杭州八堡泵站工程软岩地基嵌岩桩入岩判定的研究与实践

刘 倩 李健民 许明显

(浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司, 浙江 杭州 310002)

钻孔灌注桩因其适用土层广泛、 施工工艺成熟、 非挤土、 单桩承载力大等特点在建设工程中被广泛应用, 对承载力要求较高的桩基础, 一般多采用嵌岩桩, 桩端进入基岩持力层的深度对地基承载力及安全使用尤为重要。 目前的旋挖钻机入岩判定方法大多停留在经验层面, 主要根据地勘剖面、 钻出岩屑特征或者钻进难易程度等判定, 由于地质勘察并不是每桩一孔, 对岩面的起伏、 复杂的风化情况地勘剖面难以准确描绘, 根据经验判断也具有较大的主观性, 容易产生误判而发生事故。 尤其对埋藏深、 风化程度复杂、遇水易软化等的软岩持力层, 容易造成桩基超深、 塌孔、 经济损失加剧等风险。 目前软岩嵌岩桩的应用逐渐增多, 但人们对软岩嵌岩桩的承载特性缺乏全面的认识, 对软岩的判别也大多沿用着硬质岩等的判别经验。

杭嘉湖地区属于冲海积平原, 工程地质特性表现为上部粉土、 粉砂, 以下为滨海相沉积的软土, 基岩埋深大多在地表50 ~70m 之下, 且大部分为抗压强度小于30MPa 的软岩, 其桩基持力层多为强—弱风化基岩, 因此研制一种适用于这些软岩地基的入岩判定方法具有很大的使用及推广价值。

1 工程概况

扩大杭嘉湖南排杭州八堡排水泵站工程拟建于钱塘江北岸、 航运部门规划的京杭运河二通道一线船闸的东侧, 主要任务是增加太湖流域水环境容量, 改善流域和杭嘉湖东部平原水环境, 提高流域和区域防洪排涝及水资源配置能力。 工程为Ⅰ等工程, 主要建筑物级别为1 级, 泵站设计排涝流量为200m3/s。 泵站桩基上部覆盖层软土层深厚, 可达60m 左右, 由砂质粉土、 淤泥质土、 含泥粉细砂、 粉质黏土、 含泥砂砾石等组成, 下部基岩为泥质粉砂岩, 饱和抗压强Rc=20 ~30MPa, 泵站一带基岩面高程在- 57.3 ~-54.5m左右。

本工程主泵房采用C30 混凝土灌注桩基础, 利用泥质粉砂岩为桩端持力层, 桩需全断面进入强风化基岩不少于50cm, 桩径1.0m, 间排距2.5m。 共计布置160 根钻孔灌注桩, 采用旋挖钻机旋挖成孔。 根据施工节点倒排工期, 需在汛期来临前发挥一定的泄流功能, 主泵房桩基工程施工要求在45 天内完成。

2 嵌岩桩入岩判定的现状

在前期勘察中发现, 本工程下伏基岩风化深, 全风化与强风化界线起伏较大。 在试桩过程中, 钻孔灌注桩的入岩判定环节, 存在多次判岩、 判岩时间较长等问题, 而且试桩时采用的根据旋挖机带出的岩渣判定岩石风化程度的方法, 实施中应用较为困难。 主要原因有两点: ⓐ旋挖机虽钻进岩层, 但由于基岩为泥质粉砂岩, 遇水易软化, 在孔口取到的岩样较少;ⓑ该岩石全风化和强风化性状差别较小, 尤其是取出的岩样都是细小的钻渣, 更加大了现场判别难度。

根据现场试桩时的统计, 入岩判定平均花费约48.2min, 主泵房160 根钻孔灌注桩入岩判定总共需约128h, 将会严重制约桩基施工进度。 亟需量化指标衡量桩端入岩层位, 提高判别准确度与效率。

3 入岩判定方法的优化分析

经查阅相关文献及类似工程施工经验, 采用“初判—终判—检验” 的路径确定入岩判定方法(见图1)。

图1 软岩地基入岩判定方法研究路径

通过控制变量法采用4 根桩分三组进行试验(见表1), 分别对旋挖机钻进过程中的随钻参数、 捞取沉渣方法、 旋挖机机头进入预计层位后的原位测试方法进行比选。

表1 试验内容

3.1 旋挖机钻进初判

本工程选用的旋挖机型号为SR180M。 根据操作手册, 实时显示的直接参数有钻进深度、 钻杆转速、发动机扭矩、 钻进率和给进力五个。 其中钻进深度仅反映机头目前的位置状态, 发动机扭矩与给进力线性相关。 选取互不相关的钻杆转速、 钻进率以及给进力进行现场试验, 寻找与入岩层位相关的参数。

根据试验一组的现场钻进深度与转速、 钻进率以及给进力参数, 应用minitab 软件进行分析, 采用其中的偏最小二乘模块进行相关性分析, 得到的深度与钻进参数的相关性系数见表2。

表2 钻进深度与钻机参数的相关性系数

钻杆钻速及给进力与钻进深度高度相关, 相关性系数可达0.9 以上, 而钻进率与钻进深度的相关性不强。 因此选定钻杆钻速及给进力作为衡量桩端入岩深度的指标。

3.2 钻渣终判

目前常用的捞取沉渣的方法可以分为浮浆法和捞渣筒法两种。 在试验二组中, 进入强风化基岩后对试桩分别采用浮浆法及捞渣筒法在同样的位置各打捞一次钻渣, 对比捞取岩渣的数量及粒径、 耗时、 成本,结果见表3。

表3 钻渣试验结果

从现场筛分实验的结果可以看到, 捞渣筒法捞渣相对于浮浆法捞渣, 所取的钻渣粒径有了明显的提升, 有利于更精确地判断入岩层位。 由于捞渣筒法捞渣前必须经过一次不小于5min 的清孔, 因此该方法所耗费的时间较长。

尽管耗费的时间以及成本较大, 但根据捞渣筒法进行钻渣判别更为精准, 经综合考虑, 选取捞渣筒法为捞渣方法。

3.3 原位测试检验

根据《工程地质手册》 (第五版) 5.10.2.3 的规定: “对于风化岩和残积土宜采用原位测试与室内试验相结合的方法。 原位测试可采用圆锥动力触探、 标准贯入试验、 波速测试和载荷试验”, 对试验三组进行了上述4 种原位测试, 测试结果见表4。

表4 原位测试试验结果

由试验结果可以看到, 四种方法均满足不同风化程度结果差异应大于30%的标准, 其中波速测试用时最短。 虽然波速测试的成本相对较高, 但是能快速准确判定入岩层位的目标, 因此选用波速测试作为原位测试方法。

3.4 综合措施

结合上述三组试验, 确定以钻杆转速、 给进力参数进行初判, 以捞渣筒法进行终判, 以波速测试进行检验的优化方案, 具体实施标准见表5。

表5 优化方案

4 优化方案的实施与结果

泵站桩基施工采用4 台旋挖机同时进行, 除4 根试验桩外, 剩余156 根桩采用优化方案进行判别。

4.1 实施过程

a. 根据现场旋挖过程记录, 最终形成了钻杆转速和给进力与入岩层位的对应关系。

b. 对现场全部4 台旋挖机均完成了加焊捞扎筒的工作, 并制定了新的循环作业图表, 进行班组培训以及捞扎筒法施工工艺的技术交底。

c. 共采购4 台波速测试仪, 并增派四组物探人员开展波速测试, 保证桩基开挖完成后能够第一时间开展试验。

4.2 实施结果

采用优化方案后, 每根桩平均入岩判定时间由48.2min 缩短至34.2min (见表6), 至主泵房160 根桩基全部完成共计工期40 天, 比预计工期提前了5 天。

表6 优化方案结果

5 结 论

a. 以钻杆转速、 给进力参数进行初判, 以捞渣筒法进行终判, 以波速测试进行检验的软岩地基嵌岩桩入岩判定优化方案在本工程中应用效果良好, 各项试验指标能满足现场施工要求, 相较于依靠经验判别不仅提高了准确率, 更提高了桩基施工效率。

b. 杭嘉湖地区工程地质条件与本工程极为类似,工程建设项目众多, 本次软岩地基嵌岩桩入岩判定方法能为相似工程提供宝贵的借鉴成果与方法支持, 具有较高的推广应用价值。

c. 该方法中还存在许多细节上的技术问题, 如试验桩基数较少, 没有量化各方案所占比例等, 在实际应用中需进一步研究优化。 ■