復雜地質結構中的樁基持力層事故分析及處理

深圳市建工集團股份有限公司 深圳 518048

1 工程概況

我公司承建的某項目位于素有深圳“地質博物館”之稱的龍崗區[1]，龍崗區地質結構復雜，而本工程樁基數量較多，樁型較多，樁徑1 000～1 800 mm，單樁豎向承載力特征值為1 500～9 900 kN。樁基工程設計施工前，業主單位委托了地質勘探單位進行了一樁一鉆的超前鉆探。盡管如此，最終樁基施工完成后在檢測階段，還是出現了問題，經分析，導致出現問題的因素與樁基持力層有關。

1.1 承建項目所在區域工程地質條件簡述

據詳勘及超前鉆資料，該場地巖土層主要呈現眾多成因 （石炭系沉積巖3 種巖性及7 個風化層帶）。土層分布為：①人工填土，②粉質黏土，③淤泥質粉質黏土，④粉砂，⑤含碎石粉質黏土，⑥含角礫粉質黏土，⑦粉質黏土，⑧全風化泥質粉砂巖，⑨強風化泥質粉砂巖，⑩中風化泥質粉砂巖，微風化泥質粉砂巖，全風化炭質泥（頁）巖，強風化炭質泥（頁）巖，微風化灰巖。

1.2 樁基檢測階段發現問題

在樁基施工過程中，沖孔樁樁機施工沖進速度正常，樁底入設計持力層后進尺緩慢，正循環返渣芯樣與超前鉆資料吻合，未發現明顯異常情況。

在樁基檢測階段鉆孔抽芯檢測中，樁身完整性、沉渣厚度、混凝土密實度及強度均未存在任何問題，但樁底持力層卻發現了疑問：部分端承樁樁底持力層不符合設計基巖的要求。且隨著抽檢范圍擴大，不斷發現類似情況。此時場內樁基均已施打完成，如果承載力出現問題，后果不堪設想。持力層發現的疑問以其中2 根樁為例：301#樁設計前期所做超前鉆探，結果顯示自基巖面高程開始依次入微風化灰巖4.8 m，微風化泥質粉砂巖2 m終孔；施工過程階段，該樁入巖后沖擊進尺情況與設計持力層（微風化）相符合，所撈取巖樣新鮮，經鑒別判定為微風化灰巖無誤；檢測階段抽芯顯示，樁底僅0.2 m為微風化灰巖，以下為黏性土夾塊石，初步判斷為充填性溶洞。268#樁設計前期所做超前鉆探結果顯示，自基巖面高程開始入微風化灰巖至終孔；抽芯鉆孔一顯示樁底以下部分為黏性土夾碎石，揭露有2 個強風化及中風化泥質粉砂巖夾層，其下入中風化泥質粉砂巖，初步判斷為充填性溶洞；抽芯鉆孔二顯示樁底為微風化夾中風化灰巖（部分碎塊狀）；兩孔相距僅40 cm，樁底地質情況截然不同。

2 持力層問題解決過程[2,3]

2.1 原因及地質情況分析

2.1.1 檢測樁底持力層與設計有差異的原因分析

樁基檢測的部分樁底持力層與設計持力層不符，未達到設計要求的中風化或微風化巖，其根本原因是項目所在區域的復雜地質實際情況：

據地質資料，場地巖土層主要呈現眾多成因 （石炭系沉積巖3 種巖性及7 個風化層帶），分布不均，巖面起伏大，厚度變化大，軟硬互層、夾層及局部地段巖溶發育，場地地質條件復雜。地層變化大、地質情況復雜的根本原因是本區地層成因，屬于“海-陸交互相砂泥質碎屑巖建造”。該區地質屬于“上古生界石炭系、下石炭統、大塘階測水組的下段”；該下段巖性為“灰、深灰色砂泥質頁巖、粉砂巖夾炭質粉砂巖含礫砂巖……靠近底部夾灰巖透鏡體”。“橫崗大運會場址發現本層與下伏地層石磴子組（其巖性主要為白云質灰巖、白云巖，厚層狀灰巖夾薄層狀灰質白云巖）為假整合接觸”[1]。

2.1.2 場地巖性地質評估

場地所見到的泥質粉砂巖、炭質泥巖可能屬陸相沉積巖，而灰巖可能屬淺海相沉積巖。由于是海陸相交互沉積，其變化復雜、相互交錯，屬于正常沉積，不是斷層構造所致。由于灰巖薄含砂質多、質不純，呈透鏡狀分布，與下伏厚層、質純白云質灰巖、大理巖相比，巖溶相對不發育。樁底為空洞巖溶的可能性不大。

2.1.3 分析與結論

持力層不符的每根樁，分析過程資料及監理在監督樁基施工過程中，未見掉樁錘、泥漿面下降等異常現象，且終孔時進尺正常。對比超前鉆資料、抽芯資料以及補充勘察資料可發現：超前鉆鉆孔與抽芯鉆孔、補充超前鉆孔與抽芯鉆孔，甚至一樁兩孔的抽芯鉆孔之間存在較大變化。在抽芯檢測過程中，確實出現一樁兩孔（間隔400 mm）芯樣相差懸殊的情況。

綜上所述，出現檢測樁基持力層與樁基設計不符的主要原因為：地質巖面起伏大，軟硬互層、夾層及局部地段巖溶發育，同一樁底持力層巖性不一致，僅一樁一鉆的超前鉆探結果與抽檢的樁底持力層必然會出現差異。

2.2 承載力復核

出現這種情況，該場地的樁基承載能力已無法百分之百保證。為保證樁基承載力滿足設計要求，找出地質原因后，還需進行設計承載力復核。因摩擦樁樁長側阻力可滿足承載力要求，僅對場內全部端承樁（樁底坐落于基巖上，設計時忽略側阻力）進行承載力復核。

2.2.1 復核全部端承樁摩阻力

對于場內全部端承樁按實際樁長復核摩阻力。雖地質情況極為復雜，慶幸的是，地下巖層埋深較深，短樁較少，自身樁長所提供的摩阻力已基本可滿足承載力要求。經設計復核，結果70%以上樁僅考慮摩阻力已可滿足承載力要求。對于摩阻力不滿足承載力部分的樁，考慮按照摩擦端承樁復核。

2.2.2 持力層端阻力特征值折減

既然發現持力層已非正常連續基巖狀態，其所能提供端阻力特征值也不能再按正常取值進行復核。按廣東省標準《建筑地基基礎設計規范》（DBJ15-13—2003）等有關規定，結合詳勘報告、超前鉆以及抽芯資料，對樁基持力層端阻力特征值qpa進行折減取值。

端阻力特征值Rpa=C1frpAp，式中C1取0.3，折減系數取0.8，對樁端裂隙發育的微風化灰巖和中風化泥質粉砂巖單軸抗壓強度分別取20 MPa和15 MPa，故對樁端持力層承載力折減取值如下：裂隙發育的微風化灰巖Rpa=4 800Ap，取qpa為4 800 kPa；中風化泥質粉砂巖Rpa=3 600 Ap，取qpa為3 000～3 600 kPa；強-中風化泥質粉砂巖（炭質泥巖）取qpa為1 200～2 000 kPa。

2.2.3 摩擦端承樁復核

對于摩阻力無法滿足承載力的端承樁，按照摩擦端承樁復核。持力層承載力特征值以折減后承載力取值。

經復核，絕大部分樁基承載力計算值均超過承載力設計值。即絕大部分樁基可滿足承載力要求。僅有極少數樁基無法通過復核。那么，如何保證理論的折減取值及理論復核計算的可靠性？

2.2.4 靜載試驗

雖絕大多數樁基已通過復核驗算，但畢竟是理論取值，折減取值亦缺乏足夠的實踐支撐。為進一步驗證折減取值及復核驗算的可靠性，選取復核中最不利的部分樁（計算值與設計值較為接近）進行靜載試驗，以試驗結果驗證其理論復核結果的可靠性。

樁基靜載試驗，它是通過在試驗樁的樁頂逐漸增加持續的荷載，一般采用混凝土塊壓重平臺反力裝置，加載系統是由精密油壓表和千斤頂組成的，采用慢速維持荷載法，就是每級加載為預定試驗荷載最大值（承載力特征值的1.5～2 倍）的十分之一，分級加載。然后記錄荷載、位移與時間的關系，最后分析相關數據確定單樁承載能力的一種方法。

為充分保證折減取值和復核驗算的準確性及可靠性，選取最不利的2 根樁進行靜載試驗，預定試驗荷載最大值取承載力特征值的2 倍，即17 600 kN。試驗結果，樁基承載力滿足設計要求。這就說明，折減取值與復核驗算的結果是可靠的。

2.3 對于無法通過驗算的樁基的處理

驗算無法通過，證明承載力達不到設計要求。此時不建議采用靜載試驗進行驗證，需討論方案進行處理。這種情況，一般可采用加樁補強法、樁底注漿補強法，或原樁位重新成孔加長樁長法等進行承載力補強處理。

2.4 案例中最終處理方案

關于該項目中復核無法通過的極少數樁，經過方案比對，對工期、經濟投入等各方面綜合考慮，最終決定采用預應力高強混凝土管樁以錘擊施工法進行加樁補強處理，利用管樁所能提供承載力，加大承臺面積，與原樁共同起承載作用。

管樁類型為摩擦端承樁，樁端持力層為強風化炭質泥巖，端阻力特征值qpa=3 500 kPa。采用AB型500 mm×125 mm管樁，單樁承載力特征值要求達到1 500 kN。強風化炭質泥巖遇水易軟化，要求樁施打完畢后立即往管內填灌C30細石混凝土，灌注高度不少于1.5 m。

補樁完成后，仍需驗證其承載力。待管內混凝土達到規定強度后，依然采用靜載試驗方法，取2 倍承載力的試驗荷載，對補強后的“群樁組合”進行荷載試驗。經現場試驗，結果滿足設計承載力要求。至此，該項目因樁基礎持力層問題可能導致的質量隱患已全部排除，該問題成功得到解決。

3 復雜地質中進行工程勘察、設計的建議

3.1 復雜地質結構中的地質勘探

在地質情況較為復雜的區域進行建設，設計前的地質勘查階段是尤為重要的關鍵環節，特別是巖溶發育地區是地質勘探相對困難的一種地質結構。巖層分布不均，巖面起伏大，厚度變化大，軟硬互層、夾層及局部地段巖溶發育，巖層會有裂隙或斷層，勘探時較難探到連續發育的巖層，一般布孔分散的地質勘探較難反映真實巖層情況，就會容易導致施工過程對持力層的誤判。如在此類地區設計有樁基礎，堅決不能因為考慮經濟原因而省略勘探環節、偷工減料甚至弄虛作假。在施工前期，需加密加深超前鉆探范圍，同一個樁位，設2～3 個超前鉆孔，且深度必須達到要求，以掌握詳盡的地質情況，這是相當必要的。仔細進行地質勘探，真實詳盡地記錄勘察報告，是復雜地質結構中進行工程建設的基本保證。

3.2 復雜地質結構設計階段的應對措施

擬建工程項目如在復雜地質地區，當確有軟硬互層、夾層及局部地段巖溶發育、溶蝕等現象存在時，在工程設計階段盡可能不要采用單柱單樁設計，可以根據工程的實際情況通過縮小樁徑并選擇淺層風化巖石作為持力層和擴大承臺面積降低單樁承載力來應對建筑困難。

4 復雜地質結構中樁基施工[4-7]

4.1 施工過程把握

沖孔灌注樁（巖溶地區成樁常規采用沖擊成孔施工工藝）在沖孔的過程中，泥漿機和單臺樁機要一一對應，不能夠2 臺或多臺樁機共用一個泥漿池，以避免誤判。要及時清理泥漿溝和泥漿池，對于施工過程中出現的碴樣，需要從孔底或溢漿口撈取，以保證施工質量。

4.2 持力層巖性判定

巖屑的新鮮程度可以反映出是否達到了中（微）風化巖面。如果施工過程中鉆孔得到的巖樣表現不新鮮、風化程度高，就可能是塊狀強風化或是砂卵石層中的卵石被沖了下來，此時需要置換樁孔中的泥漿，重新沖擊后再取樣判定；如果得到的巖屑比較新鮮， 巖屑呈現不規則形狀，那么就是真正的中（微）風化基巖。在判定出中風化巖面界定后，繼續沖擊直到滿足設計要求。

終孔時，對持力層巖性的判定要果斷但必須謹慎，遇特別復雜地質，驗孔建議通知地質勘探專業人員到場檢驗巖樣進行判定。判定巖樣要根據科學的驗證標準來保證復雜地質結構中持力層判定準確度，以保證樁基的工程質量。而沖孔樁驗樁也是一項過程繁瑣的工作，尤其對于較多數量的樁時， 要做到判斷準確、減少漏判誤判是難度較大的，這更需要嚴謹的工作態度，無論樁數量再多，對待每一根樁基都必須做到工程質量滿足設計使用要求。

5 復雜地質結構中樁基承載力檢測與判斷

5.1 樁基承載力的檢測

樁基承載力的檢測方法主要有靜載法、高應變動測法、取芯法和超聲波法等。一般最常用及可靠的為文中提及的樁基靜載試驗，如能通過靜載試驗，該樁基的承載能力是可以保證的。

5.2 持力層有疑問時應采取的措施

對于樁基礎，需嚴格按照相關質量驗收標準執行檢測工作。特別是復雜地質結構地區的樁基礎，更需對承載力進行嚴謹檢測及復核驗算。如持力層未能達到設計要求且復核不滿足要求時則需要重新采取承載力補強措施。一般可采用加樁補強法、樁底注漿補強法，或原樁位重新成孔法，加深樁長，保證樁底坐落于連續基巖面上。

6 結語

在復雜地質結構中建造建筑物，樁基持力層的判定以及承載力計算是十分重要的。地質復雜多變的地區進行工程建設，需進行詳盡的超前鉆探取得較全面準確的地質資料才能為設計施工提供有效依據。本文工程中遇到的實際問題和處理經驗，可供同行研究人員借鑒。