花岗岩孤石发育地区桩基勘察优化技术研究

杨日辉

（广东省重工建筑设计院技术咨询有限公司 广州 510670）

0 引言

据广东区域地质图，沿海地区大面积出露花岗岩［1］，形成较大规模分布的孤石群，包括地表孤石、地下孤石，其中地下孤石又分为第四系孤石、风化层孤石。

孤石的分布对基础设计影响较大：对浅基础来说，往往形成不均匀地基，产生不均匀沉降，危害结构安全；对于深基础（桩基础）来说，难以采用预制桩打入的方式进行施工［2-3］，而对于孤石发育地区的深基础施工，往往查明孤石分布对基础设计尤其是采用灌注桩［4］施工工艺显得尤为重要。

勘察单位在花岗岩孤石发育地区进行工程地质勘察时，往往存在以下问题：①规范真空问题，对岩溶地区的桩基详勘工作量布置有明确的规范［5］支撑，而国家标准或省市相关规范未对桩基详勘阶段的勘察工作量布置有比较明确的规范条文，这就导致后期勘察工作量布置无规范可依；②勘察设计单位对孤石的发育情况无法把握，往往建议进行逐桩钻探，可能造成一定程度的投资浪费；③从业主投资管理角度，勘察投入难于把控勘察成本。因此，根据结构荷载，结合地层及孤石分布情况，对孤石发育地区的桩基勘察工作量布置进行研究非常必要。

1 定义及必要的假设

鉴于本文篇幅及孤石成因复杂性原因，暂不对表层、第四系冲洪积层孤石进行相应研究，本文重点对风化层孤石进行重点研究。为便于分析阐述，下面提出技术研究关键术语的定义及为了便于研究提出的必要假设。

1.1 定义

⑴特征地质钻孔（ZK）：用于表征具体建筑物范围代表性地层分布的勘探钻孔。特征代表地质钻孔可以是1 个，特殊情况（地质条件复杂时）也可以是多个，一般情况可简化为一个。

⑵特征土层厚度（h）：简称均厚，单位m，编号hi（i=1，2，3），用于表征建筑物特征代表钻孔的各特征土层平均厚度。

⑶安全深度hs：特征地质钻孔中嵌入孤石（直径d）一定深度后满足桩基承载力要求所需达到的桩长。

⑷危险深度hd：特征地质钻孔中嵌入孤石（直径d）最大深度后未能满足桩基承载力要求所需达到的临界桩长。

⑸平衡深度：介于上述两者之间的桩长。

⑹场地见孤率（%）：所有勘察钻孔中揭露孤石的比例；根据孤石分布的深度范围，对于勘探孔深部揭露的孤石比例（桩顶算起的孤石埋深hg符合hg≥hs时），称为安全见孤率；对于勘探孔浅部揭露的孤石比例（埋深hg符合hg≤hd时），称为危险见孤率；孤石埋深hg符合hd≤hg≤hs时的孤石比例，称为平衡见孤率。其存在以下关系：

场地见孤率（%）=危险见孤率+平衡见孤率+安全见孤率。

优化指数（%）=100%×（危险见孤率+安全见孤率）/场地见孤率

1.2 必要的假设

假设孤石风化成圆球体（直径d，单位m），为了便于研究，当d＜D（D为桩基直径，单位m）时，一般情况，考虑到大直径桩嵌岩要求，一般会嵌岩超过1D，这时候孤石很可能被击穿，故而不研究d≤D的情况；一般上，认为d＞D的情况才有研究的价值。一般来说，花岗岩孤石的直径≥勘探孤石层厚，因此按孤石揭露厚度作为孤石直径保守考虑，且假设桩基受力通过球体形心对桩基承载力进行研究。

1.3 等效平均侧摩阻力特征值

特征钻孔中，孤石之上覆盖层厚度范围内平均侧摩阻力特征值可用下式计算：

其中：hi为第i层土层厚度（m）；qsia为第i层土层摩阻力特征值（kPa）。

2 工作量优化理论技术研究

2.1 孤石发育程度分级

根据孤石的场地条件，包括地表孤石的发育情况、勘探孔中孤石的见孤率或线孤石率大小，结合其对工程实际可能产生的影响，对孤石的发育程度进行分级如表1所示。

表1 孤石发育程度分级Tab.1 Classification of the Development Degree of Boulder

2.2 受力模型理论研究

假如上部荷载传递到桩顶荷载为Q（kN），桩端进入孤石深度hr（由孤石顶面算起且hr≥0.5 m），孤石直径d（d＞hr），桩基承载力由3个部分组成，孤石之上覆盖层土层桩侧总摩阻力特征值Rsa、入岩段孤石侧摩阻力特征值Rra、持力层总端阻特征值Rpa；倘若孤石直径D足够大，桩端嵌岩入孤石中，那么可视为桩端为扩大球体头，桩端端阻面积Ap可按扩大基础考虑，桩端按强风化岩层的天然湿度抗压强度取值；考虑到孤石之下一般为全、强风化层，压缩模量较大，一般来说桩基总体沉降可控，因此桩基总体沉降可不予考虑；桩端之下完整连续孤石厚度只需要满足受冲切承载力要求，单桩承载力计算［6］仍可按嵌岩桩公式进行相应计算；当孤石直径足够大，满足《建筑地基基础设计规范：广东省标准DBJ 15—31—2016》不少于3D之要求时，可完全按嵌岩桩考虑，此时，桩底应力经连续孤石应力扩散后，强风化层承载力可满足持力层要求。

2.3 孤石埋深的3种情况及相应工作量布置建议

综上所述，对于桩基来说，在特征代表地质钻孔中，对一定直径d（变量）的孤石及桩顶荷载T，存在安全深度深度hs（由桩顶算起，单位m，下同），荷载（承载力，单位kN）-深度（桩长）关系如图1所示，当桩长h≥hs时，无论孤石直径多大，总是存在hs，满足桩基承载力满足R≥T；第二种情况，同时也存在危险深度hd，当桩长h≤hd时，无论在此深度范围以上遇孤石，即使孤石直径相对较大，也应予以穿越；第三种情况，详勘大部分勘探孔揭露的孤石埋深hg符合hd≤hg≤hs时，且平衡见孤率较高时，此时应对场地进行逐桩施工勘察，如果详勘阶段上述深度范围的见孤率较低，那么可以适当在施工阶段采用超前地质钻或物探［7-8］予以探明。因此，当详勘大部分勘探孔深部揭露的孤石埋深hg符合hg≥hs时，桩端入孤石，桩长为hs，那么即使场地见孤率很高，也没有必要进行逐桩勘探；同理，当详勘大部分勘探孔浅部揭露的孤石埋深hg符合hg≤hd时，桩端应穿越孤石，向下寻找持力层，那么即使场地存在见孤率很高，也没有必要进行逐桩勘探。

图1 荷载（承载力）-深度（桩长）关系（D变量）Fig.1 Relationship of Load（Bearing Capacity）-Depth（Pile Length）（D Variable）

3 计算及工作量布置分析步骤

3.1 孤石相关计算

孤石之上覆盖层总厚度（从桩顶计算起）h，则孤石之上覆盖层厚度范围内：

土层桩侧总侧摩阻力特征值［9］：Rsa=qsauh

桩侧岩总摩阻力特征值［1］：Rra=upC2frshr

持力岩层总端阻力特征值［1］：Rpa=C1frpAp

因此，单桩竖向承载力特征值［1］：Ra=Rsa+Rra+Rpa

令T≤Ra，取d=2，3，4，5……n。

3.2 工作量布置分析步骤

⑴根据详勘布置纵横剖面，结合地形地貌及岩面情况，确定单栋建筑物特征地质钻孔。

⑵根据特征钻孔，按孤石直径的大小，分别画出承载力-孤石埋深hg关系曲线。

⑶根据上述曲线确定安全深度hs、危险深度hd。

⑷统计危险见孤率、平衡见孤率、安全见孤率。

⑸按表2 所示，根据孤石发育等级及优化指数，提出桩基勘察建议。

表2 勘探工作量布置建议Tab.2 Exploration Workload Layout Proposal

4 案例

根据上述理论研究成果，对广州某项目［10］花岗岩孤石发育场地进行研究，详勘场地见孤率为19.51%，场地孤石最大勘探揭露直径为2.9 m，线孤石率小于20%，查表1为中等发育场地根据孤石发育情况，对各建筑物进行孤石补勘情况研究，得出相应安全深度及危险深度，研究结果显示，大部分孤石分布于安全深度之下或危险深度之上，仅少量处于平衡深度范围，因此对局部酌情进行补勘，在设计院推荐逐桩勘探的基础上，勘探工作量缩减了80%左右，节约勘察投资投资约人民币80 万左右。研究成果如表3 所示，可见，仅需对T6#6栋建筑进行酌情补充勘探即可。

表3 某项目孤石勘察工作量布置研究成果Tab.3 The Research Results of the Workload Layout of the Boulder Investigation

5 几点有益的思考

⑴优化方案的提出，需要具有行业经验丰富的岩土工程师，其尤其是要对花岗岩孤石的成因及分布规律具有清楚、专业的认识，关键在于对特征地质钻孔的选取，才能得到比较合适的安全深度及危险深度。

⑵桩端承载力的发挥，取决于孤石的直径及桩端与孤石之间的空间关系。在满足受冲切承载力要求的同时，受力模式与孤石直径d之间的相互关系值得进一步研究。

⑶优化指数、发育等级及勘探建议之间的联系，宜根据工程实践进一步细化。

6 结论

⑴对花岗岩孤石发育场地划分为孤石强发育、中等发育及弱发育3个等级。

⑵根据孤石发育的空间规律，考虑桩基嵌入孤石的情况下，进行了相应的受力模式研究，提出了计算模式及研究步骤，绘制出荷载-深度（桩长）关系图，提出了安全深度、危险深度以及介于两者之间的平衡深度、危险见孤率、安全见孤率、优化指数等概念。

⑶不同孤石发育等级下，根据计算的优化指数，提出孤石空间发育的3种情况及相应工作量布置建议。

⑷安全深度与危险深度与孤石直径大小存在线形关系，当孤石直径d变化范围窄时，平衡见孤率相对较小，优化指数相对变大，场地勘探工作量可优化空间高。

⑸花岗岩桩基孤石勘察优化技术研究理论及研究成果应用于生产实践，为项目勘察节约了投资，可为同类工程提供参考借鉴。