王志強(qiáng)，閆騰飛，張光輝，陳保國，張 磊

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081； 2.中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

近年來，隨著工程建設(shè)的高速推進(jìn)，樁筏基礎(chǔ)被廣泛應(yīng)用于不良地質(zhì)區(qū)域的高層住宅、風(fēng)力發(fā)電工程、地下綜合體等建筑物中[1-3].然而在一些地質(zhì)條件復(fù)雜的不良地質(zhì)區(qū)域，隱伏的孤石易引起筏板基礎(chǔ)不均勻沉降[4].

孤石在地層中的分布具有較大的隨機(jī)性，很難找到分布規(guī)律[5].孤石由于其形成原因及分布位置的特殊性，導(dǎo)致時常被誤判為持力層.為了提高孤石探測方法的準(zhǔn)確度，諸多學(xué)者進(jìn)行了研究.朱亞軍等[6]在了解孤石所在地層的電性參數(shù)基礎(chǔ)上，提出了井間電磁波CT方法探測孤石的方案，并論證了該方案的可行性.李術(shù)才等[7]改善了電阻率CT反演的多解性與成像效果，并提出地面物探普查與電阻率CT詳查相結(jié)合的孤石探測方案.

諸多學(xué)者對孤石帶來的地質(zhì)問題及解決方案進(jìn)行了深入研究與探討，并取得諸多成果.袁浩巒等[8]針對孤石地層地連墻施工進(jìn)度受阻的問題開展研究，提出“成槽機(jī)+沖擊錘+旋挖鉆”的施工方案，通過破碎孤石，大大提高施工效率.胡利等[9]采用“預(yù)應(yīng)力管樁+沖孔灌注樁”的基礎(chǔ)型式，提出孤石場地基礎(chǔ)設(shè)計方案.祁世亮[10]針對孤石在隧道建設(shè)中發(fā)揮的不利影響，提出一種用液壓劈裂機(jī)技術(shù)來處理隧道開挖過程中遇到的孤石.路耀邦等[11]針對海底盾構(gòu)隧道建設(shè)中前方出現(xiàn)的孤石問題，采用爆破方式進(jìn)行處理，并在分析論證后提出一套針對海底盾構(gòu)區(qū)間孤石爆破預(yù)處理的施工方法.

從現(xiàn)階段研究成果來看，既有孤石群對樁筏基礎(chǔ)的影響規(guī)律及控制技術(shù)研究尚不成熟，如何應(yīng)對樁基坐落在潛伏孤石群而引發(fā)的控制技術(shù)成為新課題.本文以深圳市固戍水質(zhì)凈化廠二期工程為背景，通過數(shù)值分析方法研究了既有孤石對樁筏基礎(chǔ)的受力、變形規(guī)律，研究了不同荷載下樁筏基礎(chǔ)不均勻沉降的變形規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出了三種加固控制措施，并通過數(shù)值分析做出加固措施有效性對比.本研究以期為此類工程施工提供一定的應(yīng)用經(jīng)驗和參考價值.

1 工程問題分析

固戍水質(zhì)凈化廠二期工程位于填海造陸區(qū)域，地下水埋深1.2 m，上覆第四系土層主要為人工填土層，全新統(tǒng)沖洪積層，下伏基巖主要為加里東期混合花崗巖.東側(cè)緊鄰一期場區(qū)和廠區(qū)外圍城市道路；西鄰珠江出?？?；南側(cè)為沿海高速公路，北側(cè)緊鄰寶源路.

圖1 樁筏基礎(chǔ)主要施工區(qū)域及周圍環(huán)境

固戍水質(zhì)凈化廠二期充分利用地下空間，主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用雙層上蓋型式，首層為操作層，二層為停車場，屋面層覆土1.5 m后成為景觀公園.在開挖建設(shè)時需通過放坡與其他支護(hù)方式相結(jié)合的方法，開挖至地面以下10 m，樁筏基礎(chǔ)位于地面以下10 m的位置.根據(jù)現(xiàn)場設(shè)計資料，現(xiàn)場筏板基礎(chǔ)的板厚為600 mm，管樁采用PHC樁，外徑400 mm，壁厚95 mm.根據(jù)現(xiàn)場資料，樁體從上到下依次穿過黏土質(zhì)砂、砂質(zhì)黏性土、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖、中風(fēng)化混合花崗巖，地層分布如圖2所示，地層參數(shù)如表1所示.

圖2 地層分布

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

在設(shè)計和建設(shè)初期，既有孤石群將引發(fā)不均勻沉降.在樁筏基礎(chǔ)施做完畢后，沉降監(jiān)測資料顯示局部出現(xiàn)不穩(wěn)定沉降.后經(jīng)過再次勘察，最終判定沉降位置下方出現(xiàn)單邊最大長度超20 m的孤石群.該孤石群分布于砂質(zhì)黏性土中，與強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的埋深接近，具有一定的隱蔽性.該孤石群的形成原因目前尚無定論，初步分析可能與填海造陸活動有關(guān).該孤石的存在將對上方樁筏基礎(chǔ)及后續(xù)建設(shè)的主體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性產(chǎn)生威脅，如果不及時處理將會造成樁筏基礎(chǔ)不均勻沉降、上部結(jié)構(gòu)開裂，甚至?xí)斐山Y(jié)構(gòu)失穩(wěn)坍塌.

2 不均勻沉降影響規(guī)律分析

采用數(shù)值分析軟件Midas GTS模擬既有孤石對樁筏基礎(chǔ)不均勻沉降的數(shù)值模擬.模型幾何尺寸長、寬分別為100 m和31 m(如圖3).為了提高計算精度,模型網(wǎng)格的單邊最大長度不超過1 m.土層采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)模型、平面應(yīng)變單元模擬，樁筏基礎(chǔ)采用彈性模型、beam單元模擬.底面約束水平和豎向位移，側(cè)面約束水平位移，模型上表面為自由邊界.主要物理、力學(xué)參數(shù)見表1.為便于計算，在模型中將孤石群按70%剛度，折減等效為一個整體.

圖3 數(shù)值模型

根據(jù)現(xiàn)場施工順序，計算工況定義為7個施工步，如表2所示.在樁筏基礎(chǔ)施工之前必須進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，并將初始位移清零.

表2 數(shù)值計算工況

不同荷載下樁筏基礎(chǔ)的不均勻沉降變化規(guī)律如圖4、5所示.當(dāng)基礎(chǔ)施作完畢且上部不施加荷載時，樁筏基礎(chǔ)便在孤石群區(qū)域產(chǎn)生不均勻沉降，不均勻沉降最大值為3.2 mm，較同條件下無孤石區(qū)域樁筏基礎(chǔ)沉降值增加39%.當(dāng)樁筏基礎(chǔ)上部施加20 kN/m的線荷載時,差異沉降最大值為7.9 mm，較同條件下無孤石區(qū)域樁筏基礎(chǔ)沉降值增加49%.當(dāng)施加40 kN/m的線荷載時，差異沉降最大值為12.6 mm，較同條件下無孤石區(qū)域樁筏基礎(chǔ)沉降值增加54%.當(dāng)施加60 kN/m的線荷載時，差異沉降最大值為17.4 mm，較同條件下無孤石區(qū)域樁筏基礎(chǔ)沉降值增加57%.當(dāng)施加80 kN/m的線荷載時，差異沉降最大值為22.1 mm，較同條件下無孤石區(qū)域樁筏基礎(chǔ)沉降值增加59%.當(dāng)施加100 kN/m的線荷載時，差異沉降最大值為26.9 mm，較同條件下無孤石區(qū)域樁筏基礎(chǔ)沉降值增加60%.

由圖5可知，隨著荷載的增加，最大差異沉降值逐漸增大，最大差異沉降值與上部荷載之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但差異沉降量與無孤石區(qū)域沉降量之間的比值逐漸趨于穩(wěn)定，本文條件下的比率曲線逐漸穩(wěn)定在60%左右.

數(shù)值模擬值結(jié)果還顯示，孤石群上方管樁軸力值較小，孤石群兩側(cè)管樁軸力值較大，計算的軸力值符合設(shè)計要求(<1 200 kN).這主要是由于剛度差異造成荷載主動傳遞至孤石群兩側(cè)的管樁上，使其軸力增大.

圖4 孤石引起的基礎(chǔ)不均勻沉降 圖5 荷載與差異沉降關(guān)系曲線

3 技術(shù)處理措施

在樁筏基礎(chǔ)施作完畢發(fā)現(xiàn)局部不均勻沉降后，可通過局部再次勘察探測得到孤石群具體位置，針對這問題進(jìn)行加固處理，并對比分析其加固效果.

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件、周邊環(huán)境，提出了管樁加密、樁基穿越孤石和注漿加固等三種方法解決孤石群存在對上部結(jié)構(gòu)不均勻沉降控制的難題，從根本上改善地基承載力和變形特征，有利于穩(wěn)定樁筏基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的安全，減少地面不均勻沉降，降低對基礎(chǔ)上方建筑物的影響.

3.1 管樁加密

管樁加密主要是針對孤石群上方區(qū)域的管樁進(jìn)行加密.孤石群上方管樁加密還可通過面積置換力等效為孤石群上方的土體加固.有學(xué)者根據(jù)施工經(jīng)驗提出了管樁加密的加固方案，并就有效性展開爭論.因此該加固方案能否產(chǎn)生效果，本文將進(jìn)行數(shù)值分析.數(shù)值模型如圖6所示，施工步如表3所示.

表3 數(shù)值計算工況

圖6 孤石群上方基礎(chǔ)管樁加密模型 圖7 加固后的基礎(chǔ)不均勻沉降

加固后的基礎(chǔ)不均勻沉降分布規(guī)律如圖7所示.由圖7可知，加固后的孤石群區(qū)域樁筏基礎(chǔ)不均勻沉降變化規(guī)律與無加固措施沉降變化規(guī)律一致，數(shù)值大小接近.加固后基礎(chǔ)沉降會由于孤石群上方自重加大造成沉降略大于無加固措施樁筏基礎(chǔ)沉降值.這說明，通過加密管樁的方式不能解決因孤石群而引起的樁筏基礎(chǔ)不均勻沉降.

3.2 樁體穿越孤石

表4數(shù)值計算工況

樁基穿越孤石主要是指在原有管樁施工方案樁筏基礎(chǔ)施作完畢后，再次打入直徑500 mm的混凝土加固樁.該加固樁穿越孤石群，打入強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖層中.原有管樁將基礎(chǔ)及上部荷載傳遞至孤石群，孤石群進(jìn)而將荷載傳遞至下部土體.由于下方土體壓縮變形較大，造成基礎(chǔ)不均勻沉降.該加固樁的目的是將基礎(chǔ)及上部荷載更大比例地通過加固樁傳遞至強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖層上，該加固樁穿越孤石力，也可對孤石在空間位置上進(jìn)行一定的約束.該方案可提高樁筏基礎(chǔ)下方的地基強(qiáng)度和自穩(wěn)能力，減少樁筏基礎(chǔ)及上部建筑物施工引起的基礎(chǔ)不均勻沉降，加固區(qū)域如圖8所示，數(shù)值計算工況如表4所示.

該數(shù)值分析模型中加固樁采用C35混凝土.加固后的基礎(chǔ)不均勻沉降分布規(guī)律如圖9所示.由圖9可知，加固后的孤石群區(qū)域樁筏基礎(chǔ)不均勻沉降變化規(guī)律與無加固措施沉降變化趨勢一致，但采用加固樁穿越孤石進(jìn)行加固的樁筏基礎(chǔ)不均勻沉降值遠(yuǎn)小于無加固措施，筏板基礎(chǔ)沉降值大約減小18%，約7 mm.數(shù)值結(jié)果說明，通過穿越孤石的加固樁對筏板基礎(chǔ)進(jìn)行加固可有效解決因孤石群而引起的樁筏基礎(chǔ)不均勻沉降.

3.3 注漿加固

注漿加固主要指通過對孤石群下方的土體進(jìn)行注漿加固，達(dá)到提高下方土體強(qiáng)度的目的.孤石群引發(fā)樁筏基礎(chǔ)不均勻沉降的原因主要是由于下方土體壓縮變形較大.而此處的加固方案擬通過注漿加固的方式提高下方土體的強(qiáng)度，減小其壓縮變形.該加固方案主要是約束孤石的豎向空間位移，從根本上解決樁筏基礎(chǔ)不均勻沉降的問題.加固區(qū)域及加固方式如圖10所示，數(shù)值計算工況如表5所示.加固后的土體參數(shù)為E=35 MPa、μ=0.3、γ=19.5 kN/m3、c=30 kPa、內(nèi)摩擦角36°.

表5 數(shù)值計算工況

注漿加固后的基礎(chǔ)不均勻沉降分布規(guī)律如圖11所示.注漿加固后的孤石群區(qū)域樁筏基礎(chǔ)不均勻沉降變化規(guī)律與無加固措施變化規(guī)律一致，但采用注漿加固后的樁筏基礎(chǔ)不均勻沉降值小于無加固措施，孤石區(qū)的筏板基礎(chǔ)沉降值減小了約11%，約4.1 mm.結(jié)果表明，對孤石群下方的土體進(jìn)行注漿加固的方案可抑制樁筏基礎(chǔ)的不均勻沉降，是可行的加固方案.同時根據(jù)面積置換力的理念，對孤石群下方進(jìn)行樁體加固也具有有效性.

4 結(jié)論

1)在既有孤石條件下的樁筏基礎(chǔ)不均勻沉降(施工建設(shè)進(jìn)行時)隨上部荷載增大而逐漸增大，差異沉降量與同條件下無孤石區(qū)域沉降量之間的比值逐漸趨于穩(wěn)定.本文條件下的比率曲線逐漸穩(wěn)定在60%左右.孤石群區(qū)域管樁軸力減小，孤石群鄰近兩側(cè)管樁軸力增加.

2)根據(jù)地表豎向位移模擬值可知，在孤石群上方基礎(chǔ)管樁加密的方案對基礎(chǔ)不均勻沉降的控制效果不佳.

3)穿越孤石的樁體加固和孤石群下方土體注漿加固等兩種方案可有效抑制樁筏基礎(chǔ)的不均勻沉降.本文條件下的樁體穿越孤石加固方案可減小差異沉降值7 mm，注漿加固方案可減小差異沉降值4.1 mm.