大直徑嵌巖樁施工勘察孔深的確定

大直徑嵌巖樁施工勘察孔深的確定一、概述近幾年隨著經濟的高速發(fā)展，城市內土地資源的稀缺，越來越多的建構筑物需要在各類基巖裸露或埋藏較淺的地區(qū)進行開發(fā)建設，而在此地區(qū)內，大直徑嵌巖樁基礎有較廣泛的應用。我國幅員遼闊，地質地貌類型多樣，對于一些特殊基巖埋藏區(qū)，如巖溶、孤石發(fā)育區(qū)，樁基開挖前需要進行施工勘察，以查明樁底的詳細地質情況。根據(jù)統(tǒng)計資料，我國碳酸鹽巖裸露分布區(qū)面積約130km2，埋藏分布區(qū)面積約70km2，花崗巖類巖石出露面積約86km2，連同埋藏分布區(qū)面積也在100km2以上，二者分布面積合計達我國疆域面積的1/3。因此，在這些地區(qū)進行的大直徑嵌巖樁施工勘察工作有著廣闊的前景。二、嵌巖樁施工勘察孔深確定的一般性原則施工勘察的中心問題，就是對勘察鉆孔深度的確定。一般來說，鉆孔深度d由巖面深度d0、嵌巖深度h、樁底穩(wěn)定層厚度d1、抗沖切/傾覆調整深度d2及樁頂預留浮動深度d3加和而成，即：d=d0+h+d1+d2+d3（1）巖面深度d0一般為中～微風化基巖的穩(wěn)定巖面，隨鉆孔實際情況確定；孤石、溶洞、互層發(fā)育的地區(qū)，d0應為穿過上述不穩(wěn)定體的穩(wěn)定巖層頂面。對于一樁多孔的施工勘察，d0應取各孔穩(wěn)定巖面深度的最大值，并應考慮孔口高程的起伏影響。（2）嵌巖深度h可按《建筑樁基技術規(guī)范》第3.3.3第二條規(guī)定：“對于嵌巖樁，嵌巖深度應綜合荷載、上覆土層、基巖、樁徑、樁長諸因素確定；對于嵌入傾斜的完整和較完整巖的全斷面深度不宜小于0.4d且不小于0.5m，傾斜度大于30%的中風化巖，宜根據(jù)傾斜度及巖石完整性適當加大嵌巖深度；對于嵌入平整、完整的堅硬巖和較硬巖的深度不宜小于0.2d，且不應小于0.2m?！保?）樁底穩(wěn)定層厚度d1按《巖土工程勘察規(guī)范》4.9.4條規(guī)定：“勘探孔的深度應符合下列規(guī)定：……對大直徑樁，不得小于5m……對嵌巖樁，應鉆入預計嵌巖面以下3～5d，并穿過溶洞、破碎帶，到達穩(wěn)定地層。”但該規(guī)范描述略有模糊，后附條文說明亦未予以說明?！陡叱探ㄖr土工程勘察規(guī)范》4.2.3條的2到5款對一般性基巖、花崗巖、巖溶及互層巖石均分條予以規(guī)定，具有較好的參考價值：“對一般巖質地基的嵌巖樁，勘探孔深度應鉆入預計嵌巖面以下1d～3d，對控制性勘探孔應鉆入預計嵌巖面以下3d～5d，對質量等級為Ⅲ級以上的巖體，可適當放寬；”“對花崗巖地區(qū)的嵌巖樁，一般性勘探孔深度應進入微風化巖3～5m，控制性勘探孔應進入微風化巖5～8m?！薄皩τ趲r溶、斷層破碎帶地區(qū)，勘探孔應穿過溶洞、或斷層破碎帶進入穩(wěn)定地層，進入深度應滿足3d，并不小于5m；”“具多韻律薄層狀的沉積巖或變質巖，當基巖中強風化、中等風化、微風化巖層呈互層出現(xiàn)時，對擬以微風化巖作為持力層的嵌巖樁，勘探孔進入微風化巖深度不應小于5m?！睂嶋H工作完全可參照此條目進行，但對于巖溶地區(qū)的嵌巖樁勘察，為更準確估計頂板安全厚度，后文將進行更精確的估算，為實際勘察提供有價值的參考。（4）根據(jù)實際勘察經驗，由于表層巖溶發(fā)育或差異風化強烈的導致基巖面起伏較大的場地，鉆孔深度應根據(jù)鄰近孔位或地區(qū)起伏度，適當予以加深?！督ㄖ鼗A設計規(guī)范》6.5.1的第六條規(guī)定：“當基礎附近有臨空面時，應驗算向臨空面傾覆和滑移穩(wěn)定性。存在不穩(wěn)定的臨空面時，應將基礎埋深加大至下伏穩(wěn)定基巖；亦可在基礎底部設置錨桿，錨桿應進入下伏穩(wěn)定巖體，并滿足抗傾覆和抗滑移要求。同一基礎的地基可以放階處理，但應滿足抗傾覆和抗滑移要求”。該條條文說明還提到：“基巖面起伏劇烈，高差較大并形成臨空面是巖石地基的常見情況，為確保建筑物的安全，應重視臨空面對地基穩(wěn)定性的影響。”詳細加深的尺度，后文將予以詳細計算說明。（5）由于鉆探孔徑相比樁徑過小，在樁徑范圍內，基巖面會有一定量的起伏；而施工機具的限制使得實際樁基開挖施工中，樁頂總會有或多或少的超挖現(xiàn)象。因此，如經業(yè)主同意，實際鉆探中應預留一定的浮動深度，防止超挖導致樁底剩余量不滿足穩(wěn)定層需要。在非巖溶發(fā)育地段，樁頂預留浮動深度d3一般可取為0.5m；而在巖溶發(fā)育地段，此項深度可根據(jù)巖溶發(fā)育程度及樁徑大小綜合取值，如中等巖溶發(fā)育區(qū)、樁徑1.5m左右可取為1m。以上五條即為確定樁基施工勘察鉆孔深度所應注意的事項，其中嵌巖深度h和樁頂預留深度d3較容易確定；而對于孤石、巖溶發(fā)育地區(qū)，巖面深度d0需根據(jù)實際鉆探及區(qū)域地質情況綜合確定；串珠型或頂板厚度較大巖溶地段，樁底穩(wěn)定層厚度d1也需要一定的精確計算，以提供準確參考；抗沖切/傾覆調整深度d2也將在后文予以計算說明。三、對嵌巖樁施工勘察中特殊問題的說明3.1花崗巖地區(qū)孤石發(fā)育的特點及巖面深度確定方法3.1.1孤石發(fā)育的特點在花崗巖風化殼較厚的東部、南部地區(qū)，其全風化～強風化花崗巖層中，由于球狀風化產生了大小各異的孤石。根據(jù)以往勘察經驗，孤石發(fā)育一般具有以下特點，參見下圖3.1-1：圖3.1-1花崗巖地區(qū)孤石分布剖面示意圖（1）孤石多分布于強風化巖層中，其次為全風化及殘積土中。（2）孤石多發(fā)育于基巖面起伏較大的地段。如圖3.1-1中，②～③情況的孤石最常見，因為此處是基巖面起伏轉折的地段，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，易發(fā)育孤石。④～⑤情況的孤石厚度多較小，一般不大于1m，其分布的最高高度與區(qū)域微風化巖面最高處基本相當。（3）孤石的揭示厚度一般較小，小于2.5m的孤石數(shù)量約占總數(shù)的80%以上。（4）孤石一般僅發(fā)育一到二層，多層的極為少見。（5）孤石中多為微風化巖石，少量中風化。一般較完整，巖芯呈圓柱狀，裂隙發(fā)育少，成分以抗風化能力較強的粗～偉晶石英質為主。孤石的風化程度與周圍巖土相比，常常會有較大的突變。3.1.2孤石與中～微風化基巖的區(qū)分在有超前鉆孔的樁位，鉆孔穿過孤石后巖石的風化程度會增加，如由微風化變?yōu)閺婏L化，則上部穿過的中～微風化地層就是孤石。實際沖孔施工中，即可根據(jù)超前鉆孔數(shù)據(jù)穿越孤石。若孤石厚度（直徑）較大，鉆孔在控制的深度內未穿過孤石，通過與區(qū)域剖面資料對比本孔中～微風化面也在合理范圍內，若不考慮偏心作用，在保證樁底完整的情況下，該孤石上嵌巖樁的單樁承載力亦可以達到正常嵌巖樁的40%～80%。對于未進行超前鉆的樁位，根據(jù)孤石發(fā)育特點，孤石的判別將依賴于鄰近地質資料與實際沖孔鉆進感覺、取芯鑒別等綜合的辦法。詳述如下：（1）鄰近地質資料。根據(jù)超前鉆及前期勘察資料，分析沖孔樁鉆孔附近的微風化巖面埋深、起伏情況、巖脈發(fā)育及孤石特征，對孤石可能的分布情況有一個基本的理解。（2）沖孔鉆進情況。對于直徑或厚度較小的孤石，沖孔施工基本可將小孤石砸碎、穿過或沖擠到樁外。對于稍大的孤石，其沖孔時鉆進感覺與中～微風化基巖也有一定的區(qū)別，實際施工可進行相應加深。而對于較大的孤石，鉆進感覺不明顯時，可考慮其他綜合鑒別辦法。（3）取芯鑒別。沖孔施工中對樁底巖芯的鑒定，分析其與已鉆樁位巖芯的區(qū)別，結合前節(jié)所述孤石特點，尤其是風化程度突變的情況，應引起足夠的注意。上述對孤石的鑒別區(qū)分辦法，對于大部分情況下是有效的、可行的，當然這也不能保證絕對的準確率。3.1.3超前鉆勘察對孤石發(fā)育的應對措施在超前鉆勘察中應根據(jù)孤石發(fā)育特點，應有針對性的進行鉆探。如果鉆探中能按處理巖面起伏的情況加深鉆孔，就可以避免對部分孤石的誤判；同時在巖面起伏較大或孤石發(fā)育較多的區(qū)域，適當?shù)脑黾尤霂r深度，就可以穿過大部分厚度較小的孤石。實際勘察時，應特別注意孔底進入強風化層時的進尺快慢變化。如碰觸較硬巖塊時，應及時記錄起止深度；進入中～微風化后，也應時刻注意進尺速度變化，若進尺突然加快，就應及時記錄其深度，再綜合巖芯、區(qū)域地層情況判斷上部進尺慢速區(qū)是否為孤石。若某地段已有鉆孔揭示的孤石較多，就應考慮于此區(qū)域加密鉆孔甚至進行一樁一探。3.2、溶洞（槽）或溶蝕破碎帶對樁基施工的影響3.2.1巖溶發(fā)育區(qū)巖面深度d0的確定在巖溶發(fā)育地區(qū)，巖面深度d0應為穿越溶洞（槽）或溶蝕破碎帶后進入穩(wěn)定中～微風化巖層的深度，詳細情況如下：（1）溶洞：所需穿越溶洞一般為頂板厚度小于安全厚度的溶洞，在無經驗時，此安全厚度可取為3倍樁徑且不小于5m，后文亦將進行更精確計算。（2）溶槽一般為基巖面附近的淺層溶洞，其在鉆孔線坐標顯示為溶洞，而在空間上實際為深凹的溶溝、溶穴。溶槽一般需在剖面圖上確認，其上巖層一般不能作為樁基持力層。（3）溶蝕破碎帶是鉆進中進尺快、取芯率低且響聲大的層段，實際形態(tài)一般為溶隙、溶洞（槽）側壁或石芽發(fā)育區(qū)，也可能是斷層經過的地段。連續(xù)的溶蝕破碎帶常與串珠型溶洞相間伴生分布。在剖面圖上，基巖面附近連續(xù)的厚層溶蝕破碎帶往往是石芽發(fā)育區(qū)，該地段樁位破碎帶厚度無論大小一般均應按最厚層考慮。3.2.2巖溶發(fā)育區(qū)樁底穩(wěn)定層厚度d1的確定此項安全厚度不僅應用于確定串珠型溶洞區(qū)持力層的層位，對于未見溶洞鉆孔，也應按孔底即將出現(xiàn)溶洞來考慮終孔條件，二者的區(qū)別僅是對計算溶洞跨度的確定。一般所需評價的溶洞頂板和支座巖層均比較完整，厚度較大，強度較高，可按單跨梁評價其穩(wěn)定性。按照抗彎強度驗算，其安全厚度H需滿足下列關系式：式中，σ為巖體的允許抗彎強度，灰?guī)r一般為其允許抗壓強度的0.15倍；b為梁寬度，取為單位寬度1.0m；K為巖體穩(wěn)定性計算安全系數(shù)，一般取2.0。彎矩M的計算分以下幾種情況：當頂板跨中有裂隙，兩支座處巖石堅固時，按懸臂梁計算端部所受彎矩，即M=1/2PL2；當頂板較完整，但兩端支座處巖層有裂隙與洞壁不成整體，可按簡支梁計算彎矩，即M=1/8PL2；當頂板和洞壁巖層均較完整且成一體，可按兩端固定梁計算彎矩，即M=1/12PL2。（P為頂板所受總荷重，包括頂板厚為H的巖體自重、頂板上部所留土層的重量、頂板上附加荷載；L為按支座間或支座至跨中裂隙的距離。）同時，因頂板受剪，其安全厚度H亦應滿足下式：式中，Q=1/2PL，為支座處的剪力；τ為巖體的計算抗剪強度，灰?guī)r一般為其允許抗壓強度的0.08～0.10倍，本次計算取為0.08倍；K為巖體穩(wěn)定性計算安全系數(shù)，一般取2.0。假設擬建單樁荷載為4000kN，樁徑1.5m，樁距4m，灰?guī)r抗壓強度標準值為30MPa，取溶洞跨度L分別為1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m時，計算頂板安全厚度如下表3.2-1：表3.2-1溶洞頂板安全厚度計算1預測溶洞跨度(m)計算安全厚度（m）懸臂梁簡支梁固定梁抗剪計算12.311.150.941.8322.631.321.072.0833.101.551.262.0043.651.831.492.0454.262.131.742.1364.902.452.002.2475.562.782.272.3586.243.122.552.47在實際工作中，計算溶洞穩(wěn)定性時，其跨度可根據(jù)實際情況選取。如已揭穿的溶洞，在計算時可取其跨度為1～2倍洞高；而對于樁底穩(wěn)定層厚度確定時，應根據(jù)鉆孔間距取較不利的大跨度溶洞進行估算。3.3、基巖面起伏對樁基施工的影響3.3.1鄰近陡峭微風化面的嵌巖樁底穩(wěn)定性估算對于鄰近樁位高差較大或可能存在較大起伏的地段，可按巖石的抗沖切模式驗算樁底的穩(wěn)定性。以下以花崗巖地區(qū)情況進行示例。圖3.1-1嵌巖樁底沖切計算示意圖根據(jù)上圖3.1-1示意的假設情況，考慮最不利情況，基巖微風化面傾斜面緊鄰樁側，樁徑為D，嵌巖深度為h，巖面傾角為α，估計沖切面為陰影部位所示的斜截橢圓柱面，傾角按45°考慮，其長母線為L2，短母線為L1，根據(jù)三角函數(shù)關系，有：，按橢圓周長公式為C=2πb+4(a-b)，則沖切面面積SL可估算為：………①當嵌巖樁側處于不穩(wěn)定狀態(tài)時，由靜力平衡條件有：…………②一般巖石抗剪強度τ與抗壓強度σc的比值為1/8～1/12，本次計算暫取τ/σc=1/10；安全系數(shù)K一般取2。將式①代入式②后，解此不等式，可得：…………③實際勘察時應根據(jù)場地嵌巖樁條件，若取D=1.0m，h=0.5m，則該情況下樁底不穩(wěn)定的坡度條件為：tanα>1.94；而若取D=0.8m，h=0.5m，則此情況下樁底不穩(wěn)定的坡度條件為：tanα>1.78。同時，樁側斜坡應有足夠的高度使臨空面滑動，其高度限制條件為：以上計算未考慮坡下全～強風化層的側阻力，根據(jù)一般經驗，全～強風化層的強度只有微風化層的1/20～1/10，可忽略其影響。3.3.2對陡峭微風化面的情況分析和應對由上計算可知，當勘探鄰近鉆孔微風化基巖面落差較大時，若坡比大于1:2或高差大于3m時都應引起注意。一般場地鉆孔間距一般較大，實測剖面坡比較大時高差均將大于3m。即使孔距較遠，但由于巖面起伏位置的不確定性，亦應采取應對措施。如下圖3.1-2，對于鄰近樁孔基巖面傾斜情況，其間的巖面起伏情況有圖示C1、C2、C3三種情況。C1基本安全，也是最常見情況；C2情況下Z2樁已不穩(wěn)定，實際施工中應將樁底位置下沉Δh，使H2小于3m時，Z2樁已基本穩(wěn)定；C3情況常見于巖溶地區(qū)。一般花崗巖地區(qū)基巖面起伏規(guī)律性稍好，實際工程中，也可以通過區(qū)域剖面圖、構造節(jié)理分布情況等綜合估計樁孔間的可能起伏情況。圖3.1-2巖面起伏情況估計示意圖為應對類似C2情況下的基巖起伏，樁基勘察時亦應將鉆孔深度加深Δh。在實際鉆探施工時，應及時整理已有鉆孔資料，在計劃鉆探鉆孔時將其與鄰近孔底高程保持在3m以內。一般認為，當孔距大于10～20m時，