基于中風(fēng)化巖面分布特征的樁長確定方法研究與應(yīng)用

朱杭琦 李飛飛 王小東 王濤

摘 要：地鐵車輛段等大型場站建設(shè)過程中，樁基礎(chǔ)應(yīng)用廣泛，而樁長的確定是一項重要的工作。本文結(jié)合合肥地鐵4號線科學(xué)城車輛段巖土工程勘察成果，在定性及定量的確定中風(fēng)化巖后，對該場地內(nèi)中風(fēng)化巖面埋深及標高進行統(tǒng)計，沿鉆孔剖面線方向?qū)χ酗L(fēng)化巖空間分布進行分析，結(jié)合Surfer軟件繪制場地中風(fēng)化巖面等值線分布圖，量化整個場區(qū)范圍內(nèi)中風(fēng)化巖面深度。結(jié)果表明：場地內(nèi)中風(fēng)化巖層連續(xù)廣泛分布，沿鉆孔剖面線由南至北向巖面埋深呈中間深兩邊淺的趨勢，由西至東向中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖埋深逐漸變淺。最后根據(jù)樁長計算公式和場地內(nèi)中風(fēng)化巖面等值線分布圖，確定樁長。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛段;樁長;中風(fēng)化巖面;等值線分布圖

Abstract： The pile foundation is widely used in the construction of large-scale station such as metro vehicle depot， and the determination of pile length is an important task. In this paper， based on the results of geotechnical engineering investigation in Scientific City of Hefei Metro Line 4， and after qualitatively and quantitatively determining the weathering rock， statistics of middle-weathered rock buried depth and level elevation in the site are made， The spatial distribution of middle-weathered rock is analyzed along the borehole profile， and the contour map of weathered rock Surfer in the site is drawn with Surfer software， and the depth of middle-weathered rock Surfer in the whole field is quantified. The results show that the middle-weathered rock layers are distributed widely in the site. The burial depth of the rock face along the borehole profile line from south to north shows a shallow trend on both sides of the middle depth. The burial depth of weathered sandy mudstone gradually decreases from west to east. Finally， the pile length is determined according to the formula of pile length and the contour map of weathered rock surface in the site.

Keywords： Subway depot; Pile length; Middle-weathered rock surface; Contour map

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，地鐵建設(shè)如火如荼。車輛段作為地鐵行車系統(tǒng)的重要組成部分，其穩(wěn)定性及安全性尤為重要，而基礎(chǔ)型式的選擇及設(shè)計施工往往是影響建構(gòu)筑物穩(wěn)定性的一大因素。地鐵車輛段包含眾多單體建構(gòu)筑物，諸如停車列檢庫、聯(lián)合檢修庫等大型單體建筑均采用樁基礎(chǔ)。針對如此大型建構(gòu)筑物，樁基設(shè)計一直是一個十分凸顯的問題，樁長的確定更是關(guān)鍵。而樁長可先根據(jù)地質(zhì)條件選擇適宜的持力層初步確定，持力層對于樁的承載力和沉降量有著重要的影響，一般情況下希望把樁底置于巖層或堅實的土層上，以得到較大的承載能力和較小的沉降量（魏成國等，2018）。在實際工作中，往往設(shè)計人員根據(jù)場地內(nèi)中風(fēng)化巖面標高，取平均值，然后在圖紙上要求所有樁進入持力層某一深度，具體樁長根據(jù)現(xiàn)場樁基挖孔確定。這樣的做法不僅未考慮地質(zhì)情況的不均勻性，而且未能做到精細化計算，造成工程造價的增加。因此如何準確確定樁長（特別是嵌巖樁）十分關(guān)鍵。

本文以合肥地鐵4號線科學(xué)城車輛段為例，對該場地內(nèi)中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖物理力學(xué)性質(zhì)進行研究，沿鉆孔剖面線方向?qū)χ酗L(fēng)化砂質(zhì)泥巖空間分布特征進行分析，結(jié)合Surfer軟件繪制場地中風(fēng)化巖面標高等值線分布圖，直觀的反映整個場區(qū)范圍內(nèi)中風(fēng)化巖面深度，從而提出了一種簡單有效的樁長確定方法。對樁基設(shè)計和施工具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

擬建科學(xué)城車輛段位于安徽省合肥市，該地基基本呈規(guī)則矩形。南北長約890m，東西長約240～330m，總用地面積約28.49公頃。現(xiàn)場自然地勢南北向基本呈現(xiàn)為中間高兩端低，東西向基本呈現(xiàn)為西高東低。自然地面標高在33.40～47.10m之間，平均標高約40.30m。其中停車列檢庫、聯(lián)合檢修庫、洗車庫、不落輪鏇庫、司機宿舍樓等單體擬采用樁基礎(chǔ)。

根據(jù)前期勘察結(jié)果，43m勘探深度范圍內(nèi)地層主要為人工填土層、第四系沉積的黏性土、殘積土，下伏基巖為白堊系砂質(zhì)泥巖（表1）。地下水類型為上層滯水和基巖裂隙水，上層滯水主要賦存于表層人工填土層?？茖W(xué)城車輛段平面圖簡圖及典型地質(zhì)剖面（局部）見圖1、圖2。

2 中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖物理力學(xué)性質(zhì)及空間分布特征

2.1 砂質(zhì)泥巖中風(fēng)化巖面的確定

（1）現(xiàn)場野外鑒別

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料顯示，合肥地區(qū)基巖主要為白堊系及侏羅系砂質(zhì)泥巖。在野外鉆探過程中，根據(jù)鉆進難易程度、鉆具切削聲音可初步判定巖層面。取芯后，經(jīng)計算RQD值、采取率作為判別依據(jù)，而后通過肉眼觀察，聽錘擊聲，測量巖芯的節(jié)長，統(tǒng)計節(jié)理裂隙發(fā)育程度，綜合這幾項鑒別風(fēng)化程度。

（2）原位測試

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001），泥巖可根據(jù)標貫擊數(shù)來判定風(fēng)化程度。因此在現(xiàn)場肉眼鑒別的基礎(chǔ)上，可通過做原位試驗-標準貫入測試。對于合肥地區(qū)砂質(zhì)泥巖，一般標貫值大于100即為中風(fēng)化巖。

（3）波速值

通過波速試驗，定量確定各個土層的波速值（李日運等，2004）。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010），壓縮波波速值大于500可判定為中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。本次勘察過程中，對中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，在野外鑒別的基礎(chǔ)上，分別采用了標準貫入試驗和波速試驗。

擬建科學(xué)城車輛段共布置393個鉆孔，選取200個鉆孔作為原位測試孔。試驗前清孔干凈，試驗豎向間距為1～2m，要求貫入45cm，先預(yù)打15cm，再貫入30cm深度的錘擊數(shù)為標貫的實際錘擊數(shù)。如果擊數(shù)大于50擊，可以停止，記錄相應(yīng)擊數(shù)下的貫入深度。通過現(xiàn)場標準貫入試驗，中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖擊數(shù)在100～109之間，平均值為104擊。

選取3個鉆孔進行波速測試，采用單孔檢層法，即采用地面激振，在勘探孔中接收來自地面激振所產(chǎn)生的波動信號，通過分析、結(jié)合鉆孔資料，分層統(tǒng)計計算得出土層的剪切波速，縱波波速、動剪切模量、動彈性模量及動泊松比，繪制Vs-H曲線。通過波速試驗，測得中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖剪切波速值為517～632m/s，平均值為567m/s。

結(jié)合以上方法，定性和定量結(jié)合，再考慮室內(nèi)單軸抗壓強度試驗值（袁桂花等，2019;劉成禹等，2011），以確定中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖揭露的深度。

2.2 中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖物理力學(xué)性質(zhì)

擬建工程地貌單元為南淝河二級階地，場地內(nèi)鉆探揭露基巖為砂質(zhì)泥巖，為層狀結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，局部夾中風(fēng)化泥巖，巖芯呈短柱狀，少量為柱狀，錘擊聲啞，無回彈，局部風(fēng)化強烈，風(fēng)化裂隙發(fā)育（圖3）。巖體基本質(zhì)量等級為IV級。天然單軸抗壓強度為1.77MPa，為極軟巖。暴露空氣中易風(fēng)化、遇水易軟化，具崩解性，失水收縮、開裂，強度降低。其地基承載力特征值為500kPa，灌注樁樁端土極限端阻力標準值為2500kPa。

2.3 中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖空間分布特征

根據(jù)外業(yè)勘探成果，對場地內(nèi)中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖埋深進行統(tǒng)計（表2），巖面埋深情況見圖4。沿車輛段勘探孔4個典型剖面線方向繪制中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖埋深變化趨勢圖，對中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖空間分布特征進行分析，見圖5、圖6。

由圖4至圖6可以看出，沿鉆孔剖面線由南至北孔口標高在34.18～41.56m之間，地勢大致為中間高，南北低。中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖埋深呈現(xiàn)南北淺中間深的趨勢;沿鉆孔剖面線由西至東孔口標高在34.10～39.84m之間，地勢大致為西高東低，中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖埋深由西向東呈現(xiàn)逐漸變淺的趨勢。

3 樁長確定方法

3.1 樁長計算

對于車輛段停車列檢庫、聯(lián)合檢修庫、洗車庫、不落輪鏇庫、司機宿舍樓等單體，樁基礎(chǔ)均選擇端承樁，即選取中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖作為樁端持力層。由《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94 -2008）查得，樁長可根據(jù)下式計算：

式中：u為各土層或各巖層部分的樁身周長;qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標準值;li為各土層的厚度;qpk為極限端阻力標準值;Ap為樁端截面面積;n為土的層數(shù)

以停車列檢庫為例，經(jīng)計算，樁端入中風(fēng)化巖0.5m即可滿足要求。

3.2 中風(fēng)化巖面標高的確定

根據(jù)鉆孔揭露情況，對整個場地中風(fēng)化巖層頂高程進行統(tǒng)計，采用克里金插值法（Cressie，1991），將數(shù)據(jù)錄入到Surfer軟件中，結(jié)合該軟件繪制中風(fēng)化巖面標高等值線圖（圖7）。

由圖7可知，停車列檢庫巖面標高值為19.0～25.0m，聯(lián)合檢修庫巖面標高值為18.0～21.0m，洗車庫巖面標高值為23.0～25.0m，不落輪鏇庫巖面標高值為18.0～20.0m，司機宿舍樓巖面標高值為19.0～21.0m。

根據(jù)3.1節(jié)樁長計算結(jié)果可知，樁端入中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖0.5m即可。按此原則，設(shè)計及施工單位只需通過中風(fēng)化巖面等值線圖直接讀出各建構(gòu)筑物樁長。因此每根樁都可以精確地確定樁長，這樣就避免了對樁長造成不必要的浪費，節(jié)省工程造價，而且方法簡單，操作性強，方便施工單位確定中風(fēng)化巖面，大大節(jié)約了工期。

4 結(jié)論

（1） 根據(jù)勘察成果，場地內(nèi)中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖埋深由南至北大體呈中間深南北淺的趨勢;由西向東呈逐漸變淺的趨勢;從標高統(tǒng)計來看，場地西南方向中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖面標高較低，東北、西北、東南方向中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖巖面標高較高。

（2）針對車輛段內(nèi)采用樁基礎(chǔ)的建筑物單體，只需經(jīng)過計算，確定樁端入巖深度，根據(jù)場地內(nèi)中風(fēng)化巖面等值線圖，可直觀的確定每根樁的長度，節(jié)約了工程造價，同時也解決了判斷中風(fēng)化巖面的困擾，大大節(jié)省了工期。

（3）利用Surfer軟件繪制的中風(fēng)化巖面等值線圖，可用于指導(dǎo)復(fù)雜地質(zhì)條件下的樁基設(shè)計，對工程建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻：

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劉成禹， 何滿潮， 2011. 對巖石風(fēng)化程度敏感的化學(xué)風(fēng)化指數(shù)研究[J]. 地球與環(huán)境， 39（3）：349-354.

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