巖溶地區(qū)基坑支護(hù)灌注樁嵌固深度影響研究

呂志剛，楊劍維，黃 俊，王燕燕

（廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 廣州 510220）

關(guān)鍵字：巖溶；基坑；灌注樁；嵌固深度

0 引言

巖溶地區(qū)場(chǎng)地地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)難度較大。一方面與灰?guī)r直接接觸的上覆土層因受巖溶裂隙水的浸潤影響，土層力學(xué)性質(zhì)較差，地勘單位根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)提供的粘聚力、內(nèi)摩擦角值通常不高，設(shè)置多層地下室（≥2層）的基坑，支護(hù)樁的嵌固深度通常較長，計(jì)算表明樁底往往需嵌入灰?guī)r層，方能滿足整體抗傾覆穩(wěn)定性要求；另一方面灰?guī)r地帶巖層起伏較大，支護(hù)樁如需嵌巖控制，往往較難準(zhǔn)確把握支護(hù)樁樁長，且嵌巖施工難度較大。

從上可知，巖溶地區(qū)如何合理的確定支護(hù)灌注樁的嵌固深度，是保證基坑安全的關(guān)鍵因素，同時(shí)，支護(hù)樁嵌固深度也是基坑支護(hù)經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)（支護(hù)樁嵌巖時(shí)涉及入巖增加費(fèi)，遇到溶洞時(shí)涉及溶洞填灌處理的費(fèi)用增加），嵌巖過深時(shí)必然造成工程浪費(fèi)并嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。因此研究巖溶地區(qū)支護(hù)灌注樁的嵌固深度具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

黃俊光等人［1］從安全度、變形控制、造價(jià)及工期等因素對(duì)比分析得出，巖溶地區(qū)一般較深的基坑應(yīng)優(yōu)先選用樁錨支護(hù)形式，并提出了巖溶基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)可通過采用已施做支護(hù)樁揭露的地質(zhì)情況對(duì)嵌固深度實(shí)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，如此信息化的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)可以達(dá)到安全可行、經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)；雍毅等人［2］根據(jù)樁基施工過程中對(duì)地質(zhì)條件的探測(cè)修正，應(yīng)用理正深基坑軟件對(duì)樁基嵌固深度進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，保證了基坑支護(hù)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理；邱亮等人［3］以廣州巖溶發(fā)育的石灰?guī)r地層基坑工程為例介紹了基坑設(shè)計(jì)、巖溶處理、支護(hù)結(jié)構(gòu)施工、高強(qiáng)度灰?guī)r開挖及基坑監(jiān)測(cè)等設(shè)計(jì)施工若干關(guān)鍵技術(shù)和措施；胡鼎培等人［4］提出了在巖溶場(chǎng)地基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，為保證設(shè)計(jì)方案的安全、經(jīng)濟(jì)、合理，需遵循“重勘察，勤分段，細(xì)設(shè)計(jì)，全跟蹤，必優(yōu)化”的方式對(duì)基坑進(jìn)行包絡(luò)性設(shè)計(jì)；江杰等人［5］運(yùn)用Midas-GTS 有限元軟件模擬了溶洞的不同位置、大小對(duì)深基坑開挖的影響，并得出結(jié)論當(dāng)溶洞位于樁基正下方時(shí)，溶洞頂距樁底距離與溶洞直徑的比值＜2.5 時(shí)，溶洞需作處理，≥2.5時(shí)，溶洞可不作處理。

目前對(duì)巖溶地區(qū)基坑的研究，主要是針對(duì)溶洞病害的勘察及處理方式［6-8］，鮮有涉及巖溶地區(qū)基坑支護(hù)灌注樁嵌固深度的影響研究，本文基于巖溶地區(qū)的某基坑支護(hù)工程實(shí)例，通過計(jì)算對(duì)比分析巖溶面上覆軟弱土層厚度，對(duì)不同支護(hù)型式下的支護(hù)灌注樁嵌固深度及樁底嵌巖深度的影響，得出巖溶地區(qū)不同支護(hù)型式下支護(hù)灌注樁嵌固深度及嵌巖深度的控制標(biāo)準(zhǔn)，確保了巖溶基坑工程在安全穩(wěn)定的前提下，兼具經(jīng)濟(jì)合理性及施工便利性。

1 工程概況

本工程位于廣西某市，基坑周邊場(chǎng)地高程約54.0～55.5 m，基坑底標(biāo)高46.25 m，基坑開挖深度7.75～9.25 m，基坑平面近似矩形，南北向長約96.5 m，東西向?qū)捈s84.0 m，基坑周長約361 m，基坑底面積約8 100 m2。

2 地質(zhì)條件

開挖地層從上至下依次為素填土（松散狀）、黏性土（硬塑狀）、卵石層（稍密狀）、黏土層（可塑至軟塑狀）、灰?guī)r層（中～微風(fēng)化，巖溶中等發(fā)育）。巖溶裂隙水穩(wěn)定水位高程約46.16～48.10 m，初見水位高程約為40.26～40.70 m，年水位變幅約±2 m。巖土工程參數(shù)詳見表1，地質(zhì)剖面如圖1所示。

表1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)巖土參數(shù)取值Tab.1 Geotechnical Parameter Value of Foundation PitSupport Design

圖1 典型工程地質(zhì)剖面Fig.1 Typical Engineering Geological Profile

3 周邊環(huán)境

基坑?xùn)|面為院區(qū)內(nèi)部用地，東側(cè)地下室邊線距離擬建院區(qū)高壓氧項(xiàng)目19.3 m，距離已建成內(nèi)科樓13.2 m，且東側(cè)存在一處既有院區(qū)排污管線，距離地下室邊線約5.0 m；基坑南面為院區(qū)內(nèi)部用地，南側(cè)地下室邊線距離東南側(cè)擬建院區(qū)發(fā)熱門診項(xiàng)目22.8 m；基坑西面現(xiàn)狀為空地，遠(yuǎn)期為規(guī)規(guī)劃市政道路，西側(cè)地下室邊線距離項(xiàng)目用地紅線約5.1 m；基坑北面現(xiàn)狀為空地，遠(yuǎn)期為規(guī)規(guī)劃科研培訓(xùn)樓，北側(cè)地下室邊線距離項(xiàng)目用地紅線約67.8 m?；又苓叚h(huán)境如圖2所示。

圖2 基坑周邊環(huán)境Fig.2 Surrounding Environment of Foundation Pit

4 基坑支護(hù)方案選型

基坑西側(cè)地下室邊線距用地紅線較近（約5.1 m），紅線外為規(guī)劃市政道路用地，基坑支護(hù)不應(yīng)超出紅線范圍；南側(cè)為院區(qū)內(nèi)部用地，現(xiàn)狀為空曠地帶，但即將進(jìn)行發(fā)熱門診樓施工（先于本項(xiàng)目基坑施工），需要采用強(qiáng)支護(hù)來控制變形，確保發(fā)熱門診樓的順利施工；東側(cè)臨近既有內(nèi)科樓、規(guī)劃高壓氧項(xiàng)目（先于本項(xiàng)目基坑施工）及院區(qū)排污管線（基坑施工期間無法遷改），故需要采用強(qiáng)支護(hù)來控制變形，保證既有建筑物安全；場(chǎng)地北側(cè)現(xiàn)狀為空曠地帶，可采用放坡開挖。

結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)條件、基坑周邊環(huán)境、現(xiàn)有施工條件和施工工期等因素，各區(qū)段對(duì)應(yīng)的基坑安全等級(jí)及支護(hù)結(jié)構(gòu)型式匯總?cè)绫?所示。

表2 基坑方案選型匯總Tab.2 Summary of Foundation Pit Scheme Selection

5 支護(hù)灌注樁嵌固深度研究分析

5.1 理論分析

結(jié)合文獻(xiàn)［9-10］可知，巖溶地質(zhì)條件下，影響懸臂樁及單支點(diǎn)灌注樁支護(hù)嵌固深度設(shè)計(jì)的主要因素為土壓力及抗傾覆穩(wěn)定性（傾倒、踢腳）計(jì)算。

5.1.1 土壓力計(jì)算

作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值宜按下列公式計(jì)算：

⑴水土合算時(shí)：

當(dāng)為懸臂式支擋結(jié)構(gòu)時(shí)，上述公式以樁底為轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算；當(dāng)為單支點(diǎn)支擋式結(jié)構(gòu)時(shí)，上述公式以支點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算。Ke為嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)，安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)時(shí)分別不小于1.25、1.20、1.15。

5.1.3 位移、內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

通過基坑施工工況分析，在理正深基坑計(jì)算軟件中輸入各層土的力學(xué)參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)信息，得到各工況下土壓力、位移、剪力、彎矩、軸力包絡(luò)圖，選取典型剖面（懸臂灌注樁及樁錨支護(hù)）最不利工況包絡(luò)圖如圖3所示，根據(jù)工況計(jì)算獲取的最大剪力、彎矩、軸力，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015 年版）：GB 50010—2010》對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 典型剖面最不利工況包絡(luò)圖Fig.3 Envelope Diagram of the Most Unfavorable Working Condition of Typical Profile

根據(jù)計(jì)算分析，南側(cè)區(qū)段選用φ1 200@1 500 的懸臂灌注樁支護(hù)方案，西側(cè)區(qū)段采用φ1 200@1 500灌注樁+采用一道預(yù)應(yīng)力錨索（水平間距為1.5 m）支護(hù)方案，灌注樁外側(cè)采用φ600 mm樁徑的雙管高壓旋噴樁進(jìn)行樁間止水，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)典型剖面如圖4所示。

圖4 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)典型剖面Fig.4 Typical Section of Foundation Pit Support Structure Design （mm）

巖溶地區(qū)，往往巖面起伏較大，巖面以上覆蓋土層厚度存在不確定性，并且由于巖溶基巖裂隙水的存在，與基巖接觸的上覆土層通常處于濕潤態(tài)的可塑甚至軟塑狀，因此如何在該種地層條件下確定支護(hù)樁的嵌固長度至為關(guān)鍵，既關(guān)系支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，又關(guān)系工程成本的經(jīng)濟(jì)性。下面通過理正深基坑計(jì)算軟件，結(jié)合上述工程案例，通過假定不同上覆土層的厚度，來計(jì)算分析不同支護(hù)型式下的灌注樁嵌固長度。

5.2 懸臂支護(hù)情況

選取南側(cè)懸臂單排灌注樁區(qū)段（φ1 200@1 500），支護(hù)剖面如圖3所示，結(jié)合地勘選取的實(shí)際鉆孔ZK28，地層從上至下依次為0.5 m 厚填土、3.0 m 厚黏性土、8.0 m厚卵石、2.0 m厚黏性土及下伏基巖。

5.2.1 黏性土④厚度對(duì)支護(hù)灌注樁嵌固深度影響分析

現(xiàn)假定與基巖直接接觸的上覆黏性土的厚度分別為2.0 m、4.0 m、6.0 m、8.0 m、10.0 m，然后通過理正深基坑軟件計(jì)算得到不同黏土層厚度下的懸臂灌注樁嵌固深度，并繪制出懸臂灌注樁嵌固長度與樁底入巖段深度隨黏性土厚度的變化關(guān)系，如圖5所示。

圖5 懸臂樁嵌固長度及嵌巖深度隨黏土層厚度變化關(guān)系Fig.5 Variation of Embedded Length and Rock Socketed Depth of Cantilever Pile with Thickness of Clay Layer

由圖5 可知，當(dāng)基巖面至坑底區(qū)間范圍內(nèi)卵石層厚度小于1倍坑深時(shí)，對(duì)于懸臂灌注樁支護(hù)，滿足整體抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算需要的嵌固深度隨基巖上覆土層（黏性土）厚度的增大而線性增大，但嵌固段入巖深度隨上覆土層（黏性土）厚度的增大變化不大（約為2.5D～3.0D）。

5.2.2 卵石層厚度對(duì)支護(hù)灌注樁嵌固深度影響分析

實(shí)際工程中也存在卵石層較厚，巖面較深情況，現(xiàn)仍選取ZK28 鉆孔，假定巖面上覆黏性土厚度不變（分別取2.0 m，4.0 m），研究卵石層厚度變化（8.0 m、10.0 m、12.0 m，14.0 m、16.0 m、18.0 m）對(duì)懸臂灌注樁嵌固深度的影響，通過理正深基坑軟件計(jì)算得到不同卵石層厚度下的懸臂灌注樁嵌固深度，并繪制出懸臂灌注樁嵌固長度與樁底入巖段深度隨卵石層厚度的變化關(guān)系，如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7 可知，支護(hù)灌注樁嵌固深度隨著卵石層厚度的增加近似線性增加，但嵌固段入巖深度卻隨卵石層厚度的增加逐漸減少，并最終趨于定值。

圖6 懸臂樁嵌巖深度隨卵石層厚度變化關(guān)系Fig.6 Variation of Rock Socketed Depth of Cantilever Pile with Thickness of Cobble Layer

圖7 懸臂樁嵌固長度隨卵石層厚度變化關(guān)系Fig.7 Change of Embedded Length of Cantilever Pile with Thickness of Pebble Layer

綜上，對(duì)于懸臂支護(hù)灌注樁，樁基嵌固深度為入巖一定深度控制：當(dāng)基底以下基巖以上抗力系數(shù)較大（m值約為22 MN/m4）土層（卵石層）層厚度≤1h（h為基坑深度，后文相同）時(shí)，灌注樁嵌固段嵌巖深度約（2.0～3.0）D（D為支護(hù)樁樁徑，后文相同）；當(dāng)基底以下基巖以上抗力系數(shù)較大（m值）土層（卵石層）層厚＞1.5h時(shí)，嵌固段嵌巖深度約0.2D。

文獻(xiàn)［9］規(guī)定懸臂式結(jié)構(gòu)，嵌固深度尚不宜小于0.8h，當(dāng)然在一定深度范圍內(nèi)，嵌固深度越長，樁頂變形就會(huì)越小，即為滿足相應(yīng)基坑安全等級(jí)下的位移控制標(biāo)準(zhǔn)，懸臂灌注樁支護(hù)還需要滿足最小樁長（約0.8h～1.25h）控制要求。

5.3 單支點(diǎn)樁錨支護(hù)情況

選取西側(cè)預(yù)應(yīng)力錨索+單排灌注樁區(qū)段（φ1 200@1 500），支護(hù)剖面圖如圖7 所示，結(jié)合地勘選取的實(shí)際鉆孔ZK41，地層從上至下依次為1.12 m 厚填土、5.5 m厚黏性土、5.0 m厚卵石、6.0 m厚黏性土及下伏基巖。

5.3.1 黏性土厚度對(duì)單支點(diǎn)灌注樁支護(hù)嵌固深度的影響分析

現(xiàn)假定與基巖直接接觸的上覆黏性土的不同厚度（2.0 m、4.0 m、6.0 m、8.0 m、10.0 m），同時(shí)假定錨索參數(shù)相同，然后通過理正深基坑軟件計(jì)算得到不同黏土層厚度下的單支點(diǎn)灌注樁嵌固深度，并繪制出單支點(diǎn)灌注樁嵌固長度與樁底入巖段深度隨黏性土厚度的變化關(guān)系如圖8 所示。由圖8 可知，對(duì)于單支點(diǎn)灌注樁支護(hù)，滿足整體抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算需要的嵌固深度隨基巖上覆土層（黏性土）厚度的增大而線性增大，但嵌固段入巖深度隨上覆土層（黏性土）厚度的增大變化不大（約0.625D～0.5D）。

圖8 單支點(diǎn)時(shí)嵌固長度及嵌巖深度隨黏土層厚度變化關(guān)系Fig.8 Variation of Embedded Length and Rock Socketed Depth with Clay Layer Thickness at Single Support

5.3.2 卵石層厚度對(duì)支護(hù)灌注樁嵌固深度的影響分析

同樣的，假定巖面上覆黏性土厚度不變（分別取6.0 m、8.0 m），研究卵石層厚度變化（5.0 m、7.5 m、10.0 m、12.5 m，15.0 m、17.5 m）對(duì)單支點(diǎn)灌注樁支護(hù)嵌固深度影響，通過理正深基坑軟件計(jì)算得到不同卵石層厚度下的單支點(diǎn)灌注樁支護(hù)嵌固深度，并繪制出單支點(diǎn)灌注樁支護(hù)嵌固長度與樁底嵌巖段深度隨卵石層③厚度變化關(guān)系，如圖9、圖10所示。

圖9 單支點(diǎn)時(shí)嵌巖深度隨卵石層厚度變化關(guān)系Fig.9 Variation of Rock Socketed Depth with the Thickness of Cobble Layer at Single Support

圖10 單支點(diǎn)時(shí)嵌固長度隨卵石層厚度變化關(guān)系Fig.10 The Change of Embedded Length with the Thickness of Pebble Layer at Single Support

由圖9、圖10 可知，對(duì)于單支點(diǎn)灌注樁支護(hù)情行，支護(hù)灌注樁嵌固深度隨著卵石層厚度的增加近似線性增加，但嵌固段入巖深度卻隨卵石層厚度的增加逐漸減少，并最終趨于定值。

6 結(jié)論

⑴ 通過以上分析可知，在巖溶地區(qū)，當(dāng)基巖面存在一定厚度的可塑～軟塑狀的黏性土?xí)r，支護(hù)灌注樁嵌固深度及嵌巖深度控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

①對(duì)于懸臂灌注樁支護(hù)，樁基嵌固長度應(yīng)按最小樁長（約0.8h～1.25h）及嵌巖深度進(jìn)行雙控，嵌固段嵌巖深度約2.5D～3.0D范圍。其中，最小樁長主控基坑變形，嵌巖深度主控整體抗傾覆穩(wěn)定。

②對(duì)單支點(diǎn)灌注樁支護(hù)情況，灌注樁樁長僅需要按入巖控制，嵌固段嵌巖深度隨基巖上覆土層的厚度變化近似在（0.33～0.625）D范圍，嵌巖深度主控整體抗傾覆（或踢腳）穩(wěn)定。

⑵對(duì)比懸臂灌注樁支護(hù)與單支點(diǎn)灌注樁支護(hù)時(shí)的樁基嵌固長度及嵌巖深度可知，增加水平支點(diǎn)（錨索/支撐）后可降低支護(hù)樁嵌固長度及嵌巖深度。因此，當(dāng)基坑周邊環(huán)境允許錨索施工時(shí)，大可采用灌注樁+錨索的支護(hù)型式，這樣可同時(shí)降低灌注樁的嵌固長度及嵌巖深度，避免支護(hù)樁觸碰深層溶洞，也就降低了巖溶地區(qū)灌注樁嵌巖施工的難度及工程成本。

⑶當(dāng)為多支點(diǎn)支護(hù)時(shí)，因?yàn)榛規(guī)r上覆土層常表現(xiàn)為可塑～軟塑狀，嵌固深度主要受整體滑動(dòng)穩(wěn)定性或以最下層支點(diǎn)為軸心的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算控制。計(jì)算表明，樁底嵌固深度往往仍需要嵌巖控制，嵌固段嵌巖深度控制標(biāo)準(zhǔn)與單支點(diǎn)情形基本相似。

⑷對(duì)比巖溶地區(qū)單支點(diǎn)與多支點(diǎn)灌注樁支護(hù)可知，采用多支點(diǎn)支護(hù)時(shí)并不能減少樁基的嵌固長度，因此當(dāng)設(shè)置2 層地下室（基坑深度約10 m）時(shí)，采用單支點(diǎn)方案較多支點(diǎn)方案更節(jié)省工程成本，且可以避免深層錨索觸碰灰?guī)r及溶洞，對(duì)工期控制較為有利；因此當(dāng)基坑變形控制滿足文獻(xiàn)［9］要求時(shí)，宜優(yōu)先考慮單支點(diǎn)支護(hù)。