灌注桩在复杂岩层中的成孔技术探讨

洪张其,朱有顺,徐海明,陈解忠

(1.杭州萧山水利水电勘察设计所,浙江 杭州 311203;2.杭州市萧山区钱塘江灌区管理处,浙江 杭州 311203;3.杭州市萧山区戴村镇人民政府,浙江 杭州 311203)

杭州市萧山区某桥梁为梁板式平桥,共4跨、长75 m,两中跨各长20m,两边跨各长17.5m,桥宽9 m,桩柱式基础,桩基全部位于山脚处,为岩基端承桩,见图1。该桥桩基不属于超长、超大直径桩,但因桥址处的复杂地质特性给桩基施工带来相当大的难度,主要是在倾斜、软硬互层的岩层中采用冲击钻成孔施工中,容易引起桩孔偏斜、缩孔、进尺缓慢等问题,由于采用了针对性的工艺技术,均取得了较好的效果。

图1 桥型布置图

1 复杂的地质特性情况

工程区内的断裂构造带具压扭性特征,断裂带内及西侧岩石挤压破碎,硅化蚀变强烈。

本次勘察分别在每个桥墩、桥台处布置1个钻探孔,共5个钻探孔,勘探揭露的岩土层分述如下:

第1层素填土、第2层砂质粉土、第3层砂质粉土混碎石、第4层砂质粉土,层厚在1～2 m,局部分布。第5大层为白云岩和硅化白云岩互层,层次有9层之多,场地基岩为海相沉积岩,为寒武系硅化白云岩和白云岩互层,中风化,岩体竖向裂隙发育。硅化白云岩为厚层状构造,刀砍纹发育,质地较坚硬,岩石局部已硅化,滴盐酸不起泡,刀刻无刻痕。白云岩为厚层状构造,裂隙发育一般,蜂窝状明显,风化成红色黏土。

第5层又划分为如下亚层:

第(5-1)、(5-3)、(5-5)、(5-7)层:中风化硅化白云岩,黑灰色、灰白色、黄灰色,厚层状构造,质地较坚硬,蜂窝状不明显。裂隙发育,岩体较破碎—较完整,尤其上部(5-1)层裂隙风化较强烈,裂隙宽度可达1～3 cm。岩石抗压强度相对较高,根据试验分别为 27.90,24.43,30.49,31.82 MPa。岩芯多呈碎块状、短柱状、柱状,岩石质量指标RQD为较差的 (RQD=63),易风化碎裂,锤击呈碎块状,金刚钻钻进较困难。岩石属较硬岩、岩体较破碎,其岩体基本质量等级为Ⅳ级。

第(5-2)、(5-4)、(5-6)层:中风化白云岩,红色、浅红色、灰黄色,厚层状构造,蜂窝状明显。裂隙发育一般,岩体较完整,岩石抗压强度相对较低,根据试验分别为14.06,5.11,4.23 MPa,岩芯多呈碎块状、短柱状、柱状,岩石质量指标RQD为较好的(RQD=82),易风化呈土状,锤击呈碎块状,金刚钻钻进相对较容易。尤其是上部 (5-2)层风化程度较高,岩芯呈硬土状,手可掰断。岩石属软岩、岩体较破碎,其岩体基本质量等级为Ⅴ级。

本工程大多数桩位正好处于倾斜、软硬互层岩层中。

2 冲击钻施工的成孔难点

在上述的倾斜、软硬互层复杂岩层中,采用冲击钻成孔施工技术的主要难点如下:

2.1 桩孔偏斜

桩孔倾斜是指冲孔桩成孔的垂直度不满足规范要求。引起斜孔的原因有:①所用桩锤偏心过大或缺齿;②冲进过程中遇有孤石;③桩施工现场地质岩层坡度很大,或孔底软硬不一;④桩机架在施工中逐渐倾斜。本工程桩位刚好处于有很大倾斜度的软硬岩层交界处,钻头所受阻力不均,在0、1、3号孔均出现不同程度的桩孔倾斜现象。

2.2 缩 孔

桥址区岩层为中风化硅化白云岩与白云岩互层,其中中风化硅化白云岩强度高,可钻性相当差,且坚硬岩石极易磨损锤头,未及时修补易导致孔缩小。

目前冲孔桩施工常用的冲锤主要有十字锤、人字锤和梅花锤等几种。当施工进入较坚硬的岩层后,若使用的桩锤锤高过大,且桩锤顶的转向环又不灵便时,就很容易使桩锤在冲进过程中沿着锤齿部位所形成的 “轨道”冲进,这样桩孔壁将有少许凸向桩孔,这样的桩孔称为梅花孔。对梅花孔如果不作处理就灌注混凝土,则该段桩芯混凝土便存在有局部缩孔的隐患。此外,出现梅花孔还容易发生卡锤的施工事故。因此,在冲孔桩施工过程中,若发现有梅花孔,应引起注意,及时处理。

2.3 进尺缓慢

从地质资料和实际钻孔情况反映,部分桩基施工区域岩石坚硬,可钻性差,原冲击钻机配3 t实心十字锤,进尺较慢,经分析是锤的冲击能量偏小,锤重不够,后选择5 t实心十字锤,进尺有明显提高。但进入中风化硅化白云岩后,靠重锤,进尺甚微。尤其是3号桩位的两根桩所在第5大层多达9个互层,都为软硬夹层且倾斜度达1∶1以上,通过采取向桩孔内回填块石和黏土块,然后用低锤密冲,开始进尺顺利,但达到标高-11.10 m左右再也不能钻进。

2.4 勘察与施工现场差异带来的问题

本工程桥址正好处于地质构造带的边缘,又处于钱塘江边山脚处,地形高差很大。由于在工程前期的勘察设计阶段,对桥址的地形、地质复杂性认识不够充分,在施工现场放样钻进后,发现实际桩位与勘察孔位虽然相距仅几米,但是实际桩位与勘察孔揭示的地质情况差别较大,勘察孔已不能作为现场钻孔施工的依据,3号桩位差别尤其明显。这就导致设计对桩长、桩径等进行变更而使工期延迟。

3 成孔工艺选择和特殊施工方法

针对上述成孔施工技术的主要难点采用了针对性的工艺技术,取得了较好的效果。

3.1 对桩孔偏斜的纠偏

本工程钻孔灌注桩嵌岩深度较大,采用了手控卷扬式冲击钻机钻孔 (钻头采用十字实心锤)的施工设备。因存在软硬岩层互层,且在3号桩位岩面倾斜,坡度达1:1以上,故须做好进入岩层时的控制。进入岩面时,在护筒内回填块石,填平倾斜的岩面,钻孔施工时适当减小冲击锤的落距,小冲程、慢速冲击倾斜岩面,确保不发生偏孔。另外在钻进过程中,应该经常校核锤是否对中,若有偏斜,及时回填块石,调整竖直度。在0、1号桩位发生不同程度的斜孔后,采取向桩孔内回填块石和黏土块,然后用低锤密冲,反复矫正,均收到较理想的效果。

作为预防桩孔偏斜的措施主要有:①不使用偏心过大的锤;②定时检查桩锤,发现锤齿缺损时及时更换;③注意泥浆循环,泥浆比重要适宜;④桩机架下面要稳固,防止桩机架在施工过程中移动、倾斜;⑤控制冲击钻锤的钢丝绳松紧度:对于电动冲击钻机,应尽量将冲击锤的钢丝绳带紧,避免绳太松而使空心锤顶部摆动扫孔、扩孔致使孔偏斜。

3.2 对缩孔的控制

对于坚硬岩石的冲击钻施工,缩孔的控制最为关键。坚硬岩石极易磨损锤头,不及时修补易导致孔缩小。因此,钻孔过程中,应经常检查锤头直径,对磨损部位及时进行修复,并作好修复记录,确保钻孔直径。对不及时修补而发生缩孔时,应及时抛石重新冲击修孔。

锤头修补材料应采用耐磨牙,专用耐磨焊条施焊,严禁用钢轨或半轴。

对于梅花孔的常用处理方法有两种:①重新修整孔锤修孔;②向桩孔内回填块石至梅花孔顶面以上,检修好桩锤的转向环,然后低锤密冲,反复修孔。

3.3 加快进尺的特殊施工方法

对3号桩位在标高-11.10 m左右不能钻进的情况,采用了地质取芯钻机在桩孔内布孔取芯,破坏岩层的完整性,降低破碎岩石所需的能量,布孔位置见图2;再结合十字锤继续钻入,顺利达到了设计要求的嵌岩深度。

图2 地质钻机取芯孔布置图

3.4 地质补勘

在成孔施工中发现与勘察孔地质描述不符的情况时,经与勘察设计单位现场会诊后,对3号桩位进行了实际桩位补充地质勘察,以查明实际地质状况。

钻孔的布置根据原地质勘察和现钻进情况确定,一般应布孔于实际桩位处,若桩已经钻进一定深度,则可先退钻,向孔内回填黏土以维持孔壁稳定,再用地质钻机进行补充勘察。实际桩位的勘察可为设计提供更为确切的参数,重新计算校核承载力和确定桩长、持力层,并作为现场钻孔施工的依据。

4 结 语

(1)对于在倾斜、软硬互层复杂岩层中,灌注桩成孔容易引起桩孔偏斜和缩孔,一般应选用耐磨冲击锤头,做好进入岩层时的控制,采取向桩孔内回填块石和黏土块,填平倾斜的岩面,然后用低锤密冲,反复矫正,均可收到较理想的效果。

(2)对于较坚硬岩石可实施超前取芯。采用地质取芯钻机,在桩孔内布孔取芯,破坏岩层的完整性,降低破碎岩石所需的能量,对加快进尺可取得较好的效果。

(3)桥位工程地质勘察工作非常重要,针对地形地质复杂的桥址,应逐桩钻孔勘察或是逐桩多孔进行勘察,成果才能符合要求。