曹贤发，刘之葵，李海玲

(桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004)

嵌岩桩是岩溶场地常见的基础型式[1-3]。岩溶区中高层建筑地基基础设计常常需要对桩基础、筏板基础、复合地基方案进行优选。岩溶区工程实践表明，地基设计阶段能较合理地确定筏板基础和复合地地基方案的工程造价、工期和施工难度，但桩基方案的技术经济性论证则常常是岩溶区地基基础方案设计时的一个难题，导致岩溶地基基础选型失误的案例屡见不鲜。关于岩溶嵌岩桩与筏板基础的技术经济性的比选论证，在工程实践中也一直存在较为尖锐的争论和分歧，岩溶区的地基方案选择依赖行业权威及其经验多于理论。

基桩入岩深度，也称为嵌岩厚度、嵌岩深度，不同行业和项目中的具体要求是不同的，但其入岩起算位置是统一的，均指桩端截面与岩石完全接触的位置，本文将该位置对应的高程定义为基桩入岩高程。显然，若能合理预测岩溶场地所有基桩入岩高程的平均值(本文称之为场地桩基平均入岩高程)，结合场地勘察资料，即可预测场地所有基桩的平均入岩深度或嵌岩厚度，评估其成桩难度，为桩基础施工难度评价和桩基方案的技术经济性论证提供定量参数依据。

溶蚀沟槽、漏斗、洞隙等岩溶形态发育具有很大的随机性，具宏观规律而无微观规律可循[4-8]。目前关于场地岩溶地基溶蚀特征仍以定性评价为主，最常见的就是对场地岩溶发育程度进行分级[9]。工程实践表明，桩基难度与岩溶发育程度评价结果的相关性不明显，评价为岩溶强发育的场地，其桩基实际施工难度可能并不大。反之，评价为岩溶弱发育的岩溶场地，却常常潜在较大的成桩难度，由此引起的基桩质量问题也较多，其关键问题在于现有岩溶地基溶蚀特征的定性评价未能提供合理的定量参数作为地基设计依据。岩溶地基勘察手段已呈多样化发展，地质雷达、高密度电法等多种常见物探手段已在岩溶勘察中得到了一定应用和研究[10-11]。岩溶勘察钻孔密度也较大，特别是一桩一孔或一桩多孔已成为岩溶桩基施工勘察的主要布孔要求[12-13]，在岩溶地基设计和施工阶段已积累了丰富的地质资料。但是，目前对于桩基入岩高程及入岩深度的预测依据主要是这些勘察数据的简单统计值，如勘察钻孔入岩高程平均值。岩溶地区工程实践表明，工程物探的探测深度有限，探测精度及适用性受场地条件限制较大，在岩溶地基勘察实践中的应用仍不够广泛，而勘察孔与桩孔直径相差较大，一桩一孔的施工勘察确定的基桩入岩深度与实际入岩深度常常存在较大偏差，尤其在溶蚀程度较高的岩溶地基条件下，这种偏差十分显著。一桩多孔勘察能较好地确定基桩入岩情况，但勘察成本较高。另外，施工勘察后于地基设计，地基方案变更成本高。尽管如此，可以肯定的是目前岩溶地基勘察方法多样，场地勘察数据已然十分丰富，但如何在有效地利用这些勘察资料、充分考虑场地溶蚀特征的基础上，合理预测岩溶场地桩基平均入岩高程，为岩溶地基设计提供合理的岩溶定量参数，仍有待研究。

本文在文献[14]所建立的岩溶场地桩基平均入岩概率分析模型的基础上，以柳州市金盛广场4#楼桩基为工程背景，建立了岩溶建筑场地桩基平均入岩高程预测模型，分析了模型的预测误差，阐明了预测方法的合理性，其预测结果可作为岩溶地基基础方案优选和桩基技术经济性论证的基本依据。

1 工程概况

柳州市金盛广场位于东环大道西侧、箭盘路北侧的原东环菜市场内。4#楼高25层，地下室1层，框架结构。设计采用56根桩基础，其中22根桩径0.8 m，8根桩径1.2 m，11根桩径1.4 m，15根桩径1.5 m，要求：以较完整灰岩为桩端持力层，桩端嵌岩深度不少于0.5 m，局部要求嵌入2.0 m；在桩孔开挖前进行一桩一孔的施工勘察，以确保桩端下3倍桩径且不少于5 m的深度范围内无溶洞发育。桩基设计概况见图1。从图1可知，有十桩一承台、三桩一承台、两桩一承台，多数为一桩一承台，承台分布无规律，这种桩基设计在岩溶地区虽然也不多见，但基桩入岩情况主要取决于桩位地质条件，受承台设计因素的影响甚微，也不影响本文研究结果在相关岩溶建筑场地的适用性。

图1 柳州金盛广场4#楼的桩基平面设计图Fig.1 Floor plan of pile of the No.4 building in the Jinsheng Plaza of Liuzhou

施工勘察期间，场地已平整，地面高程约88.65 m，上覆土层以红黏土为主，上部浅层范围分布较薄的杂填土和淤泥质土。上覆土层厚度为8.43～21.15 m，平均厚度15.82 m。根据施工勘察结果推荐的桩基入岩深度为8.43～34.94 m，平均入岩深度18.77 m。桩基施工工艺根据桩长确定，超过20 m的采用冲孔桩，不大于20 m的采用人工挖孔桩，施工勘察初步确定除37#和48#采用冲孔桩施工外，其余全部用人工挖孔桩，并全面铺开施工，人工挖孔桩预计45 d内完成，冲孔桩则在挖孔桩完成后与该场地的5#楼桩基施工同时进行。

人工挖孔桩施工发现，场地溶蚀沟槽十分发育，很多桩孔在开挖至预定高程(由该桩位处施工勘察孔确定)后并未完全入岩，大部分桩孔实际入岩高程都要低于预定高程一定深度，最大高差为39#孔，达到13.87 m，平均为3.29 m，导致原来桩位处的施工勘察钻孔深度不能确保桩端下完整岩厚度满足设计要求，甚至桩孔开挖深度大于勘察孔深度，不得不暂停施工以进一步进行补充勘察。部分桩孔不得不变更采用冲孔桩施工方案，导致前期人工开挖的桩孔废弃，桩基施工成本大幅度增加，工期也最终延长了近3个月，给工程建设带来了很大损失。施工结果最终表明，1#～3#楼采用筏板基础，已按预定计划顺利完成施工，而4#楼的桩基方案无论从造价方面还是工期方面都明显不如筏板基础方案，其桩基施工工艺选择人工挖孔桩也证明是不恰当的。

场地分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4个亚区，主要考虑因素为：分区面积适宜，不应太大或太小，按照桩数12～24个控制，以满足统计样本数要求；分区范围内的桩型尽量相对统一，如Ⅰ区和Ⅲ区均只有一种桩型，其桩径分别为0.8 m和1.5 m。

各分区的桩型及数量分布情况为：Ⅰ区12根桩的直径为0.8 m；Ⅲ区14根桩的直径为1.5 m；场地Ⅱ区共16根桩，有4种桩型：6Ф0.8 m、6Ф1.2 m、3Ф1.4 m和1Ф1.5 m；场地Ⅳ区共14根桩，有3种桩型：4Ф0.8 m、2Ф1.2 m、8Ф1.4 m。各分区的基本概况见表1。

表1 场地工程概况表Table 1 Site engineering overview

2 数据处理

2.1 各桩型的群桩入岩概率曲线

场地分区中存在多种桩型，要分析场地的平均入岩高程，应先确定场地每个分区每种桩型的群桩入岩概率曲线，可按文献[15]方法求解。

设高程Ha等于或略小于施工勘察孔的孔底高程最小值，Hb等于或略大于施工勘察钻孔最大入岩高程，将区间[Ha,Hb]划分为长度为ΔH的统计区间，区间底部高程Hi∈[Ha,Hb]，由大到小排列为：H1>H2>…>Hi-1>Hi>Hi+1>…。桩型j在高程Hi以上的入岩概率为：

(1)

(2)

式中：Dj——j桩型桩孔直径；

ri——高程Hi处的溶蚀率。

式(2)中ri是高程H的函数[15]，其具体表达式为：

r(Hi)=aeb(Hi-H0)

(3)

式中：a，b——曲线拟合常数；

H0——起算高程。

ri=aeb(Hi-H0)

(4)

令r=ri，D=Di代入式(2)可求得Hi处的基桩入岩概率为：

(5)

图2 场地各分区的群桩入岩概率高程分布曲线Fig.2 Height distribution curve of the entering-rock probability of grouped piles in each subarea of the site

2.2 桩基平均入岩高程

(6)

(7)

式中：Ψj——j桩型在该分区中所占比重。

Ψj按下式计算：

(8)

式中：nj——统计范围内j桩型的桩孔数；

n——统计范围内桩的总数。

图3 勘察孔入岩误差分布散点图Fig.3 Scatter diagram of the distribution of entering-rock errors of the survey hole

表2 桩基平均入岩高程理论值计算Table 2 Computation of the theoretical value of the average entering-rock height of grouped piles

3 结果讨论

根据图2，场地各分区的桩基入岩概率具有随高程减小(或深度增大)而增大的规律。桩基理论入岩率曲线变化规律与实测曲线基本一致，出现误差较大的情况为：第Ⅱ区中桩径为1.4 m和1.5 m等两类桩型；第Ⅳ区中桩径为0.8 m和1.2 m等两种桩型。其中Ⅱ区中桩径为1.4 m和1.5 m分别仅有3根和1根，Ⅳ区中桩径为0.8 m和1.2 m分别仅有4根和2根，显然这几条曲线误差来源于因样本数量较少引起的统计误差。除去以上统计误差较大的情况外，场地其各分区的其他桩型的桩基入岩概率理论曲线和实测曲线误差一般均在15%以内，平均误差均不超过10%，这表明场地桩基入岩概率的理论曲线和实测曲线误差较小。

根据表2，按照各分区比重可得到整个场地的桩基平均入岩高程的理论值、实际值和勘察钻孔入岩高程平均值分别为66.38，66.60和69.88 m。由此可得到理论值和实际值的误差为0.21 m，以勘察钻孔入岩平均高程作为桩基平均入岩高程的误差为3.29 m。表明将场地作为整体进行评价分析和划分为不同区域进行分析，理论误差与各分区存在一定差异，但均在0.07～0.50 m之间，但以场地整体为对象进行分析，其精度较低，不能体现分区间的溶蚀程度差异对桩基入岩规律的影响。因此，建议在钻孔密度足够的情况下划多个亚区进行分区评价，使其能够体现场地不同局部范围内的基桩入岩规律差异，并更好地指导不同分区的桩基施工工艺选择，这十分适用于在岩溶场地桩基施工勘察阶段的基桩入岩特征预测。分区评价精度也受统计样本数量的影响，因此也应该确保分区范围内参与统计分析的勘察钻孔数量要满足最少统计样本数的要求，一般考虑岩土工程参数变异性较大的特征，建议场地分布钻孔数量应不少于12个。

本文以金盛广场4#楼场地施工勘察为工程背景，但从已有研究可知，只要详细勘察阶段的钻孔密度和钻孔数量满足现行一定要求，详细勘察阶段和施工勘察阶段所得到的溶蚀率深度分布曲线在大部分情况下是一致的，因此可以推断，本文所建模型也适用于详细阶段对岩溶场地平均入岩高程的预测。需要注意的是，详细勘察阶段所预测的场地范围要适当增大，如以较大的单栋建筑、或紧邻的数栋较小建筑、或大型建筑的某个功能区块作为桩基平均入岩高程预测范围，以满足评价场地溶蚀率深度分布曲线所需的钻孔数量要求。显然，这种预测范围划分与地基方案设计时的设计单元划分是一致的，因此在详细勘察阶段，本预测模型预测可为地基设计提供岩溶参数依据。

如果场地按照一桩多孔进行施工勘察，实践表明可以在施工勘察阶段较好地确定每一根基桩的入岩深度和桩长，但勘察工作量较大，且由于施工勘察是在地基设计完成后进行的，因此无法及时地为地基设计提供相关参数，如果施工勘察结果表明所选桩基方案不是最优方案，那么进行地基方案变更成本高，也耽误了基础施工期，这必然给工程建设带来不良影响。

岩溶桩基施工勘察为场地获得了更为丰富的地质资料，钻孔密度更大，据此可将场地划分为更小的预测范围进行分区预测，如本文将金盛广场4#楼划分为4个分区，并预测每个分区的桩基入岩高程，以此作为各分区地基设计变更、成桩工艺选择依据，并据此可实现在地基基础施工前对地基方案技术经济合理性的最后验证。

4 结论

(1)本文建立的岩溶场地桩基平均入岩高程预测方法充分利用了目前岩溶地基的勘察资料，无需额外的勘察测试工作，合理考虑了岩溶地基溶蚀程度特征和桩径等两个因素，其预测值误差一般在0.5 m以内，满足岩溶地区嵌岩桩技术经济性论证的精度要求，可作为岩溶地基优选基础方案和选择成桩工艺的基本依据。

(2)对于一桩一孔的施工勘察，将其勘察孔平均入岩高程视为桩基平均入岩高程，由于地基溶蚀规律和桩径大小对桩基入岩概率的影响没有得到合理考虑，该统计值与实测值相比可能存在较大误差。

(3)对于一桩多孔的施工勘察，虽然能较好地在桩基施工前确定各基桩入岩深度和桩长，但勘察成本较高、勘察周期较长，无法及时地为地基设计提供相关参数依据。

(4)桩基平均入岩高程预测范围划分应确保划分区域内的有足够的钻孔数量以满足其统计精度要求。