沿海地区大直径长桩冲击钻机成孔质量控制的探讨

2023-02-21

1 工程概况

1.1 设计

珠海市省道S272线2号闸桥采用嵌岩端承桩基础, 桩径分1.2m、1.5m两种, 墩采用双柱, 每柱下四桩承台, 其中1.2m桩径24根, 1.5m桩径12根, 多数桩长超过50m, 最大桩长60m。

1.2 工程地质

本场地属于丘陵地貌, 地表水系发育, 河涌、沟塘遍布, 根据地质初勘资料, 桥台由上到下的各地层岩性为:人工填土层土层厚0.50m~9.70m, 土层平均厚度1.48m。

海陆交互相沉积淤泥层饱和, 流塑, 含有机质、细砂、贝壳碎片等, 土层厚12.5m~17.50m, 土层平均厚度15m。

海陆交互相沉积中粗砂层:饱和, 松散状, 层厚4.20m~6.50m, 平均厚度5.35m。

混合花岗岩类残积土层:土性为砂质黏性土, 具有遇水软化、崩解特点。层厚1.30m~1.50m, 平均厚度1.4m。

混合花岗岩全风化带:风化剧烈, 裂隙发育, 岩芯呈坚硬土柱状, 遇水易软化、崩解。层厚1.80m~18.00m, 平均厚度6.88m。

混合花岗岩强风化带:岩芯呈半岩半土状、碎块状, 岩石风化不均, 多夹中风化岩块, 可见球形风化现象。层厚1.30m~39.20m, 平均厚度10.97m。

混合花岗岩中风化带岩石组织结构部分破坏, 裂隙较发育, 可见多组裂隙, 倾角大于60°, 层厚0.50m~18.00m, 平均厚度5.09m。

1.3 工程地质评价

本段地貌属珠江三角洲冲积平原, 砂层分布较广, 厚度较大, 下伏基岩为白垩系碎屑岩, 地下水补给来源较充沛, 地下水丰富, 属于岩土工程条件复杂地段, 存在如下影响: (1) 软土:软土强度低, 易流变的特点, 钻 (冲) 孔桩施工时易产生缩颈问题。 (2) 砂土:本区砂土多为饱和、松散、中密, 钻 (冲) 孔桩施工时易发生塌孔。 (3) 软弱夹层:白垩系沉积岩中软弱夹层较为发育, 存在大量透镜体, 导致岩质不均, 岩石强度和岩面起伏变化大。

2 施工中的超前地质钻探

根据设计要求, 桩的终孔原则:轨道梁下的桩基可进入连续中风化岩层深度大于3D (D:桩直径) , 或进入连续微风化1.5D, 或进入中风化加微风化的深度大于3D;且桩下中风化层或微风化层岩层厚度大于等于3D。设计虽然给出了详细的地质勘察报告, 但由于地质条件较复杂, 桩位也有调整, 所以不能满足桩成孔的质量要求, 特别是桩穿过的详细土层情况和桩端持力层高程不能准确判断, 为此, 决定采用超前钻探手段, 准确判定桩位地质状况。

2.1 超前钻探桩位的选取

地质资料显示, 基岩面起伏较大, 软弱夹层多, 根据文献[1]的规定:对于端承桩和嵌岩桩, 当相邻两个勘探点揭露出的层面坡度大于10%时, 应根据具体工程条件适当加密勘探点;复杂地质条件下的柱下单桩基础应按桩列线布置勘探点, 并宜每桩设一勘探点;嵌岩桩钻孔应深入持力岩层大于等于3~5倍桩径。文献[2]对嵌岩桩, 应钻入预计嵌岩面以下3D~5D, 并穿过溶洞、破碎带, 到达稳定地层。

为此, 根据设计桩位情况, 选取每个墩柱的对角桩、站房双柱承台先施工桩作为勘探点, 使点位分布较均匀, 保证钻探资料有较广泛的参考意义。扣除详勘资料中已有的钻孔, 共选取了36个勘探点, 探孔深度参考详勘资料, 在保证设计嵌岩深度的前提下, 继续向下钻进大于等于5D。

2.2 钻探设备的选择

选择广东探矿厂生产的GY-1A型油压回转地质钻机, 配备91mm单管金刚石钻具, 以便能够进行岩芯钻探并进行取样。为加快施工进度, 两台钻机同步进行施工。

2.3 超前钻探的实施

勘探点选定后, 为减少对桩基施工的影响, 各探孔钻探顺序依据桩基施工顺序进行。为保证钻探能够正确反映实际的地质状况, 给桩基成孔提供可靠的参考依据, 超前钻探实施过程中注意做到以下几点。

(1) 勘探点定位要准确, 全部位于桩位中心, 孔口高程也要进行测量, 以便桩基施工时对照参考, 同时与详勘资料比较, 为相邻桩位提供参考。

(2) 根据设计要求, 桩端以下3D为完整的岩层, 钻探过程中及时检查岩样与进尺情况, 保证闭孔时的总孔深和入岩长度, 以利于冲孔桩施工时作为终孔的重要参考资料。

(3) 为准确判断下部各土层分层厚度, 钻进深度和岩土分层深度的量测精度, 应大于等于±5cm;严格控制非连续取芯钻进的进尺, 使分层精度符合要求。

(4) 为保证岩 (土) 样的采集率, 采取短进尺的方式, 约1m左右提取一次岩 (土) 样, 岩芯钻探的岩芯采取率, 对完整和较完整岩体确保不低于80%, 较破碎和破碎岩体大于65%。

(5) 根据现场钻探进尺情况, 提前请专业地质监理到现场确定后闭孔、移机。

2.4 钻探资料的记录及使用

为使资料记录真实及时, 安排专人负责按钻进回次逐段填写, 以免事后追记产生错误。钻探现场岩 (土) 样的判断采用肉眼鉴别和手触方法。岩土芯样用专门制作的木盒保存, 各地层岩性按照由上到下的顺序贴好标签并用塑料袋封存, 标签上注明钻孔标号、岩性、分层厚度、层顶高程, 简略的描述等。岩 (土) 样保存时间至工程验收完毕为止, 同时拍摄岩芯、土芯彩照纳入勘察资料。钻探结果采用钻孔野外柱状图表示, 按照实际勘察结果编列成册。

2.5 现场实际工程地质评价

通过现场超前钻探, 结合详勘地质资料, 评价本施工场区为:明塘发育, 淤泥层和砂层分布较广, 厚度较大, 浅部岩体风化强烈, 风化程度很不均匀, 场区断裂构造较为发育, 风化深浅受断裂构造影响较明显, 局部地段中风化岩面局部陡变, 其中风化残积砂质黏性土层部分地段较发育, 强风化岩中夹中风化岩块、球形风化等。

本施工场地属于岩土工程条件复杂地段, 含有软土、砂层、多分布透镜体等, 对桩成孔存在如下的影响。

(1) 软土。软土强度低, 易流变, 钻 (冲) 孔桩施工时易产生缩颈或坍塌问题。

(2) 砂土。基坑内砂层呈厚层状连续分布, 密实度差, 振动易产生液化, 稳定性差, 钻 (冲) 孔桩施工时易发生塌孔。

(3) 软弱夹层。土层分布较为复杂, 多分布透镜体, 岩层面风化程度参差不齐, 成孔过程中要注重掌握土层与地下岩层状态。

(4) 残积土层。施工时应注意残积土层和完全风化岩层遇水易软化、崩解, 需加强桩基施工的护壁措施。

(5) 岩面起伏。中风化岩面局部陡变, 强风化岩中夹中风化岩块、球形风化等不利因素较多, 需注意控制桩孔垂直度。

3 成孔过程的质量控制和检测

3.1 成孔质量的控制

成孔过程中, 几乎所有钻孔都要穿过软土、砂土、软弱夹层等, 入岩时, 岩层面起伏、岩性等也不同, 如控制得不好, 则可能会发生塌孔、缩颈、桩孔偏斜及桩端达不到设计持力层要求等, 因此, 在成孔过程中, 根据地质资料特别是超前钻探资料对不同土层的高程、土层情况进行对比, 根据不同地质条件和土层, 随时调整泥浆的相对密度及冲程, 在成孔质量控制方面做好下述几项工作。

(1) 软土及淤泥质土。

淤泥质等软弱土层中成孔, 成孔速度过快会造成桩孔不规则。淤泥层较薄时, 可向孔内投入大量黏土和20cm以下的碎石, 并采用1m左右小冲程反复冲击, 使黏土和碎石挤入孔壁, 以增加孔壁稳定性;当淤泥层较厚时, 采用钢护筒支护孔壁, 先压入钢护筒后冲孔, 以防止坍孔和缩孔。泥浆相对密度控制在1.35~1.50之间, 利用向孔内投入黏土或加入清水来调整泥浆的相对密度。

在软弱土层中成孔容易出现缩颈, 成孔时, 应加大泵量, 在成孔一段时间内, 孔壁形成泥皮, 则孔壁不会渗水, 亦不会引起膨胀。另外, 在灌注混凝土或下钢筋笼前, 可采用上下反复扫孔的办法, 以达到设计的桩孔径。

(2) 黏土或粉质黏土。

在砂质或粉质黏土中成孔, 小冲程1m~2m, 泵入清水或稀泥浆, 经常清除钻头上的泥块。泥浆相对密度控制在1.3~1.4之间, 对黏土层、亚黏土层泥浆相对密度宜控制在1.2~1.3之间。有地下水时, 应密切注意是否夹有不透水层。当下层的承压地下水的水头比下层的地下水位高时, 必须能保持足够的泥水压力。

(3) 砂及砂土层。

对于砂、砂砾等土层, 若成孔速度过快, 会产生桩的径向摆动, 而发生孔壁坍塌现象。在砂质土中成孔, 一般采用小冲程1m~2m, 泥浆相对密度控制在1.3~1.4之间, 穿过地下水时, 必须使护筒内保持1.0 m~1.5 m的水头高度, 特别是地下水有压力时, 还要能保持足够的泥水压力。

在砂层或粉质黏土层发生坍孔时, 可用碎石 (小砾石) 夹黏土回填到坍孔位置以上, 并提高泥浆浓度或改善泥浆性能, 加高孔内水位重新冲孔, 属深层坍孔时, 可用在坍孔位置灌注低标号水下混凝土加固孔壁的方法处理。

(4) 风化岩层。

桩开孔至入岩后, 开始向孔内加入清水或稀泥浆来降低泥浆相对密度, 泥浆相对密度控制在1.3左右, 采用大冲程3m~4m, 钻孔过程中勤掏渣, 及时将孔内残渣排出孔外, 以免孔内残渣太多, 出现埋钻现象。

3.2 成孔质量的检测

用测绳检测桩端达到设计标高后, 采用6m长探笼检测成孔情况, 未发现较大的斜孔、弯孔、缩孔, 然后分节吊装钢筋笼就位, 灌注水下混凝土后, 根据设计和规范要求, 分别采用声测法和动测法进行桩基质量检测, 该工程全部桩均为Ⅰ、Ⅱ类桩, 桩成孔质量控制较好。

4 结语

复杂地质条件下, 深入基岩的大直径长桩, 成孔作业时间长, 穿过地层多, 确保桩基础质量的关键就是保证成孔的质量而确保桩基成孔的质量的重点, 就是根据不同的地质条件, 采取不同的桩锤落距、泥浆浓度、加入小块石等工艺措施, 虽通过加密地质钻探取得详细地质勘察资料, 会增加部分施工成本, 但在不明复杂地质条件下, 可大大减少成孔过程造成的缺陷。实践表明超前地质钻探不仅可用于桩基成孔在隧道工程施工中也具有指导意义。

摘要：本文通过实例论述了冲孔灌注桩施工中遇到的施工难题及其解决方法:利用超前钻探手段, 根据不同地层条件, 采取相应的技术措施, 控制孔壁坍塌、缩颈、桩孔偏斜以及减少在冲孔过程中常遇的卡钻、埋钻等问题。

关键词：大直径长桩,超前钻探,冲击钻机成孔