巖溶發(fā)育區(qū)鉆孔灌注樁偏孔處治技術(shù)

奚光濤 劉向前 中交（長(zhǎng)沙）建設(shè)有限公司

1.引言

橋梁建設(shè)中，鉆孔灌注樁是復(fù)雜地質(zhì)條件下常用的承臺(tái)基礎(chǔ)形式，樁基位于巖溶發(fā)育區(qū)時(shí)，其施工過(guò)程極易出現(xiàn)偏孔、縮孔、卡錘、埋錘等現(xiàn)象，根據(jù)溶洞腔體大小及填充情況，其處理方法主要為回填法、灌注混凝土法、鋼護(hù)筒跟進(jìn)處理等。

其中以回填片石法最簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)，堆積片石巖體具有一定的承載特性，堆積巖體中間存在較多孔隙，表現(xiàn)為斷續(xù)和各向異性特征，其鑲嵌結(jié)構(gòu)在外部壓力下的承載特性不一，孔隙率對(duì)堆積巖體的受力破壞特性起著決定性作用。近年來(lái)也有研究[表明，在壓力作用下堆積巖體產(chǎn)生的側(cè)壓強(qiáng)度與片石強(qiáng)度、塊徑和級(jí)配之間有著密切關(guān)系，強(qiáng)度均勻和較好的級(jí)配能夠減小堆積側(cè)壓，改善填充效果。基于此，為探究片石強(qiáng)度及其塊徑對(duì)巖溶區(qū)鉆孔樁偏孔處理效果的影響，本文根據(jù)株洲北環(huán)大道新建工程為例展開研究，可為類似地質(zhì)條件下的工程施工提供參考。

2.工程概況及現(xiàn)狀

株洲市北環(huán)大道工程為城市高架橋梁，全長(zhǎng)2.2km，墩位較多沿線地形復(fù)雜巖溶發(fā)育較為強(qiáng)烈，樁基設(shè)計(jì)形式為嵌巖端承樁。樁徑為1m、1.2m、1.5m、2.0m、2.2m的樁基，樁長(zhǎng)在10～40m之間，樁端持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化礫巖、中風(fēng)化灰?guī)r，其中風(fēng)化灰?guī)r區(qū)巖溶發(fā)育。

先行施工的樁基Pz4-5-1樁徑1.5 m、Pm46-1樁徑2.2m，均為單柱四樁樁基，持力層均為中風(fēng)化灰?guī)r，在施工時(shí)均多次出現(xiàn)偏錘、漏漿現(xiàn)象，成孔時(shí)間長(zhǎng)。由于巖溶區(qū)樁基數(shù)量多，項(xiàng)目工期較緊，且施工作業(yè)面受限，為確保按期完工，需提高溶巖區(qū)樁基施工質(zhì)量及進(jìn)度。因此，必須對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

3.偏孔原因分析

3.1 發(fā)生偏孔處的地質(zhì)條件

根據(jù)勘測(cè)資料，巖溶發(fā)育區(qū)巖石類型為中風(fēng)化石灰?guī)r，塊狀結(jié)構(gòu)，巖體較硬，巖體傾斜，內(nèi)部存在裂隙，巖體較完整-較破碎，局部偶夾薄層碳質(zhì)灰?guī)r,溶洞埋深最淺4.2m，最深26.3m，高0.2m～21.1m不等，分布無(wú)規(guī)律，多數(shù)呈串珠狀，有溶溝、溶槽、巖溶裂隙，溶洞多為全填充和半填充結(jié)構(gòu)，充填物以粉質(zhì)粘土為主，濕-飽和，軟塑狀，夾有礫石，礫石一般2～15mm,最大者30mm左右。部分溶洞分布及結(jié)構(gòu)形狀，如圖1所示。

圖1 巖溶發(fā)育區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面

巖溶區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜導(dǎo)致樁基施工難度大，施工中常存在漏漿、塌孔、卡鉆、孔位偏移等問(wèn)題。一方面由于溶洞中的裂隙發(fā)育，相互連接，且溶洞空間較大，因此在鉆進(jìn)過(guò)程中容易發(fā)生泥漿泄漏，另一方面由于泥漿濃度不夠或泥漿不合格，樁孔壁不能形成有效固結(jié)的泥壁，泥漿容易從溶洞裂隙流失或被地下水稀釋而降低護(hù)壁效果，從而發(fā)生塌孔，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致樁基礎(chǔ)附近的地面塌陷?？孜黄顒t是由于溶洞引起的巖面起伏，孔底或半巖半土兩側(cè)巖體硬度不均，導(dǎo)致孔位偏差。

3.2 偏孔修正的影響因素

經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，巖溶發(fā)育區(qū)樁孔鉆進(jìn)存在的主要質(zhì)量問(wèn)題是垂直度不符合要求。從人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)方面分析產(chǎn)生偏錘的各個(gè)原因，得出10個(gè)末端因素，如圖2所示。

圖2 引起偏錘的基本因素

經(jīng)過(guò)調(diào)查，在正常施工鉆進(jìn)沖程（1～1.5m）下，成孔速度快但偏孔嚴(yán)重，而采用0.8m左右的小沖程，樁孔垂直度改善不理想，且成孔速度慢，需多次反復(fù)拋填，影響施工進(jìn)度。

地勘報(bào)告中樁孔基巖強(qiáng)度在90MPa以上，而進(jìn)場(chǎng)片石平均強(qiáng)度位于40～50 MPa 之間，片石塊徑在60～100cm之間，施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，與樁徑相比，片石塊徑過(guò)大，對(duì)偏錘修正作用不大，片石塊徑過(guò)小，錘擊時(shí)易碎，修孔效果不佳，片石強(qiáng)度和塊徑對(duì)偏孔的修正效果具有明顯影響。

由此分析可知，修正偏孔的主要影響因素為：對(duì)不同孔徑樁基采用相同規(guī)格的片石回填處理溶洞，適應(yīng)性不強(qiáng)；拋填的片石材料強(qiáng)度不足；錘擊沖程與成孔效率和成孔質(zhì)量不協(xié)調(diào)。

4.偏孔處理

4.1 回填片石法基本原理

鉆孔灌注樁施工中，鉆錘平面受力不均勻是發(fā)生偏孔的根本原因。常用回填片石法，為不均勻地質(zhì)層人為構(gòu)造出與基巖強(qiáng)度接近的鉆孔面，使沖擊錘均勻受力、順利成孔。

堆積片石在鉆錘加載初期，片石堆的內(nèi)部空隙較多，塊石在外力加載下極易發(fā)生滑移，整體承載力處于最弱的狀態(tài)，受力變形量大。同時(shí)，巖塊之間相互擠壓導(dǎo)致塊體破裂，鑲嵌結(jié)構(gòu)改變，而隨著鉆錘沖擊次數(shù)增加，巖體破碎程度增大，其內(nèi)部空隙逐漸被破裂塊石充填壓實(shí)，整體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，最后形成均質(zhì)結(jié)構(gòu)面，減小偏壓，達(dá)到修孔的目的。

4.2 偏孔處理試驗(yàn)方案

針對(duì)本工程的地質(zhì)條件，選擇了巖溶發(fā)育區(qū)中心地帶的樁基進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)樁號(hào)分別為P m4 6-3、Pm46-4、Pes10-1、Pz4-5-3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，制定了不同強(qiáng)度、塊徑的片石以及鉆錘沖程對(duì)偏孔修正效果的影響試驗(yàn)方案，如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)樁徑選用相應(yīng)塊徑片石的處理結(jié)果如表2所示。

表2 不同塊徑片石對(duì)偏孔的處理結(jié)果

由表2可知，對(duì)2.2m、2.0m、1.5m樁徑樁基，分別采用塊徑范圍在120～140cm、80-120cm、50-80cm之間的片石處理偏孔問(wèn)題，樁心偏位值能較好地控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)。

采用與基巖強(qiáng)度接近的片石(80 MPa)拋填，與低強(qiáng)度片石(50MPa)拋填效果進(jìn)行比較，記錄鉆進(jìn)效果如表3所示。

表3 不同片石強(qiáng)度對(duì)偏孔的修正效果

由表3可知，運(yùn)用與基巖強(qiáng)度接近的片石回填樁基，偏孔處理效果較好，其樁孔平均偏位值均控制在允許偏差范圍內(nèi)。

拋填后分別采用0.3m、0.5m、0.8m、1.2m四種沖程，比較每0.5m進(jìn)尺后偏位情況，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明沖程控制在0.5m偏孔修復(fù)效果較好。

表4 不同沖程下每0.5m進(jìn)尺樁孔偏位值

4.4 實(shí)施效果

通過(guò)工藝改進(jìn)后，樁基鉆孔施工平均每天進(jìn)尺增加69%，樁基成孔周期縮減71%，工藝改變前后進(jìn)度對(duì)比如圖3所示。樁基成孔后經(jīng)第三方檢測(cè)單位對(duì)所有樁基一次性成樁質(zhì)量進(jìn)行檢查，共查驗(yàn)288個(gè)點(diǎn)，合格率達(dá)到了100%，溶洞區(qū)所有樁基均為一類樁，全部通過(guò)驗(yàn)收。

圖3 進(jìn)度對(duì)比

5.總結(jié)

根據(jù)不同片石強(qiáng)度和塊徑對(duì)回填法施工效果的影響進(jìn)行研究，解決了巖溶發(fā)育地質(zhì)中樁基施工鉆進(jìn)的偏孔問(wèn)題。結(jié)果表明：

（1）片石的強(qiáng)度與基巖強(qiáng)度相當(dāng)時(shí)，能夠改善鉆頭的均勻受力性能，從而減小樁孔偏位值。

（2）回填的片石塊徑過(guò)大仍會(huì)產(chǎn)生偏錘，塊徑較小，堆石承載力不足。以樁孔直徑的二分之一左右為宜，此狀態(tài)下堆石的骨架承載力較好，在鉆錘的沖擊下產(chǎn)生自然碎裂進(jìn)行結(jié)構(gòu)重組，可獲得更穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，使鉆頭均勻受力，改善樁孔垂直度。