预制桩在覆盖型岩溶区建设工程中的应用——以繁昌中医医院工程项目为例

彭建林

（安徽省核工业勘查技术总院，安徽芜湖 241002）

0 引言

岩溶在我国分布范围很广，其中以碳酸盐类岩石的岩溶为主。岩溶类型一般可分为地表岩溶地貌和地下岩溶地貌[1]，形态复杂多变。岩溶问题也常常给建设工程的基础设计施工带来较大的困难[2]。目前，针对岩溶区勘察主要采用工程地质测绘和调查、地球物理勘探、钻探及取样。设计岩溶地基基础时，可根据覆盖层地质情况设计天然地基，当天然地基不满足要求时，采用复合地基或桩基以及进行岩溶地基处理，常见方法包括充填法、跨越法、桩基法[3]，其中桩基法运用最为普遍。

以芜湖市繁昌中医医院工程项目为例，研究区为覆盖型的隐伏岩溶区，该场地覆盖层平均厚度约为20 m，地层分布从上到下依次为填土、淤泥质粉质黏土、含砾粉质黏土（可塑）、石灰岩。石灰岩岩溶强发育，完整石灰岩分布深度超过40 m。拟建医技楼单桩荷载较大，场地无天然地基持力层，只能采用桩基础，考虑施工安全、质量、造价及工程进度，不采用以深部完整石灰岩为桩基持力层的钻孔灌注桩基础方案，而是充分利用上部土层，采用浅埋基础[4]，以含砾粉质黏土层为持力层的预制桩基础方案。根据桩基载荷试验、结合理论计算（等效分层总和法）和FLAC3D 数值模拟对基础进行承载力及沉降研究。

1 工程概况

繁昌中医医院项目位于芜湖市繁昌区，浮峨路以北，繁阳大道以东，项目用地总面积为33 337.2 m2。2020 年9—11 月对该院区的医技楼进行了岩土工程勘察。该建筑物采用框架结构，概况见表1。

表1 医技楼工程概况Table 1. General information about the medical technology building engineering

2 地形地貌及水文条件

繁昌区境内平原按其特征分为圩区平原和少量河谷平原。圩区平原地势低平，水网密布，一般标高为6～10 m，是该区主要农业生产基地。河谷平原，俗称“冲田”，一般高程为8～30 m，包括孙村赤沙河流域龙塘湾至九连圩一带、水口山至九连圩一带以及荻港古家冲、繁阳长形冲、范冲、峨山毛塘等地[5]。

本工程场地地势较为平坦，整体地貌为长江东岸二级阶地。峨西河以北东流向从场地北侧经过，并在场地东侧形成支流。

本场地按地下水的赋存形式可分为上层滞水、孔隙性潜水、基岩裂隙水及岩溶水。上层滞水主要埋藏于第①层填土中，一般无稳定的自由水面，主要受大气降水及河流补给，以蒸发和径流排泄为主，少量向下渗入，地下水位随季节变化，降水后水位明显上升，干旱季节大幅下降，年变化幅度在1.00 m 左右；第②层粉质黏土、第③层淤泥质粉质黏土含孔隙性潜水，透水性差，其活动形式以渗透径流为主；第④层含砾粉质黏土为相对隔水层；基岩裂隙水及岩溶水赋存于下部基岩中。第①、②、③层地下水与第⑧层基岩中地下水存在越流补给关系。地下水位埋深约为2.5 m，地下水位标高约为8.1 m。

3 工程地质层划分

（1）本区勘察深度范围内，地层自上而下分为5大层，编号第⑤～⑦层本场地缺失。

第②～④层为第四系冲洪积层(Q4al+pl)，第⑤层为三叠系中统铜头尖组（T2t）石灰岩。

第①层填土(Q4ml)：灰色、灰褐色、黑色、黄褐色，稍湿~饱和，稍密，软~可塑，含碎石，富含植物根系。根据调查，该填土的回填年限超过7 年。层底埋深为3.50～5.60 m，平均为4.47 m，平均厚度为4.47 m。

第②层粉质黏土(Q4al+pl)：灰色、灰黄色，软塑为主，含少量高岭土，切面较光滑，无摇振反应，干强度及韧性中等。层底埋深为6.00～7.30 m，平均为6.53 m，平均厚度为2.06 m。fak=110 kPa。

第③层淤泥质粉质黏土(Q4al+pl)：灰~灰黑色，软~流塑，含腐殖质，有异臭味，切面较光滑，无摇振反应，干强度及韧性中等，局部夹淤泥质粉土、淤泥及薄层粉细砂。场区普遍分布。层底埋深为11.30～15.00 m，平均为12.91 m，平均厚度为6.38m。fak=60 kPa。

第④层含砾粉质黏土(Q4al+pl)：黄褐色，可~硬塑，砾石含量为30%～40%，该层土质不均匀，切面较光滑，无摇振反应，干强度中等，韧性中等。场区普遍分布。层底埋深为20.80～30.00 m，平均为22.7 m，平均厚度为9.79 m。fak=150 kPa。

第⑧1层石灰岩（T2t）：灰白色，中风化，隐晶质结构，块状构造，节理裂隙发育。岩心呈碎块状，局部呈短柱状，溶蚀现象十分发育。钻进过程中不掉钻，进尺较快，岩心极破碎且较少，呈卵砾状。岩体基本质量等级为Ⅴ级。该层未穿透。fak=280 kPa。

第⑧2层溶洞（T2t）：不规则状分布于石灰岩中，揭露的溶洞全充填褐红色软~流塑状粉质黏土，含灰岩碎块；局部为空洞，无充填。

第⑧3层石灰岩（T2t）：灰白色，中风化，隐晶质结构，中厚层状构造，节理裂隙较发育。岩心呈短柱状，一般柱长为5～15 cm，最长约为20 cm，局部呈碎块状，一般块径为2～5 cm，溶蚀现象明显。为较硬岩，岩体完整程度为较完整~较破碎，岩体基本质量等级为Ⅳ级。fak=4 000 kPa。

（2）轴线 4 交 D 轴、4 交 C 轴柱下承台钻孔平面图及典型地质剖面图如图1、图2所示。

图1 钻孔平面图Figure 1. Drill hole plan

图2 地质剖面图Figure 2. Geological profile

4 岩土工程性质

对各土层取样进行了室内试验，其物理力学指标分层统计成果详见表2。

表2 地基土物理力学性质统计Table 2. Statistics of physical and mechanical properties of foundation soil

5 基础承载力及沉降研究

5.1 基础选型及现场试验

本场地下覆石灰岩，根据勘探孔的揭露，地表以下19.6 m 开始出现溶洞，主要表现为串珠状竖向溶洞等，溶洞规模局部较大，洞高达6.8 m，呈多层结构，大部分溶洞全充填软~可塑状黏性土，夹灰岩碎块，局部为空洞，无充填，钻进时漏水严重，完成47 个孔位钻探，见洞率为77%，岩溶发育程度等级为强发育。第⑧1层石灰岩，钻探进尺较快，钻进过程中漏水，岩心破碎严重且较少，呈卵砾状；第⑧3层石灰岩较完整，分布较深。

结构传递柱荷载为4 000 kN/柱。若该项目基础采用钻孔灌注桩，桩端持力层为较完整灰岩层，因岩溶十分发育，溶洞竖向分布变化大，质量、安全及工期难以控制，工程造价高。因此利用上部土层为基础持力层，采用预制桩方案，以第④层含砾粉质黏土为持力层，确保桩端下完整岩土层不小于6 m，桩长约为14 m，桩型选用预制方桩。对选用桩型进行了现场试验——试桩，以进一步确定桩长及单桩承载力等参数。桩基载荷试验采用慢速维持法[6],试验结果见表3。

表3 试验结果汇总Table 3. Summary of test results

根据现场试验结果，本次试验桩AZH1 桩桩长为14 m，单桩竖向抗压极限承载力为1 140 kN，承载力特征值为570 kN；AZH2 桩桩长为14 m，单桩竖向抗压极限承载力为1 020 kN，承载力特征值为510 kN；AZH3 桩桩长为15 m，单桩竖向抗压极限承载力为1 200 kN，承载力特征值为600 kN。根据试验结果，该工程单桩竖向承载力特征值取500 kN，桩长13 m，桩顶标高7.05 m，本文计算点轴线4 交D 轴、C 轴柱下联合承台共布置16根桩，承台尺寸为5.6 m×5.6 m（图1）。

桩基施工完毕后，工程验收试验桩号为54#、103#、105#。加载达到预期最大试验荷载时，终止加载。总沉降量分别为3.56 mm、10.78 mm、6.30 mm，沉降量小于40 mm，而且荷载与位移（Q-s）曲线平缓，无明显陡降段，s-lgt曲线呈平缓规则排列，受检桩的单桩竖向抗压极限承载力Quk≥1 020 kN，承载力满足要求。桩基载荷试验采用慢速维持法,检测结果见表4。

表4 检测结果汇总Table 4. Summary of test results

5.2 等效分层综合法计算桩基沉降及沉降计算深度

5.2.1 桩基模型选择

采用混凝土预制方桩，边长为400 mm，桩长为13 m，正负零标高为10.95 m，承台底标高为9.00 m，柱荷载为8 000 kN，基础覆土平均容重为20 kN/m3，柱下承台布桩平面图如图1所示。

5.2.2 桩基沉降计算

根据《建筑桩基技术规范》5.5.6 条及5.5.14 条，方桩等效直径d=0.4/0.886=0.451 m，规则布桩，桩间距sa=1.60 m，桩中心距sa(1.60 m)≤6d(2.708 m)，应按布辛奈斯克法计算沉降[7-10]。

5.2.2.1 计算承台底附加压力

（1）承台底应力。承台底面积A=5.60 m×5.60 m=31.36 m2，承台底埋深h=1.95 m。

柱荷载N=8 000.00 kN，基层覆土平均容量γ=20 kN/m3。

承台及承台以上土重G=γ×h×A=20.00×1.95×31.36=1 223.04 kN。

承台底土的自重应力σc=35.10 kPa。

承台底应力σ= (N+G)/A= (8 000.00+1 223.04)/31.36=294.10 kPa。

（2）桩端等效作用面附加应力。承台底附加应力σz=σ-σc=294.10-35.10=259.00 kPa。

5.2.2.2 沉降计算

（1）沉降计算原理及应用公式。根据《建筑桩基技术规范》5.5.8 条计算桩基沉降，计算深度Zn按应力比法确定，即计算深度处的附加应力σz与土的自重应力σc应满足下列公式，此时的深度确定为沉降计算深度。

式中：σz为计算深度处的附加应力，kPa；σc为计算深度处土的自重应力，kPa；αj为附加应力系数。可根据角点法划分的矩形长宽比及深宽比按《建筑桩基技术规范》附录D选用。

根据《建筑桩基技术规范》5.5.6式计算沉降。

式中：S为桩基最终沉降量，mm；S'为采用布辛奈斯克解，按实体深基础分层总和法计算出的桩基沉降量，mm；Ψ为桩基沉降计算经验系数，当无当地可靠经验时可按《建筑桩基技术规范》5.5.11 条确定；Ψe为桩基等效沉降系数，可按《建筑桩基技术规范》5.5.9 条确定；m为角点法计算点对应的矩形荷载分块数；p0j为第j块矩形底面在荷载效应准永久组合下的附加压力，kPa；n为桩基沉降计算深度范围内所划分的土层数；Esi为等效作用面以下第i层土的压缩模量，MPa，采用地基土在自重压力至自重压力加附加压力作用时的压缩模量；zij、z(i-1)j为桩端平面第j块荷载作用面至第i层土、第i-1 层土底面的距离为桩端平面第j块荷载计算点至第i层土、第i-1 层土底面深度范围内平均附加应力系数，可按《建筑桩基技术规范》附录D选用。

（2）沉降计算深度结果。承台中心点沉降计算深度为5.50 m，附加应力与自重应力比值小于20%，沉降计算深度未超过第④层含砾粉质黏土层位底部。

（3）承台中心点沉降计算结果。沉降计算深度Zn为5.50 m，沉降计算点附加应力为259.00 kPa，桩端以下各压缩土层沉降计算量（沉降未乘桩基等效沉降系数Ψe）见表5。

表5 桩端以下各压缩土层沉降量Table 5. Settlement of compressed soil layers below pile end

桩基等效沉降系数Ψe为0.307，承台中心点最终沉降量为51.20 mm。

综上，承台中心计算点附加应力影响深度未超过第④层含砾粉质黏土底部(桩底土层保证深度为6 m)，最终沉降量为51.20 mm，小于200 mm，因此变形满足要求。

5.3 模型试验

本文采用FLAC3D 有限差分软件作为数值模拟手段[11]，对单桩在预期最大荷载作用下的沉降量进行了模拟分析。利用实体建模技术，利用软件自带的radial-tunnel模块按1∶1 的比例建立土体和桩基模型，模型的尺寸为16 m×16 m×19 m，即模型长16 m、宽16 m、高19 m，混凝土预制方桩边长400 mm，桩长13 m，如图3和图4所示。

图3 桩基土体三维实体模型Figure 3. Three-dimensional solid model of pile foundation soil

图4 三维实体模型切面视图Figure 4. Section view of 3D solid model

桩身的混凝土型号为C30，密度取2 500 kg/m3，计算可得桩身的体积模量、剪切模量分别为16 700 MPa、12 500 MPa。在桩身和土层之间建立接触面单元，接触面采用高强度参数，接触面的法向刚度和剪切刚度取周边单元体最大等效刚度的10倍。

当加载至1 020 kN时，等效桩顶应力为6.375 MPa，模型的竖向位移云图如图5所示。桩基和土层中的竖向位移从上到下依次减小，从桩中心到四周也是依次减小，桩顶的沉降量为9.47 mm，数值模拟得到的桩顶沉降量与验收测试中103#桩基的桩顶沉降量较为接近。

图5 竖向位移云图Figure 5. Vertical displacement cloud image

6 结论

（1）研究项目进行了预制桩现场单桩载荷试验，获取了桩基设计参数，并进行了验收试验，承载力满足要求。

（2）采用了等效分层综合法计算了群桩基础沉降，群桩计算值比单桩载荷试验实际值沉降值偏高较多，附加应力影响深度未超过第④层含砾粉质黏土层位底部，变形满足要求，不需考虑深部岩溶对桩基稳定性的影响。

（3）使用FLAC3D 有限差分对桩基工程单桩承载力与沉降进行了数值模拟，与载荷试验进行对比，模型计算值与现场试验结果十分接近，证明了模型的合理性，也验证了承载力及变形满足工程要求，可用于指导类似工程。遗憾的是，项目虽布置了沉降监测点，但未进行监测，否则沉降数据对比可更加直观。

（4）芜湖市繁昌区东北区域范围内，地下岩溶十分发育，上部普遍分布填土及软土，对荷载稍大一些的建（构）筑物，浅部无天然地基持力层，深部若采用完整石灰岩为钻孔灌注桩持力层，不利于施工安全、施工质量，也不利于工程造价和工程进度，可充分利用上部土层为深基础持力层，采用预制桩基础方案。通过本文的研究，采取现场试验、模型试验及理论计算，承载力及变形均可满足工程要求。目前，该工程已经竣工，实践证明该基础方案切实可行。该研究成果可用于指导类似工程及场地。

（5）基础采取本方案的适用及限制条件，首先是建（构）筑物的柱荷载不能太大，且有相对较好的深基础持力层，否则单桩承载力要求高，地基土无法满足要求；其次是需确保群桩桩底持力层厚度不小于附件应力影响深度。