復(fù)雜地質(zhì)條件下嵌巖樁施工工藝研究

張 杰 陳新焱

(山西建筑工程集團(tuán)總公司，山西太原 030001)

隨著城市、港口、山區(qū)建設(shè)的發(fā)展，越來(lái)越多的樁基礎(chǔ)要在地下水位高、地質(zhì)條件復(fù)雜、土質(zhì)工程性質(zhì)極不均勻、巖石單軸抗壓強(qiáng)度極高的條件下進(jìn)行施工［1-3］。合適的施工工藝有助于提高工效，節(jié)省資源和成本，因此開(kāi)展復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工工藝研究為類(lèi)似地質(zhì)條件下的樁基礎(chǔ)施工積累經(jīng)驗(yàn)和提供參考具有重要價(jià)值［4-6］。本文以喀麥隆國(guó)家體育館樁基礎(chǔ)施工為背景，研究了長(zhǎng)螺旋配合潛孔錘成孔入巖，人工挖孔、機(jī)械入巖施工工藝。如何在成孔入巖時(shí)既能操作更容易、施工機(jī)械設(shè)備投入更少、效率更高又能使質(zhì)量有保證且滿足承載力和變形要求，顯得十分必要。

1 工程概況

中國(guó)援建喀麥隆國(guó)家體育館位于首都雅溫得市中心Wardr地區(qū)。具體位置為Wardr地區(qū)520大道的北部延長(zhǎng)線西南側(cè)，擬建場(chǎng)地兩面環(huán)山，地處溝谷，場(chǎng)地為一狹長(zhǎng)形場(chǎng)地。該建筑物占地面積38 712 m2，分主館和訓(xùn)練館，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，建筑樁基安全等級(jí)為一級(jí)，工程所在地區(qū)為低山地貌，絕對(duì)高度在700 m～1 000 m之間，水位在地表下0．8 m～2．4 m，地下水位高且水量豐富，地層中有孤石、廢舊的汽車(chē)金屬碎片、流砂，巖面標(biāo)高不一致，單軸抗壓強(qiáng)度為138 MPa～145 MPa，巖石極硬。樁基設(shè)計(jì)為嵌巖樁。

2 地質(zhì)條件場(chǎng)地

根據(jù)勘探孔揭露深度(18 m)，從地表往下依次為人工素填土層，第四紀(jì)殘積土層，片麻巖層。

2．1 工程場(chǎng)地地層分布

①層殘積土素填土:褐紅色，稍濕～很濕，松散～中密，厚度0．50 m～5．80 m。②層淤泥質(zhì)粘性土素填土:褐灰色，可塑～軟塑，松散～稍密，厚度0．70 m～5．30 m。③層粘性殘積土:黃綠色，厚度0．20 m～9．40 m。④層微風(fēng)化片麻巖:墨綠色，巖質(zhì)新鮮。本次鉆探未鉆穿該層。

2．2 地基土分析評(píng)價(jià)

①層殘積土素填土:松散～中密，土層物理力學(xué)性質(zhì)在水平方向變化較大，垂直方向略有變化，具有高～中壓縮性。②層淤泥質(zhì)粘性土素填土:結(jié)構(gòu)松散，物理力學(xué)性質(zhì)很差而不均勻縮模量很低，具有高壓縮性，為軟弱土層，不經(jīng)處理不宜作為地基持力層。③層粘性殘積土:為第四紀(jì)殘積土層，力學(xué)性質(zhì)較好，為微風(fēng)化—新鮮基巖，是良好樁基礎(chǔ)的樁端持力層。各地層界限比較明顯，成層性較好，但巖土層分布及厚度變化較大，地基土比較不均勻，整個(gè)場(chǎng)地屬于不均勻地基。

3 現(xiàn)場(chǎng)成孔試驗(yàn)

3．1 長(zhǎng)螺旋鉆配合潛孔錘成孔入巖

1)經(jīng)成孔試驗(yàn)(先成孔兩個(gè))，再由長(zhǎng)螺旋鉆鉆好孔提鉆后，孔內(nèi)隨即坍塌且塌孔嚴(yán)重，有2 m～3 m淤土，孔壁水流較快。經(jīng)分析原因有兩點(diǎn):a．場(chǎng)地自然靜止水位在地坪下1．5m處，孔內(nèi)土取出后，孔內(nèi)水在水頭差較大情況下，以很快的速度向孔內(nèi)流入，帶動(dòng)粉土、粉砂流入孔內(nèi);b．提鉆桿時(shí)，孔內(nèi)為真空，形成負(fù)壓，導(dǎo)致縮頸嚴(yán)重，針對(duì)此問(wèn)題，采用了水壓平衡法可以有效減少塌孔和淤泥。2)下護(hù)筒清渣后，即用潛孔錘入巖。由于高壓氣流和砂土震動(dòng)液化的影響，在孔下形成管涌。先用高壓空氣通過(guò)導(dǎo)管清除孔內(nèi)沉渣，雖然此方法能將孔內(nèi)原有沉渣吹出孔外，但由于孔內(nèi)水位下去后，孔外水又迅速向孔內(nèi)流動(dòng)形成對(duì)流砂的搬運(yùn)，重新補(bǔ)充了沉渣，如此往復(fù)循環(huán)，不僅沉渣厚度不減少，反使孔壁形成更大的空洞，這就是第一次試樁時(shí)，樁基承載力嚴(yán)重不夠和混凝土灌注嚴(yán)重超量的原因所在?，F(xiàn)場(chǎng)清除孔底沉渣的方法采用泥漿循環(huán)，此方法可以保持孔內(nèi)水位維持在一個(gè)高位，避免孔外水高于孔內(nèi)水而形成水頭差，造成流砂現(xiàn)象的發(fā)生。經(jīng)過(guò)對(duì)泥漿比重的反復(fù)調(diào)整，最后確定在泥漿比重為1∶1．15時(shí)可以有效清除孔底沉渣，用時(shí)一般為0．5 h～1 h。

第一階段試驗(yàn)的結(jié)論為:a．泥漿清渣效果明顯。b．螺旋鉆機(jī)成孔工藝流程為:螺旋鉆機(jī)成孔→提鉆注漿→下護(hù)筒裝載機(jī)壓護(hù)筒→潛孔錘壓護(hù)筒→接長(zhǎng)護(hù)筒→潛孔錘對(duì)中、找垂直→高壓空氣清孔底淤泥→接鉆桿→入巖→拆鉆桿→注泥漿(水)→安導(dǎo)管→清沉渣→提導(dǎo)管→放鋼筋籠→測(cè)沉渣→再安導(dǎo)管、料斗→澆灌混凝土→提護(hù)筒。c．工藝工序多且復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)工作條件極差，入巖過(guò)程的泥漿能?chē)姵龅孛?0 m之高，會(huì)造成雨天滿地水、晴天一地泥。螺旋鉆機(jī)、裝載機(jī)、潛孔錘、吊車(chē)幾臺(tái)大型設(shè)備圍著一個(gè)孔，如有一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障，就會(huì)造成整體癱瘓，工效極低。d．質(zhì)量難以保證。除混凝土澆筑過(guò)程容易造成質(zhì)量事故外，由于巖面傾斜的千變?nèi)f化，最小入巖深度1 m從技術(shù)上難以保證，為保證質(zhì)量，只能用加深入巖長(zhǎng)度的辦法，但又會(huì)造成材料和時(shí)間的浪費(fèi)。e．由于超灌混凝土的流向性、形狀不確定，當(dāng)施工至同承臺(tái)第3根甚至第4根樁時(shí)，會(huì)增加施工困難和對(duì)巖面判斷的困難。f．上覆土層的成孔是長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)成孔，遇到地下孤石、亂石、廢棄的汽車(chē)金屬碎片時(shí)很難鉆進(jìn)，工效極低，當(dāng)潛孔錘入巖鑿巖時(shí)，會(huì)使砂土液化，泥漿循環(huán)清孔時(shí)孔底沉渣連同流砂源源不斷地排出，其結(jié)果形成空穴，澆灌混凝土無(wú)法計(jì)算，所以此施工工藝不能適用于基巖上有砂層的成樁工藝。

3．2 人工挖孔機(jī)械入巖

根據(jù)第一階段的試驗(yàn)情況，特進(jìn)行第二階段的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。施工工藝將本工程樁基原來(lái)的機(jī)械成孔改為人工挖孔，機(jī)械入巖維持不變。樁數(shù)總量由原來(lái)的843根改為399根，樁徑由原來(lái)的600 mm變更為1 000 mm，入巖深度由原來(lái)的1 m變更為1．5 m。樁端持力層選擇四層微風(fēng)化片麻巖，樁頂嵌入承臺(tái)。

人工挖孔、機(jī)械入巖的主要工序?yàn)?人工挖孔→護(hù)壁鋼筋網(wǎng)綁扎→混凝土澆筑護(hù)壁→機(jī)械入巖成孔→樁身混凝土澆筑。人工挖孔時(shí)采取每?jī)蓚€(gè)人為一單位，共20個(gè)人，10組。挖深1m，即每根樁開(kāi)挖1 m后，轉(zhuǎn)入下一根樁?？讖讲捎冒紊覙叮岳谧o(hù)壁混凝土澆筑。拔梢樁示意圖如圖1所示。

圖1 拔梢樁示意圖

施工時(shí)會(huì)遇到三種問(wèn)題:1)場(chǎng)地地下水位高;2)巖面標(biāo)高不一致;3)巖石單軸抗壓強(qiáng)度高、巖石極硬。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，解決以上三種情況的方法是:

1)解決地下水對(duì)挖孔樁影響的處理辦法。地下水是深基礎(chǔ)施工中最常見(jiàn)的問(wèn)題，也使施工難度加大。含水層中的水在開(kāi)挖時(shí)其平衡狀態(tài)被破壞，針對(duì)此問(wèn)題，施工時(shí)選擇先沿基礎(chǔ)周圈方向打2排深層攪拌樁止水帷幕，相鄰兩根帷幕樁互相咬合，阻止帷幕范圍外的水流入和水壓及泥土壓力對(duì)成孔的影響。然后在基礎(chǔ)范圍內(nèi)在布置相應(yīng)數(shù)量的降水井(井底至巖層)，安放潛水泵，逐步降低地下水位。由于樁長(zhǎng)不一致，且降水井使用過(guò)程中會(huì)因周?chē)嗤恋臐B入和沉淀而不能滿足要求，又選用部分已完成入巖成孔的且深度較大的樁(暫且未灌入混凝土)作為降水井使用?？紤]場(chǎng)地泥濘使入巖機(jī)械(氣動(dòng)潛孔錘)移動(dòng)不便、氣動(dòng)潛孔錘移動(dòng)時(shí)對(duì)成孔的影響、下雨時(shí)的地面水滲透等各種因素，將基礎(chǔ)墊層提前施工，改在基樁開(kāi)挖前進(jìn)行，在基礎(chǔ)墊層上預(yù)留樁位孔，且厚度由100 mm加厚200 mm。

2)解決巖面標(biāo)高不一致對(duì)挖孔樁施工影響的處理辦法。由于該工程巖頂標(biāo)高起伏較大，即巖頂經(jīng)常為非水平面，且經(jīng)常與地勘報(bào)告上的標(biāo)高不一致，這就造成部分樁最下一節(jié)護(hù)壁不規(guī)則形狀，且部分樁長(zhǎng)較大的樁開(kāi)挖時(shí)水位較高，不易成孔。為此遇到部分難以成孔和澆筑護(hù)壁的樁時(shí)，按照采用將直徑為1 m，長(zhǎng)度大于剩余樁長(zhǎng)的鋼護(hù)筒用千斤頂壓入樁內(nèi)土中，壓一段，挖一段的方法，直至鋼護(hù)筒底部接觸巖面最高端，然后用鐵皮卷成半圓狀或使用護(hù)筒模板(每節(jié)4塊，用螺栓連接并緊固)中的一塊將堵漏劑和水泥混合物堵入護(hù)筒和巖頂未接觸的部位，防止周?chē)酀{涌入。若安裝套筒后流砂仍然上涌，則可采取突擊挖土后立即用混凝土封閉孔水泥漿、提高周?chē)暗撞客寥赖牟煌杆裕鉀Q泥漿底和孔壁，待混凝土終凝后將樁身部位的混凝土鑿除以形成樁孔?；蛘咴谝淹瓿苫炷磷o(hù)壁的最下端鉆孔，壓力注入涌入的問(wèn)題。

3)極硬巖入巖的處理方法。對(duì)于極硬巖入巖的理念沒(méi)有突破降低巖石的強(qiáng)度改善入巖機(jī)具，國(guó)內(nèi)外對(duì)于利用改變樁身形式的理念來(lái)達(dá)到入巖目的嵌巖樁幾乎沒(méi)有。本樁基施工就是通過(guò)在基巖中變截面來(lái)實(shí)現(xiàn)極硬巖的入巖，由于樁數(shù)的減少，樁徑也由600mm改為1 000mm，氣動(dòng)潛孔錘(錘徑508mm)鑿巖次數(shù)由原來(lái)的一次改為數(shù)次。計(jì)劃采用孔孔咬合的辦法。但施工中因巖石強(qiáng)度高，單樁抗壓強(qiáng)度可達(dá)145 MPa，巖面變化較大且不水平，故錘頭定位較難，總是朝巖面低的位置移動(dòng)，經(jīng)常有斜孔產(chǎn)生。故選擇氣動(dòng)潛孔錘(錘頭直徑550 mm)鑿眼后再由人工用風(fēng)鎬打眼進(jìn)行爆破，要求入巖深度1 m。爆破入巖示意圖如圖2所示。本步須待樁成孔至巖頂時(shí)才可進(jìn)行。首先潛孔錘定位后，在巖石上鑿出1個(gè)1 m深的孔后，再由人工在該孔中沿水平方向和高度方向用風(fēng)鎬鑿出幾排炮眼，然后用雷管炸藥進(jìn)行爆破，保證入巖深度和孔底直徑。爆破完成后的嵌巖樁示意圖如圖3所示。

圖2 爆破入巖示意圖

圖3 爆破完畢后的嵌巖樁

“變截面”入巖。“變截面”嵌巖樁的入巖技術(shù)為:潛孔錘入巖1 m改為1．5 m，爆破入巖1 m改為0．508 m，這樣就形成了基巖下0．5 m為樁徑1 m，基巖下0．5 m～1．5 m為樁徑0．508 m 的變截面嵌巖樁?！白兘孛妗睒渡砼浣顖D如圖4，圖5所示。

圖4 變截面樁身配筋圖

圖5 變截面樁身截面圖

4 嵌巖樁單樁水平、抗拔靜載試驗(yàn)

擬建工程場(chǎng)址處對(duì)采用人工挖孔、機(jī)械入巖施工工藝完成的三根基巖中“變截面”嵌巖樁進(jìn)行了水平靜載試驗(yàn)。單樁水平靜載試樁施工參數(shù)如表1所示。樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，鋼筋保護(hù)層厚度為70 cm。嵌入基巖混凝土保護(hù)層為30mm。設(shè)計(jì)要求為:單樁水平承載力設(shè)計(jì)值(樁頭水平變位6 mm):Rh=140 kN。

首先，將整個(gè)城市空間依據(jù)四叉樹(shù)的構(gòu)建原則進(jìn)行劃分，然后自頂而下、依次建立各級(jí)R+樹(shù)的空間索引。空間索引采納與否以及空間索引性能的優(yōu)劣直接影響場(chǎng)景調(diào)度的整體性能[9]。

表1 被測(cè)樁體施工情況一覽表

根據(jù)JGJ 106-2003建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范與J 256-2003，單樁水平靜載試驗(yàn)方法采用單向多循環(huán)加卸載法，單樁抗拔靜載試驗(yàn)方法采用慢速維持荷載法，測(cè)試結(jié)果為:

1)基巖中“變截面”嵌巖樁水平靜載測(cè)試結(jié)果:6號(hào)工程樁:加載至140 kN水平位移為0．22mm，加載至220 kN時(shí)水平位移為0．45 mm，該樁最大加荷至280 kN，相應(yīng)最大水平位移為1．22 mm。在各級(jí)荷載作用下，水平位移緩慢、勻速平緩下降，未出現(xiàn)任何破壞特征。327號(hào)工程樁:加荷至140 kN水平位移為0．33 mm，加荷至200 kN水平位移為0．80 mm，該樁最大加荷至280 kN，相應(yīng)最大水平位移為1．82mm。在各級(jí)荷載作用下，水平位移緩慢、勻速增加，曲線平緩下降，未出現(xiàn)任何破壞特征。71號(hào)工程樁:加荷至140 kN水平位移為0．74mm，加荷至200 kN水平位移為1．45mm，該樁最大加荷至280 kN，相應(yīng)最大水平位移為2．89 mm。在各級(jí)荷載作用下，水平位移緩慢、勻速增加，曲線平緩下降，未出現(xiàn)任何破壞特征。

2)基巖中“變截面”嵌巖樁抗拔靜載測(cè)試結(jié)果:單樁抗拔設(shè)計(jì)值為1 000 kN，在2006年4月25日水平試樁7號(hào)做完水平試驗(yàn)后，其最大試驗(yàn)荷載320 kN，最大水平位移1．77 mm，未對(duì)該樁造成破壞，在該樁放置了20 d后，又對(duì)該樁進(jìn)行了抗拔試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算整理，其檢測(cè)結(jié)果分析如下:該樁最大加荷至設(shè)計(jì)值1 000 kN時(shí)的2倍2 000 kN時(shí)，隨即終止加荷。從圖6中U—δ曲線分析:該樁的U—δ曲線為緩變形曲線，逐級(jí)加載至1 400 kN時(shí)，各級(jí)水平位移基本緩慢、勻速增加，曲線平緩上升(加荷至1 400 kN時(shí)其累計(jì)上拔量為0．59 mm;加荷至1 600 kN和1 800 kN時(shí)，其累計(jì)上拔量為1．80 mm，其樁頂上拔量為上一級(jí)荷載作用下的1．6倍＜5倍，未出現(xiàn)任何破壞特征)。

5 沉降觀測(cè)

采用人工挖孔機(jī)械入巖變截面嵌巖樁施工工藝完成的喀麥隆體育館，從2006年12月18日至2008年7月18日，歷時(shí)20個(gè)月對(duì)建筑5個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了沉降觀測(cè)，各觀測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量均未超過(guò)2 mm，各觀測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量圖如圖7所示。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)地下水位較高、土質(zhì)情況復(fù)雜、巖石單軸抗壓強(qiáng)度極大復(fù)雜地質(zhì)條件下的成孔入巖施工工藝進(jìn)行了研究，進(jìn)行了兩套施工工藝方案的現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)，一套是長(zhǎng)螺旋鉆配合潛孔錘成孔入巖，另一套是人工挖孔、機(jī)械入巖，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、承載力檢測(cè)以及沉降實(shí)測(cè)得出主要結(jié)論:

圖6 7號(hào)樁抗拔靜載試驗(yàn)U—δ曲線

圖7 各觀測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量

2)人工挖孔機(jī)械入巖施工工藝所使用的機(jī)械設(shè)備少，工序少，操作簡(jiǎn)便、工期易控制。

3)6號(hào)，327號(hào)，71號(hào)工程樁的水平靜載測(cè)試和7號(hào)工程樁的抗拔靜載試驗(yàn)結(jié)果表明第二套施工工藝下的嵌巖樁不僅工藝滿足施工要求而且質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

4)通過(guò)對(duì)已建成建筑物5個(gè)不同沉降觀測(cè)點(diǎn)的沉降曲線進(jìn)行分析，可以得出基巖下0．5 m為樁徑1 m，基巖下0．5 m～1．5 m為樁徑0．508 m的變截面嵌巖樁抗壓完全能夠滿足體育館建筑使用要求。

［1］張忠苗，宋仁乾，張功獎(jiǎng)，等．影響嵌巖樁主要因素的分析［A］．中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第九屆土力學(xué)及巖石工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］．2003．

［2］李式仁，陶 義，馬建文，等．長(zhǎng)螺旋鉆孔樁在巖石地基上的應(yīng)用［J］．工業(yè)建筑，2001，31(10):74-77．

［3］孫樹(shù)濱，杜俊和，徐燕魯．水上大口徑嵌巖樁施工［J］．港口工程，1998(2):47-50．

［4］顏建平．巖溶地區(qū)樁基施工淺析［J］．巖土工程界，2009，12(4):61-64．

［5］JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．

［6］羅琪先．樁基工程檢測(cè)手冊(cè)［M］．北京:人民交通出版社，2003．