貫入度在嵌巖樁入巖深度判定中的應(yīng)用

張德軍，盧世英，袁傳軍

(江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，江蘇 南京 211102)

0 引言

目前，高強(qiáng)度硬質(zhì)巖地區(qū)嵌巖樁作為常用的樁型被大多數(shù)工程采用(唐祖寧，2012)。從嵌巖樁承載性狀來看，樁頂荷載由樁端阻力承擔(dān)，樁側(cè)阻力小到可忽略不計(jì)(張雁等，2009)，通常要求樁端在持力層中有一定的入巖深度作為終孔條件，然而基巖在空間上風(fēng)化程度的差異往往變化較大，對(duì)于不同風(fēng)化程度的入巖判定尚無統(tǒng)一的固定標(biāo)準(zhǔn)，因地因人而異的現(xiàn)象較為普遍，使得樁基施工難度加大，嚴(yán)重滯后了施工進(jìn)度，因此急需一種合理可靠、簡(jiǎn)單易行的嵌巖深度的確定方法。結(jié)合安徽省馬鞍山市某高層建筑嵌巖樁入巖深度判定實(shí)例，對(duì)高強(qiáng)度硬質(zhì)巖中樁基入巖深度的判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析研究。

1 工程概況與地質(zhì)條件

工程建筑設(shè)計(jì)樓高203.80 m，上部結(jié)構(gòu)采用框架－剪力墻，地下室埋深14.6 m，基礎(chǔ)型式采用鉆孔灌注樁(嵌巖樁)，設(shè)計(jì)樁徑1 000 mm，要求樁端嵌入⑤層中風(fēng)化花崗巖0.60 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，縱向主筋為12φ18，HRB 335級(jí)鋼筋。

場(chǎng)區(qū)地貌屬長(zhǎng)江下游丘陵平原區(qū)，地勢(shì)東高西低，地面高程在10.0～13.0 m(1956黃海高程)。場(chǎng)地地層概況見圖1，各巖土層樁基設(shè)計(jì)參數(shù)見表1(張德軍等，2012)。

圖1 場(chǎng)地地層概況Fig.1 Overview of strata in the site

表1 各巖土層樁基設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Designed parameters of pile foundation for different strata

2 樁基施工中出現(xiàn)的難題

根據(jù)工程場(chǎng)地地質(zhì)條件可知，樁端持力層頂板埋深起伏較大，勘察時(shí)勘探間距結(jié)合柱網(wǎng)已加密，但該工程豎向抗壓樁總量達(dá)507根之多，如果逐樁布置勘探孔，無論從工期上還是經(jīng)濟(jì)上建設(shè)方都難以承受。

從設(shè)計(jì)角度，當(dāng)嵌巖達(dá)到一定深度后，繼續(xù)增加嵌巖深度，對(duì)樁的承載力的提高已不明顯(陳斌等，2002)。從施工角度，⑤層中風(fēng)化花崗巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)146 MPa，施工投入人力、物力均非常大，而且對(duì)工期影響明顯。嵌入深度不夠則影響成樁質(zhì)量，嵌入深度過多則無助于單樁承載力的提高，且施工困難拖延工期。因此，強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化巖面的判定是影響嵌巖樁嵌巖深度的主要因素。

制定樁基施工過程中統(tǒng)一的、合理可靠的、簡(jiǎn)單易行的嵌巖深度的確定方法，成為嵌巖樁施工的一大難題。

3 不同風(fēng)化程度巖石的判定標(biāo)準(zhǔn)

3.1 貫入度判別

為了解不同風(fēng)化程度巖石中的成樁情況，為后續(xù)樁基施工積累經(jīng)驗(yàn)，樁基施工前特地挑選代表性的4 處(Z16、Z22、B16、B33)位置進(jìn)行試樁(ZH1—ZH4)，對(duì)應(yīng)基樁位置均有勘探孔控制，并據(jù)勘探資料詳細(xì)劃分了土、巖界限深度和巖石不同風(fēng)化程度界限深度。

施工機(jī)械采用CZ－30型反循環(huán)沖擊鉆機(jī)，沖擊鉆重3 t，沖擊行程1 m，沖擊頻率40次/min。計(jì)算各時(shí)段巖石貫入度(m/h)，通過對(duì)施工過程中貫入度沿工程勘察剖面深度方向的變化(圖2)分析，巖石風(fēng)化程度界限深度處貫入度變化明顯。通過貫入度－深度曲線圖(圖3)分析，貫入度平均值達(dá)0.30 m/h時(shí)可以認(rèn)為已經(jīng)進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖，貫入度平均值達(dá)0.08 m/h時(shí)則可以認(rèn)為已經(jīng)進(jìn)入中風(fēng)化巖，以此作為樁基入巖深度的判定標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 工程勘察剖面圖與施工過程貫入度變化對(duì)比圖Fig.2 Engineering survey profiles and variation of penetration during construction

圖3 貫入度－深度曲線圖Fig.3 Diagram showing relationship between penetration and depth

3.2 現(xiàn)場(chǎng)取樣判別

3.2.1 強(qiáng)風(fēng)化巖層碴樣 強(qiáng)風(fēng)化碴樣顏色灰白不一，顏色暗淡，無光澤，表面多見黏土質(zhì)渲染現(xiàn)象，粒徑較大，不均勻，沖擊成孔過程中無被沖碎現(xiàn)象，由于強(qiáng)風(fēng)化巖中裂隙發(fā)育，在沖擊鉆進(jìn)過程中各種礦物沿節(jié)理面充分解離，無連生體，斷面多陳舊，有磨損、侵蝕痕跡，斷口呈鈍狀，局部有鐵錳質(zhì)浸染現(xiàn)象，石英及少量長(zhǎng)石顆粒得以保留原巖中(圖4)。

3.2.2 中風(fēng)化巖層碴樣 中風(fēng)化碴樣顏色發(fā)青，粒徑較小，均勻。由于中風(fēng)化巖石強(qiáng)度較強(qiáng)風(fēng)化巖高，裂隙稍發(fā)育，故碴樣中石英、長(zhǎng)石被沖擊破碎的現(xiàn)象明顯，斷面多較為新鮮，有油脂光澤，部分帶有明顯的鉆頭沖擊留下的痕跡，斷口較為鋒利(圖5)。

圖4 強(qiáng)風(fēng)化碴樣Strongly weathered slag specimen

圖5 中風(fēng)化碴樣oderately weathered slag specimen

4 單樁承載力驗(yàn)算與驗(yàn)證

按照上述樁基貫入度的入巖深度判定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)4根樁(ZH1—ZH4)進(jìn)行試成樁，并按室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單樁承載力驗(yàn)算，通過現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)來驗(yàn)證單樁承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求。

4.1 按室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果估算

按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)式5.3.9－1—5.3.9－3進(jìn)行估算。

式(1)中：Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值;qsik為樁周第i層土的極限側(cè)阻力(表2);li為各土層的厚度;u為樁身周長(zhǎng);frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;Ap為樁端面積;ζr為樁嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)，取0.68。

表2 單樁豎向極限承載力Quk估算Table 2 Estimation of vertical ultimate bearing capacity for single pile

4.2 按樁身承載力驗(yàn)算

單樁承載力估算值(表2)未考慮樁身材料強(qiáng)度、成樁工藝等因素，應(yīng)進(jìn)行樁身承載力驗(yàn)算，按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)式5.8.2－1進(jìn)行驗(yàn)算(表3)。

式(2)中：N為基樁軸向壓力設(shè)計(jì)值;ψc為基樁成樁工藝系數(shù)，取0.7;fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取19.1 N/mm2;Aps為樁身截面面積;f'y為縱向主筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取300 N/mm2;A's為縱向主筋截面面積。

表3 樁身承載力驗(yàn)算值NTable 3 Checking value of the pile bearing capacity

從表2與表3計(jì)算結(jié)果來看，在保證樁身強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)承載要求的前提下，單樁豎向極限承載力取二者之間的較小值Qu=22 650 kN。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，采用電動(dòng)油泵逐級(jí)加載，共分10級(jí)加載和5級(jí)卸載，卸載量為加載量的2倍。

荷載值通過壓力傳感器測(cè)量，沉降值通過對(duì)稱正向布置于樁頭的百分表測(cè)量，所有位移傳感器均用磁性表座固定于基準(zhǔn)梁上，基準(zhǔn)梁安裝在獨(dú)立的基準(zhǔn)樁上(常士驃等，2007)。

加載達(dá)到預(yù)期最大試驗(yàn)荷載22 650 kN時(shí)即終止(表4)，樁頂累計(jì)沉降量均小于40 mm，而且QS曲線平緩，無明顯陡降段，S－lgt曲線呈平緩規(guī)則排列，由此可判斷ZH1—ZH4樁的單樁豎向抗壓極限承載力Qu≥22 650 kN。

表4 現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總表Table 4 Results of site static load tests

從現(xiàn)場(chǎng)成樁過程和靜載試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果看，將貫入度0.30 m/h作為進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖、貫入度0.08 m/h作為進(jìn)入中風(fēng)化巖的入巖判定標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)樁基施工可行，樁基工程質(zhì)量能滿足設(shè)計(jì)承載力要求。

5 結(jié)論

(1)嵌巖樁成樁施工過程中應(yīng)及時(shí)采取碴樣，并根據(jù)觀察、分析碴樣礦物成分、粒度、粒徑大小、顏色、斷面情況等，結(jié)合已有的勘察資料初步判別巖石的風(fēng)化程度。

(2)入巖后及時(shí)、詳細(xì)記錄鉆進(jìn)過程中的異常情況，及時(shí)檢查鉆頭磨損情況，排除因鉆頭磨損等原因?qū)е逻M(jìn)尺緩慢或不進(jìn)尺等情況，并計(jì)算各時(shí)段不同貫入深度范圍內(nèi)巖石的貫入度。

(3)結(jié)合鄰近已有勘探資料，分析總結(jié)不同風(fēng)化程度巖石的貫入度隨深度的變化規(guī)律，制定統(tǒng)一的入巖判定標(biāo)準(zhǔn)。

(4)通過分析和研究，在高強(qiáng)度硬質(zhì)巖地區(qū)，貫入度0.30 m/h可作為強(qiáng)風(fēng)化巖的入巖標(biāo)準(zhǔn)，貫入度0.08 m/h可作為中風(fēng)化巖的入巖標(biāo)準(zhǔn)，以此作為嵌巖樁施工入巖深度的判定標(biāo)準(zhǔn)可以同時(shí)滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求和設(shè)計(jì)承載力要求。該工程所采用的反循環(huán)沖擊鉆成樁工藝(周曙春等，2011)具有一定的代表性，可以作為施工區(qū)類似樁基工程施工指導(dǎo)。

(5)由于貫入度與巖石性質(zhì)、強(qiáng)度、設(shè)備類型和樁基施工操作流程等多種因素有關(guān)，受條件限制，工程未進(jìn)行單樁的破壞性試驗(yàn)，但為類似工程提供了一套行之有效的施工控制方法，即首先針對(duì)特定位置試樁，分析總結(jié)貫入度隨深度的變化規(guī)律，制定入巖深度控制的統(tǒng)一判定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而按此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試成樁，通過理論驗(yàn)算和現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)檢驗(yàn)單樁承載力，滿足設(shè)計(jì)承載力要求后再加以推廣。

陳斌，卓家壽，吳天壽.2002.嵌巖樁承載性狀的有限元分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，24(1)：51－55.

常士驃，張?zhí)K民.2007.工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

JGJ 106—2003，建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.

JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.

唐祖寧.2012.高強(qiáng)度基巖上橋梁嵌巖樁嵌巖深度的確定方法［J］.中國(guó)市政工程，(4)：22－24.

張雁，劉金波.2009.樁基手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

周曙春，杜坤乾，謝軍.2011.正循環(huán)鉆進(jìn)、氣舉反循環(huán)清孔工藝施工應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，33(增刊2)：166－169.

張德軍，盧世英.2012.馬鞍山金鷹項(xiàng)目［R］.江蘇南京.江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院.