填海区孤石群对桩筏基础不均匀沉降的影响规律及控制技术研究

王志强，闫腾飞，张光辉，陈保国，张 磊

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081； 2.中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

近年来，随着工程建设的高速推进，桩筏基础被广泛应用于不良地质区域的高层住宅、风力发电工程、地下综合体等建筑物中[1-3].然而在一些地质条件复杂的不良地质区域，隐伏的孤石易引起筏板基础不均匀沉降[4].

孤石在地层中的分布具有较大的随机性，很难找到分布规律[5].孤石由于其形成原因及分布位置的特殊性，导致时常被误判为持力层.为了提高孤石探测方法的准确度，诸多学者进行了研究.朱亚军等[6]在了解孤石所在地层的电性参数基础上，提出了井间电磁波CT方法探测孤石的方案，并论证了该方案的可行性.李术才等[7]改善了电阻率CT反演的多解性与成像效果，并提出地面物探普查与电阻率CT详查相结合的孤石探测方案.

诸多学者对孤石带来的地质问题及解决方案进行了深入研究与探讨，并取得诸多成果.袁浩峦等[8]针对孤石地层地连墙施工进度受阻的问题开展研究，提出“成槽机+冲击锤+旋挖钻”的施工方案，通过破碎孤石，大大提高施工效率.胡利等[9]采用“预应力管桩+冲孔灌注桩”的基础型式，提出孤石场地基础设计方案.祁世亮[10]针对孤石在隧道建设中发挥的不利影响，提出一种用液压劈裂机技术来处理隧道开挖过程中遇到的孤石.路耀邦等[11]针对海底盾构隧道建设中前方出现的孤石问题，采用爆破方式进行处理，并在分析论证后提出一套针对海底盾构区间孤石爆破预处理的施工方法.

从现阶段研究成果来看，既有孤石群对桩筏基础的影响规律及控制技术研究尚不成熟，如何应对桩基坐落在潜伏孤石群而引发的控制技术成为新课题.本文以深圳市固戍水质净化厂二期工程为背景，通过数值分析方法研究了既有孤石对桩筏基础的受力、变形规律，研究了不同荷载下桩筏基础不均匀沉降的变形规律，并在此基础上提出了三种加固控制措施，并通过数值分析做出加固措施有效性对比.本研究以期为此类工程施工提供一定的应用经验和参考价值.

1 工程问题分析

固戍水质净化厂二期工程位于填海造陆区域，地下水埋深1.2 m，上覆第四系土层主要为人工填土层，全新统冲洪积层，下伏基岩主要为加里东期混合花岗岩.东侧紧邻一期场区和厂区外围城市道路；西邻珠江出海口；南侧为沿海高速公路，北侧紧邻宝源路.

图1 桩筏基础主要施工区域及周围环境

固戍水质净化厂二期充分利用地下空间，主体为钢筋混凝土结构，采用双层上盖型式，首层为操作层，二层为停车场，屋面层覆土1.5 m后成为景观公园.在开挖建设时需通过放坡与其他支护方式相结合的方法，开挖至地面以下10 m，桩筏基础位于地面以下10 m的位置.根据现场设计资料，现场筏板基础的板厚为600 mm，管桩采用PHC桩，外径400 mm，壁厚95 mm.根据现场资料，桩体从上到下依次穿过黏土质砂、砂质黏性土、强风化混合花岗岩、中风化混合花岗岩，地层分布如图2所示，地层参数如表1所示.

图2 地层分布

表1 地层物理力学参数

在设计和建设初期，既有孤石群将引发不均匀沉降.在桩筏基础施做完毕后，沉降监测资料显示局部出现不稳定沉降.后经过再次勘察，最终判定沉降位置下方出现单边最大长度超20 m的孤石群.该孤石群分布于砂质黏性土中，与强风化花岗岩的埋深接近，具有一定的隐蔽性.该孤石群的形成原因目前尚无定论，初步分析可能与填海造陆活动有关.该孤石的存在将对上方桩筏基础及后续建设的主体结构安全稳定性产生威胁，如果不及时处理将会造成桩筏基础不均匀沉降、上部结构开裂，甚至会造成结构失稳坍塌.

2 不均匀沉降影响规律分析

采用数值分析软件Midas GTS模拟既有孤石对桩筏基础不均匀沉降的数值模拟.模型几何尺寸长、宽分别为100 m和31 m(如图3).为了提高计算精度,模型网格的单边最大长度不超过1 m.土层采用Mohr-Coulomb理想弹塑性本构模型、平面应变单元模拟，桩筏基础采用弹性模型、beam单元模拟.底面约束水平和竖向位移，侧面约束水平位移，模型上表面为自由边界.主要物理、力学参数见表1.为便于计算，在模型中将孤石群按70%刚度，折减等效为一个整体.

图3 数值模型

根据现场施工顺序，计算工况定义为7个施工步，如表2所示.在桩筏基础施工之前必须进行初始地应力平衡，并将初始位移清零.

表2 数值计算工况

不同荷载下桩筏基础的不均匀沉降变化规律如图4、5所示.当基础施作完毕且上部不施加荷载时，桩筏基础便在孤石群区域产生不均匀沉降，不均匀沉降最大值为3.2 mm，较同条件下无孤石区域桩筏基础沉降值增加39%.当桩筏基础上部施加20 kN/m的线荷载时,差异沉降最大值为7.9 mm，较同条件下无孤石区域桩筏基础沉降值增加49%.当施加40 kN/m的线荷载时，差异沉降最大值为12.6 mm，较同条件下无孤石区域桩筏基础沉降值增加54%.当施加60 kN/m的线荷载时，差异沉降最大值为17.4 mm，较同条件下无孤石区域桩筏基础沉降值增加57%.当施加80 kN/m的线荷载时，差异沉降最大值为22.1 mm，较同条件下无孤石区域桩筏基础沉降值增加59%.当施加100 kN/m的线荷载时，差异沉降最大值为26.9 mm，较同条件下无孤石区域桩筏基础沉降值增加60%.

由图5可知，随着荷载的增加，最大差异沉降值逐渐增大，最大差异沉降值与上部荷载之间呈负相关关系，但差异沉降量与无孤石区域沉降量之间的比值逐渐趋于稳定，本文条件下的比率曲线逐渐稳定在60%左右.

数值模拟值结果还显示，孤石群上方管桩轴力值较小，孤石群两侧管桩轴力值较大，计算的轴力值符合设计要求(<1 200 kN).这主要是由于刚度差异造成荷载主动传递至孤石群两侧的管桩上，使其轴力增大.

图4 孤石引起的基础不均匀沉降 图5 荷载与差异沉降关系曲线

3 技术处理措施

在桩筏基础施作完毕发现局部不均匀沉降后，可通过局部再次勘察探测得到孤石群具体位置，针对这问题进行加固处理，并对比分析其加固效果.

结合现场地质条件、周边环境，提出了管桩加密、桩基穿越孤石和注浆加固等三种方法解决孤石群存在对上部结构不均匀沉降控制的难题，从根本上改善地基承载力和变形特征，有利于稳定桩筏基础及上部结构的安全，减少地面不均匀沉降，降低对基础上方建筑物的影响.

3.1 管桩加密

管桩加密主要是针对孤石群上方区域的管桩进行加密.孤石群上方管桩加密还可通过面积置换力等效为孤石群上方的土体加固.有学者根据施工经验提出了管桩加密的加固方案，并就有效性展开争论.因此该加固方案能否产生效果，本文将进行数值分析.数值模型如图6所示，施工步如表3所示.

表3 数值计算工况

图6 孤石群上方基础管桩加密模型 图7 加固后的基础不均匀沉降

加固后的基础不均匀沉降分布规律如图7所示.由图7可知，加固后的孤石群区域桩筏基础不均匀沉降变化规律与无加固措施沉降变化规律一致，数值大小接近.加固后基础沉降会由于孤石群上方自重加大造成沉降略大于无加固措施桩筏基础沉降值.这说明，通过加密管桩的方式不能解决因孤石群而引起的桩筏基础不均匀沉降.

3.2 桩体穿越孤石

表4数值计算工况

桩基穿越孤石主要是指在原有管桩施工方案桩筏基础施作完毕后，再次打入直径500 mm的混凝土加固桩.该加固桩穿越孤石群，打入强风化混合花岗岩层中.原有管桩将基础及上部荷载传递至孤石群，孤石群进而将荷载传递至下部土体.由于下方土体压缩变形较大，造成基础不均匀沉降.该加固桩的目的是将基础及上部荷载更大比例地通过加固桩传递至强风化混合花岗岩层上，该加固桩穿越孤石力，也可对孤石在空间位置上进行一定的约束.该方案可提高桩筏基础下方的地基强度和自稳能力，减少桩筏基础及上部建筑物施工引起的基础不均匀沉降，加固区域如图8所示，数值计算工况如表4所示.

该数值分析模型中加固桩采用C35混凝土.加固后的基础不均匀沉降分布规律如图9所示.由图9可知，加固后的孤石群区域桩筏基础不均匀沉降变化规律与无加固措施沉降变化趋势一致，但采用加固桩穿越孤石进行加固的桩筏基础不均匀沉降值远小于无加固措施，筏板基础沉降值大约减小18%，约7 mm.数值结果说明，通过穿越孤石的加固桩对筏板基础进行加固可有效解决因孤石群而引起的桩筏基础不均匀沉降.

3.3 注浆加固

注浆加固主要指通过对孤石群下方的土体进行注浆加固，达到提高下方土体强度的目的.孤石群引发桩筏基础不均匀沉降的原因主要是由于下方土体压缩变形较大.而此处的加固方案拟通过注浆加固的方式提高下方土体的强度，减小其压缩变形.该加固方案主要是约束孤石的竖向空间位移，从根本上解决桩筏基础不均匀沉降的问题.加固区域及加固方式如图10所示，数值计算工况如表5所示.加固后的土体参数为E=35 MPa、μ=0.3、γ=19.5 kN/m3、c=30 kPa、内摩擦角36°.

表5 数值计算工况

注浆加固后的基础不均匀沉降分布规律如图11所示.注浆加固后的孤石群区域桩筏基础不均匀沉降变化规律与无加固措施变化规律一致，但采用注浆加固后的桩筏基础不均匀沉降值小于无加固措施，孤石区的筏板基础沉降值减小了约11%，约4.1 mm.结果表明，对孤石群下方的土体进行注浆加固的方案可抑制桩筏基础的不均匀沉降，是可行的加固方案.同时根据面积置换力的理念，对孤石群下方进行桩体加固也具有有效性.

4 结论

1)在既有孤石条件下的桩筏基础不均匀沉降(施工建设进行时)随上部荷载增大而逐渐增大，差异沉降量与同条件下无孤石区域沉降量之间的比值逐渐趋于稳定.本文条件下的比率曲线逐渐稳定在60%左右.孤石群区域管桩轴力减小，孤石群邻近两侧管桩轴力增加.

2)根据地表竖向位移模拟值可知，在孤石群上方基础管桩加密的方案对基础不均匀沉降的控制效果不佳.

3)穿越孤石的桩体加固和孤石群下方土体注浆加固等两种方案可有效抑制桩筏基础的不均匀沉降.本文条件下的桩体穿越孤石加固方案可减小差异沉降值7 mm，注浆加固方案可减小差异沉降值4.1 mm.