基于中风化岩面分布特征的桩长确定方法研究与应用

朱杭琦 李飞飞 王小东 王涛

摘 要：地铁车辆段等大型场站建设过程中，桩基础应用广泛，而桩长的确定是一项重要的工作。本文结合合肥地铁4号线科学城车辆段岩土工程勘察成果，在定性及定量的确定中风化岩后，对该场地内中风化岩面埋深及标高进行统计，沿钻孔剖面线方向对中风化岩空间分布进行分析，结合Surfer软件绘制场地中风化岩面等值线分布图，量化整个场区范围内中风化岩面深度。结果表明：场地内中风化岩层连续广泛分布，沿钻孔剖面线由南至北向岩面埋深呈中间深两边浅的趋势，由西至东向中风化砂质泥岩埋深逐渐变浅。最后根据桩长计算公式和场地内中风化岩面等值线分布图，确定桩长。

关键词：地铁车辆段;桩长;中风化岩面;等值线分布图

Abstract： The pile foundation is widely used in the construction of large-scale station such as metro vehicle depot， and the determination of pile length is an important task. In this paper， based on the results of geotechnical engineering investigation in Scientific City of Hefei Metro Line 4， and after qualitatively and quantitatively determining the weathering rock， statistics of middle-weathered rock buried depth and level elevation in the site are made， The spatial distribution of middle-weathered rock is analyzed along the borehole profile， and the contour map of weathered rock Surfer in the site is drawn with Surfer software， and the depth of middle-weathered rock Surfer in the whole field is quantified. The results show that the middle-weathered rock layers are distributed widely in the site. The burial depth of the rock face along the borehole profile line from south to north shows a shallow trend on both sides of the middle depth. The burial depth of weathered sandy mudstone gradually decreases from west to east. Finally， the pile length is determined according to the formula of pile length and the contour map of weathered rock surface in the site.

Keywords： Subway depot; Pile length; Middle-weathered rock surface; Contour map

0 引言

近年來，随着国民经济的快速发展，地铁建设如火如荼。车辆段作为地铁行车系统的重要组成部分，其稳定性及安全性尤为重要，而基础型式的选择及设计施工往往是影响建构筑物稳定性的一大因素。地铁车辆段包含众多单体建构筑物，诸如停车列检库、联合检修库等大型单体建筑均采用桩基础。针对如此大型建构筑物，桩基设计一直是一个十分凸显的问题，桩长的确定更是关键。而桩长可先根据地质条件选择适宜的持力层初步确定，持力层对于桩的承载力和沉降量有着重要的影响，一般情况下希望把桩底置于岩层或坚实的土层上，以得到较大的承载能力和较小的沉降量（魏成国等，2018）。在实际工作中，往往设计人员根据场地内中风化岩面标高，取平均值，然后在图纸上要求所有桩进入持力层某一深度，具体桩长根据现场桩基挖孔确定。这样的做法不仅未考虑地质情况的不均匀性，而且未能做到精细化计算，造成工程造价的增加。因此如何准确确定桩长（特别是嵌岩桩）十分关键。

本文以合肥地铁4号线科学城车辆段为例，对该场地内中风化砂质泥岩物理力学性质进行研究，沿钻孔剖面线方向对中风化砂质泥岩空间分布特征进行分析，结合Surfer软件绘制场地中风化岩面标高等值线分布图，直观的反映整个场区范围内中风化岩面深度，从而提出了一种简单有效的桩长确定方法。对桩基设计和施工具有一定的指导意义。

1 工程概况

拟建科学城车辆段位于安徽省合肥市，该地基基本呈规则矩形。南北长约890m，东西长约240～330m，总用地面积约28.49公顷。现场自然地势南北向基本呈现为中间高两端低，东西向基本呈现为西高东低。自然地面标高在33.40～47.10m之间，平均标高约40.30m。其中停车列检库、联合检修库、洗车库、不落轮镟库、司机宿舍楼等单体拟采用桩基础。

根据前期勘察结果，43m勘探深度范围内地层主要为人工填土层、第四系沉积的黏性土、残积土，下伏基岩为白垩系砂质泥岩（表1）。地下水类型为上层滞水和基岩裂隙水，上层滞水主要赋存于表层人工填土层。科学城车辆段平面图简图及典型地质剖面（局部）见图1、图2。

2 中风化砂质泥岩物理力学性质及空间分布特征

2.1 砂质泥岩中风化岩面的确定

（1）现场野外鉴别

根据区域地质资料显示，合肥地区基岩主要为白垩系及侏罗系砂质泥岩。在野外钻探过程中，根据钻进难易程度、钻具切削声音可初步判定岩层面。取芯后，经计算RQD值、采取率作为判别依据，而后通过肉眼观察，听锤击声，测量岩芯的节长，统计节理裂隙发育程度，综合这几项鉴别风化程度。

（2）原位测试

根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001），泥岩可根据标贯击数来判定风化程度。因此在现场肉眼鉴别的基础上，可通过做原位试验-标准贯入测试。对于合肥地区砂质泥岩，一般标贯值大于100即为中风化岩。

（3）波速值

通过波速试验，定量确定各个土层的波速值（李日运等，2004）。依据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010），压缩波波速值大于500可判定为中风化砂质泥岩。本次勘察过程中，对中风化砂质泥岩，在野外鉴别的基础上，分别采用了标准贯入试验和波速试验。

拟建科学城车辆段共布置393个钻孔，选取200个钻孔作为原位测试孔。试验前清孔干净，试验竖向间距为1～2m，要求贯入45cm，先预打15cm，再贯入30cm深度的锤击数为标贯的实际锤击数。如果击数大于50击，可以停止，记录相应击数下的贯入深度。通过现场标准贯入试验，中风化砂质泥岩击数在100～109之间，平均值为104击。

选取3个钻孔进行波速测试，采用单孔检层法，即采用地面激振，在勘探孔中接收来自地面激振所产生的波动信号，通过分析、结合钻孔资料，分层统计计算得出土层的剪切波速，纵波波速、动剪切模量、动弹性模量及动泊松比，绘制Vs-H曲线。通过波速试验，测得中风化砂质泥岩剪切波速值为517～632m/s，平均值为567m/s。

结合以上方法，定性和定量结合，再考虑室内单轴抗压强度试验值（袁桂花等，2019;刘成禹等，2011），以确定中风化砂质泥岩揭露的深度。

2.2 中风化砂质泥岩物理力学性质

拟建工程地貌单元为南淝河二级阶地，场地内钻探揭露基岩为砂质泥岩，为层状结构，泥质胶结，局部夹中风化泥岩，岩芯呈短柱状，少量为柱状，锤击声哑，无回弹，局部风化强烈，风化裂隙发育（图3）。岩体基本质量等级为IV级。天然单轴抗压强度为1.77MPa，为极软岩。暴露空气中易风化、遇水易软化，具崩解性，失水收缩、开裂，强度降低。其地基承载力特征值为500kPa，灌注桩桩端土极限端阻力标准值为2500kPa。

2.3 中风化砂质泥岩空间分布特征

根据外业勘探成果，对场地内中风化砂质泥岩埋深进行统计（表2），岩面埋深情况见图4。沿车辆段勘探孔4个典型剖面线方向绘制中风化砂质泥岩埋深变化趋势图，对中风化砂质泥岩空间分布特征进行分析，见图5、图6。

由图4至图6可以看出，沿钻孔剖面线由南至北孔口标高在34.18～41.56m之间，地势大致为中间高，南北低。中风化砂质泥岩埋深呈现南北浅中间深的趋势;沿钻孔剖面线由西至东孔口标高在34.10～39.84m之间，地势大致为西高东低，中风化砂质泥岩埋深由西向东呈现逐渐变浅的趋势。

3 桩长确定方法

3.1 桩长计算

对于车辆段停车列检库、联合检修库、洗车库、不落轮镟库、司机宿舍楼等单体，桩基础均选择端承桩，即选取中风化砂质泥岩作为桩端持力层。由《建筑桩基技术规范》（JGJ94 -2008）查得，桩长可根据下式计算：

式中：u为各土层或各岩层部分的桩身周长;qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值;li为各土层的厚度;qpk为极限端阻力标准值;Ap为桩端截面面积;n为土的层数

以停车列检库为例，经计算，桩端入中风化岩0.5m即可满足要求。

3.2 中风化岩面标高的确定

根据钻孔揭露情况，对整个场地中风化岩层顶高程进行统计，采用克里金插值法（Cressie，1991），将数据录入到Surfer软件中，结合该软件绘制中风化岩面标高等值线图（图7）。

由图7可知，停车列检库岩面标高值为19.0～25.0m，联合检修库岩面标高值为18.0～21.0m，洗车库岩面标高值为23.0～25.0m，不落轮镟库岩面标高值为18.0～20.0m，司机宿舍楼岩面标高值为19.0～21.0m。

根据3.1节桩长计算结果可知，桩端入中风化砂质泥岩0.5m即可。按此原则，设计及施工单位只需通过中风化岩面等值线图直接读出各建构筑物桩长。因此每根桩都可以精确地确定桩长，这样就避免了对桩长造成不必要的浪费，节省工程造价，而且方法简单，操作性强，方便施工单位确定中风化岩面，大大节约了工期。

4 结论

（1） 根据勘察成果，场地内中风化砂质泥岩埋深由南至北大体呈中间深南北浅的趋势;由西向东呈逐渐变浅的趋势;从标高统计来看，场地西南方向中风化砂质泥岩面标高较低，东北、西北、东南方向中风化砂质泥岩岩面标高较高。

（2）针对车辆段内采用桩基础的建筑物单体，只需经过计算，确定桩端入岩深度，根据场地内中风化岩面等值线图，可直观的确定每根桩的长度，节约了工程造价，同时也解决了判断中风化岩面的困扰，大大节省了工期。

（3）利用Surfer软件绘制的中风化岩面等值线图，可用于指导复杂地质条件下的桩基设计，对工程建设具有一定的指导意义。

参考文献：

李日运， 吴林峰， 2004. 岩石风化程度特征指标的分析研究[J]. 岩石力学与工程学报（22）：3830～3833.

刘成禹， 何满潮， 2011. 对岩石风化程度敏感的化学风化指数研究[J]. 地球与环境， 39（3）：349-354.

建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）[S].中国建筑工业出版社.

建筑桩基技术规范（JGJ94 -2008）[S].中国建筑工业出版社.

魏成国， 朱俊岩， 刘文涛， 等， 2018. 大型LNG储罐复杂地层桩长确定新方法[J]. 建筑结构， 48（S2）：842-844.

岩土工程勘察规范（GB50021-2001）[S].中国建筑工业出版社.

袁桂花， 肖光庆， 童寅， 2019. 关于如何正确划分岩石风化程度等級的见解[J]. 西部探矿工程， 31（8）：22-23，26.

Cressie N A C， 1991. Statistics for spatial data[M]. New York： John Wiley.