由于場地巖溶發(fā)育強烈，局部暴露出軟塑粉質(zhì)黏土層，設(shè)計時應給予足夠的重視。建議進行詳細地專項巖溶調(diào)查，對場地內(nèi)的巖溶采取“勘察、防治、治理”的一體化設(shè)計和運行方案，進行有效的治理。

3.3 樁基條件分析

擬建場地為裸露的丘狀地貌，由前期廠房施工開挖回填。現(xiàn)狀是渣場和標準車間。原廠房拆除后，場地開闊，地形相對平坦。勘查現(xiàn)場周邊主要為廠區(qū)道路，方便大型機械設(shè)備進出。但場地內(nèi)人工填土分布廣泛，厚度較厚，地基強度較低。場地上部土層為第四系人工填土層和坡殘積粉質(zhì)黏土層，下伏基巖為中風化和弱風化灰?guī)r，局部為強風化砂巖。巖體相對破碎完整，巖層埋深中等。根據(jù)場地地層結(jié)構(gòu)、各土層工程地質(zhì)特征及場地周邊環(huán)境條件，結(jié)合擬建工程的上部荷載要求，本工程采用樁基礎(chǔ)和樁筏基礎(chǔ)是可行的。擬建場地成樁條件良好，適合樁基（如預制樁、鉆孔灌注樁、旋挖樁、沉管灌注樁、長螺旋鉆孔灌注樁等）。采用鋼筋混凝土預制管樁具有速度快、環(huán)境污染小、質(zhì)量有保證、生產(chǎn)成本較低的優(yōu)點。缺點是在飽和黏性土中會產(chǎn)生擠土效應，大石塊（混凝土塊）在填土中不易穿過，巖石表面的斜坡容易導致斷樁等質(zhì)量問題。如果確定采用預制樁，建議施工前選擇代表性位置對樁進行工程試成樁，確定其適用性與設(shè)計單樁承載力。鉆孔（沖孔）樁和旋挖樁的優(yōu)點是鉆孔容易，可以穿過相對堅硬的土層，到達較深的樁端持力層（灰色巖層）。單樁承載力高，但缺點是造價高、污染環(huán)境、施工速度慢。另外，遇到軟土層容易產(chǎn)生縮徑和塌孔，遇到不均勻巖層或溶洞容易產(chǎn)生斜孔和卡鉆。如果確定采用鉆（沖）樁或旋挖樁，建議施工前進行超前鉆鉆探，確保每根樁一孔樁端有足夠的持力層厚度。鉆孔施工時，應嚴格按照規(guī)范要求進行施工，并調(diào)整泥漿稠度和失水率，以保證成孔質(zhì)量和樁身質(zhì)量。夯擴樁、沉管灌注樁和長螺旋鉆孔灌注樁的優(yōu)點是速度快、環(huán)境污染小、生產(chǎn)成本低。缺點是飽和黏性土會產(chǎn)生擠土效應，單樁承載力低，容易出現(xiàn)斷樁、縮頸等質(zhì)量問題。

4 樁基選擇應考慮的因素

4.1 地表水和地下水對樁基設(shè)計和施工的影響

由于勘察場地現(xiàn)狀為早期人工平整，現(xiàn)狀為渣場和標準廠房，場地附近地表水主要為場地周圍季節(jié)性場地排水溝，可在施工前排至場外，地表水對擬建項目施工影響不大。地下水流向與地形坡度方向基本一致，地下水總體徑流方向由西北向東南移動。地下水主要為第四系松散土層中的孔隙水和巖層中的巖溶裂隙水。本次樁基施工中，建議采用中風化或弱風化石灰?guī)r作為樁基持力層。第四系土層富水性差，水動力條件一般，第四系孔隙水對樁的側(cè)摩阻力和端摩阻力影響不大。另外，場地基巖為石灰?guī)r，溶洞發(fā)育，溶洞裂隙水復雜多變，對場地和擬建工程影響較大，對擬建建（構(gòu)）筑物樁基設(shè)計和施工會帶來一定的不利影響。

4.2 特殊巖土對樁基的危害及措施建議

場地特殊巖土主要為素填土和邊坡殘積黏性土土。擬建場地廣泛分布素填土，自重固結(jié)未完成，可對樁基產(chǎn)生負摩擦力；軟土層會降低甚至消除樁的側(cè)摩阻力，從而降低樁基的豎向承載力，引起建筑物的不均勻沉降，需要加強基礎(chǔ)和承臺的整體性和剛度，減小荷載，增強上部結(jié)構(gòu)的整體剛度和均勻?qū)ΨQ性。根據(jù)行業(yè)標準《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）第5.4.4條，考慮摩擦力對樁基承載力和沉降的影響，驗算樁基承載力。

4.3 影響巖溶場地樁基的因素

場地屬于埋藏灰?guī)r段，場地上部分布一層厚度為1.00m-15.50m的素填土，局部為厚度為2.10m-9.40m的軟可塑狀坡殘積粉質(zhì)黏土，下基巖面埋深11.30m-32.60m，巖石以中厚層-厚層為主，裂隙相對發(fā)育，膠結(jié)較差。已鉆溶洞的孔隙率為34.04%，已鉆線路的巖溶率為10.05%。調(diào)查表明，溶洞頂板最小埋深為13.08米，平均孔徑為1.68米，最大孔徑高達6.00米，孔徑較大，頂板厚度較小。結(jié)果表明，大部分洞穴已被完全填滿，填充物為軟塑性黏性土和砂土。一些勘探孔顯示洞穴是中空的，一些洞穴是柱狀洞穴。在這種情況下，巖溶發(fā)育迅速。根據(jù)《巖溶地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)標準》（GB/T51238-2018），該場地為巖溶發(fā)育強烈、溶洞穩(wěn)定性差、場地穩(wěn)定性極不穩(wěn)定的場地，屬于巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)。本場地的工程地質(zhì)條件對樁基工程可能造成的工程風險分析如下：①場地下伏石灰?guī)r基巖面在水平和垂直方向波動較大，會對擬建建（構(gòu)）筑物的樁基設(shè)計和施工帶來一定的不利影響。②在樁基施工中，特別是沖孔灌注樁施工中，由于施工振動和對巖溶地下水的擾動，容易發(fā)生孔口地面塌陷事故。因此，樁基施工應盡可能避免振動。當遇到軟土或溶洞時，應使用鋼套管保護墻體。設(shè)計中采用沖孔灌注樁時，應提前進行超前鉆勘察，逐個查明溶洞的發(fā)育情況。當沖孔穿過巖層界面時（特別是遇到溶洞時），沖孔作業(yè)時應根據(jù)地質(zhì)情況及時調(diào)整樁錘的行程，以避免卡錘。溶洞頂板較薄時，應及時調(diào)整樁錘行程，避免可能發(fā)生的擊穿事故。③設(shè)計中采用預制靜壓管樁時，由于基巖面起伏劇烈，巖面傾斜或陡峭，容易造成樁端滑移，甚至斷樁。當樁端支撐在溶洞薄頂板上時，樁基承受上部荷載時，可能發(fā)生破壞事故。因此，單樁的設(shè)計承載力不宜過高。施工前應對樁進行測試，選擇合適的最終壓力值。

以上是巖溶發(fā)育強烈地區(qū)基礎(chǔ)施工風險的主要可能形式。在實際工程中，巖溶施工事故更加多樣，原因可能是單一原因，也可能是多種原因的組合。當風險累積到使巖溶地基地穩(wěn)定性達到一定的極限狀態(tài)時，就會出現(xiàn)一定程度的失穩(wěn)破壞，造成一定的工程事故。

5 結(jié)語

綜上所述，樁基的可選類型包括預制樁、鉆孔灌注樁、旋挖樁、沉管灌注樁和長螺旋灌注樁。樁基的選擇主要由場地周圍環(huán)境、地層條件和施工可行性決定。基礎(chǔ)選擇的原則應綜合考慮工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、上部結(jié)構(gòu)類型、使用功能、荷載特性、施工技術(shù)條件和環(huán)境；要注重地方經(jīng)驗，因地制宜，注重概念設(shè)計，合理選擇基本形式，節(jié)約資源。