复杂地质结构中的桩基持力层事故分析及处理

深圳市建工集团股份有限公司 深圳 518048

1 工程概况

我公司承建的某项目位于素有深圳“地质博物馆”之称的龙岗区[1]，龙岗区地质结构复杂，而本工程桩基数量较多，桩型较多，桩径1 000～1 800 mm，单桩竖向承载力特征值为1 500～9 900 kN。桩基工程设计施工前，业主单位委托了地质勘探单位进行了一桩一钻的超前钻探。尽管如此，最终桩基施工完成后在检测阶段，还是出现了问题，经分析，导致出现问题的因素与桩基持力层有关。

1.1 承建项目所在区域工程地质条件简述

据详勘及超前钻资料，该场地岩土层主要呈现众多成因 （石炭系沉积岩3 种岩性及7 个风化层带）。土层分布为：①人工填土，②粉质黏土，③淤泥质粉质黏土，④粉砂，⑤含碎石粉质黏土，⑥含角砾粉质黏土，⑦粉质黏土，⑧全风化泥质粉砂岩，⑨强风化泥质粉砂岩，⑩中风化泥质粉砂岩，微风化泥质粉砂岩，全风化炭质泥（页）岩，强风化炭质泥（页）岩，微风化灰岩。

1.2 桩基检测阶段发现问题

在桩基施工过程中，冲孔桩桩机施工冲进速度正常，桩底入设计持力层后进尺缓慢，正循环返渣芯样与超前钻资料吻合，未发现明显异常情况。

在桩基检测阶段钻孔抽芯检测中，桩身完整性、沉渣厚度、混凝土密实度及强度均未存在任何问题，但桩底持力层却发现了疑问：部分端承桩桩底持力层不符合设计基岩的要求。且随着抽检范围扩大，不断发现类似情况。此时场内桩基均已施打完成，如果承载力出现问题，后果不堪设想。持力层发现的疑问以其中2 根桩为例：301#桩设计前期所做超前钻探，结果显示自基岩面高程开始依次入微风化灰岩4.8 m，微风化泥质粉砂岩2 m终孔；施工过程阶段，该桩入岩后冲击进尺情况与设计持力层（微风化）相符合，所捞取岩样新鲜，经鉴别判定为微风化灰岩无误；检测阶段抽芯显示，桩底仅0.2 m为微风化灰岩，以下为黏性土夹块石，初步判断为充填性溶洞。268#桩设计前期所做超前钻探结果显示，自基岩面高程开始入微风化灰岩至终孔；抽芯钻孔一显示桩底以下部分为黏性土夹碎石，揭露有2 个强风化及中风化泥质粉砂岩夹层，其下入中风化泥质粉砂岩，初步判断为充填性溶洞；抽芯钻孔二显示桩底为微风化夹中风化灰岩（部分碎块状）；两孔相距仅40 cm，桩底地质情况截然不同。

2 持力层问题解决过程[2,3]

2.1 原因及地质情况分析

2.1.1 检测桩底持力层与设计有差异的原因分析

桩基检测的部分桩底持力层与设计持力层不符，未达到设计要求的中风化或微风化岩，其根本原因是项目所在区域的复杂地质实际情况：

据地质资料，场地岩土层主要呈现众多成因 （石炭系沉积岩3 种岩性及7 个风化层带），分布不均，岩面起伏大，厚度变化大，软硬互层、夹层及局部地段岩溶发育，场地地质条件复杂。地层变化大、地质情况复杂的根本原因是本区地层成因，属于“海-陆交互相砂泥质碎屑岩建造”。该区地质属于“上古生界石炭系、下石炭统、大塘阶测水组的下段”；该下段岩性为“灰、深灰色砂泥质页岩、粉砂岩夹炭质粉砂岩含砾砂岩……靠近底部夹灰岩透镜体”。“横岗大运会场址发现本层与下伏地层石磴子组（其岩性主要为白云质灰岩、白云岩，厚层状灰岩夹薄层状灰质白云岩）为假整合接触”[1]。

2.1.2 场地岩性地质评估

场地所见到的泥质粉砂岩、炭质泥岩可能属陆相沉积岩，而灰岩可能属浅海相沉积岩。由于是海陆相交互沉积，其变化复杂、相互交错，属于正常沉积，不是断层构造所致。由于灰岩薄含砂质多、质不纯，呈透镜状分布，与下伏厚层、质纯白云质灰岩、大理岩相比，岩溶相对不发育。桩底为空洞岩溶的可能性不大。

2.1.3 分析与结论

持力层不符的每根桩，分析过程资料及监理在监督桩基施工过程中，未见掉桩锤、泥浆面下降等异常现象，且终孔时进尺正常。对比超前钻资料、抽芯资料以及补充勘察资料可发现：超前钻钻孔与抽芯钻孔、补充超前钻孔与抽芯钻孔，甚至一桩两孔的抽芯钻孔之间存在较大变化。在抽芯检测过程中，确实出现一桩两孔（间隔400 mm）芯样相差悬殊的情况。

综上所述，出现检测桩基持力层与桩基设计不符的主要原因为：地质岩面起伏大，软硬互层、夹层及局部地段岩溶发育，同一桩底持力层岩性不一致，仅一桩一钻的超前钻探结果与抽检的桩底持力层必然会出现差异。

2.2 承载力复核

出现这种情况，该场地的桩基承载能力已无法百分之百保证。为保证桩基承载力满足设计要求，找出地质原因后，还需进行设计承载力复核。因摩擦桩桩长侧阻力可满足承载力要求，仅对场内全部端承桩（桩底坐落于基岩上，设计时忽略侧阻力）进行承载力复核。

2.2.1 复核全部端承桩摩阻力

对于场内全部端承桩按实际桩长复核摩阻力。虽地质情况极为复杂，庆幸的是，地下岩层埋深较深，短桩较少，自身桩长所提供的摩阻力已基本可满足承载力要求。经设计复核，结果70%以上桩仅考虑摩阻力已可满足承载力要求。对于摩阻力不满足承载力部分的桩，考虑按照摩擦端承桩复核。

2.2.2 持力层端阻力特征值折减

既然发现持力层已非正常连续基岩状态，其所能提供端阻力特征值也不能再按正常取值进行复核。按广东省标准《建筑地基基础设计规范》（DBJ15-13—2003）等有关规定，结合详勘报告、超前钻以及抽芯资料，对桩基持力层端阻力特征值qpa进行折减取值。

端阻力特征值Rpa=C1frpAp，式中C1取0.3，折减系数取0.8，对桩端裂隙发育的微风化灰岩和中风化泥质粉砂岩单轴抗压强度分别取20 MPa和15 MPa，故对桩端持力层承载力折减取值如下：裂隙发育的微风化灰岩Rpa=4 800Ap，取qpa为4 800 kPa；中风化泥质粉砂岩Rpa=3 600 Ap，取qpa为3 000～3 600 kPa；强-中风化泥质粉砂岩（炭质泥岩）取qpa为1 200～2 000 kPa。

2.2.3 摩擦端承桩复核

对于摩阻力无法满足承载力的端承桩，按照摩擦端承桩复核。持力层承载力特征值以折减后承载力取值。

经复核，绝大部分桩基承载力计算值均超过承载力设计值。即绝大部分桩基可满足承载力要求。仅有极少数桩基无法通过复核。那么，如何保证理论的折减取值及理论复核计算的可靠性？

2.2.4 静载试验

虽绝大多数桩基已通过复核验算，但毕竟是理论取值，折减取值亦缺乏足够的实践支撑。为进一步验证折减取值及复核验算的可靠性，选取复核中最不利的部分桩（计算值与设计值较为接近）进行静载试验，以试验结果验证其理论复核结果的可靠性。

桩基静载试验，它是通过在试验桩的桩顶逐渐增加持续的荷载，一般采用混凝土块压重平台反力装置，加载系统是由精密油压表和千斤顶组成的，采用慢速维持荷载法，就是每级加载为预定试验荷载最大值（承载力特征值的1.5～2 倍）的十分之一，分级加载。然后记录荷载、位移与时间的关系，最后分析相关数据确定单桩承载能力的一种方法。

为充分保证折减取值和复核验算的准确性及可靠性，选取最不利的2 根桩进行静载试验，预定试验荷载最大值取承载力特征值的2 倍，即17 600 kN。试验结果，桩基承载力满足设计要求。这就说明，折减取值与复核验算的结果是可靠的。

2.3 对于无法通过验算的桩基的处理

验算无法通过，证明承载力达不到设计要求。此时不建议采用静载试验进行验证，需讨论方案进行处理。这种情况，一般可采用加桩补强法、桩底注浆补强法，或原桩位重新成孔加长桩长法等进行承载力补强处理。

2.4 案例中最终处理方案

关于该项目中复核无法通过的极少数桩，经过方案比对，对工期、经济投入等各方面综合考虑，最终决定采用预应力高强混凝土管桩以锤击施工法进行加桩补强处理，利用管桩所能提供承载力，加大承台面积，与原桩共同起承载作用。

管桩类型为摩擦端承桩，桩端持力层为强风化炭质泥岩，端阻力特征值qpa=3 500 kPa。采用AB型500 mm×125 mm管桩，单桩承载力特征值要求达到1 500 kN。强风化炭质泥岩遇水易软化，要求桩施打完毕后立即往管内填灌C30细石混凝土，灌注高度不少于1.5 m。

补桩完成后，仍需验证其承载力。待管内混凝土达到规定强度后，依然采用静载试验方法，取2 倍承载力的试验荷载，对补强后的“群桩组合”进行荷载试验。经现场试验，结果满足设计承载力要求。至此，该项目因桩基础持力层问题可能导致的质量隐患已全部排除，该问题成功得到解决。

3 复杂地质中进行工程勘察、设计的建议

3.1 复杂地质结构中的地质勘探

在地质情况较为复杂的区域进行建设，设计前的地质勘查阶段是尤为重要的关键环节，特别是岩溶发育地区是地质勘探相对困难的一种地质结构。岩层分布不均，岩面起伏大，厚度变化大，软硬互层、夹层及局部地段岩溶发育，岩层会有裂隙或断层，勘探时较难探到连续发育的岩层，一般布孔分散的地质勘探较难反映真实岩层情况，就会容易导致施工过程对持力层的误判。如在此类地区设计有桩基础，坚决不能因为考虑经济原因而省略勘探环节、偷工减料甚至弄虚作假。在施工前期，需加密加深超前钻探范围，同一个桩位，设2～3 个超前钻孔，且深度必须达到要求，以掌握详尽的地质情况，这是相当必要的。仔细进行地质勘探，真实详尽地记录勘察报告，是复杂地质结构中进行工程建设的基本保证。

3.2 复杂地质结构设计阶段的应对措施

拟建工程项目如在复杂地质地区，当确有软硬互层、夹层及局部地段岩溶发育、溶蚀等现象存在时，在工程设计阶段尽可能不要采用单柱单桩设计，可以根据工程的实际情况通过缩小桩径并选择浅层风化岩石作为持力层和扩大承台面积降低单桩承载力来应对建筑困难。

4 复杂地质结构中桩基施工[4-7]

4.1 施工过程把握

冲孔灌注桩（岩溶地区成桩常规采用冲击成孔施工工艺）在冲孔的过程中，泥浆机和单台桩机要一一对应，不能够2 台或多台桩机共用一个泥浆池，以避免误判。要及时清理泥浆沟和泥浆池，对于施工过程中出现的碴样，需要从孔底或溢浆口捞取，以保证施工质量。

4.2 持力层岩性判定

岩屑的新鲜程度可以反映出是否达到了中（微）风化岩面。如果施工过程中钻孔得到的岩样表现不新鲜、风化程度高，就可能是块状强风化或是砂卵石层中的卵石被冲了下来，此时需要置换桩孔中的泥浆，重新冲击后再取样判定；如果得到的岩屑比较新鲜， 岩屑呈现不规则形状，那么就是真正的中（微）风化基岩。在判定出中风化岩面界定后，继续冲击直到满足设计要求。

终孔时，对持力层岩性的判定要果断但必须谨慎，遇特别复杂地质，验孔建议通知地质勘探专业人员到场检验岩样进行判定。判定岩样要根据科学的验证标准来保证复杂地质结构中持力层判定准确度，以保证桩基的工程质量。而冲孔桩验桩也是一项过程繁琐的工作，尤其对于较多数量的桩时， 要做到判断准确、减少漏判误判是难度较大的，这更需要严谨的工作态度，无论桩数量再多，对待每一根桩基都必须做到工程质量满足设计使用要求。

5 复杂地质结构中桩基承载力检测与判断

5.1 桩基承载力的检测

桩基承载力的检测方法主要有静载法、高应变动测法、取芯法和超声波法等。一般最常用及可靠的为文中提及的桩基静载试验，如能通过静载试验，该桩基的承载能力是可以保证的。

5.2 持力层有疑问时应采取的措施

对于桩基础，需严格按照相关质量验收标准执行检测工作。特别是复杂地质结构地区的桩基础，更需对承载力进行严谨检测及复核验算。如持力层未能达到设计要求且复核不满足要求时则需要重新采取承载力补强措施。一般可采用加桩补强法、桩底注浆补强法，或原桩位重新成孔法，加深桩长，保证桩底坐落于连续基岩面上。

6 结语

在复杂地质结构中建造建筑物，桩基持力层的判定以及承载力计算是十分重要的。地质复杂多变的地区进行工程建设，需进行详尽的超前钻探取得较全面准确的地质资料才能为设计施工提供有效依据。本文工程中遇到的实际问题和处理经验，可供同行研究人员借鉴。