在岩溶地区施工嵌岩桩, 由于基岩面骤然起伏, 为控制桩端标高一致, 基岩面出露较高一侧嵌岩桩需要在基岩中额外钻进数米甚至更长, 当基岩强度较高时, 嵌岩桩成孔施工异常困难, 必然增加造价, 影响工期;当岩性突变时, 桩端持力层也可能不同。探讨嵌岩桩相邻单桩桩端持力层不同或桩端标高不同的设计方案是否可行具有重要的现实意义。针对嵌岩桩单桩的承载特性^{[1,2,3,4,5,6,7,8]}、现场桩基静载试验^[9,10,11]、嵌岩桩施工关键技术^[12,13]以及数值试验^[14,15]等研究成果较多, 但对嵌岩桩相邻单桩之间共同作用的变形特性尚无相关研究成果。因此, 本文以某复杂岩溶场地建筑工程为例, 使用有限元方法就嵌岩桩相邻单桩桩端持力层或桩端标高不同的设计方案展开分析, 并对桩基静载试验和建筑物沉降监测数据进行分析, 验证其可行性。

根据桩端持力层、桩端标高以及是否位于同一承台, 归纳出4种特殊形式嵌岩桩组合, 具体如下。

1) 相同持力层相邻单桩的桩端标高不同。该嵌岩桩组合是指相邻单桩持力层一致, 桩端标高不同, 相邻单桩位于不同承台。

2) 相同持力层多桩承台下相邻单桩的桩端标高不同。该嵌岩桩组合是指同一承台下相邻单桩持力层一致, 桩端标高不同。

3) 不同持力层相邻单桩的桩端标高不同。该嵌岩桩组合是指相邻单桩持力层和桩端标高均不同, 相邻单桩位于不同承台。

4) 不同持力层多桩承台下相邻单桩的桩端标高不同。该嵌岩桩组合是指同一承台下相邻单桩持力层和桩端标高均不同。

某建筑工程位于岩溶强烈发育区, 并且岩性不均一, 岩面起伏较大。经过多次专家咨询与论证, 最终决定对相邻单桩运用本文所述的几种特殊嵌岩桩组合形式。根据对场地建筑物桩基础特征统计, 选取几种典型的嵌岩桩组合, 如表1所示。

由于篇幅限制, 仅给出表1中类型 (2) 相同持力层多桩承台下相邻单桩的桩端标高不同情况下的三维数值分析模型, 如图1所示。8-42和8-43相邻单桩持力层均为 (6) _2-2灰质白云岩, 桩间距2.4m, 位于同一承台下, 承台尺寸为4m×1.6m×1.5m (长×宽×厚) 。模型中桩基使用梁单元模拟, 桩顶荷载使用均布荷载施加, 等效到每根桩基的荷载为设计单桩极限承载力, 其数值为9 000kN, 地层和承台均使用实体单元模拟。

表2为模型参数, 主要包含以下3方面。

1) 地层基本物理力学参数。其中E为弹性模量, ν为泊松比, γ为天然重度, φ为内摩擦角, f_rk为岩石饱和单轴抗压强度, 以上参数均根据场地详细勘察报告选取。

2) 桩侧岩土界面参数包括法向刚度模量、剪切刚度模量和最终剪力。其中最终剪力限制了最大摩擦力, 超过该值认为桩土间摩擦力消失, 决定了Q-S曲线反弯点的位置;剪切刚度模量为面内切线方向刚度系数, Q-S曲线反弯点以前位移大小与之有关;法向刚度模量为面外垂直方向的刚度系数, 认为桩土不能互相嵌入, 取一大值即可。一般情况认为, 桩土 (岩) 相接触, 其法向刚度模量取二者弹性模量较小值, 由刚度较小的一方控制, 桩身混凝土弹性模量多数情况下要远大于岩土弹性模量。因此, 各地层桩土 (岩) 法向刚度模量取值为岩土体自身的弹性模量;按照Goodman接触单元的思想, 剪切刚度模量一般小于法向刚度模量, 剪切刚度模量取值为法向刚度模量数值的1/2;最终剪力限制了桩土 (岩) 的最大摩擦力, 相当于极限摩阻力。

3) 桩端参数桩端参数包括桩端承载力和桩端弹簧刚度。其中桩端承载力限制了桩端最大承载力, 超过该值认为桩端不能再承受力, 决定了Q-S曲线反弯点以后能承受的力;桩端弹簧刚度即赋予桩端弹簧一个刚度系数, Q-S曲线反弯点以后位移大小与之有关。取桩端截面积与岩石单轴抗压强度标准值之积作为桩端承载力。

图2为相同持力层多桩承台下相邻单桩的桩端标高不同情况数值计算结果, 其中图2a为竖向位移, 图2b为最大剪应变。

从图2a可知, 8-43桩基与8-42桩基沉降基本相同, 前者稍大。主要原因分析: (1) 8-42和8-43桩基位于同一承台下, 由于承台刚度较大, 对承台下各桩基的变形与受力具有一定的协调作用, 桩基所分担的上部荷载基本相当; (2) 8-42和8-43桩基位于相同持力层, 持力层为单轴抗压强度较高的 (6) _2-2灰质白云岩, 桩端以下基岩压缩性极低, 因而桩基沉降基本相同, 但由于8-43桩基桩长较8-42桩基长5m, 且对于8-42桩基, 其嵌岩深度为9m, 对于8-43桩基, 其嵌岩深度仅为1m。因此, 8-42和8-43桩基沉降的差异主要由于桩身压缩量不同所致, 但二者差异沉降较小。综上分析可知:嵌岩桩沉降受桩端持力层基岩力学性质、嵌岩深度以及桩长等众多因素影响, 是一种综合作用的结果。

从图2b可知, 8-43桩基周围地层的最大剪应变稍大于8-42桩基, 主要是由于8-43桩基嵌岩深度明显小于8-42桩基, 8-43桩基需要更大的竖向位移来提供足够的侧摩阻力。8-42和8-43桩基底部基岩塑性区并未由桩底向下深度开展, 桩基端部持力层是稳定的。

表3为相邻单桩沉降差及局部倾斜值。从表中可知, 相邻单桩最大差异沉降仅为2.0mm, 最大局部倾斜值为0.000 65。

图3为8-43桩基静载试验曲线。从图3可知, Q-S曲线无明显陡降段, 加载阶段, 随着荷载的增加, 桩顶累计沉降量越大, 最大沉降量为14.43mm, 从数值计算结果看, 8-43桩基桩顶沉降模拟值约为20.2mm, 二者较为接近;卸荷阶段, 随着荷载的减少, 桩顶逐渐回弹, 桩顶累计沉降量逐渐变小, 最大回弹量为3.76mm;静载试验表明8-43桩基承载力满足设计要求。

由于溶沟溶隙的存在及溶洞发育, 在岩溶场区进行钻孔及桩基施工容易发生塌孔及地面塌陷事故。根据场地的周边环境情况、地质条件、施工进度要求等, 选用合适的施工工艺、施工机械及溶洞处理方法等是决定成桩质量的关键。

每根钻孔桩开钻前技术人员对该桩位的地质情况进行技术交底, 并组织施工人员和桩机操作人员进行学习, 了解溶洞位置、大小和构造、充填情况、溶洞顶板岩性和厚度等。

在孔口附近储备一定数量的水泥、片石和黏土, 数量视溶洞大小而定, 片石和黏土比例为1∶1。储备足够长的钢护筒, 以备处理突发事故用。挖掘机1台, 用于向孔内投放片石和黏土。现场设置备用大泥浆池, 增加泥浆储备量, 较正常施工时多出100m³的泥浆, 以备漏浆时使用, 同时加大泥浆稠度, 采用优质膨润土或黏土现场造浆。

钢护筒采用10mm厚钢板卷制, 管径比桩径大20~30cm, 采用打桩机或45kW振动锤下沉钢护筒。钢护筒理想打入深度应下沉至机械能打入的最大深度。桩机冲孔过程中可能会使得钢护筒下陷, 遇到此类情况应及时跟进钢护筒, 直至护筒沉陷达到稳定状态。

钻孔过程中穿越一般地质按正常施工速度钻进, 当钻至距溶洞顶板1~2m左右时, 击穿洞顶之前, 应派专人负责观察钢护筒内泥浆面的变化, 一旦出现泥浆面迅速下降, 应立即向孔内补浆, 同时提出钻头, 用挖掘机按1∶1的比例向孔内投入现场储备的片石和黏土及整袋水泥进行堵漏。待泥浆面不再下降并稳定后, 用小冲程轻打挤压, 慢慢将片石、黏土挤压到溶洞中, 堵塞溶洞通道, 如此反复操作, 直至不再漏浆为止。再转入小冲程冲孔固壁成孔, 以顺利穿越溶洞。

在混凝土灌注前保证二次清孔的质量, 沉渣控制在5cm以内, 方可停止清孔。混凝土采用垂直导管法立即进行灌注, 并根据灌注情况随时调节混凝土性能, 以满足施工需要。现场由专业工程师控制灌注进度并根据地质情况控制埋管深度, 保证成桩质量。灌注到溶洞位置时保持较大的埋管深度, 防止混凝土由于挤破护壁后突然下沉, 造成断桩。施工过程中保持埋管深度≥4~6m, 随时注意观察混凝土面有无下降现象。

在穿越填充物为流塑状的大尺寸溶洞时, 钻孔至溶洞底板后, 不用清孔, 即向孔内灌注水下混凝土到溶洞顶以上50cm左右, 待混凝土达到7d强度后, 重新钻进, 灌注的混凝土会在桩孔周围形成一个半圆或全圆形围护, 可有效防止因溶洞内流塑状填充物涌入或流失而引起的断桩。

在混凝土灌注完3d后或桩身强度达到70%时即进行后压浆施工。压浆泵选用BW-150型泥浆泵。水泥浆搅拌机为JZC-350型搅拌机, 地表输浆软管选用耐压值超过10MPa的钢丝编织高压胶管。压浆前用清水压通管路, 之后用稀浆可逐渐酌情加浓。每根管的压浆工作应连续进行, 保持不中断。时刻观察压力表的变化情况及浆桶里的浆液是否匀速下降, 做好压浆记录。

按要求进行浆液配方, 安排专人进行加水加料。对浆液充分搅拌均匀, 并在浆液中加入适量的缓凝剂, 搅拌的浆液应过滤。桩端1根管压浆完成后, 停待一段时间, 等压力下降稳定后方可拆除压浆管路。压浆时浆液应边压边搅拌, 严禁放置时间过长以免沉淀。采用先外围、后中间的施工原则进行压浆施工。

对场区1~13号建筑物均进行了沉降观测, 其中1~11号建筑物为18层框架结构, 总高度为54m, 12~13号建筑物为11层框架结构, 总高度为33m。沉降观测时间包含主体结构施作、二次结构施作、装饰装修等主要过程, 以上工况反映了荷载变化的主要过程。

图4为最大沉降量变化趋势。图中主要反映了与表1中对应编号建筑物的沉降趋势。随着时间的推移、上部荷载的增加, 最大累计沉降量不断增加;在主体结构施工完成后, 最大沉降增加速率明显减小;在2016年10月之后, 最大沉降量逐渐趋向于稳定。

表4为建筑物沉降。场地各栋建筑物最大沉降量区间为4.50~6.96mm, 平均沉降量区间为3.74~5.51mm。从数值上看, 各栋建筑物沉降较为均匀, 累计总沉降量较小。

建筑物整体倾斜情况如表5所示。根据JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》规定:多层和高层建筑物按整体倾斜值控制。对于本例, 其允许值为0.003。从表中整体倾斜监测值可以看到, 建筑物实际倾斜值远远小于规范允许值。

本文以某复杂岩溶场地建筑工程为例, 使用有限元方法就嵌岩桩相邻单桩桩端持力层或桩端标高不同的设计方案展开分析, 并对桩基静载试验和建筑物沉降监测数据进行分析。主要得到以下结论。

1) 嵌岩桩沉降受桩端持力层基岩力学性质、嵌岩深度以及桩长等众多因素影响, 是一种综合作用结果。

2) 数值试验结果表明嵌岩桩相邻单桩沉降量和差异沉降量均较小, 桩基静载试验和建筑物沉降监测数据反映嵌岩桩相邻单桩桩端持力层或桩端标高不同的设计方案可行。

3) 依托背景工程突破规范限制, 其中2-24与2-25桩基相邻单桩桩端标高之差达到13m, 并且桩端位于不同持力层, 取得了成功。