石灰?guī)r溶地區(qū)沖孔灌注樁施工技術(shù)

吳鴻毅

[摘要] 本文結(jié)合某工程實(shí)例,針對(duì)石灰?guī)r溶地區(qū)主要工程地址特征,分析了石灰?guī)r溶地區(qū)沖孔灌注樁常見的施工問題,特別是針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下成孔遇土洞、溶洞的情況,提出了相應(yīng)的技術(shù)處理措施,以提高巖溶地區(qū)樁基施工質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 巖溶地區(qū)沖孔灌注樁施工技術(shù)處理措施

前言

巖溶或稱“喀斯特”,它是石灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖、大理巖、石膏、巖鹽層等可溶性巖石受水的化學(xué)和機(jī)械作用而形成的溶洞、溶溝、裂隙、暗河、石芽、漏斗、鐘乳石等奇特的地面及地下形態(tài)的總稱。土洞是巖溶地區(qū)上覆土層在地表水或地下水作用下形成的洞穴。巖溶地區(qū)由于有溶洞、土洞及暗河等的存在,可能造成地面變形和地基陷落,地下水的滲漏和涌水現(xiàn)象,使場地工程地質(zhì)條件大為惡化,給巖溶地區(qū)樁基礎(chǔ)施工帶來較大困難。

沖孔灌注樁具有穿透能力強(qiáng)、單樁承載力高等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于高層建筑的基礎(chǔ)中,在巖溶發(fā)育區(qū),其應(yīng)用也愈來愈廣泛。在巖溶地區(qū)進(jìn)行樁基施工,較之其他地基類型, 其單樁承載力及完整性要求較高, 對(duì)施工控制更為復(fù)雜。沖擊鉆孔技術(shù)對(duì)不均勻地層具有良好的適應(yīng)性,實(shí)踐證明沖擊鉆進(jìn)是巖溶發(fā)育區(qū)最佳的嵌巖樁基礎(chǔ)施工技術(shù)。本文所述項(xiàng)目不但場地巖溶極其發(fā)育, 地質(zhì)條件復(fù)雜,而且工期緊,通過該具體工程實(shí)例,論述了石灰?guī)r溶區(qū)沖孔灌注樁的施工技術(shù)處理措施。

一、工程概況

三明永安某水泥廠熟料生產(chǎn)線水泥儲(chǔ)存及運(yùn)輸車間工程,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為沖孔灌注樁,工程樁總數(shù)為60根,樁徑分別為100cm、110cm,樁長約30m~45m,設(shè)計(jì)樁身砼強(qiáng)度為C35,最大單樁豎向承載力特征值為9200KN(110)、7600KN(100),總工期為40天,設(shè)計(jì)要求樁身應(yīng)嵌入中風(fēng)化石灰?guī)r1倍樁徑。

二、地質(zhì)簡介

1.根據(jù)鉆孔揭露,工程地質(zhì)條件自上而下劃分為8個(gè)工程地質(zhì)層:①素填土,②粉質(zhì)粘土,③石灰?guī)r殘積粘性土及溶蝕土洞,④全風(fēng)化石灰?guī)r,⑤散體狀強(qiáng)風(fēng)化巖,⑥破裂狀強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r,⑦中風(fēng)化石灰?guī)r,⑧中風(fēng)化石灰?guī)r及溶洞。

2.本工程巖溶地質(zhì)特點(diǎn)

擬建場地屬丘陵斜坡一溝谷地貌單元,地勢北高南低各層地質(zhì)條件起伏變化大,巖面傾角300,該場地屬巖溶地區(qū),在地下水的長期侵蝕作用下:第③地質(zhì)層有溶蝕土洞存在,分布較無規(guī)律,洞體高度為0.9~5.9m,洞內(nèi)有的為空穴,有的為半充填或全充填,充填物為軟塑狀含角礫粘土;第⑧地質(zhì)層局部地段巖溶較發(fā)育存在溶洞,溶洞裂隙多,溶洞形式為竄通式或單體自閉式,有大有小,洞體高度為1.5m~9.9m,洞內(nèi)有的為空穴,有的為半充填或全充填,充填物為軟塑狀飽和含角礫粘土。

由于巖溶發(fā)育強(qiáng)烈、巖面起伏、傾角陡、裂隙發(fā)育、土洞及溶洞廣泛分布,地下水埋深淺,地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜,溶洞有軟塑填充物或半充填、空洞等情況,特別是后兩種情況給樁基施工帶來很大的困難,施工過程中常出現(xiàn)的問題有:泥漿漏失、塌孔、偏孔、卡鉆等事故,故分析其產(chǎn)生原因及如何處理好溶洞問題是確保成孔質(zhì)量及施工進(jìn)度的關(guān)鍵。

三、本工程沖孔樁施工技術(shù)措施要點(diǎn)

1.施工準(zhǔn)備

施工前地質(zhì)核查是巖溶地區(qū)沖孔樁施工前必不可少的一道程序,在詳細(xì)勘察資料基礎(chǔ)上,做好施工勘察,查清巖溶埋深和起伏變化,分析發(fā)育規(guī)律和基本形態(tài),是巖溶地區(qū)基礎(chǔ)施工成功的保證。因本工程地質(zhì)條件較復(fù)雜,經(jīng)業(yè)主同意對(duì)所有樁一孔一探,有必要的甚至一孔三探,然后按地質(zhì)核查報(bào)告進(jìn)行指導(dǎo)性施工。

2.主要施工設(shè)備

根據(jù)現(xiàn)場施工場地情況,采用CZ-5型沖孔樁機(jī)8臺(tái),樁錘選用3.8噸重的空心鑄鋼鉆頭,本鉆頭優(yōu)點(diǎn):沖孔導(dǎo)向性好,造漿快,對(duì)帶角礫卵石更易穿過。另選用泵送功率大的泥漿泵,保證沖孔施工時(shí)孔體泥漿護(hù)壁穩(wěn)定不會(huì)產(chǎn)生坍孔。

3.施工工藝選擇

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告揭示地質(zhì)條件,樁長較長(30～45m),且此種地質(zhì)成孔時(shí)巖渣較多。本工程成孔采用大功率泥漿泵正循環(huán)施工工藝,二次清孔采用氣舉反循環(huán)法,這樣可提高成孔效率,縮短二次清孔時(shí)間,并能保證孔底清渣效果。

四、施工中常見問題的原因及處理措施

1.漏漿

1.1原因分析

當(dāng)沖孔通過砂層、砂礫層、卵石層等透水性較好的地層泥漿沿孔隙漏失;灰?guī)r中溶洞裂隙發(fā)育,巖層表面的溶溝,溶槽與溶洞相互串通,泥漿沿裂隙孔隙遺失;溶洞相互串通,導(dǎo)致遺失,遇到無充填或半充填的溶洞,泥漿快速遺漏。

1.2處理措施

詳細(xì)研究分析地質(zhì)鉆探報(bào)告,沖孔期間應(yīng)詳細(xì)記錄沖孔情況,對(duì)每一個(gè)地層變化處詳細(xì)作以記錄,并認(rèn)真與地質(zhì)報(bào)告進(jìn)行核對(duì),是施工控制的核心所在。提前在孔邊堆積堅(jiān)硬片石、粘土及水泥,另外要準(zhǔn)備充足的泥漿,在沖擊砂卵石層時(shí),往孔內(nèi)投入優(yōu)質(zhì)粘土,采用小沖程反復(fù)沖擊將粘土擠入孔隙間堵塞孔隙,并加大泥漿的比重及粘度以保持孔壁穩(wěn)固。在沖孔距溶洞頂層0.5m左右時(shí),應(yīng)認(rèn)真檢查孔內(nèi)泥漿液面高度及泥漿密度的變化,因擊穿溶洞頂板后一般會(huì)發(fā)生漏漿,若發(fā)現(xiàn)泥漿面下降較大時(shí)應(yīng)馬上提鉆,采取以下措施:①遇較小溶洞漏漿,及時(shí)填入優(yōu)質(zhì)粘土后補(bǔ)充泥漿至空口以小沖程沖孔即可堵漏。如ZK6、ZK19樁就以此法處理順利成孔。②遇較大溶洞可采用袋裝粘土及片石(加適量3-5cm碎石)混合物,充填超過溶洞頂面3-5m然后用沖擊錘邊填變充實(shí),如漏漿太快散填困難時(shí),可采用集中拋填即將粘土裝袋,水泥整包、片石集中裝袋,在較短時(shí)間內(nèi)大量拋填以小沖程沖擊使其擠入裂隙溶洞內(nèi),如此反復(fù)操作成孔。如ZK9樁沖至36m深時(shí)漏漿,泥漿液面下降9m,立即在孔內(nèi)填泥5m3、填石3 m3、裝袋水泥12包后繼續(xù)沖孔,堵塞洞穴,形成堅(jiān)實(shí)孔壁。③遇反復(fù)漏漿大溶洞,在采?、诖胧┖笕月{,可采用灌注標(biāo)號(hào)C15砼方法。如ZK33樁孔當(dāng)沖至39 m 時(shí),泥漿面急速下降12 m ,在填充粘土及片石后仍有漏漿現(xiàn)象,立即調(diào)整施工方案采用C15砼直接灌注至孔底直至溶洞頂面標(biāo)高以上3m ,液面趨于穩(wěn)定不漏漿,5d后當(dāng)砼強(qiáng)度接近設(shè)計(jì)強(qiáng)度后用小沖程沖擊成孔。④對(duì)大溶洞(洞體高度達(dá)5m以上),也可采用下同樁徑大的鋼護(hù)筒從上至下接至洞底,但因下鋼護(hù)筒的方法成本較高,故本工程未予采用而優(yōu)先采用充填法施工。

2.坍孔

2.1原因分析

護(hù)筒周圍未用粘土填封密實(shí)而漏水或護(hù)筒埋置太淺。從地質(zhì)勘察報(bào)告提供的地質(zhì)條件看第②、③粘土層大部分為可塑狀態(tài),沖孔過程孔內(nèi)因泥漿質(zhì)量較差時(shí),容量發(fā)生坍孔現(xiàn)象。沖孔過程中沖錘擊穿無填充或半填充溶洞頂板時(shí)發(fā)生漏漿,孔內(nèi)泥漿面急驟下降,孔壁失去孔內(nèi)壓力;或溶洞竄通性較強(qiáng)時(shí),常因孔內(nèi)泥漿突然流失較多而又來不及補(bǔ)漿,導(dǎo)致孔內(nèi)泥漿面低于孔外水位,外部地下水滲透壓力過高而產(chǎn)生側(cè)壓力,引起孔壁坍塌。

2.2處理措施

護(hù)筒周圍應(yīng)用粘土填封密實(shí),護(hù)筒口必須高出地面至少50cm以上,使孔內(nèi)水位始終高于孔外水位或地面,使孔內(nèi)水壓力增加,這樣可以保護(hù)孔壁不塌。

在易坍塌地層沖孔時(shí)應(yīng)控制進(jìn)尺深度,制備相對(duì)密度為1.2-1.5,黏度(pa.s)為9-28的優(yōu)質(zhì)泥漿,或投入粘土摻片石低錘沖擊,使粘土塊、片石擠入孔壁擠壓密實(shí)成孔。如樁ZK23在穿越粘土層發(fā)生局部坍塌即以上述方法施工成孔。當(dāng)擊穿溶洞頂板,發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)泥漿面快速下降,應(yīng)立即提升錘頭迅速往孔內(nèi)填充片石及優(yōu)質(zhì)粘土回填至溶洞上方3m到5m,然后以小沖程反復(fù)沖擊,直至穿越溶洞成孔。如ZK52在沖孔至39 m時(shí),排出的泥漿不斷出現(xiàn)氣泡,護(hù)筒內(nèi)泥漿面突然下降6 m,該現(xiàn)象為坍孔先兆,于是迅速提升錘頭后填入粘土及片石按小沖程反復(fù)沖進(jìn)成孔。

3.偏孔

3.1原因分析

因巖面傾斜度較大,巖頂硬度不均勻,巖面凹凸不平,或溶洞頂板厚度不均勻形成偏孔。

3.2處理措施

司鉆人員要認(rèn)真觀察鉆機(jī)主繩,如發(fā)現(xiàn)主繩擺動(dòng)大,鉆進(jìn)困難,應(yīng)立即提升鉆頭,對(duì)照實(shí)際情況分類處理:

⑴基巖面傾角不大的可采用拋填片石及粘土至偏孔處上方50-70cm后沖孔,一般情況下拋填一次即可糾偏。

⑵基巖面傾角較大的,巖質(zhì)硬度不均勻,巖面凹凸不平的,可采用多次投入片石、粘土,片石回填高度不小于1m,然后再回填0.5m厚粘土,采用小沖程沖擊,沖過不平巖面,進(jìn)入均勻巖層后再采用高沖程沖擊。同時(shí)要加大泥漿比重,如樁孔ZK49在沖至巖層后偏孔30cm,第一次填石1.5m糾偏后仍偏20cm。第二次填石1.5m后沖孔,孔位才調(diào)整到正常位置。

⑶對(duì)巖面傾角特大的,采用措施②糾偏效果不佳的,可采用澆灌C20水下早強(qiáng)砼,3d后待強(qiáng)度接近設(shè)計(jì)強(qiáng)度后繼續(xù)沖孔,糾偏效果較好。如ZK56樁,采用措施②填石三次仍未能糾偏,后采用C20水下早強(qiáng)砼灌澆至偏孔處上方1m。3d后繼續(xù)沖孔,孔位調(diào)整至正常位置。

⑷對(duì)于溶洞頂板厚度不均勻,當(dāng)巖層較薄弱位置被擊穿,鉆頭沖進(jìn)溶洞時(shí),較厚部位會(huì)形成探頭石或臺(tái)階,溶洞側(cè)壁巖石凹凸不平,沖擊時(shí)易發(fā)生偏孔,應(yīng)及時(shí)拋填較厚片石高于偏孔處1.0-2.0 m,然后用小沖程反復(fù)沖擊,直至充填物擠入溶洞內(nèi),待鉆頭平穩(wěn)后加大沖程造孔。

4.卡鉆

4.1原因分析

遇到巖面有較大斜面或有石芽時(shí),沖孔時(shí)容易出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象;遇大溶洞(洞高大于1.5 m)特別是溶洞內(nèi)充填情況為未充填或半充填,沖錘鉆穿溶洞頂板因鋼絲繩回彈,或錘頭本身搖擺改變了鉆頭十字型方向而卡鉆;當(dāng)溶洞內(nèi)有突出的石筍卡在錘的側(cè)面凹溝內(nèi)而卡鉆等。

4.2處理措施

司鉆人員應(yīng)對(duì)照地質(zhì)鉆探資料,認(rèn)真觀察鉆機(jī)負(fù)荷及主繩擺動(dòng)情況,當(dāng)發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)速度明顯下降,且鋼絲繩擺動(dòng)較大時(shí)應(yīng)及時(shí)提起鉆頭,進(jìn)行拋填處理。當(dāng)鉆至巖面斜面或有石芽處,向孔內(nèi)填入硬質(zhì)片石及粘土,充填高度1.0-1.5 m,然后用小沖程沖擊密實(shí)。在距巖洞頂板以上0.4-0.6 m處改變鉆孔沖程和沖擊次數(shù)采用小沖程進(jìn)行抵打緊擊,并加大泥漿比重,用小沖程進(jìn)尺,慢慢將溶洞頂板擊穿,向溶洞填入片石及粘土(2:1)混合物高出溶洞頂板1 m-1.5 m,然后低錘密擊,反復(fù)充填沖擊至溶洞充填密實(shí)直至達(dá)到人工造孔目的。如有卡錘,不可強(qiáng)提主繩,應(yīng)及時(shí)測量鉆頭被卡標(biāo)高分析原因采用以下相應(yīng)對(duì)策:①慢試法:將主繩一收一放,反復(fù)進(jìn)行鉆頭旋轉(zhuǎn)而提出。②反彈法:可用小沖擊錘沖打鉆頭邊上部,造成反彈力,同時(shí)吊車配合鉆機(jī)慢速拔起。③水下松動(dòng)爆破法:將乳化防水炸藥捆成兩捆,藥量視地質(zhì)情況確定,根據(jù)卡鉆類別將炸藥豎放或水平放置,然后用電雷管起炸松動(dòng)后提升錘頭。如ZK36在孔下40 m處卡鉆而以爆破法成功取鉆。

五、樁基質(zhì)量檢測

本樁基工程經(jīng)福建省建設(shè)工程物探試驗(yàn)檢測中心檢測結(jié)果:超聲波法檢測60根樁中,一類樁48根,占80 %;二類樁12根,占20%,從超聲波法檢測結(jié)果中的二類樁選10根樁進(jìn)行鉆芯法檢測,一類樁3根,占30%,二類樁7根,占70%,樁身砼芯樣抗壓強(qiáng)度代表值均滿足設(shè)計(jì)要求。另外2根超聲波法檢測結(jié)果中的二類樁進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果單樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值滿足設(shè)計(jì)要求。

六、結(jié)束語

巖溶地區(qū)由于地質(zhì)條件較復(fù)雜,巖溶較發(fā)育,因而對(duì)沖孔樁施工的質(zhì)量及安全會(huì)產(chǎn)生較大影響。本工程處理溶洞樁基19根樁,實(shí)踐證明,現(xiàn)場施工過程中詳細(xì)分析現(xiàn)場地質(zhì)情況,針對(duì)施工中常發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題,事先制定預(yù)控措施,并嚴(yán)格按規(guī)范和設(shè)計(jì)要求認(rèn)真組織施工,加大現(xiàn)場管理力度,施工質(zhì)量完全可以得到保證。