岩溶地区基坑支护灌注桩嵌固深度影响研究

吕志刚，杨剑维，黄 俊，王燕燕

（广东省城乡规划设计研究院有限责任公司 广州 510220）

关键字：岩溶；基坑；灌注桩；嵌固深度

0 引言

岩溶地区场地地质环境复杂，基坑支护设计难度较大。一方面与灰岩直接接触的上覆土层因受岩溶裂隙水的浸润影响，土层力学性质较差，地勘单位根据室内试验提供的粘聚力、内摩擦角值通常不高，设置多层地下室（≥2层）的基坑，支护桩的嵌固深度通常较长，计算表明桩底往往需嵌入灰岩层，方能满足整体抗倾覆稳定性要求；另一方面灰岩地带岩层起伏较大，支护桩如需嵌岩控制，往往较难准确把握支护桩桩长，且嵌岩施工难度较大。

从上可知，岩溶地区如何合理的确定支护灌注桩的嵌固深度，是保证基坑安全的关键因素，同时，支护桩嵌固深度也是基坑支护经济性的一个重要指标（支护桩嵌岩时涉及入岩增加费，遇到溶洞时涉及溶洞填灌处理的费用增加），嵌岩过深时必然造成工程浪费并严重影响工程进度。因此研究岩溶地区支护灌注桩的嵌固深度具有重要的应用价值。

黄俊光等人［1］从安全度、变形控制、造价及工期等因素对比分析得出，岩溶地区一般较深的基坑应优先选用桩锚支护形式，并提出了岩溶基坑支护结构可通过采用已施做支护桩揭露的地质情况对嵌固深度实行动态设计，如此信息化的动态设计可以达到安全可行、经济合理的目标；雍毅等人［2］根据桩基施工过程中对地质条件的探测修正，应用理正深基坑软件对桩基嵌固深度进行了优化调整，保证了基坑支护安全可靠、经济合理；邱亮等人［3］以广州岩溶发育的石灰岩地层基坑工程为例介绍了基坑设计、岩溶处理、支护结构施工、高强度灰岩开挖及基坑监测等设计施工若干关键技术和措施；胡鼎培等人［4］提出了在岩溶场地基坑支护设计时，为保证设计方案的安全、经济、合理，需遵循“重勘察，勤分段，细设计，全跟踪，必优化”的方式对基坑进行包络性设计；江杰等人［5］运用Midas-GTS 有限元软件模拟了溶洞的不同位置、大小对深基坑开挖的影响，并得出结论当溶洞位于桩基正下方时，溶洞顶距桩底距离与溶洞直径的比值＜2.5 时，溶洞需作处理，≥2.5时，溶洞可不作处理。

目前对岩溶地区基坑的研究，主要是针对溶洞病害的勘察及处理方式［6-8］，鲜有涉及岩溶地区基坑支护灌注桩嵌固深度的影响研究，本文基于岩溶地区的某基坑支护工程实例，通过计算对比分析岩溶面上覆软弱土层厚度，对不同支护型式下的支护灌注桩嵌固深度及桩底嵌岩深度的影响，得出岩溶地区不同支护型式下支护灌注桩嵌固深度及嵌岩深度的控制标准，确保了岩溶基坑工程在安全稳定的前提下，兼具经济合理性及施工便利性。

1 工程概况

本工程位于广西某市，基坑周边场地高程约54.0～55.5 m，基坑底标高46.25 m，基坑开挖深度7.75～9.25 m，基坑平面近似矩形，南北向长约96.5 m，东西向宽约84.0 m，基坑周长约361 m，基坑底面积约8 100 m2。

2 地质条件

开挖地层从上至下依次为素填土（松散状）、黏性土（硬塑状）、卵石层（稍密状）、黏土层（可塑至软塑状）、灰岩层（中～微风化，岩溶中等发育）。岩溶裂隙水稳定水位高程约46.16～48.10 m，初见水位高程约为40.26～40.70 m，年水位变幅约±2 m。岩土工程参数详见表1，地质剖面如图1所示。

表1 基坑支护设计岩土参数取值Tab.1 Geotechnical Parameter Value of Foundation PitSupport Design

图1 典型工程地质剖面Fig.1 Typical Engineering Geological Profile

3 周边环境

基坑东面为院区内部用地，东侧地下室边线距离拟建院区高压氧项目19.3 m，距离已建成内科楼13.2 m，且东侧存在一处既有院区排污管线，距离地下室边线约5.0 m；基坑南面为院区内部用地，南侧地下室边线距离东南侧拟建院区发热门诊项目22.8 m；基坑西面现状为空地，远期为规规划市政道路，西侧地下室边线距离项目用地红线约5.1 m；基坑北面现状为空地，远期为规规划科研培训楼，北侧地下室边线距离项目用地红线约67.8 m。基坑周边环境如图2所示。

图2 基坑周边环境Fig.2 Surrounding Environment of Foundation Pit

4 基坑支护方案选型

基坑西侧地下室边线距用地红线较近（约5.1 m），红线外为规划市政道路用地，基坑支护不应超出红线范围；南侧为院区内部用地，现状为空旷地带，但即将进行发热门诊楼施工（先于本项目基坑施工），需要采用强支护来控制变形，确保发热门诊楼的顺利施工；东侧临近既有内科楼、规划高压氧项目（先于本项目基坑施工）及院区排污管线（基坑施工期间无法迁改），故需要采用强支护来控制变形，保证既有建筑物安全；场地北侧现状为空旷地带，可采用放坡开挖。

结合场地地质条件、基坑周边环境、现有施工条件和施工工期等因素，各区段对应的基坑安全等级及支护结构型式汇总如表2所示。

表2 基坑方案选型汇总Tab.2 Summary of Foundation Pit Scheme Selection

5 支护灌注桩嵌固深度研究分析

5.1 理论分析

结合文献［9-10］可知，岩溶地质条件下，影响悬臂桩及单支点灌注桩支护嵌固深度设计的主要因素为土压力及抗倾覆稳定性（倾倒、踢脚）计算。

5.1.1 土压力计算

作用在支护结构外侧的主动土压力强度标准值、支护结构内侧的被动土压力强度标准值宜按下列公式计算：

⑴水土合算时：

当为悬臂式支挡结构时，上述公式以桩底为转动点进行抗倾覆稳定验算；当为单支点支挡式结构时，上述公式以支点为转动点进行抗倾覆稳定验算。Ke为嵌固稳定安全系数，安全等级为一级、二级、三级时分别不小于1.25、1.20、1.15。

5.1.3 位移、内力计算结果

通过基坑施工工况分析，在理正深基坑计算软件中输入各层土的力学参数及支护结构信息，得到各工况下土压力、位移、剪力、弯矩、轴力包络图，选取典型剖面（悬臂灌注桩及桩锚支护）最不利工况包络图如图3所示，根据工况计算获取的最大剪力、弯矩、轴力，按照《混凝土结构设计规范（2015 年版）：GB 50010—2010》对支护结构进行设计。

图3 典型剖面最不利工况包络图Fig.3 Envelope Diagram of the Most Unfavorable Working Condition of Typical Profile

根据计算分析，南侧区段选用φ1 200@1 500 的悬臂灌注桩支护方案，西侧区段采用φ1 200@1 500灌注桩+采用一道预应力锚索（水平间距为1.5 m）支护方案，灌注桩外侧采用φ600 mm桩径的双管高压旋喷桩进行桩间止水，基坑支护结构设计典型剖面如图4所示。

图4 基坑支护结构设计典型剖面Fig.4 Typical Section of Foundation Pit Support Structure Design （mm）

岩溶地区，往往岩面起伏较大，岩面以上覆盖土层厚度存在不确定性，并且由于岩溶基岩裂隙水的存在，与基岩接触的上覆土层通常处于湿润态的可塑甚至软塑状，因此如何在该种地层条件下确定支护桩的嵌固长度至为关键，既关系支护结构的安全稳定性，又关系工程成本的经济性。下面通过理正深基坑计算软件，结合上述工程案例，通过假定不同上覆土层的厚度，来计算分析不同支护型式下的灌注桩嵌固长度。

5.2 悬臂支护情况

选取南侧悬臂单排灌注桩区段（φ1 200@1 500），支护剖面如图3所示，结合地勘选取的实际钻孔ZK28，地层从上至下依次为0.5 m 厚填土、3.0 m 厚黏性土、8.0 m厚卵石、2.0 m厚黏性土及下伏基岩。

5.2.1 黏性土④厚度对支护灌注桩嵌固深度影响分析

现假定与基岩直接接触的上覆黏性土的厚度分别为2.0 m、4.0 m、6.0 m、8.0 m、10.0 m，然后通过理正深基坑软件计算得到不同黏土层厚度下的悬臂灌注桩嵌固深度，并绘制出悬臂灌注桩嵌固长度与桩底入岩段深度随黏性土厚度的变化关系，如图5所示。

图5 悬臂桩嵌固长度及嵌岩深度随黏土层厚度变化关系Fig.5 Variation of Embedded Length and Rock Socketed Depth of Cantilever Pile with Thickness of Clay Layer

由图5 可知，当基岩面至坑底区间范围内卵石层厚度小于1倍坑深时，对于悬臂灌注桩支护，满足整体抗倾覆稳定性计算需要的嵌固深度随基岩上覆土层（黏性土）厚度的增大而线性增大，但嵌固段入岩深度随上覆土层（黏性土）厚度的增大变化不大（约为2.5D～3.0D）。

5.2.2 卵石层厚度对支护灌注桩嵌固深度影响分析

实际工程中也存在卵石层较厚，岩面较深情况，现仍选取ZK28 钻孔，假定岩面上覆黏性土厚度不变（分别取2.0 m，4.0 m），研究卵石层厚度变化（8.0 m、10.0 m、12.0 m，14.0 m、16.0 m、18.0 m）对悬臂灌注桩嵌固深度的影响，通过理正深基坑软件计算得到不同卵石层厚度下的悬臂灌注桩嵌固深度，并绘制出悬臂灌注桩嵌固长度与桩底入岩段深度随卵石层厚度的变化关系，如图6、图7所示。

由图6、图7 可知，支护灌注桩嵌固深度随着卵石层厚度的增加近似线性增加，但嵌固段入岩深度却随卵石层厚度的增加逐渐减少，并最终趋于定值。

图6 悬臂桩嵌岩深度随卵石层厚度变化关系Fig.6 Variation of Rock Socketed Depth of Cantilever Pile with Thickness of Cobble Layer

图7 悬臂桩嵌固长度随卵石层厚度变化关系Fig.7 Change of Embedded Length of Cantilever Pile with Thickness of Pebble Layer

综上，对于悬臂支护灌注桩，桩基嵌固深度为入岩一定深度控制：当基底以下基岩以上抗力系数较大（m值约为22 MN/m4）土层（卵石层）层厚度≤1h（h为基坑深度，后文相同）时，灌注桩嵌固段嵌岩深度约（2.0～3.0）D（D为支护桩桩径，后文相同）；当基底以下基岩以上抗力系数较大（m值）土层（卵石层）层厚＞1.5h时，嵌固段嵌岩深度约0.2D。

文献［9］规定悬臂式结构，嵌固深度尚不宜小于0.8h，当然在一定深度范围内，嵌固深度越长，桩顶变形就会越小，即为满足相应基坑安全等级下的位移控制标准，悬臂灌注桩支护还需要满足最小桩长（约0.8h～1.25h）控制要求。

5.3 单支点桩锚支护情况

选取西侧预应力锚索+单排灌注桩区段（φ1 200@1 500），支护剖面图如图7 所示，结合地勘选取的实际钻孔ZK41，地层从上至下依次为1.12 m 厚填土、5.5 m厚黏性土、5.0 m厚卵石、6.0 m厚黏性土及下伏基岩。

5.3.1 黏性土厚度对单支点灌注桩支护嵌固深度的影响分析

现假定与基岩直接接触的上覆黏性土的不同厚度（2.0 m、4.0 m、6.0 m、8.0 m、10.0 m），同时假定锚索参数相同，然后通过理正深基坑软件计算得到不同黏土层厚度下的单支点灌注桩嵌固深度，并绘制出单支点灌注桩嵌固长度与桩底入岩段深度随黏性土厚度的变化关系如图8 所示。由图8 可知，对于单支点灌注桩支护，满足整体抗倾覆稳定性计算需要的嵌固深度随基岩上覆土层（黏性土）厚度的增大而线性增大，但嵌固段入岩深度随上覆土层（黏性土）厚度的增大变化不大（约0.625D～0.5D）。

图8 单支点时嵌固长度及嵌岩深度随黏土层厚度变化关系Fig.8 Variation of Embedded Length and Rock Socketed Depth with Clay Layer Thickness at Single Support

5.3.2 卵石层厚度对支护灌注桩嵌固深度的影响分析

同样的，假定岩面上覆黏性土厚度不变（分别取6.0 m、8.0 m），研究卵石层厚度变化（5.0 m、7.5 m、10.0 m、12.5 m，15.0 m、17.5 m）对单支点灌注桩支护嵌固深度影响，通过理正深基坑软件计算得到不同卵石层厚度下的单支点灌注桩支护嵌固深度，并绘制出单支点灌注桩支护嵌固长度与桩底嵌岩段深度随卵石层③厚度变化关系，如图9、图10所示。

图9 单支点时嵌岩深度随卵石层厚度变化关系Fig.9 Variation of Rock Socketed Depth with the Thickness of Cobble Layer at Single Support

图10 单支点时嵌固长度随卵石层厚度变化关系Fig.10 The Change of Embedded Length with the Thickness of Pebble Layer at Single Support

由图9、图10 可知，对于单支点灌注桩支护情行，支护灌注桩嵌固深度随着卵石层厚度的增加近似线性增加，但嵌固段入岩深度却随卵石层厚度的增加逐渐减少，并最终趋于定值。

6 结论

⑴ 通过以上分析可知，在岩溶地区，当基岩面存在一定厚度的可塑～软塑状的黏性土时，支护灌注桩嵌固深度及嵌岩深度控制标准如下：

①对于悬臂灌注桩支护，桩基嵌固长度应按最小桩长（约0.8h～1.25h）及嵌岩深度进行双控，嵌固段嵌岩深度约2.5D～3.0D范围。其中，最小桩长主控基坑变形，嵌岩深度主控整体抗倾覆稳定。

②对单支点灌注桩支护情况，灌注桩桩长仅需要按入岩控制，嵌固段嵌岩深度随基岩上覆土层的厚度变化近似在（0.33～0.625）D范围，嵌岩深度主控整体抗倾覆（或踢脚）稳定。

⑵对比悬臂灌注桩支护与单支点灌注桩支护时的桩基嵌固长度及嵌岩深度可知，增加水平支点（锚索/支撑）后可降低支护桩嵌固长度及嵌岩深度。因此，当基坑周边环境允许锚索施工时，大可采用灌注桩+锚索的支护型式，这样可同时降低灌注桩的嵌固长度及嵌岩深度，避免支护桩触碰深层溶洞，也就降低了岩溶地区灌注桩嵌岩施工的难度及工程成本。

⑶当为多支点支护时，因为灰岩上覆土层常表现为可塑～软塑状，嵌固深度主要受整体滑动稳定性或以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定性计算控制。计算表明，桩底嵌固深度往往仍需要嵌岩控制，嵌固段嵌岩深度控制标准与单支点情形基本相似。

⑷对比岩溶地区单支点与多支点灌注桩支护可知，采用多支点支护时并不能减少桩基的嵌固长度，因此当设置2 层地下室（基坑深度约10 m）时，采用单支点方案较多支点方案更节省工程成本，且可以避免深层锚索触碰灰岩及溶洞，对工期控制较为有利；因此当基坑变形控制满足文献［9］要求时，宜优先考虑单支点支护。