花崗巖孤石發(fā)育地區(qū)樁基勘察優(yōu)化技術(shù)研究

楊日輝

（廣東省重工建筑設(shè)計院技術(shù)咨詢有限公司 廣州 510670）

0 引言

據(jù)廣東區(qū)域地質(zhì)圖，沿海地區(qū)大面積出露花崗巖［1］，形成較大規(guī)模分布的孤石群，包括地表孤石、地下孤石，其中地下孤石又分為第四系孤石、風(fēng)化層孤石。

孤石的分布對基礎(chǔ)設(shè)計影響較大：對淺基礎(chǔ)來說，往往形成不均勻地基，產(chǎn)生不均勻沉降，危害結(jié)構(gòu)安全；對于深基礎(chǔ)（樁基礎(chǔ)）來說，難以采用預(yù)制樁打入的方式進(jìn)行施工［2-3］，而對于孤石發(fā)育地區(qū)的深基礎(chǔ)施工，往往查明孤石分布對基礎(chǔ)設(shè)計尤其是采用灌注樁［4］施工工藝顯得尤為重要。

勘察單位在花崗巖孤石發(fā)育地區(qū)進(jìn)行工程地質(zhì)勘察時，往往存在以下問題：①規(guī)范真空問題，對巖溶地區(qū)的樁基詳勘工作量布置有明確的規(guī)范［5］支撐，而國家標(biāo)準(zhǔn)或省市相關(guān)規(guī)范未對樁基詳勘階段的勘察工作量布置有比較明確的規(guī)范條文，這就導(dǎo)致后期勘察工作量布置無規(guī)范可依；②勘察設(shè)計單位對孤石的發(fā)育情況無法把握，往往建議進(jìn)行逐樁鉆探，可能造成一定程度的投資浪費(fèi)；③從業(yè)主投資管理角度，勘察投入難于把控勘察成本。因此，根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載，結(jié)合地層及孤石分布情況，對孤石發(fā)育地區(qū)的樁基勘察工作量布置進(jìn)行研究非常必要。

1 定義及必要的假設(shè)

鑒于本文篇幅及孤石成因復(fù)雜性原因，暫不對表層、第四系沖洪積層孤石進(jìn)行相應(yīng)研究，本文重點對風(fēng)化層孤石進(jìn)行重點研究。為便于分析闡述，下面提出技術(shù)研究關(guān)鍵術(shù)語的定義及為了便于研究提出的必要假設(shè)。

1.1 定義

⑴特征地質(zhì)鉆孔（ZK）：用于表征具體建筑物范圍代表性地層分布的勘探鉆孔。特征代表地質(zhì)鉆孔可以是1 個，特殊情況（地質(zhì)條件復(fù)雜時）也可以是多個，一般情況可簡化為一個。

⑵特征土層厚度（h）：簡稱均厚，單位m，編號hi（i=1，2，3），用于表征建筑物特征代表鉆孔的各特征土層平均厚度。

⑶安全深度hs：特征地質(zhì)鉆孔中嵌入孤石（直徑d）一定深度后滿足樁基承載力要求所需達(dá)到的樁長。

⑷危險深度hd：特征地質(zhì)鉆孔中嵌入孤石（直徑d）最大深度后未能滿足樁基承載力要求所需達(dá)到的臨界樁長。

⑸平衡深度：介于上述兩者之間的樁長。

⑹場地見孤率（%）：所有勘察鉆孔中揭露孤石的比例；根據(jù)孤石分布的深度范圍，對于勘探孔深部揭露的孤石比例（樁頂算起的孤石埋深hg符合hg≥hs時），稱為安全見孤率；對于勘探孔淺部揭露的孤石比例（埋深hg符合hg≤hd時），稱為危險見孤率；孤石埋深hg符合hd≤hg≤hs時的孤石比例，稱為平衡見孤率。其存在以下關(guān)系：

場地見孤率（%）=危險見孤率+平衡見孤率+安全見孤率。

優(yōu)化指數(shù)（%）=100%×（危險見孤率+安全見孤率）/場地見孤率

1.2 必要的假設(shè)

假設(shè)孤石風(fēng)化成圓球體（直徑d，單位m），為了便于研究，當(dāng)d＜D（D為樁基直徑，單位m）時，一般情況，考慮到大直徑樁嵌巖要求，一般會嵌巖超過1D，這時候孤石很可能被擊穿，故而不研究d≤D的情況；一般上，認(rèn)為d＞D的情況才有研究的價值。一般來說，花崗巖孤石的直徑≥勘探孤石層厚，因此按孤石揭露厚度作為孤石直徑保守考慮，且假設(shè)樁基受力通過球體形心對樁基承載力進(jìn)行研究。

1.3 等效平均側(cè)摩阻力特征值

特征鉆孔中，孤石之上覆蓋層厚度范圍內(nèi)平均側(cè)摩阻力特征值可用下式計算：

其中：hi為第i層土層厚度（m）；qsia為第i層土層摩阻力特征值（kPa）。

2 工作量優(yōu)化理論技術(shù)研究

2.1 孤石發(fā)育程度分級

根據(jù)孤石的場地條件，包括地表孤石的發(fā)育情況、勘探孔中孤石的見孤率或線孤石率大小，結(jié)合其對工程實際可能產(chǎn)生的影響，對孤石的發(fā)育程度進(jìn)行分級如表1所示。

表1 孤石發(fā)育程度分級Tab.1 Classification of the Development Degree of Boulder

2.2 受力模型理論研究

假如上部荷載傳遞到樁頂荷載為Q（kN），樁端進(jìn)入孤石深度hr（由孤石頂面算起且hr≥0.5 m），孤石直徑d（d＞hr），樁基承載力由3個部分組成，孤石之上覆蓋層土層樁側(cè)總摩阻力特征值Rsa、入巖段孤石側(cè)摩阻力特征值Rra、持力層總端阻特征值Rpa；倘若孤石直徑D足夠大，樁端嵌巖入孤石中，那么可視為樁端為擴(kuò)大球體頭，樁端端阻面積Ap可按擴(kuò)大基礎(chǔ)考慮，樁端按強(qiáng)風(fēng)化巖層的天然濕度抗壓強(qiáng)度取值；考慮到孤石之下一般為全、強(qiáng)風(fēng)化層，壓縮模量較大，一般來說樁基總體沉降可控，因此樁基總體沉降可不予考慮；樁端之下完整連續(xù)孤石厚度只需要滿足受沖切承載力要求，單樁承載力計算［6］仍可按嵌巖樁公式進(jìn)行相應(yīng)計算；當(dāng)孤石直徑足夠大，滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ 15—31—2016》不少于3D之要求時，可完全按嵌巖樁考慮，此時，樁底應(yīng)力經(jīng)連續(xù)孤石應(yīng)力擴(kuò)散后，強(qiáng)風(fēng)化層承載力可滿足持力層要求。

2.3 孤石埋深的3種情況及相應(yīng)工作量布置建議

綜上所述，對于樁基來說，在特征代表地質(zhì)鉆孔中，對一定直徑d（變量）的孤石及樁頂荷載T，存在安全深度深度hs（由樁頂算起，單位m，下同），荷載（承載力，單位kN）-深度（樁長）關(guān)系如圖1所示，當(dāng)樁長h≥hs時，無論孤石直徑多大，總是存在hs，滿足樁基承載力滿足R≥T；第二種情況，同時也存在危險深度hd，當(dāng)樁長h≤hd時，無論在此深度范圍以上遇孤石，即使孤石直徑相對較大，也應(yīng)予以穿越；第三種情況，詳勘大部分勘探孔揭露的孤石埋深hg符合hd≤hg≤hs時，且平衡見孤率較高時，此時應(yīng)對場地進(jìn)行逐樁施工勘察，如果詳勘階段上述深度范圍的見孤率較低，那么可以適當(dāng)在施工階段采用超前地質(zhì)鉆或物探［7-8］予以探明。因此，當(dāng)詳勘大部分勘探孔深部揭露的孤石埋深hg符合hg≥hs時，樁端入孤石，樁長為hs，那么即使場地見孤率很高，也沒有必要進(jìn)行逐樁勘探；同理，當(dāng)詳勘大部分勘探孔淺部揭露的孤石埋深hg符合hg≤hd時，樁端應(yīng)穿越孤石，向下尋找持力層，那么即使場地存在見孤率很高，也沒有必要進(jìn)行逐樁勘探。

圖1 荷載（承載力）-深度（樁長）關(guān)系（D變量）Fig.1 Relationship of Load（Bearing Capacity）-Depth（Pile Length）（D Variable）

3 計算及工作量布置分析步驟

3.1 孤石相關(guān)計算

孤石之上覆蓋層總厚度（從樁頂計算起）h，則孤石之上覆蓋層厚度范圍內(nèi)：

土層樁側(cè)總側(cè)摩阻力特征值［9］：Rsa=qsauh

樁側(cè)巖總摩阻力特征值［1］：Rra=upC2frshr

持力巖層總端阻力特征值［1］：Rpa=C1frpAp

因此，單樁豎向承載力特征值［1］：Ra=Rsa+Rra+Rpa

令T≤Ra，取d=2，3，4，5……n。

3.2 工作量布置分析步驟

⑴根據(jù)詳勘布置縱橫剖面，結(jié)合地形地貌及巖面情況，確定單棟建筑物特征地質(zhì)鉆孔。

⑵根據(jù)特征鉆孔，按孤石直徑的大小，分別畫出承載力-孤石埋深hg關(guān)系曲線。

⑶根據(jù)上述曲線確定安全深度hs、危險深度hd。

⑷統(tǒng)計危險見孤率、平衡見孤率、安全見孤率。

⑸按表2 所示，根據(jù)孤石發(fā)育等級及優(yōu)化指數(shù)，提出樁基勘察建議。

表2 勘探工作量布置建議Tab.2 Exploration Workload Layout Proposal

4 案例

根據(jù)上述理論研究成果，對廣州某項目［10］花崗巖孤石發(fā)育場地進(jìn)行研究，詳勘場地見孤率為19.51%，場地孤石最大勘探揭露直徑為2.9 m，線孤石率小于20%，查表1為中等發(fā)育場地根據(jù)孤石發(fā)育情況，對各建筑物進(jìn)行孤石補(bǔ)勘情況研究，得出相應(yīng)安全深度及危險深度，研究結(jié)果顯示，大部分孤石分布于安全深度之下或危險深度之上，僅少量處于平衡深度范圍，因此對局部酌情進(jìn)行補(bǔ)勘，在設(shè)計院推薦逐樁勘探的基礎(chǔ)上，勘探工作量縮減了80%左右，節(jié)約勘察投資投資約人民幣80 萬左右。研究成果如表3 所示，可見，僅需對T6#6棟建筑進(jìn)行酌情補(bǔ)充勘探即可。

表3 某項目孤石勘察工作量布置研究成果Tab.3 The Research Results of the Workload Layout of the Boulder Investigation

5 幾點有益的思考

⑴優(yōu)化方案的提出，需要具有行業(yè)經(jīng)驗豐富的巖土工程師，其尤其是要對花崗巖孤石的成因及分布規(guī)律具有清楚、專業(yè)的認(rèn)識，關(guān)鍵在于對特征地質(zhì)鉆孔的選取，才能得到比較合適的安全深度及危險深度。

⑵樁端承載力的發(fā)揮，取決于孤石的直徑及樁端與孤石之間的空間關(guān)系。在滿足受沖切承載力要求的同時，受力模式與孤石直徑d之間的相互關(guān)系值得進(jìn)一步研究。

⑶優(yōu)化指數(shù)、發(fā)育等級及勘探建議之間的聯(lián)系，宜根據(jù)工程實踐進(jìn)一步細(xì)化。

6 結(jié)論

⑴對花崗巖孤石發(fā)育場地劃分為孤石強(qiáng)發(fā)育、中等發(fā)育及弱發(fā)育3個等級。

⑵根據(jù)孤石發(fā)育的空間規(guī)律，考慮樁基嵌入孤石的情況下，進(jìn)行了相應(yīng)的受力模式研究，提出了計算模式及研究步驟，繪制出荷載-深度（樁長）關(guān)系圖，提出了安全深度、危險深度以及介于兩者之間的平衡深度、危險見孤率、安全見孤率、優(yōu)化指數(shù)等概念。

⑶不同孤石發(fā)育等級下，根據(jù)計算的優(yōu)化指數(shù)，提出孤石空間發(fā)育的3種情況及相應(yīng)工作量布置建議。

⑷安全深度與危險深度與孤石直徑大小存在線形關(guān)系，當(dāng)孤石直徑d變化范圍窄時，平衡見孤率相對較小，優(yōu)化指數(shù)相對變大，場地勘探工作量可優(yōu)化空間高。

⑸花崗巖樁基孤石勘察優(yōu)化技術(shù)研究理論及研究成果應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，為項目勘察節(jié)約了投資，可為同類工程提供參考借鑒。