CN115573401A - 一种用于花岗岩孤石地区桩基勘察优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于花岗岩孤石地区桩基勘察优化的方法，包括：对目标建筑进行特征地质钻孔确定，根据场地见孤率或线孤石率等场地情况划分孤石发育程度，进行以孤石直径为变量的桩基承载力受力模型研究，绘制出荷载‑深度关系图，分析计算得到相关数据，通过得出的数据判断是否对该地区进行逐桩勘探，本发明针对花岗岩地区孤石发育的空间规律，为勘察工作量布置优化提供了理论依据，填补了规范及理论空白，为项目建设方减少了经济成本，具有很高的推广意义。

Description

一种用于花岗岩孤石地区桩基勘察优化的方法

技术领域

本发明涉及桩基勘察技术领域，具体为一种用于花岗岩孤石地区桩基勘察优化的方法。

背景技术

花岗岩地区在我国国内分布广泛，而花岗岩地区在风化层分布有数量可观的孤石，在进行施工打桩时，经常会遇到坚硬的孤石影响桩基成孔，导致打桩不能达到预定深度，如果直接进行施工，极易对施工器材造成损坏，对施工人员的人身安全产生安全隐患以及对工期造成延误，所以开始施工作业前需要预先对目标地层进行勘察处理，确保在该地施工的安全性和高效性，一般情况下，勘察设计单位会针对孤石发育场地进行桩基施工阶段的勘察，并会给出逐桩勘探的建议来进行风险管控，其做法相对保守，但是在一些特殊情况下，继续使用逐桩勘探的方法可能是不必要的，并且存在对施工资源、造价浪费的现象。

因此，人们需要一种用于花岗岩孤石地区桩基勘察优化的方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于花岗岩孤石地区桩基勘察优化的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种用于花岗岩孤石地区桩基勘察优化的方法，所述方法包括：对花岗岩孤石地区首先确定特征地质钻孔，根据场地情况划分孤石发育程度，进行了以孤石直径为变量的桩基承载力受力模型研究，绘制荷载-深度关系图，分析计算得到相关数据，通过得出的数据判断是否对该地区进行逐桩勘探，为勘察工作量布置提供理论依据。

进一步的，所述特征地质钻孔用于表征具体建筑物范围代表性地层分布的勘探钻孔，所述特征代表地质钻孔可以是一个，在地质条件复杂时可以是多个；通过特征地质钻孔可以得到该花岗岩孤石地区的相关数据，包括：特征土层厚度

安全深度h_s、危险深度h_d、平衡深度、场地见孤率和优化指数；

进一步的，所述特征土层厚度

用于表征建筑物特征代表钻孔的各特征土层平均厚度；

所述安全深度h_s为特征地质钻孔中嵌入孤石一定深度后满足桩基承载力要求所需达到的桩长；

所述危险深度h_d为特征地质钻孔中嵌入孤石最大深度后未能满足桩基承载力要求所需达到的临界桩长；

所述平衡深度为介于安全深度和危险深度之间的桩长；

所述场地见孤率为所有勘察钻孔中揭露孤石的比例；即：

场地见孤率＝(场地范围揭露孤石勘探孔数量/场地范围所有勘探孔数量)×100％；

根据孤石分布的深度范围，对于勘探孔深部揭露的孤石比例，在从桩顶算起的孤石埋深h_g符合h_g≥h_s时，称为安全见孤率；对于勘探孔浅部揭露的孤石比例，在埋深h_g符合h_g≤h_d时，称为危险见孤率；对孤石埋深h_g符合h_d≤h_g≤h_s时的孤石比例，称为平衡见孤率；

其四者之间存在以下关系：

场地见孤率＝危险见孤率+平衡见孤率+安全见孤率；

优化指数＝100％*(危险见孤率+安全见孤率)/场地见孤率。

进一步的，所述划分孤石发育程度具体为：根据所有勘察钻孔中揭露场地见孤率或线孤石率大小，结合其对工程实际可能产生的影响，对孤石的发育分级程度分为三级，包括：孤石强发育、孤石中等发育、孤石弱发育；通过划分孤石发育程度可以为判断该地区是否执行逐桩勘探提供依据；

所述线孤石率为勘探孔中孤石竖向层厚除于揭露基岩面(中风化、微风化)位置至终孔孔深位置的厚度，以百分率％标示；

所述等级为孤石强发育的孤石场地条件为见孤率大于30％或线孤石率大于20％；

所述等级为孤石中等发育的孤石场地条件为见孤率大于10％小于30％或线孤石率大于5％小于20％；

所述等级为孤石弱发育的孤石场地条件为见孤率小于10％或线孤石率小于5％。

进一步的，所述以孤石直径为变量的桩基承载力受力模型具体为：桩基承载力由三部分组成，包括：孤石上覆盖层土层桩侧总摩阻力特征值R_sa、入岩段孤石侧摩阻力特征值R_ra和持力层总端阻特征值R_pa；根据以下公式进行计算：

R_ra＝u_pC₂f_rsh_r；

R_pa＝C₁f_rpA_p；

根据以下公式可以得到单桩竖向承载力特征值R_a：

R_a＝R_sa+R_ra+R_pa；

其中，h为从桩顶计算起的孤石上覆盖层总厚度，h_r为桩端进入孤石的深度，A_p为桩端截面面积，u为桩侧阻段桩基截面周长，u_p为桩嵌岩段截面周长，C1、C2为系数，按《建筑地基基础设计规范》(DBJ 15-31-2016)表10.2.4采用，f_rs、f_rp分别为桩侧岩层和桩端岩层的岩样天然湿度单轴抗压强度，

为孤石之上覆盖层厚度范围内平均侧摩阻力特征值，使用以下公式计算：

其中，h_i为第i层土层厚度；q_sia为第i层土层摩阻力特征值；

计算得到单桩竖向承载力特征值R_a使得可以判断桩顶荷载是否满足桩基承载力的需求。

进一步的，所述以孤石直径d为变量的桩基承载力受力模型在桩端嵌入孤石后桩端至孤石底，且能满足受冲切承载力要求的最小临界厚度的情况下，桩端嵌岩入孤石中，可视桩端为扩大球体头，桩端端阻面积A_p可按扩大基础考虑，桩端按强风化岩层的天然湿度抗压强度取值；因孤石之下一般为全风化层或强风化层，压缩模量较大，桩基总体沉降可控，所以对桩基总体沉降不予考虑；桩端之下完整连续孤石厚度需要满足受冲切承载力要求，单桩承载力计算仍可按嵌岩桩公式进行相应计算；当孤石直径能满足受冲切承载力要求的最小临界厚度，且桩端至孤石底的厚度不少于3D的要求时，可完全按嵌岩桩考虑，此时，桩底应力经连续孤石应力扩散后，强风化层承载力可满足持力层的要求。

进一步的，所述判断是否进行逐桩勘探，为勘察工作量布置提供理论依据具体为：

在特征代表地质钻孔中，对一定直径d的孤石及桩顶荷载T，由桩顶算起，存在安全深度h_s，当桩长h≥h_s时，无论孤石直径多大，总是存在h_s，满足桩基承载力的需求，即单桩竖向承载力特征值R_a≥T；同时存在危险深度h_d，当桩长h≤h_d时，在此深度范围以上遇孤石，应予以穿越；

当勘探孔揭露的孤石埋深h_g符合h_d≤h_g≤h_s时，且平衡见孤率高时，此时应对场地进行逐桩施工勘察，若详勘阶段上述深度范围的场地见孤率低，那么可以在施工阶段采用超前地质钻予以探明；

因此，当详勘勘探孔深部揭露的孤石埋深h_g符合h_g≥h_s时，桩端入孤石，桩长为h_s，无需进行逐桩勘探；

同理，当详勘勘探孔浅部揭露的孤石埋深h_g符合h_g≤h_d时，桩端应穿越孤石，向下寻找持力层，无需进行逐桩勘探，上述对逐桩勘探的必要性分析，使得避免了施工资源的浪费。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明重点对风化层孤石进行研究，针对花岗岩地区孤石发育的空间规律，提出了优化指数概念，根据项目实践及相应孤石发育程度等级，得出在不同孤石发育等级下，当孤石埋深符合一定条件且优化指数达到一定数值时可不进行逐桩勘探的结论，开创式对花岗岩孤石发育地区桩基的勘察工作量布置进行了指导，为勘察工作量布置优化提供了理论依据，填补规范相关空白，为项目管理方减少了经济成本。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一种用于花岗岩孤石地区桩基勘察优化的方法的实施流程示意图；

图2是本发明实施例中的荷载-深度关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图2，本发明提供技术方案：一种用于花岗岩孤石地区桩基勘察优化的方法，包括以下步骤：

对花岗岩孤石地区首先进行特征地质钻孔，进一步确定场地范围内的孤石直径及深度范围，所述特征地质钻孔用于表征具体建筑物范围代表性地层分布的勘探钻孔，通过特征地质钻孔可以得到该花岗岩孤石地区的相关数据，包括：特征土层厚度

安全深度h_s、危险深度h_d、平衡深度、场地见孤率和优化指数。

根据场地情况划分孤石发育程度，根据所有勘察钻孔中揭露场地见孤率或线孤石率大小，结合其对工程实际可能产生的影响，对孤石的发育分级程度分为三级，包括：孤石强发育、孤石中等发育、孤石弱发育；

所述线孤石率为勘探孔中孤石竖向层厚除于揭露基岩面(中风化、微风化)位置至终孔孔深位置的厚度，以百分率％标示；

孤石强发育的孤石场地条件为见孤率大于30％或线孤石率大于20％；

孤石中等发育的孤石场地条件为见孤率大于10％小于30％或线孤石率大于5％小于20％；

孤石弱发育的孤石场地条件为见孤率小于10％或线孤石率小于5％。

进行了以孤石直径为变量的桩基承载力受力模型研究，桩基承载力由三部分组成，包括：孤石上覆盖层土层桩侧总摩阻力特征值R_sa、入岩段孤石侧摩阻力特征值R_ra和持力层总端阻特征值R_pa；根据以下公式进行计算：

R_ra＝u_pC₂f_rsh_r；

R_pa＝C₁f_rpA_p；

根据以下公式可以得到单桩竖向承载力特征值R_a：

R_a＝R_sa+R_ra+R_pa；

其中，h为从桩顶计算起的孤石上覆盖层总厚度，h_r为桩端进入孤石的深度，A_p为桩端截面面积，u为桩侧阻段桩基截面周长，u_p为桩嵌岩段截面周长，C1、C2为系数，按《建筑地基基础设计规范》(DBJ 15-31-2016)表10.2.4采用，f_rs、f_rp分别为桩侧岩层和桩端岩层的岩样天然湿度单轴抗压强度，

为孤石之上覆盖层厚度范围内平均侧摩阻力特征值，使用以下公式计算：

其中，h_i为第i层土层厚度；q_sia为第i层土层摩阻力特征值。

绘制荷载-深度关系图，确定安全深度和危险深度，根据计算得到的孤石发育等级和优化指数判断是否对场地进行逐桩勘探，为勘察工作量布置提供理论依据，具体为：在特征代表地质钻孔中，对一定直径d的孤石及桩顶荷载T，由桩顶算起，存在安全深度h_s，当桩长h≥h_s时，无论孤石直径多大，总是存在h_s，满足桩基承载力的需求，即单桩竖向承载力特征值R_a≥T；同时存在危险深度h_d，当桩长h≤h_d时，在此深度范围以上遇孤石，应予以穿越；

当勘探孔揭露的孤石埋深h_g符合h_d≤h_g≤h_s时，且平衡见孤率高时，此时应对场地进行逐桩施工勘察，若详勘阶段上述深度范围的场地见孤率低，那么可以在施工阶段采用超前地质钻予以探明；

因此，当详勘勘探孔深部揭露的孤石埋深h_g符合h_g≥h_s时，桩端入孤石，桩长为h_s，无需进行逐桩勘探；

当详勘勘探孔浅部揭露的孤石埋深h_g符合h_g≤h_d时，桩端应穿越孤石，向下寻找持力层，无需进行逐桩勘探；

上述对逐桩勘探的必要性分析，使得避免了施工资源的浪费。

实施例一：

首先详勘阶段勘察工作量布置了一定密度的钻孔，提供了孤石分布情况一览表，探明了孤石见孤率，也对场地孤石分布的深度范围有一定程度的了解，根据资料，对本场地花岗岩侵蚀基准面就有了基本的认识，通过统计分析，揭露花岗岩孤石的直径、埋深及分布的规律性；其中：

孤石见孤率＝(场地范围揭露孤石勘探孔数量/场地范围所有勘探孔数量)×100％孤石直径范围统计具体为：根据已探明孤石分布一览表，取极大值及极小值，同时根据经验适当放宽一定范围，若详勘探明已知孤石直径2.9m，那么直径极大值可适当取4m；如详勘探明已知最小孤石直径0.8m，小于嵌入基岩要求1m，该孤石直径最小值取1m；

孤石埋深范围统计包括：场地范围埋深小于h_d的孤石数量、场地范围埋深大于h_s的孤石数量和场地孤石发育总数量；

根据详勘布置纵横剖面，结合地形地貌及岩面揭露情况，确定能够表征建筑物场地土层分布的代表性特征地质钻孔；考虑到单栋建筑位置土层分布差异不大，该特征钻孔普遍代表本建筑物范围土层分布，但孤石发育深度及直径存在一定的不确定性，所以进一步统计研究场地范围的孤石直径及深度范围；根据孤石的场地条件，包括地表孤石的发育情况、勘探孔中孤石的见孤率或线孤石率大小，结合其对工程实际可能产生的影响，按照表1对孤石的发育进行分级；

表1孤石发育程度分级表

根据特征钻孔，按统计孤石直径的大小，比如说孤石直径按d＝2，3，4，5m考虑，按桩基嵌入孤石固定深度考虑，纵坐标为荷载或承载力，横坐标为桩顶至入孤石一定深度的距离即桩长，分别画出不同孤石直径下桩基承载力随孤石埋深h_g(桩长)变化的关系曲线，同时在该坐标系下画出荷载曲线，即与横坐标平行的直线。

当孤石直径在一定范围变化时，最大孤石直径与最小孤石直径(不小于桩基直径D)与荷载直线相交于点S、D，如图2荷载kN(承载力)-深度m(桩长)关系图(孤石直径d为变量，单位m)所示，根据上述曲线确定安全深度h_s、危险深度h_d。无论孤石直径如何变化，都存在安全深度h_s，当桩长h≥h_s时，无论孤石直径多大，总是存在h_s，满足桩基承载力的需求，即单桩竖向承载力特征值R_a≥T，桩基嵌入孤石也是安全的，孤石直径大小与桩基安全无关；无论孤石直径如何变化，都存在安全深度h_d，当桩长h≤h_d时，无论在此深度范围以上遇孤石，即使孤石直径相对较大，桩基承载力也未能满足桩基荷载要求，无论如何也应予以穿越。

因此，根据统计，令安全深度以下的孤石见孤率为安全见孤率；令危险深度以上的孤石见孤率为危险见孤率；当孤石分布大部分概率都在安全深度以下或危险深度以上时，桩基无论如何都需要穿越或者桩基无论如何都是安全的，按照上述孤石存在的比例的统计规律，根据技术理论计算优化指数，具体为：

1)本栋见孤率，即本栋范围勘察钻孔中揭露孤石的比例；

本栋见孤率＝(本栋范围揭露孤石勘探孔数量/本栋范围所有勘探孔数量)×100％；

2)根据孤石分布的深度范围，对于勘探孔深部揭露的孤石比例，从桩顶算起的孤石埋深h_g符合h_g≥h_s时，称为安全见孤率；

安全见孤率＝(本栋范围揭露孤石埋深大于h_s勘探孔数量/本栋范围所有勘探孔数量)×100％；

3)对于勘探孔浅部揭露的孤石比例，从桩顶算起的孤石埋深h_g符合h_g≤h_d时，称为危险见孤率；

危险见孤率＝(本栋范围揭露孤石埋深小于h_d勘探孔数量/本栋范围所有勘探孔数量)*100％；

4)孤石埋深h_g符合h_d≤h_g≤h_s时的孤石比例，称为平衡见孤率；

平衡见孤率＝(本栋范围揭露孤石符合h_d≤h_g≤h_s勘探孔数量/本栋范围所有勘探孔数量)*100％；

5)优化指数＝100％*(危险见孤率+安全见孤率)/本栋见孤率；

上述存在以下关系：本栋见孤率＝危险见孤率+平衡见孤率+安全见孤率；

根据得到的安全深度h_s、危险深度h_d和优化指数，按表2对各建筑物桩基提供是否进行逐桩勘探的工作量布置建议；

表2工作量布置建议

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于花岗岩孤石地区桩基勘察优化的方法，其特征在于：所述方法包括，对花岗岩孤石地区首先进行特征地质钻孔确定，根据场地情况划分孤石发育程度，进行了以孤石直径为变量的桩基承载力受力模型研究，绘制荷载-深度关系图，分析计算得到相关数据，通过得出的数据判断是否对该地区进行逐桩勘探，为勘察工作量布置提供理论依据。

2.根据权利要求1所述的一种用于花岗岩孤石地区桩基勘察优化的方法，其特征在于：所述特征地质钻孔用于表征具体建筑物范围代表性地层分布的勘探钻孔，通过特征地质钻孔可以得到该花岗岩孤石地区的相关数据，包括：特征土层厚度

安全深度h_s、危险深度h_d、平衡深度、场地见孤率和优化指数。

3.根据权利要求2所述的一种用于花岗岩孤石地区桩基勘察优化的方法，其特征在于：所述特征土层厚度

用于表征建筑物特征代表钻孔的各特征土层平均厚度；

所述安全深度h_s为特征地质钻孔中嵌入孤石一定深度后满足桩基承载力要求所需达到的桩长；

所述危险深度h_d为特征地质钻孔中嵌入孤石最大深度后未能满足桩基承载力要求所需达到的临界桩长；

所述平衡深度为介于安全深度和危险深度之间的桩长；

所述场地见孤率为所有勘察钻孔中揭露孤石的比例；

根据孤石分布的深度范围，对于勘探孔深部揭露的孤石比例，在从桩顶算起的孤石埋深h_g符合h_g≥h_s时，称为安全见孤率；对于勘探孔浅部揭露的孤石比例，在埋深h_g符合h_g≤h_d时，称为危险见孤率；对孤石埋深h_g符合h_d≤h_g≤h_s时的孤石比例，称为平衡见孤率；

其四者之间存在以下关系：

场地见孤率＝危险见孤率+平衡见孤率+安全见孤率；

优化指数＝100％*(危险见孤率+安全见孤率)/场地见孤率。

4.根据权利要求1所述的一种用于花岗岩孤石地区桩基勘察优化的方法，其特征在于：所述划分孤石发育程度具体为：根据所有勘察钻孔中揭露场地见孤率或线孤石率大小，对孤石的发育分级程度分为三级，包括：孤石强发育、孤石中等发育、孤石弱发育；

所述线孤石率为勘探孔中孤石竖向层厚除于揭露基岩面位置至终孔孔深位置的厚度，以百分率％标示。

5.根据权利要求1所述的一种用于花岗岩孤石地区桩基勘察优化的方法，其特征在于：所述以孤石直径为变量的桩基承载力受力模型具体为：桩基承载力由三部分组成，包括：孤石上覆盖层土层桩侧总摩阻力特征值R_sa、入岩段孤石侧摩阻力特征值R_ra和持力层总端阻特征值R_pa；根据以下公式进行计算：

R_ra＝u_pC₂f_rsh_r；

R_pa＝C₁f_rpA_p；

根据以下公式可以得到单桩竖向承载力特征值R_a：

R_a＝R_sa+R_ra+R_pa；

其中，h为从桩顶计算起的孤石上覆盖层总厚度，h_r为桩端进入孤石的深度，A_p为桩端截面面积，u为桩侧阻段桩基截面周长，u_p为桩嵌岩段截面周长，C1、C2为系数，f_rs、f_rp分别为桩侧岩层和桩端岩层的岩样天然湿度单轴抗压强度，

为孤石之上覆盖层厚度范围内平均侧摩阻力特征值，使用以下公式计算：

其中，h_i为第i层土层厚度；q_sia为第i层土层摩阻力特征值。

6.根据权利要求5所述的一种用于花岗岩孤石地区桩基勘察优化的方法，其特征在于：所述以孤石直径d为变量的桩基承载力受力模型在桩端嵌入孤石后桩端至孤石底，且能满足受冲切承载力要求的最小临界厚度的情况下，桩端嵌岩入孤石中，可视桩端为扩大球体头，桩端端阻面积A_p可按扩大基础考虑，桩端按强风化岩层的天然湿度抗压强度取值；桩端之下完整连续孤石厚度需要满足受冲切承载力要求，单桩承载力计算仍可按嵌岩桩公式进行相应计算；当孤石直径能满足受冲切承载力要求的最小临界厚度，且桩端至孤石底的厚度不少于3D的要求时，可完全按嵌岩桩考虑，此时，桩底应力经连续孤石应力扩散后，强风化层承载力可满足持力层的要求。

7.根据权利要求1所述的一种用于花岗岩孤石地区桩基勘察优化的方法，其特征在于：所述判断是否进行逐桩勘探，为勘察工作量布置提供理论依据具体为：

在特征代表地质钻孔中，对一定直径d的孤石及桩顶荷载T，由桩顶算起，存在安全深度h_s，当桩长h≥h_s时，无论孤石直径多大，总是存在h_s，满足桩基承载力的需求，即单桩竖向承载力特征值R_a≥T；同时存在危险深度h_d，当桩长h≤h_d时，在此深度范围以上遇孤石，应予以穿越；

当勘探孔揭露的孤石埋深h_g符合h_d≤h_g≤h_s时，且平衡见孤率高时，此时应对场地进行逐桩施工勘察，若详勘阶段上述深度范围的场地见孤率低，那么可以在施工阶段采用超前地质钻予以探明；

因此，当详勘勘探孔深部揭露的孤石埋深h_g符合h_g≥h_s时，桩端入孤石，桩长为h_s，无需进行逐桩勘探；

同理，当详勘勘探孔浅部揭露的孤石埋深h_g符合h_g≤h_d时，桩端应穿越孤石，向下寻找持力层，无需进行逐桩勘探。

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