大直径嵌岩桩施工勘察孔深的确定

一、概述

近几年随着经济的高速发展，城市内土地资源的稀缺，越来越多的建构筑物需要在各类基岩裸露或埋藏较浅的地区进行开发建设，而在此地区内，大直径嵌岩桩基础有较广泛的应用。我国幅员辽阔，地质地貌类型多样，对于一些特殊基岩埋藏区，如岩溶、孤石发育区，桩基开挖前需要进行施工勘察，以查明桩底的详细地质情况。

根据统计资料，我国碳酸盐岩裸露分布区面积约130km2，埋藏分布区面积约70km2，花岗岩类岩石出露面积约86km2，连同埋藏分布区面积也在100km2以上，二者分布面积合计达我国疆域面积的1/3。因此，在这些地区进行的大直径嵌岩桩施工勘察工作有着广阔的前景。

二、嵌岩桩施工勘察孔深确定的一般性原则

施工勘察的中心问题，就是对勘察钻孔深度的确定。一般来说，钻孔深度d由岩面深度d0、嵌岩深度h、桩底稳定层厚度d1、抗冲切/倾覆调整深度d2及桩顶预留浮动深度d3加和而成，即：

d=d0+h+d1+d2+d3

（1）岩面深度d0一般为中～微风化基岩的稳定岩面，随钻孔实际情况确定；孤石、溶洞、互层发育的地区，d0应为穿过上述不稳定体的稳定岩层顶面。对于一桩多孔的施工勘察，d0应取各孔稳定岩面深度的最大值，并应考虑孔口高程的起伏影响。

“对于嵌岩桩，嵌岩深度应综合荷载、上覆土层、基岩、桩径、桩长诸因素确定；对于嵌入倾斜的完整和较完整岩的全断面深度不宜小于0.4d 且不小于0.5m，倾斜度大于30%的中风化岩，宜根据倾斜度及岩石完整性适当加大嵌岩深度；对于嵌入平整、完整的坚硬岩和较硬岩的深度不宜小于0.2d，且不应小于0.2m。”

（3）桩底稳定层厚度d1“勘探孔的深度应符合下列规定：……对大直径桩，不得小于5m……对嵌岩桩，应钻入预计嵌岩面以下3～5d，并穿过溶洞、破碎带，到达稳定地层。”

“对一般岩质地基的嵌岩桩，勘探孔深度应钻入预计嵌岩面以下1d～3d，对控制性勘探孔应钻入预计嵌岩面以下3d～5d，对质量等级为Ⅲ级以上的岩体，可适当放宽；”

“对花岗岩地区的嵌岩桩，一般性勘探孔深度应进入微风化岩3～5m，控制性勘探孔应进入微风化岩5～8m。”

“对于岩溶、断层破碎带地区，勘探孔应穿过溶洞、或断层破碎带进入稳定地层，进入深度应满足3d，并不小于5m；”

“具多韵律薄层状的沉积岩或变质岩，当基岩中强风化、中等风化、微风化岩层呈互层出现时，对拟以微风化岩作为持力层的嵌岩桩，勘探孔进入微风化岩深度不应小于5m。”

实际工作完全可参照此条目进行，但对于岩溶地区的嵌岩桩勘察，为更准确估计顶板安全厚度，后文将进行更精确的估算，为实际勘察提供有价值的参考。

“当基础附近有临空面时，应验算向临空面倾覆和滑移稳定性。存在不稳定的临空面时，应将基础埋深加大至下伏稳定基岩；亦可在基础底部设置锚杆，锚杆应进入下伏稳定岩体，并满足抗倾覆和抗滑移要求。同一基础的地基可以放阶处理，但应满足抗倾覆和抗滑移要求”。 该条条文说明还提到：“基岩面起伏剧烈，高差较大并形成临空面是岩石地基的常见情况，为确保建筑物的安全，应重视临空面对地基稳定性的影响。”详细加深的尺度，后文将予以详细计算说明。

（5）由于钻探孔径相比桩径过小，在桩径范围内，基岩面会有一定量的起伏；而施工机具的限制使得实际桩基开挖施工中，桩顶总会有或多或少的超挖现象。因此，如经业主同意，实际钻探中应预留一定的浮动深度，防止超挖导致桩底剩余量不满足稳定层需要。在非岩溶发育地段，桩顶预留浮动深度d3一般可取为0.5m；而在岩溶发育地段，此项深度可根据岩溶发育程度及桩径大小综合取值，如中等岩溶发育区、桩径1.5m左右可取为1m。

以上五条即为确定桩基施工勘察钻孔深度所应注意的事项，其中嵌岩深度h和桩顶预留深度d3较容易确定；而对于孤石、岩溶发育地区，岩面深度d0需根据实际钻探及区域地质情况综合确定；串珠型或顶板厚度较大岩溶地段，桩底稳定层厚度d1也需要一定的精确计算，以提供准确参考；抗冲切/倾覆调整深度d2也将在后文予以计算说明。

三、对嵌岩桩施工勘察中特殊问题的说明

3.1花岗岩地区孤石发育的特点及岩面深度确定方法

在花岗岩风化壳较厚的东部、南部地区，其全风化～强风化花岗岩层中，由于球状风化产生了大小各异的孤石。根据以往勘察经验，孤石发育一般具有以下特点，参见下图3.1-1：

图3.1-1 花岗岩地区孤石分布剖面示意图

（1）孤石多分布于强风化岩层中，其次为全风化及残积土中。

（2）孤石多发育于基岩面起伏较大的地段。如图3.1-1中，②～③情况的孤石最常见，因为此处是基岩面起伏转折的地段，节理裂隙发育，岩体较破碎，易发育孤石。④～⑤情况的孤石厚度多较小，一般不大于1m，其分布的最高高度与区域微风化岩面最高处基本相当。

（3）孤石的揭示厚度一般较小，小于2.5m的孤石数量约占总数的80%以上。 （4）孤石一般仅发育一到二层，多层的极为少见。

（5）孤石中多为微风化岩石，少量中风化。一般较完整，岩芯呈圆柱状，裂隙发育少，成分以抗风化能力较强的粗～伟晶石英质为主。孤石的风化程度与周围岩土相比，常常会有较大的突变。

在有超前钻孔的桩位，钻孔穿过孤石后岩石的风化程度会增加，如由微风化变为强风化，则上部穿过的中～微风化地层就是孤石。实际冲孔施工中，即可根据超前钻孔数据穿越孤石。

若孤石厚度（直径）较大，钻孔在控制的深度内未穿过孤石，通过与区域剖面资料对比本孔中～微风化面也在合理范围内，若不考虑偏心作用，在保证桩底完整的情况下，该孤石上嵌岩桩的单桩承载力亦可以达到正常嵌岩桩的40%～80%。

对于未进行超前钻的桩位，根据孤石发育特点，孤石的判别将依赖于邻近地质资料与实际冲孔钻进感觉、取芯鉴别等综合的办法。详述如下：

（1）邻近地质资料。根据超前钻及前期勘察资料，分析冲孔桩钻孔附近的微风化岩面埋深、起伏情况、岩脉发育及孤石特征，对孤石可能的分布情况有一个基本的理解。

（2）冲孔钻进情况。对于直径或厚度较小的孤石，冲孔施工基本可将小孤石砸碎、穿过或冲挤到桩外。对于稍大的孤石，其冲孔时钻进感觉与中～微风化基岩也有一定的区别，实际施工可进行相应加深。而对于较大的孤石，钻进感觉不明显时，可考虑其他综合鉴别办法。

（3）取芯鉴别。冲孔施工中对桩底岩芯的鉴定，分析其与已钻桩位岩芯的区别，结合前节所述孤石特点，尤其是风化程度突变的情况，应引起足够的注意。

上述对孤石的鉴别区分办法，对于大部分情况下是有效的、可行的，当然这也不能保证绝对的准确率。

在超前钻勘察中应根据孤石发育特点，应有针对性的进行钻探。如果钻探中能按处理岩面起伏的情况加深钻孔，就可以避免对部分孤石的误判；同时在岩面起伏较大或孤石发育较多的区域，适当的增加入岩深度，就可以穿过大部分厚度较小的孤石。

实际勘察时，应特别注意孔底进入强风化层时的进尺快慢变化。如碰触较硬岩块时，应及时记录起止深度；进入中～微风化后，也应时刻注意进尺速度变化，若进尺突然加快，就应及时记录其深度，再综合岩芯、区域地层情况判断上部进尺慢速区是否为孤石。

若某地段已有钻孔揭示的孤石较多，就应考虑于此区域加密钻孔甚至进行一桩一探。

3.2、溶洞（槽）或溶蚀破碎带对桩基施工的影响

0的确定

在岩溶发育地区，岩面深度d0应为穿越溶洞（槽）或溶蚀破碎带后进入稳定中～微风化岩层的深度，详细情况如下：

（1）溶洞：所需穿越溶洞一般为顶板厚度小于安全厚度的溶洞，在无经验时，此安全厚度可取为3倍桩径且不小于5m，后文亦将进行更精确计算。

（2）溶槽一般为基岩面附近的浅层溶洞，其在钻孔线坐标显示为溶洞，而在空间上实际为深凹的溶沟、溶穴。溶槽一般需在剖面图上确认，其上岩层一般不能作为桩基持力层。

（3）溶蚀破碎带是钻进中进尺快、取芯率低且响声大的层段，实际形态一般为溶隙、溶洞（槽）侧壁或石芽发育区，也可能是断层经过的地段。连续的溶蚀破碎带常与串珠型溶洞相间伴生分布。在剖面图上，基岩面附近连续的厚层溶蚀破碎带往往是石芽发育区，该地段桩位破碎带厚度无论大小一般均应按最厚层考虑。

1的确定

此项安全厚度不仅应用于确定串珠型溶洞区持力层的层位，对于未见溶洞钻孔，也应按孔底即将出现溶洞来考虑终孔条件，二者的区别仅是对计算溶洞跨度的确定。

一般所需评价的溶洞顶板和支座岩层均比较完整，厚度较大，强度较高，可按单跨梁评价其稳定性。

按照抗弯强度验算，其安全厚度H需满足下列关系式：

式中，σ为岩体的允许抗弯强度，灰岩一般为其允许抗压强度的0.15倍；b为梁宽度，取为单位宽度1.0m；K为岩体稳定性计算安全系数，一般取2.0。

弯矩M的计算分以下几种情况：当顶板跨中有裂隙，两支座处岩石坚固时，按悬臂梁计算端部所受弯矩，即M=1/2PL2；当顶板较完整，但两端支座处岩层有裂隙与洞壁不成整体，可按简支梁计算弯矩，即M=1/8PL2；当顶板和洞壁岩层均较完整且成一体，可按两端固定梁计算弯矩，即M=1/12PL2 。（P为顶板所受总荷重，包括顶板厚为H的岩体自重、顶板上部所留土层的重量、顶板上附加荷载；L为按支座间或支座至跨中裂隙的距离。）

同时，因顶板受剪，其安全厚度H亦应满足下式：

式中，Q=1/2PL，为支座处的剪力；τ为岩体的计算抗剪强度，灰岩一般为其允许抗压强度的0.08～0.10倍，本次计算取为0.08倍；K为岩体稳定性计算安全系数，一般取2.0。

假设拟建单桩荷载为4000kN，桩径1.5m，桩距4m，灰岩抗压强度标准值为30MPa，取溶洞跨度L分别为1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m时，计算顶板安全厚度如下表3.2-1：

表3.2-1 溶洞顶板安全厚度计算1

预测溶洞 跨度(m) 1 2 3 4 5 6 7 8 悬臂梁 2.31 2.63 3.10 3.65 4.26 4.90 5.56 6.24 计算安全厚度（m） 简支梁 1.15 1.32 1.55 1.83 2.13 2.45 2.78 3.12 固定梁 0.94 1.07 1.26 1.49 1.74 2.00 2.27 2.55 抗剪计算 1.83 2.08 2.00 2.04 2.13 2.24 2.35 2.47 在实际工作中，计算溶洞稳定性时，其跨度可根据实际情况选取。如已揭穿的溶洞，在计算时可取其跨度为1～2倍洞高；而对于桩底稳定层厚度确定时，应根据钻孔间距取较不利的大跨度溶洞进行估算。

3.3、基岩面起伏对桩基施工的影响

对于邻近桩位高差较大或可能存在较大起伏的地段，可按岩石的抗冲切模式验算桩底的稳定性。以下以花岗岩地区情况进行示例。

图3.1-1 嵌岩桩底冲切计算示意图

根据上图3.1-1示意的假设情况，考虑最不利情况，基岩微风化面倾斜面紧邻桩侧，桩径为D，嵌岩深度为h，岩面倾角为α，估计冲切面为阴影部位所示的斜截椭圆柱面，倾角按45°考虑，其长母线为L2，短母线为L1，根据三角函数关系，有：

L12h，L2tan1

2(hDtan)tan1

按椭圆周长公式为C=2πb+4(a-b)，则冲切面面积SL可估算为：

SL122hDtan(L1L2)*(22)D()*(21)D22tan1………①

当嵌岩桩侧处于不稳定状态时，由静力平衡条件有：

KcD242SL…………………………………………………………②

一般岩石抗剪强度τ与抗压强度σc的比值为1/8～1/12，本次计算暂取τ/σc=1/10；安全系数K一般取2。将式①代入式②后，解此不等式，可得：

tan24.022h22.011D…………………………………………………………③

实际勘察时应根据场地嵌岩桩条件，若取D=1.0m，h=0.5m，则该情况下桩底不稳定的坡度条件为：tanα>1.94；而若取D=0.8m，h=0.5m，则此情况下桩底不稳定的坡度条件为：tanα>1.78。

同时，桩侧斜坡应有足够的高度使临空面滑动，其高度限制条件为：

以上计算未考虑坡下全～强风化层的侧阻力，根据一般经验，全～强风化层的强度只有微风化层的1/20～1/10，可忽略其影响。

由上计算可知，当勘探邻近钻孔微风化基岩面落差较大时，若坡比大于1:2或高差大于3m时都应引起注意。一般场地钻孔间距一般较大，实测剖面坡比较大时高差均将大于3m。即使孔距较远，但由于岩面起伏位置的不确定性，亦应采取应对措施。

如下图3.1-2，对于邻近桩孔基岩面倾斜情况，其间的岩面起伏情况有图示C1、C2、C3三种情况。C1基本安全，也是最常见情况；C2情况下Z2桩已不稳定，实际施工中应将桩底位置下沉Δh，使H2小于3m时，Z2桩已基本稳定；C3情况常见于岩溶地区。一般花岗岩地区基岩面起伏规律性稍好，实际工程中，也可以通过区域剖面图、构造节理分布情况等综合估计桩孔间的可能起伏情况。

图3.1-2 岩面起伏情况估计示意图

为应对类似C2情况下的基岩起伏，桩基勘察时亦应将钻孔深度加深Δh。在实际钻探施工时，应及时整理已有钻孔资料，在计划钻探钻孔时将其与邻近孔底高程保持在3m以内。一般认为，当孔距大于10～20m时，岩面起伏已超过可预测范围，可不考虑邻近孔的影响。但在布置钻孔时，对于岩面起伏较大的地段，应相应加密钻孔。

在桩基开挖时，若发现与钻探资料差异较大的情况，应根据实际开挖的岩面起伏数据，在保证持力层厚度足够的情况下，调整周边有关联桩位的入岩深度，使得Δh≤3m。

根据地区及行业经验，有另一种半经验的确定办法，即当两桩位岩面深度相差较大时，应使两桩的桩底高程之差小于桩距，且此高程差不大于3倍桩径。此种办法与前述计算所得办法有异曲同工之处。

四、总结

上述计算及分析，在实际工作中可根据实际情况择情选用，亦可进行经验修正。但总体来看，进行桩基施工勘察时，其钻孔深度的确定应按照上述思路来进行。