預(yù)制樁在覆蓋型巖溶區(qū)建設(shè)工程中的應(yīng)用
——以繁昌中醫(yī)醫(yī)院工程項(xiàng)目為例

彭建林

（安徽省核工業(yè)勘查技術(shù)總院，安徽蕪湖 241002）

0 引言

巖溶在我國(guó)分布范圍很廣，其中以碳酸鹽類巖石的巖溶為主。巖溶類型一般可分為地表巖溶地貌和地下巖溶地貌[1]，形態(tài)復(fù)雜多變。巖溶問(wèn)題也常常給建設(shè)工程的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工帶來(lái)較大的困難[2]。目前，針對(duì)巖溶區(qū)勘察主要采用工程地質(zhì)測(cè)繪和調(diào)查、地球物理勘探、鉆探及取樣。設(shè)計(jì)巖溶地基基礎(chǔ)時(shí)，可根據(jù)覆蓋層地質(zhì)情況設(shè)計(jì)天然地基，當(dāng)天然地基不滿足要求時(shí)，采用復(fù)合地基或樁基以及進(jìn)行巖溶地基處理，常見(jiàn)方法包括充填法、跨越法、樁基法[3]，其中樁基法運(yùn)用最為普遍。

以蕪湖市繁昌中醫(yī)醫(yī)院工程項(xiàng)目為例，研究區(qū)為覆蓋型的隱伏巖溶區(qū)，該場(chǎng)地覆蓋層平均厚度約為20 m，地層分布從上到下依次為填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土（可塑）、石灰?guī)r。石灰?guī)r巖溶強(qiáng)發(fā)育，完整石灰?guī)r分布深度超過(guò)40 m。擬建醫(yī)技樓單樁荷載較大，場(chǎng)地?zé)o天然地基持力層，只能采用樁基礎(chǔ)，考慮施工安全、質(zhì)量、造價(jià)及工程進(jìn)度，不采用以深部完整石灰?guī)r為樁基持力層的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)方案，而是充分利用上部土層，采用淺埋基礎(chǔ)[4]，以含礫粉質(zhì)黏土層為持力層的預(yù)制樁基礎(chǔ)方案。根據(jù)樁基載荷試驗(yàn)、結(jié)合理論計(jì)算（等效分層總和法）和FLAC3D 數(shù)值模擬對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行承載力及沉降研究。

1 工程概況

繁昌中醫(yī)醫(yī)院項(xiàng)目位于蕪湖市繁昌區(qū)，浮峨路以北，繁陽(yáng)大道以東，項(xiàng)目用地總面積為33 337.2 m2。2020 年9—11 月對(duì)該院區(qū)的醫(yī)技樓進(jìn)行了巖土工程勘察。該建筑物采用框架結(jié)構(gòu)，概況見(jiàn)表1。

表1 醫(yī)技樓工程概況Table 1. General information about the medical technology building engineering

2 地形地貌及水文條件

繁昌區(qū)境內(nèi)平原按其特征分為圩區(qū)平原和少量河谷平原。圩區(qū)平原地勢(shì)低平，水網(wǎng)密布，一般標(biāo)高為6～10 m，是該區(qū)主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地。河谷平原，俗稱“沖田”，一般高程為8～30 m，包括孫村赤沙河流域龍?zhí)翞持辆胚B圩一帶、水口山至九連圩一帶以及荻港古家沖、繁陽(yáng)長(zhǎng)形沖、范沖、峨山毛塘等地[5]。

本工程場(chǎng)地地勢(shì)較為平坦，整體地貌為長(zhǎng)江東岸二級(jí)階地。峨西河以北東流向從場(chǎng)地北側(cè)經(jīng)過(guò)，并在場(chǎng)地東側(cè)形成支流。

本場(chǎng)地按地下水的賦存形式可分為上層滯水、孔隙性潛水、基巖裂隙水及巖溶水。上層滯水主要埋藏于第①層填土中，一般無(wú)穩(wěn)定的自由水面，主要受大氣降水及河流補(bǔ)給，以蒸發(fā)和徑流排泄為主，少量向下滲入，地下水位隨季節(jié)變化，降水后水位明顯上升，干旱季節(jié)大幅下降，年變化幅度在1.00 m 左右；第②層粉質(zhì)黏土、第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土含孔隙性潛水，透水性差，其活動(dòng)形式以滲透徑流為主；第④層含礫粉質(zhì)黏土為相對(duì)隔水層；基巖裂隙水及巖溶水賦存于下部基巖中。第①、②、③層地下水與第⑧層基巖中地下水存在越流補(bǔ)給關(guān)系。地下水位埋深約為2.5 m，地下水位標(biāo)高約為8.1 m。

3 工程地質(zhì)層劃分

（1）本區(qū)勘察深度范圍內(nèi)，地層自上而下分為5大層，編號(hào)第⑤～⑦層本場(chǎng)地缺失。

第②～④層為第四系沖洪積層(Q4al+pl)，第⑤層為三疊系中統(tǒng)銅頭尖組（T2t）石灰?guī)r。

第①層填土(Q4ml)：灰色、灰褐色、黑色、黃褐色，稍濕~飽和，稍密，軟~可塑，含碎石，富含植物根系。根據(jù)調(diào)查，該填土的回填年限超過(guò)7 年。層底埋深為3.50～5.60 m，平均為4.47 m，平均厚度為4.47 m。

第②層粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)：灰色、灰黃色，軟塑為主，含少量高嶺土，切面較光滑，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度及韌性中等。層底埋深為6.00～7.30 m，平均為6.53 m，平均厚度為2.06 m。fak=110 kPa。

第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)：灰~灰黑色，軟~流塑，含腐殖質(zhì)，有異臭味，切面較光滑，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度及韌性中等，局部夾淤泥質(zhì)粉土、淤泥及薄層粉細(xì)砂。場(chǎng)區(qū)普遍分布。層底埋深為11.30～15.00 m，平均為12.91 m，平均厚度為6.38m。fak=60 kPa。

第④層含礫粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)：黃褐色，可~硬塑，礫石含量為30%～40%，該層土質(zhì)不均勻，切面較光滑，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等。場(chǎng)區(qū)普遍分布。層底埋深為20.80～30.00 m，平均為22.7 m，平均厚度為9.79 m。fak=150 kPa。

第⑧1層石灰?guī)r（T2t）：灰白色，中風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育。巖心呈碎塊狀，局部呈短柱狀，溶蝕現(xiàn)象十分發(fā)育。鉆進(jìn)過(guò)程中不掉鉆，進(jìn)尺較快，巖心極破碎且較少，呈卵礫狀。巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。該層未穿透。fak=280 kPa。

第⑧2層溶洞（T2t）：不規(guī)則狀分布于石灰?guī)r中，揭露的溶洞全充填褐紅色軟~流塑狀粉質(zhì)黏土，含灰?guī)r碎塊；局部為空洞，無(wú)充填。

第⑧3層石灰?guī)r（T2t）：灰白色，中風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育。巖心呈短柱狀，一般柱長(zhǎng)為5～15 cm，最長(zhǎng)約為20 cm，局部呈碎塊狀，一般塊徑為2～5 cm，溶蝕現(xiàn)象明顯。為較硬巖，巖體完整程度為較完整~較破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。fak=4 000 kPa。

（2）軸線 4 交 D 軸、4 交 C 軸柱下承臺(tái)鉆孔平面圖及典型地質(zhì)剖面圖如圖1、圖2所示。

圖1 鉆孔平面圖Figure 1. Drill hole plan

圖2 地質(zhì)剖面圖Figure 2. Geological profile

4 巖土工程性質(zhì)

對(duì)各土層取樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，其物理力學(xué)指標(biāo)分層統(tǒng)計(jì)成果詳見(jiàn)表2。

表2 地基土物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)Table 2. Statistics of physical and mechanical properties of foundation soil

5 基礎(chǔ)承載力及沉降研究

5.1 基礎(chǔ)選型及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

本場(chǎng)地下覆石灰?guī)r，根據(jù)勘探孔的揭露，地表以下19.6 m 開(kāi)始出現(xiàn)溶洞，主要表現(xiàn)為串珠狀豎向溶洞等，溶洞規(guī)模局部較大，洞高達(dá)6.8 m，呈多層結(jié)構(gòu)，大部分溶洞全充填軟~可塑狀黏性土，夾灰?guī)r碎塊，局部為空洞，無(wú)充填，鉆進(jìn)時(shí)漏水嚴(yán)重，完成47 個(gè)孔位鉆探，見(jiàn)洞率為77%，巖溶發(fā)育程度等級(jí)為強(qiáng)發(fā)育。第⑧1層石灰?guī)r，鉆探進(jìn)尺較快，鉆進(jìn)過(guò)程中漏水，巖心破碎嚴(yán)重且較少，呈卵礫狀；第⑧3層石灰?guī)r較完整，分布較深。

結(jié)構(gòu)傳遞柱荷載為4 000 kN/柱。若該項(xiàng)目基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁端持力層為較完整灰?guī)r層，因巖溶十分發(fā)育，溶洞豎向分布變化大，質(zhì)量、安全及工期難以控制，工程造價(jià)高。因此利用上部土層為基礎(chǔ)持力層，采用預(yù)制樁方案，以第④層含礫粉質(zhì)黏土為持力層，確保樁端下完整巖土層不小于6 m，樁長(zhǎng)約為14 m，樁型選用預(yù)制方樁。對(duì)選用樁型進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)——試樁，以進(jìn)一步確定樁長(zhǎng)及單樁承載力等參數(shù)。樁基載荷試驗(yàn)采用慢速維持法[6],試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 3. Summary of test results

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，本次試驗(yàn)樁AZH1 樁樁長(zhǎng)為14 m，單樁豎向抗壓極限承載力為1 140 kN，承載力特征值為570 kN；AZH2 樁樁長(zhǎng)為14 m，單樁豎向抗壓極限承載力為1 020 kN，承載力特征值為510 kN；AZH3 樁樁長(zhǎng)為15 m，單樁豎向抗壓極限承載力為1 200 kN，承載力特征值為600 kN。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該工程單樁豎向承載力特征值取500 kN，樁長(zhǎng)13 m，樁頂標(biāo)高7.05 m，本文計(jì)算點(diǎn)軸線4 交D 軸、C 軸柱下聯(lián)合承臺(tái)共布置16根樁，承臺(tái)尺寸為5.6 m×5.6 m（圖1）。

樁基施工完畢后，工程驗(yàn)收試驗(yàn)樁號(hào)為54#、103#、105#。加載達(dá)到預(yù)期最大試驗(yàn)荷載時(shí)，終止加載。總沉降量分別為3.56 mm、10.78 mm、6.30 mm，沉降量小于40 mm，而且荷載與位移（Q-s）曲線平緩，無(wú)明顯陡降段，s-lgt曲線呈平緩規(guī)則排列，受檢樁的單樁豎向抗壓極限承載力Quk≥1 020 kN，承載力滿足要求。樁基載荷試驗(yàn)采用慢速維持法,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 檢測(cè)結(jié)果匯總Table 4. Summary of test results

5.2 等效分層綜合法計(jì)算樁基沉降及沉降計(jì)算深度

5.2.1 樁基模型選擇

采用混凝土預(yù)制方樁，邊長(zhǎng)為400 mm，樁長(zhǎng)為13 m，正負(fù)零標(biāo)高為10.95 m，承臺(tái)底標(biāo)高為9.00 m，柱荷載為8 000 kN，基礎(chǔ)覆土平均容重為20 kN/m3，柱下承臺(tái)布樁平面圖如圖1所示。

5.2.2 樁基沉降計(jì)算

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.5.6 條及5.5.14 條，方樁等效直徑d=0.4/0.886=0.451 m，規(guī)則布樁，樁間距sa=1.60 m，樁中心距sa(1.60 m)≤6d(2.708 m)，應(yīng)按布辛奈斯克法計(jì)算沉降[7-10]。

5.2.2.1 計(jì)算承臺(tái)底附加壓力

（1）承臺(tái)底應(yīng)力。承臺(tái)底面積A=5.60 m×5.60 m=31.36 m2，承臺(tái)底埋深h=1.95 m。

柱荷載N=8 000.00 kN，基層覆土平均容量γ=20 kN/m3。

承臺(tái)及承臺(tái)以上土重G=γ×h×A=20.00×1.95×31.36=1 223.04 kN。

承臺(tái)底土的自重應(yīng)力σc=35.10 kPa。

承臺(tái)底應(yīng)力σ= (N+G)/A= (8 000.00+1 223.04)/31.36=294.10 kPa。

（2）樁端等效作用面附加應(yīng)力。承臺(tái)底附加應(yīng)力σz=σ-σc=294.10-35.10=259.00 kPa。

5.2.2.2 沉降計(jì)算

（1）沉降計(jì)算原理及應(yīng)用公式。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.5.8 條計(jì)算樁基沉降，計(jì)算深度Zn按應(yīng)力比法確定，即計(jì)算深度處的附加應(yīng)力σz與土的自重應(yīng)力σc應(yīng)滿足下列公式，此時(shí)的深度確定為沉降計(jì)算深度。

式中：σz為計(jì)算深度處的附加應(yīng)力，kPa；σc為計(jì)算深度處土的自重應(yīng)力，kPa；αj為附加應(yīng)力系數(shù)?？筛鶕?jù)角點(diǎn)法劃分的矩形長(zhǎng)寬比及深寬比按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》附錄D選用。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.5.6式計(jì)算沉降。

式中：S為樁基最終沉降量，mm；S'為采用布辛奈斯克解，按實(shí)體深基礎(chǔ)分層總和法計(jì)算出的樁基沉降量，mm；Ψ為樁基沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，當(dāng)無(wú)當(dāng)?shù)乜煽拷?jīng)驗(yàn)時(shí)可按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.5.11 條確定；Ψe為樁基等效沉降系數(shù)，可按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.5.9 條確定；m為角點(diǎn)法計(jì)算點(diǎn)對(duì)應(yīng)的矩形荷載分塊數(shù)；p0j為第j塊矩形底面在荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合下的附加壓力，kPa；n為樁基沉降計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；Esi為等效作用面以下第i層土的壓縮模量，MPa，采用地基土在自重壓力至自重壓力加附加壓力作用時(shí)的壓縮模量；zij、z(i-1)j為樁端平面第j塊荷載作用面至第i層土、第i-1 層土底面的距離為樁端平面第j塊荷載計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1 層土底面深度范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)，可按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》附錄D選用。

（2）沉降計(jì)算深度結(jié)果。承臺(tái)中心點(diǎn)沉降計(jì)算深度為5.50 m，附加應(yīng)力與自重應(yīng)力比值小于20%，沉降計(jì)算深度未超過(guò)第④層含礫粉質(zhì)黏土層位底部。

（3）承臺(tái)中心點(diǎn)沉降計(jì)算結(jié)果。沉降計(jì)算深度Zn為5.50 m，沉降計(jì)算點(diǎn)附加應(yīng)力為259.00 kPa，樁端以下各壓縮土層沉降計(jì)算量（沉降未乘樁基等效沉降系數(shù)Ψe）見(jiàn)表5。

表5 樁端以下各壓縮土層沉降量Table 5. Settlement of compressed soil layers below pile end

樁基等效沉降系數(shù)Ψe為0.307，承臺(tái)中心點(diǎn)最終沉降量為51.20 mm。

綜上，承臺(tái)中心計(jì)算點(diǎn)附加應(yīng)力影響深度未超過(guò)第④層含礫粉質(zhì)黏土底部(樁底土層保證深度為6 m)，最終沉降量為51.20 mm，小于200 mm，因此變形滿足要求。

5.3 模型試驗(yàn)

本文采用FLAC3D 有限差分軟件作為數(shù)值模擬手段[11]，對(duì)單樁在預(yù)期最大荷載作用下的沉降量進(jìn)行了模擬分析。利用實(shí)體建模技術(shù)，利用軟件自帶的radial-tunnel模塊按1∶1 的比例建立土體和樁基模型，模型的尺寸為16 m×16 m×19 m，即模型長(zhǎng)16 m、寬16 m、高19 m，混凝土預(yù)制方樁邊長(zhǎng)400 mm，樁長(zhǎng)13 m，如圖3和圖4所示。

圖3 樁基土體三維實(shí)體模型Figure 3. Three-dimensional solid model of pile foundation soil

圖4 三維實(shí)體模型切面視圖Figure 4. Section view of 3D solid model

樁身的混凝土型號(hào)為C30，密度取2 500 kg/m3，計(jì)算可得樁身的體積模量、剪切模量分別為16 700 MPa、12 500 MPa。在樁身和土層之間建立接觸面單元，接觸面采用高強(qiáng)度參數(shù)，接觸面的法向剛度和剪切剛度取周邊單元體最大等效剛度的10倍。

當(dāng)加載至1 020 kN時(shí)，等效樁頂應(yīng)力為6.375 MPa，模型的豎向位移云圖如圖5所示。樁基和土層中的豎向位移從上到下依次減小，從樁中心到四周也是依次減小，樁頂?shù)某两盗繛?.47 mm，數(shù)值模擬得到的樁頂沉降量與驗(yàn)收測(cè)試中103#樁基的樁頂沉降量較為接近。

圖5 豎向位移云圖Figure 5. Vertical displacement cloud image

6 結(jié)論

（1）研究項(xiàng)目進(jìn)行了預(yù)制樁現(xiàn)場(chǎng)單樁載荷試驗(yàn)，獲取了樁基設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行了驗(yàn)收試驗(yàn)，承載力滿足要求。

（2）采用了等效分層綜合法計(jì)算了群樁基礎(chǔ)沉降，群樁計(jì)算值比單樁載荷試驗(yàn)實(shí)際值沉降值偏高較多，附加應(yīng)力影響深度未超過(guò)第④層含礫粉質(zhì)黏土層位底部，變形滿足要求，不需考慮深部巖溶對(duì)樁基穩(wěn)定性的影響。

（3）使用FLAC3D 有限差分對(duì)樁基工程單樁承載力與沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬，與載荷試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，模型計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果十分接近，證明了模型的合理性，也驗(yàn)證了承載力及變形滿足工程要求，可用于指導(dǎo)類似工程。遺憾的是，項(xiàng)目雖布置了沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，但未進(jìn)行監(jiān)測(cè)，否則沉降數(shù)據(jù)對(duì)比可更加直觀。

（4）蕪湖市繁昌區(qū)東北區(qū)域范圍內(nèi)，地下巖溶十分發(fā)育，上部普遍分布填土及軟土，對(duì)荷載稍大一些的建（構(gòu)）筑物，淺部無(wú)天然地基持力層，深部若采用完整石灰?guī)r為鉆孔灌注樁持力層，不利于施工安全、施工質(zhì)量，也不利于工程造價(jià)和工程進(jìn)度，可充分利用上部土層為深基礎(chǔ)持力層，采用預(yù)制樁基礎(chǔ)方案。通過(guò)本文的研究，采取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)及理論計(jì)算，承載力及變形均可滿足工程要求。目前，該工程已經(jīng)竣工，實(shí)踐證明該基礎(chǔ)方案切實(shí)可行。該研究成果可用于指導(dǎo)類似工程及場(chǎng)地。

（5）基礎(chǔ)采取本方案的適用及限制條件，首先是建（構(gòu)）筑物的柱荷載不能太大，且有相對(duì)較好的深基礎(chǔ)持力層，否則單樁承載力要求高，地基土無(wú)法滿足要求；其次是需確保群樁樁底持力層厚度不小于附件應(yīng)力影響深度。