摘要:鉆孔灌注樁施工過程中通常會遇到深厚的雜填土、淤泥、砂層、卵礫石、堅硬基巖或巖溶等特殊性巖土,在特殊性巖土進行鉆孔灌注樁施工,如果鉆孔工藝選擇不當,質(zhì)量控制措施不合理,則易產(chǎn)生不同的質(zhì)量問題,影響施工質(zhì)量和安全,降低施工效率。分析不同特殊地層特點,選擇合理的鉆孔施工工藝,加強施工質(zhì)量控制,是保證鉆孔灌注樁質(zhì)量和安全的關鍵,也是提高工效、降低成本的主要措施。
關鍵詞:深厚填土;淤泥;砂層;卵礫石;基巖;巖溶;鉆孔工藝
1深厚雜填土層
1.1雜填土的特點
雜填土由于堆填物的成分、堆積條件和堆積時間不同,造成雜填土的物質(zhì)很不均勻,顆粒粒徑相差較為懸殊,孔隙大小不一,分布范圍及厚度缺乏規(guī)律性,通常結(jié)構(gòu)松散、密實度低,具有較高的壓縮性,強度較低。
1.2鉆孔樁施工遇到的主要問題
1.2.1孔壁穩(wěn)定性差
由于雜填土結(jié)構(gòu)松散,密實度低,且顆粒粒徑相差懸殊,孔隙發(fā)育,因此在鉆孔樁施工過程中孔壁穩(wěn)定性差,易失穩(wěn)坍塌。
1.2.2泥漿漏失
如場地地下水較低時,在雜填土層采用泥漿護壁工藝進行鉆孔施工時,常發(fā)生泥漿漏失現(xiàn)象,導致孔壁坍塌。
1.2.3鉆進難度大、鉆進效率低
尤其對于填土中存在粒徑較大的塊石或混凝土塊等堆填物時,鉆進難度大,鉆進效率低,且易發(fā)生卡鉆等事故。
1.2.4易擴孔
混凝土充盈系數(shù)大。
1.3鉆孔工藝選擇
1.3.1全套管鉆進
利用全套管切削巖土鉆進并護壁,沖抓錐在套管內(nèi)抓土或旋挖鉆機在套管內(nèi)取土成孔,鉆進效率高。鉆孔直徑可達到3.0m,鉆孔深度可達100m。全套管鉆機鉆孔過程不使用泥漿,在地下水位以上可進行干孔鉆進,在地下水位以下利用清水平衡地下水位,不存在泥漿漏失和孔壁坍塌問題。利用全套管護壁,也解決了擴孔及混凝土充盈系數(shù)大的難題。缺點:設備龐大,費用較高。
1.3.2沖擊鉆進
沖擊鉆機利用沖擊功破碎地層鉆進成孔,鉆進的同時對孔壁進行擠密。在松散雜填土層鉆進時,可通過往孔內(nèi)回填粘土和片石,對孔壁進行擠密,防止孔壁坍塌。沖擊鉆進時,可根據(jù)地層情況,確定是否采用泥漿循環(huán)。如果地層漏漿時,可不進行泥漿循環(huán),通過往孔內(nèi)回填粘土及加水沖擊鉆進,同時造漿堵漏。相對于全套管鉆機,沖擊鉆機設備簡單,費用較低。缺點:施工效率較低,擴孔較為嚴重,混凝土充盈系數(shù)大。
1.3.3旋挖鉆機鉆進
旋挖鉆機反復升降鉆具對孔壁擾動大,孔壁更易失穩(wěn),因此旋挖鉆機鉆進時通常采用長鋼護筒護壁,鋼護筒長度可根據(jù)填土性質(zhì)確定,條件許可時可穿過雜填土層。地下水位以上可采用干作業(yè)鉆進成孔,地下水位以下可利用膨潤土泥漿護壁(如地下水位以上泥漿漏失不嚴重時,也可全孔段采用優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿護壁)。也可往孔內(nèi)回填粘性土,通過鉆斗在孔內(nèi)的反復旋轉(zhuǎn)擠壓進行造漿堵漏。對于粒徑較小的塊石或建筑垃圾可利用專用抓取式筒鉆抓取。缺點:對于大粒徑塊石或建筑垃圾難以鉆進成孔;如鋼護筒不能穿透雜填土層時,存在泥漿漏失、孔壁坍塌的風險;擴孔較為嚴重,混凝土充盈系數(shù)大。
1.3.4正、反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進
正反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進僅適用于結(jié)構(gòu)較為密實,顆粒粒徑較小、泥漿不嚴重漏失的雜填土層鉆進成孔。其中正循環(huán)適用于粒徑不大于20mm的填土層鉆進成孔;反循環(huán)適用于粒徑不大于200mm的填土層鉆進成孔。成孔時孔口埋設護筒,采用優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿護壁鉆進成孔。缺點:不適用于粒徑大于200mm、地層結(jié)構(gòu)松散、泥漿漏失嚴重的雜填土層施工。
2深厚淤泥和淤泥質(zhì)粘土
2.1淤泥和淤泥質(zhì)粘土特點
淤泥和淤泥質(zhì)粘土富含有機質(zhì),具有含水量高、強度低、壓縮性大、透水性差、抗剪強度低的特點,同時具有流變性和觸變性。
2.2鉆孔樁施工遇到的主要問題
⑴孔壁穩(wěn)定性差,擾動后易失穩(wěn)坍塌。⑵施工過程中易發(fā)生護筒串通,地面易塌陷。⑶易擴孔,混凝土充盈系數(shù)大。⑷泥漿處理難度大,灌注過程中樁身易夾泥。
2.3鉆進工藝選擇
2.3.1正、反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進
深厚淤泥層鉆孔灌注樁施工應優(yōu)先選用正、反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進工藝。其中,正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進適用于孔徑<1.0m的鉆孔;反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進適用于孔徑≥1.0m的鉆孔,孔深較淺時(50~70m內(nèi)),應選用泵吸反循環(huán)排渣,孔深較大時(>50m),宜選用氣舉反循環(huán)排渣?;剞D(zhuǎn)鉆進時,孔口必須埋設鋼護筒,鋼護筒的長度應根據(jù)地層確定,鋼護筒應深入原地層0.5m以上,且護筒長度不小于1.5m。如原地層為流塑狀淤泥時,應盡可能增加護筒長度,埋設護筒時,護筒周圍應采用粘性土分層回填密實,防止護筒內(nèi)外串通。
采用原地層自然造漿護壁,并定期檢測泥漿的性能指標,控制泥漿性能指標在合適范圍,并控制孔內(nèi)泥漿液面高于地下水位2.0m以上。尤其是反循環(huán)鉆進時,應及時往孔內(nèi)補充泥漿,防止孔內(nèi)泥漿液面下降導致孔壁坍塌。在淤泥層鉆進時,應注意控制鉆進速度,每鉆進一根鉆桿應進行掃孔,防止鉆速過快形成S孔,導致安放鋼筋籠時刮蹭孔壁形成較厚的孔底沉渣。終孔后應及時清孔,嚴格控制泥漿的粘度和比重,降低泥漿的含砂量,防止灌注過程中形成樁身夾層。禁止將鋼筋籠直接掛在孔口護筒上,或者灌注過程中將導管直接支承在孔口護筒上,防止灌注過程中護筒下沉或孔口坍塌形成斷樁或樁身夾泥。如表土層為淤泥質(zhì)土時,應換填或采用硬化措施進行處理,并在孔口鋪設路基板或鋼板,防止機械碾壓導致孔口坍塌。
2.3.2旋挖鉆進
鉆斗的反復升降將導致孔壁失穩(wěn)坍塌,不適用于深厚淤泥層鉆進。如果孔口長鋼護筒穿透淤泥層時,可利用旋挖鉆進成孔。
2.3.3全套管鉆進
全套管鉆進可用于深厚淤泥層鉆進成孔,但由于施工費用太高,且套管回轉(zhuǎn)時周圍淤泥易失水固結(jié),增加套管阻力,故一般不選用。
2.3.4沖擊鉆
在沖擊振動作用下,淤泥的結(jié)構(gòu)性被破壞,強度降低,流變性增強,孔壁無法維持穩(wěn)定,故沖擊鉆不適用于深厚淤泥或淤泥質(zhì)土層鉆進成孔。
3深厚砂層
3.1砂層的特點
砂層由于受水流流速的影響,沖積物的成分和尺寸具有分選性,從上游往下游,逐漸由粗顆粒過渡到細顆粒。具有含水性強,滲透系數(shù)較大,膠結(jié)力弱的特點。
3.2鉆孔樁施工遇到的主要問題
⑴孔壁穩(wěn)定性差,易于坍塌。⑵泥漿中含砂率高,易于在樁身中形成夾層。⑶孔底沉渣厚度大。
3.3鉆孔工藝選擇
3.3.1正、反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進
在深厚砂層鉆進時,應配制優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿護壁,要求泥漿具有較高的粘度,較低的失水量和泥皮厚度,并根據(jù)砂層的密實程度選擇鉆頭,在松散砂層可選用刮刀鉆頭成孔,在膠結(jié)的密實砂層可選用牙輪或滾刀鉆頭鉆進成孔。正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進適用于孔徑<1.0m的鉆孔;反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進適用于孔徑≥1.0m的鉆孔,孔深較淺時(50~70m內(nèi)),應選用泵吸反循環(huán)排渣,孔深較大時(>50m),應選用氣舉反循環(huán)排渣。
鉆進過程中,應嚴格控制泥漿的性能指標,維持孔內(nèi)液面高度高出地下水位2m以上,防止孔壁坍塌。正循環(huán)鉆進過程,應提高泥漿的粘度和比重,使泥漿具有較高的懸浮鉆渣的能力,在施工過程中,應控制進尺,降低泥漿的含砂率,確保成孔質(zhì)量。終孔后,應采用泥漿凈化裝置對泥漿進行處理,降低泥漿的含砂率,并徹底清除孔底沉渣,防止灌注過程中樁身夾泥和孔底沉渣過厚。
3.3.2旋挖鉆斗
在松散砂層鉆進時,護筒的長度應增加到6m以上,以防止孔口坍塌。鉆進過程中,利用優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿護壁,嚴格控制泥漿的粘度、比重和穩(wěn)定性。鉆桿提升時,必須及時往孔內(nèi)補充泥漿,防止泥漿液面下降過快、過深導致孔壁坍塌。在砂層中鉆進時,應選擇具有雙層底的挖砂鉆頭鉆進成孔,根據(jù)砂層的密實程度,選擇適宜的切削齒,松散砂層可選用斗齒,密實或膠結(jié)層選用截齒。旋挖成孔后,宜采用反循環(huán)進行清孔,以清除孔底沉渣,同時利用泥漿凈化裝置降低泥漿的含砂率,保證樁身灌注質(zhì)量。
缺點:相對于回轉(zhuǎn)鉆機,旋挖鉆機在厚砂層中鉆進時對泥漿要求更高,孔壁坍塌的概率較大,擴孔現(xiàn)象更為明顯。并且需專門的清孔設備進行清孔。
3.3.3全套管鉆進
因套管回轉(zhuǎn)時周圍砂土易失水固結(jié),增加拔管阻力,且施工費用高昂,故一般不選用。
3.3.4沖擊鉆進
可在較為密實的粗粒砂層中鉆進成孔,需通過回填粘土沖擊造漿并擠密孔壁,但鉆進效率低。在飽和的粉細砂層中鉆進時,易砂土液化,導致孔壁坍塌,故不宜選用。
4深厚卵礫石層
4.1卵礫石層特點
卵礫石地層含水性強,滲透性大;顆粒多為圓形,磨圓度較好;顆粒大小不一,分選性差;地層多為重力壓實而成,膠結(jié)力弱;卵礫石強度和硬度較高,破碎難度大。
4.2鉆孔樁施工遇到的主要問題
⑴泥漿漏失、孔壁坍塌。⑵鉆進效率低。
4.3鉆進工藝選擇
4.3.1沖擊鉆進
采用加重鉆頭、高沖程破碎卵石鉆孔成孔,應采用比重較大、失水量小的泥漿進行護壁。在松散卵礫石層鉆進時,可按1∶1投入粘土和小片石(粒徑不大于15cm),用沖擊鉆頭以小沖程反復沖擊,使粘土、片石擠入孔壁,必要時須重復回填反復沖擊2-3次,達到擠密孔壁、防止鉆孔漏失的作用。
鉆進過程中,發(fā)現(xiàn)泥漿漏失時,可通過提高泥漿粘度、往泥漿中添加鋸末等材料提高泥漿堵漏性能,必要時可往孔底灌入水泥漿堵漏。缺點:卵礫石重復破碎、鉆進效率低。
4.3.2反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進
通過配重加壓、利用滾刀鉆頭碾壓破碎卵礫石,通過反循環(huán)排渣鉆進成孔,適用于卵礫石粒徑小于鉆桿內(nèi)徑的地層,鉆孔深度沒有限制。鉆進過程中,配制優(yōu)質(zhì)的膨潤土泥漿護壁,通過在泥漿中添加鋸末、蛭石等材料提高泥漿的堵漏性能,也可通過鉆機的鉆桿往孔底注入水泥漿進行堵漏。
缺點:設備較為龐大,滾刀損耗大,費用較高,且卵石易于堵塞鉆桿,在密實卵礫石層施工效率較低。提下鉆時間長,泥漿漏失處理難度大。
4.3.3旋挖鉆進
利用鉆斗撈取卵礫石鉆進成孔,鉆進過程無需對卵礫石進行破碎,鉆進效率高。鉆進過程中采用優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿護壁,可通過提高泥漿的堵漏性能預防和處理泥漿的漏失,也可通過往孔內(nèi)回填粘土或淤泥進行堵漏,堵漏較為方便。
缺點:設備重量大,對場地要求高,鉆孔深度受限;需專門的清孔設備進行清孔。
4.3.4全套管鉆進
利用全套管護壁,套管內(nèi)取土鉆進成孔,對于大漂石或塊石可利用沖錘破碎后抓取。施工過程中不使用泥漿,具有施工效率較高、孔壁穩(wěn)定、混凝土充盈系數(shù)小的優(yōu)點。缺點:施工費用高。
4.3.5正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進:不適用于卵礫石層。
5堅硬基巖
5.1堅硬基巖特點
強度高、硬度大,結(jié)構(gòu)面發(fā)育,可鉆性差。
5.2鉆孔樁施工遇到的主要問題
⑴基巖破碎困難,鉆進效率低。⑵巖面傾斜時,鉆孔易偏斜。⑶通常設計為端承樁,對孔底沉渣厚度要求高。
5.3鉆進工藝選擇
5.3.1沖擊鉆進
利用沖擊鉆頭沖擊破碎基巖成孔,鉆進效率受沖擊功和排渣的影響,通常用于直徑和深度較小的鉆孔,可適用于不同強度和結(jié)構(gòu)的巖石。鉆孔偏斜時,可通過往孔內(nèi)回填塊石后重新沖擊糾斜,糾偏效果較好。缺點:鉆進效率低,孔深和孔徑較小。
5.3.2反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進
利用滾刀鉆頭通過碾壓、沖擊、滾動破碎巖石成孔,通過反循環(huán)排渣。根據(jù)上部孔段的穩(wěn)定程度可選用泥漿或清水鉆進成孔。可滿足不同鉆孔直徑和深度的需要(鉆孔直徑≥1.0m)。為防止鉆孔偏斜,通常采用減壓鉆進工藝,加到孔底的鉆壓通??刂圃阢@具總壓力的70%左右。鉆孔偏斜時,通過掃孔糾偏,糾斜效果較差。對于直徑較大的鉆孔,可通過分級擴孔的方式多次成孔。缺點:鉆進效率較低,滾刀磨損嚴重,損耗大,費用高。鉆孔偏斜后不易處理。
5.3.3旋挖鉆進
根據(jù)不同巖石強度可利用螺旋鉆,截齒、牙輪筒鉆或鉆斗鉆進成孔,利用膨潤土泥漿護壁。對于大直徑鉆孔,可通過分級擴孔或利用梅花形布孔鉆進。相對于沖擊鉆進和反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進,鉆進效率高,適用地層廣。遇傾斜巖層時,可先利用筒鉆切削巖石形成自由面后,再取芯或全面鉆進中間基巖,鉆機自身具有測斜功能,鉆孔垂直度介于沖擊鉆機和回轉(zhuǎn)鉆機之間。
缺點:鉆孔深度受鉆機性能和鉆桿長度限制;設備重量大,對場地要求高;如果鉆孔上部有較厚的砂層時,需配備專門的清孔設備。
5.3.4全套管鉆進
利用全套管對巖石進行環(huán)狀切削后,在套管內(nèi)利用沖錘沖擊破碎后抓取巖塊成孔。缺點:鉆進效率較高,費用昂貴。
6巖溶地層
6.1巖溶地層特點
基巖中溶洞溶隙發(fā)育,巖石破碎,巖面傾斜,巖石強度差異懸殊,部分溶洞為無充填或半充填,通常存在泥漿漏失現(xiàn)象。
6.2鉆孔樁施工遇到的主要問題
⑴泥漿漏失、孔壁坍塌。⑵鉆孔偏斜。⑶易發(fā)生卡鉆或埋鉆事故。
6.3鉆進工藝的選擇
無論采用何種鉆進工藝,在正式施工前均應進行超前鉆探,探明樁位處的巖溶發(fā)育情況、泥漿漏失情況及完整基巖的埋置深度。根據(jù)超前鉆探資料,對于泥漿漏失嚴重,半充填或無充填的溶洞,應利用超前鉆孔進行預注漿處理,預注漿可采用水泥膨潤土漿,采取分段注漿法,直至鉆孔不漏失或溶洞充填滿為止。
6.3.1沖擊鉆進
采用十字形鉆頭或圓形鉆頭,加大鉆頭重量,采用泥漿護壁,提高泥漿粘度和比重。基巖層破碎或地層漏失時,可投入粘土連續(xù)沖擊堵漏,直至穿過巖溶發(fā)育區(qū)。在巖溶發(fā)育區(qū),尤其是存在無充填溶洞時,沖擊操作要平穩(wěn),沖程宜小不宜大,放繩應少而勤,防止鉆頭突然下落形成“打空錘”,導致鋼絲繩斷裂或卡鉆事故的發(fā)生。在巖溶地層鉆進時應及時補焊鉆頭,防止卡鉆。并注意鉆孔垂直度的控制,發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜時,應及時回填塊石糾偏。
6.3.2旋挖鉆進
利用優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿護壁鉆進,根據(jù)巖溶發(fā)育情況可選用牙輪或截齒鉆頭鉆進成孔??赏ㄟ^調(diào)整泥漿參數(shù),往泥漿中添加鋸末等材料進行堵漏,當遇到未完全充填溶洞時,可通過往孔內(nèi)回填粘土擠密,或注入水泥漿對溶洞進行充填處理。缺點:鉆孔垂直度難以控制,對場地要求高,施工費用較高。
6.3.3全套管鉆進
利用全套管護壁,可解決巖溶地層漏漿滲漏難題,同時利用全套管切削鉆進,套管內(nèi)沖擊抓取的施工工藝,可解決鉆孔偏斜的難題。缺點:費用高昂,對未充填溶洞混凝土的流失問題難以解決。
6.3.4反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進
難以解決鉆孔偏斜、泥漿漏失等問題,不建議采用。
7結(jié)語
鉆孔灌注樁遇特殊性巖土時,應認真分析巖土特性,根據(jù)施工環(huán)境和地質(zhì)條件選擇合理的鉆孔設備,優(yōu)化施工工藝,提高鉆孔質(zhì)量,加快施工進度,確保施工安全。
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作者簡介:張輝(1979-),男,本科,工程師,長期從事巖土工程施工與咨詢工作。