铜陵某小区总建筑面积约80万m², 其中高层住宅大多为33层。地质情况自上而下依次为:①层回填土, 3～6m厚, 回填时间10年以上, 基本完成固结;②层黏土夹砾石, 4～6m厚;③层全～强风化灰岩, 1～3m厚;④层中风化灰岩 (饱和单轴抗压强度标准值f_rk=38MPa) , 溶洞强烈发育, 为桩基持力层。桩长一般为12～15m, 桩径为1m, 旋挖桩 (嵌岩桩) , 桩混凝土强度等级为C35。鉴于基岩面坡度较大, 设计要求桩基全断面嵌岩深度不小于1d (d为桩直径) 。其中6#楼在采用钻芯法检测桩身完整性时, 个别桩钻穿了桩端基岩, 完整基岩厚度仅0.6m。甲方决定对该栋楼所有桩均采用钻芯法检测桩端基岩厚度, 结果发现有10多根桩桩端基岩厚度小于3d和5m。由于6#, 7#, 9#楼超前钻勘察单位相同, 且桩基施工单位也相同, 因此可能都存在这一问题。于是, 对7#楼所有桩也采用钻芯法检测桩端基岩厚度, 发现也有10多根桩桩端基岩厚度小于3d和5m。但此时9#楼已施工至8层, 无法进行钻芯检测, 经专家论证, 决定采用物探法查明桩端基岩厚度。

　　 按《建筑地基基础设计规范》 (GB 50007—2011) ^[1] (简称地基规范) 第10.2.13条和第8.5.6条第6款规定, 桩端以下3d且不小于5m范围内应无土洞、溶洞、破碎带或软弱夹层等不良地质条件, 即桩端以下完整基岩厚度不应小于3d和5m。由于本工程桩径为1m, 因此桩端以下完整基岩厚度由5m控制。6#, 7#楼共有28根桩桩端完整基岩厚度L小于5m, 具体分布为:7根桩L=4.5～5m, 17根桩L=4.5～1.0m, 4根桩L=1.0～0.6m。

　　 设计在按《建筑桩基技术规范》 (JGJ 94—2008) ^[2] (简称桩基规范) 第5.2.2条、第5.3.9条计算单桩竖向承载力特征值R_a时, 未考虑桩侧土的侧阻力, 因此R_a=0.5ζ_rf_rkA_p=0.5×0.81×38×10⁶×0.5×0.5×3.14=1.21×10⁷N=12 100kN, 其中ζ_r为桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数, f_rk为岩石饱和单轴抗压强度标准值, A_p为桩端截面面积。由于桩承载力由桩身强度控制, 最终设计要求的单桩竖向承载力特征值R_a=9 500kN。经专家论证分析, L=4.5～5m时, 有6根桩上部结构作用在桩顶的轴心压力标准值N_k在6 000kN以下, 即小于63%R_a。由于按地基规范, 桩端5m厚完整基岩能满足单桩竖向承载力特征值12 100kN, 则4.5m厚完整基岩应该能满足单桩竖向承载力特征值6 000kN。另外, 设计计算桩承载力时未考虑桩基侧阻力 (按桩基规范计算桩基侧阻力特征值约为1 000kN) , 但实际上桩基侧阻力是客观存在的, 且最先发挥作用。因此, 专家论证会同意对L=4.5～5m、桩顶轴心压力标准值N_k在6 000kN以下的6根桩不做处理, 对剩余22根桩进行处理。

　　 由于桩端下溶洞充填物为黏性土及少量碎石, 湿, 软塑～可塑状态, 如果仅采用高压注浆法 (如高压旋喷桩或静压注浆加固) 处理该充填物, 形成“水泥土”, 则一方面处理平面范围有限 (加固范围很小) , 另一方面处理后水泥土强度一般不会超过180kPa, 远远小于桩端基岩强度 (饱和单轴抗压强度标准值f_rk=38MPa) , 无法满足桩端持力层的强度要求。因此, 专家论证会决定采用“高压注浆置换溶洞充填物”方法 (图1) 处理, 即对桩端下溶洞整个高度范围内的充填物采用高压水清孔 (冲洗) , 黏土和细砂从钻孔中冒出地面, 从而形成“空洞” (“空洞”中仅剩少量可以作为注浆体骨料的中、粗砂和碎石) , 然后高压注入水泥浆, 重新填满“空洞”。由于本工程为33层高层, 因此, 再辅以桩侧后注浆增大桩侧阻力作为安全储备。具体方法如下:

　　 桩截面范围内已有孔1 (桩身完整性检测时的钻孔) , 再补钻孔2, 紧贴桩边土体中等间距钻4个直径100mm的孔3。

　　 利用桩截面内两个孔 (孔1和孔2) 轮流对溶洞进行清孔, 黏土和细砂从桩身截面内另一个孔及孔3内冒出, 直到水变清水为止。此时, 桩正下方及外扩一定宽度范围内溶洞充填物中的黏土和细砂在高压水作用下冒出地面, 形成“空洞”。注意, 由于溶洞可能没有延伸到某个孔3的正下方, 导致溶洞未与该孔连通, 清孔时该孔不冒水是正常现象。

　　 利用桩身截面内孔1或孔2进行高压注浆, 充填清孔形成的“空洞”, 其有可能劈裂“空洞”范围以外的溶洞充填物, 并注入水泥浆, 起到加固作用。当浆液从桩身截面内另一个孔及孔3内冒出时, 即可停止注浆。如果某个孔3由于未与溶洞连通, 浆液无法进入该孔时, 应从上往下进行补浆。

　　 1) 完整性检测:对溶洞内的注浆体进行钻芯取样, 检测其完整性; 2 ) 强度检测:对钻芯取出的注浆体芯样进行抗压试验, 要求极限强度不小于5MPa; 3 ) 检测数量:最初的3根试验桩全部检测, 后来加固的桩抽取30%检测。

　　 对最初3根试验桩进行静载试验检测其承载力, 验证该处理方法的可行性。

　　 桩侧注浆可提高桩基侧阻力, 桩端“高压注浆置换溶洞充填物”可提高桩基端承力。高压注浆形成的注浆体平面范围可按注浆量换算。本工程最初试验的3根桩中一个溶洞高约为1m, 注浆量约为7m³, 另两个溶洞高约为2m, 注浆量约为14m³, 因此, 注浆体平均截面面积约为7m², 相当于半径约为1.5m的圆。也就是说, 注浆体超出桩边约为1m。桩端完整基岩厚度最小者为0.6m, 压力扩散角参照混凝土取45°, 这样作用到注浆体顶面的受力面积为 (0.5+0.6) ²×3.14=3.8m², 能承担上部作用在桩顶的轴心压力标准值N_k=3.8×5×10⁶/2=9.5×10⁶N=9 500kN, 其刚好与设计要求的单桩竖向承载力特征值相等, 若考虑桩侧注浆后的侧阻力, 实际单桩竖向承载力将比设计要求的单桩竖向承载力特征值大。因此, 从理论上看是安全的。

　　 (1) 先选取3根最不利桩 (即桩端完整基岩厚度最小的桩) 进行试验, 溶洞注浆体达到龄期后, 对其进行钻芯取样。结果表明, 溶洞整个高度范围内注浆体完整性良好, 注浆体与溶洞顶胶结良好, 紧密结合;芯样极限抗压强度分别为5.2, 6.1, 8.3MPa, 均大于5.0MPa, 满足要求。

　　 (2) 再对3根试验桩进行静载试验检测, 加载量达到19 000kN时, 沉降量为15mm, 因此, 单桩竖向承载力特征值能满足9 500kN。

　　 (3) 通过3根桩的试验, 证明该处理方法是可行的。接着对所有需处理的桩进行处理, 并随机抽取30%进行钻芯取样, 检测注浆体的完整性和极限抗压强度。检测结果为:注浆体完整性良好, 满足要求;芯样极限抗压强度在5～18MPa之间, 也满足要求。

　　 9#楼由于已施工至8层, 无法进行钻芯检测, 经专家论证, 决定采用物探方法 (超声波透射法) 查明桩端完整基岩厚度, 即在每根桩的承台外边钻4个孔, 孔底比桩底低5m, 插入PVC管, 用来进行物探检测。由于本工程地下室已经施工完毕, 因此, 需先将钻孔位置的地下室顶板和底板凿除, 然后钻孔 (限于篇幅, 此处不对物探具体检测方法进行介绍) 。为了验证物探方法探测的准确性, 先选取3根桩进行试验, 通过物探方法探测出的溶洞顶、底标高和钻孔记录的溶洞顶、底标高是否一致进行判断。试验结束后, 建设单位组织召开专家论证会, 经与会专家分析、对比, 确认物探方法探测可行, 于是对9#楼所有桩全部进行物探检测。

　　 通过物探检测, 发现有问题的桩共21根, 根据物探提供的两个正交方向的溶洞分布情况分为四类:第一类, 两个方向桩端下5m以内均有溶洞, 见图2;第二类, 有一个方向桩端下5m以内有溶洞, 另一个方向无溶洞, 见图3;第三类, 桩端5m以内有溶洞, 但未延伸到桩正下方, 见图4;第四类, 溶洞位于桩侧面, 洞底不低于桩底, 见图5。

　　 (1) 第一类, 两个方向桩端5m以内均有溶洞, 说明整个桩基正下方均有溶洞, 同6#, 7#楼一样, 桩端完整基岩厚度大于4.5m且N_k在6 000kN以下时不需处理, 其他情况均进行处理。

　　 (2) 第二类, 有一个方向桩端5m以内有溶洞, 另一个方向无溶洞, 即桩端正下方部分有溶洞, 这种溶洞距离桩心有一定距离, 否则另一个方向的物探对这个溶洞会有所反映。此种情况比第一类情况要有利, 桩端完整基岩厚度大于4.0m且N_k在 6 000kN以下时不需处理, 其他情况均进行处理。

　　 (3) 第三类, 桩端5m以内有溶洞, 但未延伸到桩正下方, 此时不满足地基规范第8.5.6条第6款“桩底应力扩散范围内应无岩体临空面”的要求, 但比第二类情况有利, 桩端完整基岩厚度大于3.5m且N_k在6 000kN以下时不需处理, 其他情况均进行处理。

　　 (4) 第四类, 溶洞位于桩侧面, 洞底不低于桩底, 对桩基端承力基本无影响, 但对嵌岩段的侧阻力有影响, 因此, 可按不考虑嵌岩段侧阻力, 只考虑端阻力计算单桩竖向承载力特征值 (计算方法见桩基规范第5.3.9条条文说明) , 如大于上部结构作用在桩顶的轴心压力标准值N_k, 则不需处理, 否则应进行处理。

　　 (5) 对于上述情况, 当桩身穿过基本质量等级为Ι级、Ⅱ级岩体构成的竖向溶洞顶板, 且厚度大于2m时, 可参照《贵州建筑岩土工程技术规范》 (DB 22/46—2004) ^[3] (简称贵州岩土规范) 第7.4.4条第4款规定, 将厚度乘以0.75系数后计入侧阻力。因此, 对于第一、二、三类问题遇到上述情况时, 如上部结构作用在桩顶的轴心压力标准值N_k扣除上述侧阻力后小于6 000kN, 当桩端完整基岩厚度分别大于4.5, 4.0, 3.5m时, 可不做处理。对于第四类问题遇到上述情况时, 如桩端阻力与上述侧阻力之和大于上部结构作用在桩顶的轴心压力标准值N_k, 也可不做处理。

　　 (6) 对于个别桩, 桩底下完整基岩厚度很小, 仅0.4m, 但从桩周边用来进行物探的4个钻孔发现, 桩周有较厚的完整基岩, 这可能是超前钻标高记录错误或桩基施工时看错超前钻标高所致, 此时也可参照贵州岩土规范第7.4.4条第4款规定, 将桩基全截面进入基岩厚度乘以0.75系数后计入侧阻力, 同时加上0.4m厚桩端基岩按45°冲切计算的承载力, 如大于上部结构作用在桩顶的轴心压力标准值N_k, 也可不做处理。

　　 (1) 通过上述对问题桩情况的分析, 且通过专家论证会最终确定有3根桩需做加固处理, 处理方法为新增桩基+托换梁:在需加固的桩边新增加与原有承台梁垂直相交的托换梁, 两端设人工挖孔桩支承。要求这两根挖孔桩的单桩竖向承载力特征值之和不小于上部作用在需加固桩桩顶的轴心压力标准值N_k。由于需加固桩本身仍有一定的承载力, 因此该加固方法是可靠的。

　　 (2) 对上述四类情况的溶洞利用物探孔进行高压注浆处理 (不清孔) , 以增加桩端持力层的整体性, 作为安全储备。

　　 《岩土工程勘察规范》 (GB 50021—2001) ^[4] (简称勘察规范) 第4.1.2条规定, 建筑工程的岩土勘察宜分为可行性研究勘察、初步勘察、详细勘察和施工勘察, 施工勘察是在场地条件复杂 (如岩溶场地) 或有特殊要求的情况下才需进行, 超前钻即属于施工勘察的一种。勘察规范第5.1.6条规定:“对大直径嵌岩桩, 勘探点应逐桩布置, 勘探深度应不小于桩底面以下桩径的3倍并不小于5m, 当相邻桩底的基岩面起伏较大时应适当加深。”

　　 超前钻对于人工挖孔桩来说, 可在挖孔见岩后的孔底进行, 但对于机械成孔 (包括泥浆护壁钻、挖、冲孔, 锤击或振动沉管、振动冲击沉管成孔, 螺旋钻、机动洛阳铲干作业成孔) 灌注桩, 由于人无法下到孔底, 必须在桩基施工之前进行。

　　 超前钻和桩基倾斜都很难避免。超前钻垂直度按文献[5]第5.2.4条第1款“允许偏差为±2° (即3.5%) ”, 机械成孔灌注桩垂直度按桩基规范第6.2.4条“允许偏差为1%”。由此可见, 在垂直度满足规范要求时, 超前钻见岩位置和桩基见岩位置水平距离e最大可能为 (3.5%+1%) H=0.045H (H为桩基施工面至见岩面之间的距离) , 例如当H分别为15, 20, 30, 40m时, e分别为0.675, 0.9, 1.35, 1.80m。若超前钻和桩垂直度超过规范, e值将更大, 同时由于岩溶地区一般基岩顶面标高变化大, 因此, 超前钻见岩标高和桩基见岩标高不一致的情况几乎无法避免。

　　 基岩面基本平整时, 正常情况下超前钻见岩标高和桩基见岩标高基本一致 (图6 (a) , 其中h为桩入岩深度) , 但极端情况下, 由于超前钻倾斜率太大, 或虽然超前钻倾斜率不大但桩太长, 从而导致超前钻见岩位置和桩基见岩位置水平距离e较大时, 有可能出现桩端以下3d和5m范围内存在溶洞, 但溶洞平面范围未超过超前钻位置 (即超前钻擦溶洞边而过) 的情况 (图6 (b) ) 。

　　 基岩面倾斜时, 正常情况下超前钻不超出桩截面 (图7 (a) ) , 此时超前钻见岩标高介于桩基最先见岩标高和桩基全断面见岩标高之间。当超前钻贴桩左边缘时, 超前钻见岩标高与桩基全断面见岩标高的高差约为dtanθ (θ为岩面与水平面的夹角) 。例如θ=45°时, 差值为1d;θ=75°时, 差值为3.73d。当超前钻向左超出桩截面时 (图7 (b) ) , 超前钻见岩标高比桩基最先见岩标高还高, 超出桩基全断面见岩标高更多。当超前钻向右超出桩截面时 (图7 (c) ) , 一般情况下偏于安全, 但也不排除极端情况下会出现桩端以下3d和5m范围内存在溶洞, 但平面范围未超过超前钻位置 (即超前钻擦溶洞边而过) 的情况 (图7 (d) ) 。

　　 由此可见, 岩溶地区超前钻对桩基施工有指导作用, 但不能起决定作用。因此, 文献[6]第11.3.6条规定:“桩基施工过程中, 当发现实际地质情况与勘察报告差异较大时, 应及时进行补充勘察”。同时, 应尽可能保证超前钻和桩基垂直度满足规范要求, 倾斜率尽可能小。

　　 通过以上分析, 在基岩面变化很大的岩溶地区, 出现超前钻见岩标高和桩基全断面见岩标高对不上的情况时有发生, 除图7 (c) 外, 当两者误差较大时 (一般指相差大于0.5d或0.5m) , 应重新补钻, 查明情况。从本工程超前钻报告看, 超前钻见岩标高变化大, 也就是说基岩面是倾斜的, 但在桩基施工过程中, 从未进行过补充钻探。因此, 出现桩端完整基岩厚度不满足要求的情况不足为奇。从桩基周边等间距布置的4个钻孔 (即图1的孔3) 可知, 各个孔见岩标高不一致, 甚至相差4m以上, 经与桩基钻芯取样孔 (即图1的孔1) 的桩端标高对比, 桩基全断面进入基岩深度绝大多数能满足设计要求, 说明施工单位注意到桩基全断面进入基岩深度不小于1d (即1m) 的要求, 但没注意到桩基全断面见岩标高已经比超前钻见岩标高低了很多, 应重新补钻的问题, 从而导致桩端以下完整基岩厚度小于3d和5m的情况发生。

　　 按《建筑基桩检测技术规范》 (JGJ 106—2014) ^[7] (简称检测规范) 第7.1.1条规定, 只有在采用钻芯法判定或鉴别桩端持力层岩土性状时, 才要求钻探深度不小于桩底以下3d且不小于5m。大多数情况下, 桩基承载力通过静载试验或荷载箱检测, 桩身完整性通过低应变法和声波投射法或钻芯法检测。在采用钻芯法进行桩身完整性检测时, 一般钻孔进入桩端基岩300mm左右即可, 因此, 桩端完整基岩实际厚度无从知晓。而通过前述分析, 在基岩面变化很大的岩溶地区出现桩端完整基岩厚度不满足3d和5m要求的情况应该很多, 即使施工发现超前钻见岩标高和桩基全断面见岩标高相差较大时重新进行了补钻, 也还有可能存在图6 (b) 和图7 (d) 的极端情况。但实际上从未出现因嵌岩桩承载力不足而发生工程事故, 主要原因是:1) 桩端完整基岩厚度有不小于3d和5m的要求, 即使实际达不到, 但一般相差不会太多; 2 ) 单桩竖向承载力特征值R_a取极限值的一半, 安全储备较大; 3 ) 要求的单桩竖向承载力特征值R_a是根据上部结构作用在桩顶的轴心压力标准值N_k最大值确定的, 而大多数桩实际承受的荷载小于R_a, 即使有个别桩承载力不满足, 由于上部结构具有一定的整体性, 其他桩能“帮忙”;4) 设计考虑了地震作用, 但正常使用时无地震作用。这从另外一方面也说明, 规范对桩端完整基岩厚度的规定、单桩竖向承载力特征值R_a取极限值的一半及考虑地震作用都是非常必要的, 因为地质问题隐蔽性很大, 虽然有详细勘察和施工勘察, 但仍是一孔之见, 未知因素太多。同时, 应严格按照有关规范、规程和规定及设计图纸进行施工, 以免各种不利因素叠加, 造成工程事故。

　　 (1) 岩溶地区超前钻对桩基施工有指导作用, 但不能起决定作用。

　　 (2) 基岩面基本平整时, 正常情况下超前钻见岩标高和桩基见岩标高基本一致, 但当桩很长或超前钻和桩基倾斜率较大时, 也不排除按超前钻施工但桩端以下3d和5m范围内仍存在溶洞的极端情况。

　　 (3) 基岩面倾斜时, 当出现超前钻见岩标高高于桩基全断面见岩标高较多 (一般指大于0.5d或0.5m) 时, 应重新补钻, 查明情况;当出现超前钻见岩标高低于桩基全断面见岩标高时, 一般偏于安全, 但当桩很长或超前钻和桩基倾斜率较大时, 也不排除桩端以下3d和5m范围内仍存在溶洞的极端情况。

　　 (4) 桩端基岩厚度不满足时, 可采用“高压注浆置换溶洞充填物”方法处理, 注浆体强度不小于5MPa。本文实例由于是33层高层建筑, 同时采用了桩侧土体后注浆提高桩侧阻力, 作为安全储备。

　　 (5) 当采用物探法查明桩端3d和5m以内溶洞位置后, 可根据溶洞位置的危害性大小, 结合上部荷载大小及桩端基岩厚度情况, 确定是否需要处理。

　　 (6) 桩端基岩厚度不满足导致桩承载力不足时, 可考虑以下有利因素:1) 因嵌岩桩计算单桩竖向承载力特征值时, 一般不计入桩周土体侧阻力, 因此, 可考虑其实际存在的作用; 2 ) 桩身穿过基本质量等级为Ι级、Ⅱ级的厚度大于2m的竖向溶洞顶板时, 可将桩基全截面进入基岩厚度乘以0.75系数后计入侧阻力; 3 ) 采用桩侧土体后注浆能提高土体侧阻力;4) 大多数桩承载力有富余。

　　 (7) 当嵌岩桩桩端基岩厚度不满足要求且无其他处理方法时, 可采用“新增桩基+托换梁”方法。

　　 (8) 规范对桩端完整基岩厚度的规定、单桩竖向承载力特征值R_a取极限值的一半及考虑地震作用是非常必要的, 能为建筑桩基安全提供保证。