花崗巖地區(qū)某項(xiàng)目沖孔灌注樁質(zhì)量事故分析與處置及生態(tài)保護(hù)作用

許巖劍， 熊 恩， 萬(wàn) 強(qiáng)

(1.江西省勘察設(shè)計(jì)研究院 廈門分院，江西 南昌330000;2.南華大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001)

大跨度場(chǎng)館建筑、高層建筑等具有較大水平荷載的建筑物，基礎(chǔ)類型有時(shí)選擇沖(鉆)孔灌注樁.其具有樁長(zhǎng)、樁徑不受限制，不需接樁、水平承載力大于預(yù)制管樁的優(yōu)點(diǎn)，但易發(fā)生質(zhì)量事故. 該文詳細(xì)介紹廈門市某重點(diǎn)工程沖孔灌注樁質(zhì)量事故分析及處理過(guò)程，給類似質(zhì)量事故處理提供參考.

1 工程概況

廈門市某重點(diǎn)工程，主場(chǎng)館為1 橢圓形建筑，高度15 m，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，對(duì)差異沉降敏感，最大單柱荷載3 000 kN.擬建物承受較大水平荷載，基礎(chǔ)需提供較大的水平承載力.在中軸環(huán)線基礎(chǔ)類型為沖孔灌注樁，其余地段為預(yù)制管樁.在樁基施工完成后，樁身小應(yīng)變動(dòng)測(cè)成果顯示，所有灌注樁樁身質(zhì)量合格，不存在縮頸、斷樁現(xiàn)象，樁身質(zhì)量為Ⅱ類.但在進(jìn)行載荷試驗(yàn)時(shí)，所有試驗(yàn)樁均不合格，與設(shè)計(jì)值相差甚遠(yuǎn).與此同時(shí)，分布在灌注樁四周的預(yù)制管樁樁長(zhǎng)控制與勘察資料基本吻合，檢測(cè)全部合格.項(xiàng)目工期非常緊張.

2 工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地原始地貌類型為殘坡積地貌單元和沖洪積地貌單元交接部位，后因建設(shè)需要進(jìn)行了回填整平處理.場(chǎng)地內(nèi)的巖土層從上至下:

2.1 素填土①

褐紅色、褐黃色，松散～稍密狀，未經(jīng)專門性壓實(shí)處理，具一定濕陷性. 成份主要為粘性土，局部含碎石10 ～15%，粒徑2 ～5 cm 不等. 厚度0. 40 ～7.20 m，平均厚度2.49 m.回填時(shí)間約5年，尚未完成自重固結(jié).工程性能差，密實(shí)度及均勻性差.

2.2 粉質(zhì)粘土②

灰黃色為主，可塑狀. 成分以粉、粘粒為主，含少量中砂，干強(qiáng)度中等，韌性中等，切面光滑，無(wú)搖振反應(yīng)，具中等壓縮性. 該層揭露于沖洪積地貌單元鉆孔所在地段，層厚1. 10 ～4. 30 m，平均厚度2.69 m，層頂埋深0.50 ～5.20 m，層頂標(biāo)高5.60 ～12.51 m.

2.3 粉質(zhì)粘土③

褐紅色、紫色、褐黃色，可塑～硬塑狀. 成分以粉、粘粒為主，含石英顆粒5 ～10%，切面光滑，粘性及韌性中等，干強(qiáng)度中等，無(wú)搖振反應(yīng). 該層揭露于殘坡積地貌單元中，層厚0.60 ～5.50 m，平均厚度2.79 m，層頂埋深0.40 ～7.20 m，層頂標(biāo)高5.84 ～12.64 m.

2.4 殘積砂質(zhì)粘性土④(Qel)

紫色、褐黃、灰白色，上部以可塑狀為主，下部多呈硬塑狀.該層為場(chǎng)地中粗?；◢弾r風(fēng)化成土并殘留原地的產(chǎn)物，原巖結(jié)構(gòu)可辨，主要由長(zhǎng)石等風(fēng)化形成的次生粘土礦物及石英顆粒組成，大于2 mm顆粒一般占10.3 ～17.3%，粘性及韌性中等，干強(qiáng)度中等，無(wú)搖振反應(yīng)，切面稍有光澤. 該層全場(chǎng)分布，厚度3.20 ～15.80 m，平均厚度10.18 m，層頂埋深0.60 ～9.60 m，層頂標(biāo)高3.44 ～12.58 m.該層屬中等壓縮性土，天然狀態(tài)下工程性能中等，但該層屬特殊性土，具浸水易軟化、強(qiáng)度降低的特性.

2.5 全風(fēng)化花崗巖⑤

呈褐黃、灰白色，堅(jiān)硬土狀，原巖結(jié)構(gòu)較清晰.巖石礦物組織結(jié)構(gòu)已基本破壞，絕大部分長(zhǎng)石等易風(fēng)化礦物已風(fēng)化成次生粘土礦物. 巖石堅(jiān)硬程度屬極軟巖，巖體完整程度屬極破碎，巖石基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí).該層全場(chǎng)分布，厚度2.15 ～11.1 m，平均6.85 m，層頂埋深8.00 ～17.80 m，層頂標(biāo)高－7.50～3.56 m.該層屬中-低壓縮性土，天然狀態(tài)下工程性能中等，但該層屬特殊性土，具浸水易軟化、強(qiáng)度降低的特性.

2.6 砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖⑥

灰黃～灰白色，散體狀. 成分以長(zhǎng)石、石英、云母為主，其中長(zhǎng)石大部分高嶺土化，巖石強(qiáng)烈風(fēng)化，巖芯呈砂礫狀，原巖結(jié)構(gòu)清晰. 巖體堅(jiān)硬程度為極軟巖，巖體完整程度為極破碎，RQD=0，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類. 該層全場(chǎng)揭露，揭露厚度10.65 ～20.8 m，層頂埋深14. 10 ～26. 90 m，層頂標(biāo)高－15.88 ～－2.24 m.該層工程性能良好.但該層屬特殊性土，具浸水易軟化、強(qiáng)度降低的特性.

3 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地地下水主要有賦存運(yùn)移于素填土①層孔隙中(沖洪積地貌單元隔水層粉質(zhì)粘土②層之上為上層滯水)、③～⑥層孔隙、網(wǎng)狀裂隙中的潛水(沖洪積地貌單元隔水層粉質(zhì)粘土②層之下具承壓性質(zhì)).素填土①層其滲透性隨密實(shí)度及堆填料的不同呈明顯的不均勻性，但總體屬弱透水層，水量不大，受季節(jié)影響明顯;粉質(zhì)粘土②層屬微透水層或相對(duì)隔水層;③～⑥層呈漸變過(guò)渡關(guān)系，其間無(wú)明顯的物理界限，透水性具自上向下增強(qiáng)的趨勢(shì)，但總體均屬弱透水層，水量不大;地下水主要接受地下側(cè)向徑流補(bǔ)給，以及大氣降雨下滲補(bǔ)給，通過(guò)蒸發(fā)及自南向北逕流排泄.

不同地貌單元，地下水的動(dòng)態(tài)有一定差異. 在殘坡積地貌單元，地下水主要受大氣降水及相臨含水層側(cè)向滲透補(bǔ)給，向地勢(shì)較低的沖洪積地貌單元排泄. 沖洪積地貌單元地下水主要受大氣降水及相臨含水層側(cè)向滲透補(bǔ)給，大致由北西向南東排泄.

勘察期間屬豐水期，測(cè)得場(chǎng)地初見(jiàn)水位埋深0.80 ～3.80 m，水位標(biāo)高7.76 ～11.98 m.測(cè)得場(chǎng)地地下水混合穩(wěn)定水位埋深2.90 ～6.00 m，水位標(biāo)高為6.67 ～9.15 m. 場(chǎng)地承壓水位埋深3.10 ～5.50 m，水位標(biāo)高7.28 ～7.48 m.根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料及場(chǎng)地地形、地貌特征，預(yù)計(jì)該場(chǎng)地范圍內(nèi)全年地下水位變化幅度2 ～3 m. 根據(jù)場(chǎng)地地形地貌特征、地區(qū)氣候特點(diǎn)及場(chǎng)區(qū)規(guī)劃，考慮到場(chǎng)地整平后地，地下水動(dòng)態(tài)會(huì)有較大變化，場(chǎng)地最高設(shè)計(jì)水位按室外地坪設(shè)計(jì)標(biāo)高以下0.5 m 考慮.

4 樁基設(shè)計(jì)及施工情況

擬建物基礎(chǔ)采用沖孔灌注樁和預(yù)制管樁. 沖孔灌注樁分布的中軸環(huán)線位置，樁徑為φ800 mm，樁長(zhǎng)22 ～28 m，單樁設(shè)計(jì)豎向抗壓承載力特征值為2 600 kN，水平承載力特征值為90 kN，以砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖⑥層為樁端持力層. 灌注樁屬端承摩擦樁，端阻力約占豎向承載力設(shè)計(jì)值的1/4，施工工藝為沖孔，采用泥漿護(hù)壁處理. 樁長(zhǎng)主要按勘察資料及現(xiàn)場(chǎng)巖芯鑒定控制，每根樁均進(jìn)行成孔驗(yàn)收，相關(guān)記錄完善，于2014年9月完成.

其余地段采用預(yù)制管樁，樁徑為φ500 mm，樁長(zhǎng)18 ～25 m，單樁設(shè)計(jì)豎向抗壓承載力特征值為2 200 kN，以砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖⑥層為樁端持力層.預(yù)制管樁采用靜壓樁基施工，沉樁加載值為設(shè)計(jì)特征值的2.1 倍，整個(gè)施工過(guò)程順利，樁長(zhǎng)控制與勘察資料基本吻合，于2014年10月完成沉樁.巖土設(shè)計(jì)參數(shù)如表1.

表1 巖土設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Geotechnical design parameters

5 樁基檢測(cè)情況

施工完畢后，檢測(cè)單位對(duì)灌注樁及預(yù)制樁進(jìn)行小應(yīng)變及載荷試驗(yàn)檢測(cè). 經(jīng)檢測(cè)，預(yù)制樁的樁身完整性及載荷試驗(yàn)全部合格，灌注樁樁身完整性檢測(cè)及水平向載荷試驗(yàn)合格，但豎向抗壓載荷試驗(yàn)不合格.在按樁基檢測(cè)規(guī)范加大檢測(cè)數(shù)量后，灌注樁豎向抗壓載荷試驗(yàn)均不合格.

灌注樁豎向抗壓載荷試驗(yàn)表現(xiàn)出:①載荷試驗(yàn)均不合格，且與單樁承載力設(shè)計(jì)值相差較大，豎向加載值最大僅達(dá)3 120 kN;②單樁豎向抗壓極限承載力變異性很大，無(wú)規(guī)律性;③部分樁基在載荷值不大時(shí)，出現(xiàn)沉降量達(dá)500 mm 的情況，且未穩(wěn)定，導(dǎo)致試驗(yàn)終止.灌注樁代表性豎向抗壓載荷試驗(yàn)成果圖如圖1、圖2，其荷載—沉降曲線上出現(xiàn)陡降段，樁頂總沉降量超過(guò)40 mm，荷載試驗(yàn)終止［1］.

圖1 載荷試驗(yàn)成果Fig.1 The load test results

圖2 載荷試驗(yàn)成果Fig.2 The load test results

6 事故原因分析

出現(xiàn)問(wèn)題后，建設(shè)單位組織施工單位、設(shè)計(jì)單位、勘察單位及檢測(cè)單位進(jìn)行質(zhì)量事故分析. 各參建單位對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行了調(diào)查，并對(duì)成樁記錄文件進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯問(wèn)題. 施工單位提出沉降量如此大，應(yīng)是樁端持力層問(wèn)題，地質(zhì)勘察資料不準(zhǔn)確，持力層未到強(qiáng)風(fēng)化巖導(dǎo)致的.

業(yè)主單位要求進(jìn)行持力層復(fù)核. 各單位商定，檢測(cè)單位對(duì)樁基抽芯檢測(cè)到樁底后，進(jìn)行原位測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn). 經(jīng)試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)呈現(xiàn)出第一陣擊較小，第二陣擊較大，第三陣擊最大，三次擊數(shù)合計(jì)大于50 擊的規(guī)律，有代表性的三組為:11、18、25;14、22、26;12、18、27.

各參建單位根據(jù)上述情況分析，樁端位置由于地層受擾動(dòng)及泡水軟化的影響，地質(zhì)變軟，但下部力學(xué)強(qiáng)度較高. 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果，三陣擊數(shù)合計(jì)大于50，每陣擊進(jìn)尺10 cm，地層為強(qiáng)風(fēng)化巖［2］，勘察資料基本準(zhǔn)確，但持力層泡水軟化現(xiàn)象明顯.此外，根據(jù)分布在灌注樁附近的預(yù)制管樁沉樁情況，預(yù)制樁樁端持力層與灌注樁樁端持力層均為砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化巖⑥，兩種樁基樁長(zhǎng)基本一致，而預(yù)制樁載荷試驗(yàn)全部合格. 綜合分析，樁端持力層屬?gòu)?qiáng)風(fēng)化巖無(wú)疑.

項(xiàng)目灌注樁屬端承摩擦樁，端阻力約站豎向承載力設(shè)計(jì)值的1/4. 巖土體對(duì)樁身提供的阻力應(yīng)是側(cè)摩阻力先從上至下優(yōu)先發(fā)揮，再發(fā)揮端阻力，即使端阻力不計(jì)，載荷試驗(yàn)值應(yīng)至少達(dá)到3 600 kN，故主要問(wèn)題應(yīng)是側(cè)阻力未正常發(fā)揮作用導(dǎo)致的.

樁側(cè)地層上部為少量填土層，填土之下為粉質(zhì)粘土層，再其下為花崗巖風(fēng)化層. 樁長(zhǎng)大部分位于風(fēng)化層中，摩阻力未有效發(fā)揮作用，分析其原因:①主要是樁周泥皮過(guò)厚;②其次是花崗巖風(fēng)化層具有泡水軟化、崩解的作用，樁側(cè)地層出現(xiàn)軟化.

7 處理措施

各參建單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況提出了3 種處理方案，第一種方案為在樁側(cè)及樁底進(jìn)行高壓注漿，第二種方案為對(duì)樁基進(jìn)行復(fù)壓方案，第三種方案為補(bǔ)打灌注樁方案.但經(jīng)分析，均存在缺點(diǎn).

7.1 樁側(cè)及樁底進(jìn)行高壓注漿

方案原理是在樁周及樁底通過(guò)注漿管高壓注射水泥漿，對(duì)松軟地層進(jìn)行擠密、固結(jié)［3］，從而提高樁基承載力. 注漿處理是一種常見(jiàn)方案，但項(xiàng)目由于未預(yù)先埋置注漿管，需鉆機(jī)在樁邊成孔，再注漿.此方案存在的缺點(diǎn)是灌注樁樁身垂直度參差不齊，且樁徑較小，注漿孔難以保證緊靠樁壁，也難以準(zhǔn)確到達(dá)樁底位置.同時(shí)由于樁基承載力與設(shè)計(jì)值相差較大，注漿方案難以確保成功. 此外，注漿處理后的各樁基承載力變異性大，需加大檢測(cè)量. 當(dāng)方案不成功時(shí)，影響工期.

7.2 樁基進(jìn)行復(fù)壓

對(duì)現(xiàn)有灌注樁采用靜力壓樁機(jī)以設(shè)計(jì)載荷值的2.1 倍進(jìn)行復(fù)壓，以載荷值及沉降為控制標(biāo)準(zhǔn).此方案的缺點(diǎn)是:①根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，由于目前樁身側(cè)阻力很小，樁基能承受的荷載值很小，在2.1 倍設(shè)計(jì)荷載的壓力下，樁基向下沉降，側(cè)阻力遭到進(jìn)一步破壞，樁周土體呈現(xiàn)殘余強(qiáng)度，側(cè)阻力下降，而樁端阻力有限，從而導(dǎo)致樁基可能出現(xiàn)刺入破壞［4］，大幅度下沉，有的可能出現(xiàn)2 ～3 m 的沉降量，需考慮接樁的問(wèn)題. 為此，還需開挖基坑;②由于灌注樁側(cè)壁呈現(xiàn)不規(guī)則凸起狀，在復(fù)壓的過(guò)程中，凸起部分將被剪切破壞，從而對(duì)樁身造成破壞，影響樁身質(zhì)量;③復(fù)壓前需要對(duì)灌注樁樁頭進(jìn)行處理，工序麻煩.

7.3 補(bǔ)打灌注樁

既在現(xiàn)有樁基的基礎(chǔ)上補(bǔ)打樁基，加大承臺(tái).此方案的缺點(diǎn)是:①補(bǔ)打灌注樁，同樣成樁質(zhì)量難以保證;②由于載荷試驗(yàn)結(jié)果大小不一，變異性大，現(xiàn)有樁基承載力難以確定，從而變更設(shè)計(jì)難以進(jìn)行;③需加大承臺(tái);④工程造價(jià)高.

由于各方案均存在缺點(diǎn)，業(yè)主單位于是提議由市土木協(xié)會(huì)組織專家論證，以確定最優(yōu)化方案. 專家組在詳細(xì)查閱資料、詢問(wèn)情況后，提出了既需100%解決質(zhì)量問(wèn)題，又需滿足規(guī)范要求的指導(dǎo)方針.經(jīng)充分討論，專家組否定了上述三種方案，同時(shí)提出了補(bǔ)打預(yù)制樁的方案. 方案原理為:①豎向荷載由預(yù)制管樁全部承擔(dān)，灌注樁豎向承載力作為安全儲(chǔ)備;②水平向荷載由灌注樁和預(yù)制樁共同承擔(dān).同時(shí)灌注樁和預(yù)制樁單樁水平承載力特征值以地面處水平位移6 mm 控制［5］，從而起到變形協(xié)調(diào)共同受力的作用;③樁基布置時(shí)，樁基間距不需考慮既有灌注樁;④加大承臺(tái)尺寸.

補(bǔ)打預(yù)制樁的方案既保證了質(zhì)量，又具有經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)工期有保證，各參建單位均同意該方案.

8 結(jié) 論

花崗巖風(fēng)化層殘積土、全風(fēng)化巖及強(qiáng)風(fēng)化巖在自然狀態(tài)下工程性能較高，具有中等～較高強(qiáng)度，但具有遇水崩解、軟化、工程性能降低的特性. 此外，施工控制不到位時(shí)易發(fā)生泥皮過(guò)厚的問(wèn)題. 花崗巖地區(qū)沖孔灌注樁作為常用樁基類型，易發(fā)生質(zhì)量事故，往往造成承載力與設(shè)計(jì)值相差甚遠(yuǎn)的情況.采用沖孔灌注樁時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)過(guò)程管理，控制泥漿濃度、加強(qiáng)清孔，聘請(qǐng)施工經(jīng)驗(yàn)豐富的施工隊(duì)伍. 必要時(shí)可預(yù)先在樁側(cè)及樁端埋設(shè)后注漿管，對(duì)地基土進(jìn)行固結(jié)及擠密.

常規(guī)的處理手段有高壓后注漿、復(fù)壓、補(bǔ)打灌注樁等，但都存在缺點(diǎn)和不確定性. 工程通過(guò)補(bǔ)打預(yù)制管樁的處理方案，確保了工程質(zhì)量，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，工期可控，這一處理方法對(duì)類似問(wèn)題的處理具有參考價(jià)值.

沖孔灌注樁排放的大量泥漿將對(duì)環(huán)境造成污染，施工噪音對(duì)周邊居民影響較大. 注漿方案亦將對(duì)地下水形成污染. 該次質(zhì)量事故采取補(bǔ)打預(yù)制管樁的處理方案，較好的處理了質(zhì)量事故，同時(shí)，預(yù)制管樁系工廠內(nèi)預(yù)制，可有效避免泥漿排放及污染地下水，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，避免了污染. 工程施工應(yīng)加強(qiáng)對(duì)花崗巖風(fēng)化層殘積土、全風(fēng)化巖及強(qiáng)風(fēng)化巖地區(qū)的生態(tài)保護(hù)作用，避免環(huán)境污染.

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