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摘要: 介绍载体桩施工质量控制方法、石灰岩地区桩基础施工时应遵循的基本原则, 以及石灰岩地区桩基础在施工中经常碰到孔斜、溶洞等情况后的处理方法。
关键词: 石灰岩; 载体桩施工; 处理方法
在岩溶发育的地区施工, 若对岩溶情况了解不清, 基础方案的选择处理不当, 将会造成建筑物正在施工或竣工后不久即倒塌, 给人民的生命财产带来了严重的损失。近几年来, 在此类地区多采用端承桩作为各类建筑物的桩基础, 但由于岩溶工程地质条件复杂, 稍有不当, 就有可能发生事故。仅就岩溶地区的施工经验, 谈一些体会和看法。
1 载体桩施工质量控制方法
1 1 作用原理
载体桩又称夯扩桩，单桩承载力高，较传统桩型更经济，用于高层建筑或超高层建筑，效果更加明显。但载体桩施工技术要求较高，且具有一定的局限性，被加固土层应具有良好的可挤密性、足够的厚度、土层稳定和适宜埋深。桩质量的好坏主要由施工技术参数和施工工艺决定。因此，根据不同的地质条件确定不同的技术参数和施工方法至关重要，本文介绍载体作用在圆砾层，地下水位以下成桩时极易出现的问题及相应的处理方法。
载体桩的构成:混凝土桩身、载体。载体包括干硬性混凝土、夯实填充料、挤密土体。混凝土桩身属于传力杆，载体相当于无筋扩展基础。载体桩着重研究如何发挥桩端土体的挤密效果，其核心是土体密实，其承载力主要源于载体。载体桩的原理是在桩的设计持力层通过填料和强夯，对桩端土体产生一定的挤密效应，达到设计要求后，再填入干硬性混凝土夯实，形成扩大头，桩身承受的集中荷载通过复合载体的分层扩散作用，消除了桩端集中应力，并逐层降低，直至达到天然土体能够承受的程度，从而改善土体的受力状态，提高桩的承载能力。载体的影响范围深度约为3 ～ 5m、直径约为2 ～ 3m，即施工完毕时，桩端下深3 ～ 5m，直径2 ～3m 范围的土体都得到了有效挤密。因此，保证载体桩质量需要控制载体和桩身的质量
1.2 颈缩现象的检测方法及处理方案
载体桩在群桩施工中，颈缩现象是通病，其主要原因是群桩施工时，因桩周边土体受邻桩作用受到挤压，拔管后灌注的桩身混凝土受周边土体侧压作用，容易造成管内没有初凝混凝土被周边土体挤压而上移，使管内混凝土直径变小，产生颈缩。本工程为加快施工进度，采用上部空管，地面下5 ～ 11. 8m 成桩的施工方法，在施工过程中，通过对拔管前后桩身混凝土表面标高的测量，发现拔管后桩身混凝土顶面标高比拔管前有不同程度上升，由此判断，桩身混凝土直径小于设计直径，有颈缩现象发生。在拔管以后，立即在上部5m深、直径500mm 空管部位添加砂石料，并进行夯压，对桩身混凝土顶形成顶部压力，利用砂石料及夯压的作用，制约桩管内混凝土因受周边土体作用而颈缩上移。开挖后，经检查，桩身质量明显好转。
1.3 无法拔出的原因及采取的措施
根据地质资料，各层岩土的分布情况为:①杂填土;②粉质黏土;③中粗砂;④圆砾;⑤强风化变粒岩。圆砾层为设计选用的持力层，厚度为4. 8 ～ 6. 2m，满足规范要求。但在施工过程中，出现了护管打进去以后拔不出来的情况，即使勉强拔出来，管内混凝土也颈缩严重。经地质部门确定，夹管原因是地下出现黄泥层。针对这种情况，在实际操作中临时调入
1 台螺旋桩机，采用螺旋桩引孔，为使桩端土层受到有效夯击而达到挤密效应，保证载体的质量，引孔深度确定螺旋桩管在距持力层1. 5m 左右拔出，螺旋桩拔出后，夯扩桩跟进，对持力层以上1. 5m 范围内的土层进行强夯，保證持力层土体的挤密效应。达到设计要求的3 击贯入度要求后，
正常施工。既解决了拔管难的问题，也使成桩质量得到很大提高。在载体桩的施工中，要根据地质情况，采取相应的保证措施，充分掌握载体桩的特点及原理，把理论与实践有机地结合起来。载体桩施工时除了要进行常规原材料检测、试块检测、钢筋笼偏差检查和桩位偏差检查外，还包括有关载体施工的4 项检查:填料量、夯填混凝土量、每击贯入度和3 击
贯入度。
2 石灰岩地区端承桩基础的施工
2.1 石灰岩地区的工程地质条件
石灰岩地区的工程地质条件相当复杂, 以目前的工程勘察手段是难以查清楚的。因此, 在石灰岩地区施工桩基础, 其难度是相当大的, 弄得不好会留下很大的潜在危险。石灰岩地区工程地质条件的复杂性, 主要表现在一是基岩岩面起伏大, 高差悬殊, 形态变异大; 二是隐伏型岩溶发育丰富,常有溶洞发育, 且溶洞的大小、形态各异, 规律难找寻。
2.2 石灰岩地区端承桩基础的施工
2.2.1 施工方法及施工中常遇到的情况
石灰岩地区端承桩基础的施工, 最好是采用冲、钻结合, 以冲为主的施工方法。在施工中常会碰到以下情况:
(1) 由于岩面起伏大, 高差悬殊, 倾角陡, 易产生斜孔;
(2) 溶洞发育位置、深度不详, 桩易座落在溶洞之上, 因而难于保证桩的荷载能力;
(3) 溶洞贯通性好, 且多充填物, 易产生大量漏浆, 造成坍孔,甚至出现地面塌陷, 危及安全。
2.2.2 施工中应遵循的原则 根据石灰岩地区经常碰到的情况, 在施工中应遵循以下的原则:
(1) 应采用每桩一孔或多孔( 勘察孔) 的原则, 先摸清桩底地质条件。或者采用施工超前钻的方法探明桩底以下3 ～ 5 倍桩径范围内的地质情况, 以便采取对策处理, 施工超前钻可采用: ①在桩基础施工中, 可按设计桩径施工至设计入岩厚度后即换钻具施工超前钻; ② 按设计桩径施工至岩面后即换钻具施工超前钻。两种方法中, 以后者好, 可节省时间, 缩短工期, 耗费少;
(2) 在石灰岩地区施工钻孔桩时, 应备足粘土( 粘土球) 、钢护筒、速凝剂(CaCL2) 等材料, 以备应急;
(3) 对有溶洞的桩, 应根据实际情况提出处理方法再施工, 决不能掉以轻心, 危及安全;
(4) 在施工中如出现大量漏浆, 要密切注意, 并做好两方面准备工作: 一是架设好泵路及备好泥浆、黄土, 及时补充漏失的泥浆; 二是制定好人员、设备迅速撤离现场的措施, 以防因地质塌陷而出现危险。
3 孔斜及溶洞的处理方法
在石灰岩地区施工桩基础, 出现孔斜和遇到溶洞是常有的,因此, 应根据不同情况采取措施进行处理。
3. 1 孔斜的处理方法
(1) 首先在成孔过程中, 在钻具上加导向器和采用不同的钻头可以有效的预防孔斜的发生。出现孔斜时, 可以采用回填块石的方法重新造孔钻进, 纠正孔斜。
(2) 另外在出现孔斜时, 可以采用C20 级素砼进行水下灌注,灌注高度一般以高于开始出现孔斜的位置0. 5m 左右, 待砼有一定的强度后, 用Ø 146 钻具钻至原孔底以下, 以此孔作为进一步施工的导向孔, 这样即可纠正孔斜。
3. 2 溶洞的处理方法
遇到溶洞时, 其处理方法则采用# 堵∃ 或# 隔∃ 或# 堵、隔∃ 结合的方法。采用哪一种方法这要根据溶洞的大小、形状, 漏浆的严
重性来定。
3.2.1 不漏浆的溶洞
这类溶洞是指非连通性、有充填物的溶洞, 施工中没有或仅有少量泥浆消耗的溶洞, 其判断依据: ①工程勘察资料; ② 桩基施工中钻效判断、泥浆消耗情况。
这类溶洞施工中比较好处理。桩孔穿过溶洞后仅进入溶洞底板几十厘米即可终孔。成孔中不需“堵”或“隔”即可达到目的。
3.2.2漏浆的溶洞
这种溶洞可分为3 种类型: A 类溶洞: 桩位下的溶洞不大,但与邻近溶洞有联系, 互相沟通; B 类溶洞: 溶洞较大, 漏浆严重; C 类溶洞: 呈多层( 串珠) 状出现, 可能本来不连通( 或少有连通) , 因施工勘察钻或超前钻而使它们连成一体。
上述几种溶洞漏浆现象明显, 严重时, 甚至出现地面塌陷。其判断依据: 工程勘察资料; 施工中的钻具状态( 如突然掉钻、卡钻...)、漏浆现象。如A 类溶洞, 施工中不断漏浆, 经不断补给有可能维持施工水位; B 类溶洞表现有垂直高度大, 钻穿顶板时会出现大量漏浆的现象, 虽大量补给仍难以维持施工水位,甚至出现地面塌陷的现象; C 类溶洞是指在不同深度出现大小各异且间距较小的溶洞。此类溶洞最难于处理。对这几类溶洞一般分别采取如下处理方法:
(1) A 类溶洞: 一般多采用# 堵∃ 的办法进行处理。“ 堵”的方法有两种: 一是投入大量的粘( 粘土球) , 以便把溶洞的通道堵塞,制止泥浆漏失。二是先用小口径钻孔( 如Ø108 或Ø146) 钻穿溶洞顶板, 灌入100# 的水泥砂浆, 这样可以堵塞溶洞通道, 并形成一定标号( 低于100# ) 的“止水”层, 灌后1~ 2d 后再用设计桩径的钻头钻进, 效果也很好。
(2) B 类溶洞: 由于漏浆严重, 因此, 在施工中多采用“ 堵”、“隔”结合的处理方法。具体操作步骤是: 第一, 用比设计桩徑大10 ～20cm 的钻头施工至岩面即停钻; 第二, 用小口径( 如Ø 146)钻头钻穿溶洞顶板后, 继续探明溶洞高度。这时会出现泥浆漏失, 因此要备足泥浆, 不断补充, 同时投入大量粘土球; 第三, 用比设计桩径大10~ 20cm 的钻头继续往下钻进, 同时投入大量粘土球, 必要时还可以投入部分水泥, 若不出现大量漏浆现象, 则钻至溶洞底板10 ～ 20cm 后再换设计桩径的钻头继续施工至设计入岩深度后停钻; 第四, 下钢护筒或加密后的钢筋笼进行“ 隔”。所下的钢护筒或加密部分的钢筋笼其直径应比设计桩大5 ～10cm,长度应大于溶洞的高度, 一般底板超过10～20cm, 顶板超出50cm 即可。
(3) C 类溶洞: 由于溶洞呈串珠状, 处理时要注意解决2 个问题: 一是多层状溶洞易于产生孔斜。施工中可先采用长岩芯管作超前导向, 缓慢施工; 二是要密切注意泥浆漏失及地面塌陷情况。对C 类溶洞的处理, 多采用投入大量的粘土, 待稳定几天后再重新施工, 并采用扩大孔径、下钢护筒或加密钢筋笼的方法。具体步骤是: 第一, 用大口径钻头施工至岩面; 第二, 改用小口径(Ø 146) 钻穿串珠状溶洞; 第三, 用200# 水泥砂浆进行水下灌注,把串珠状溶洞封堵; 第四, 再按设计桩径、桩长进行施工。如设计需要钻穿串珠状溶洞( 溶洞间距小) 时, 应改用比设计桩径大的钻头施工, 然后在采用下钢护筒或加密钢筋笼等方法等处理措施处理。
3 结束语
上述为溶洞发育的石灰岩地区施工端承桩基础经常碰到的孔斜和各类溶洞的一些施工处理方法及体会, 以及在石灰岩地区施工桩基础时应遵循的一些基本原则, 对在石灰岩地区施工桩基础有很好的指导作用, 提出来供同行参考。
关键词: 石灰岩; 载体桩施工; 处理方法
在岩溶发育的地区施工, 若对岩溶情况了解不清, 基础方案的选择处理不当, 将会造成建筑物正在施工或竣工后不久即倒塌, 给人民的生命财产带来了严重的损失。近几年来, 在此类地区多采用端承桩作为各类建筑物的桩基础, 但由于岩溶工程地质条件复杂, 稍有不当, 就有可能发生事故。仅就岩溶地区的施工经验, 谈一些体会和看法。
1 载体桩施工质量控制方法
1 1 作用原理
载体桩又称夯扩桩，单桩承载力高，较传统桩型更经济，用于高层建筑或超高层建筑，效果更加明显。但载体桩施工技术要求较高，且具有一定的局限性，被加固土层应具有良好的可挤密性、足够的厚度、土层稳定和适宜埋深。桩质量的好坏主要由施工技术参数和施工工艺决定。因此，根据不同的地质条件确定不同的技术参数和施工方法至关重要，本文介绍载体作用在圆砾层，地下水位以下成桩时极易出现的问题及相应的处理方法。
载体桩的构成:混凝土桩身、载体。载体包括干硬性混凝土、夯实填充料、挤密土体。混凝土桩身属于传力杆，载体相当于无筋扩展基础。载体桩着重研究如何发挥桩端土体的挤密效果，其核心是土体密实，其承载力主要源于载体。载体桩的原理是在桩的设计持力层通过填料和强夯，对桩端土体产生一定的挤密效应，达到设计要求后，再填入干硬性混凝土夯实，形成扩大头，桩身承受的集中荷载通过复合载体的分层扩散作用，消除了桩端集中应力，并逐层降低，直至达到天然土体能够承受的程度，从而改善土体的受力状态，提高桩的承载能力。载体的影响范围深度约为3 ～ 5m、直径约为2 ～ 3m，即施工完毕时，桩端下深3 ～ 5m，直径2 ～3m 范围的土体都得到了有效挤密。因此，保证载体桩质量需要控制载体和桩身的质量
1.2 颈缩现象的检测方法及处理方案
载体桩在群桩施工中，颈缩现象是通病，其主要原因是群桩施工时，因桩周边土体受邻桩作用受到挤压，拔管后灌注的桩身混凝土受周边土体侧压作用，容易造成管内没有初凝混凝土被周边土体挤压而上移，使管内混凝土直径变小，产生颈缩。本工程为加快施工进度，采用上部空管，地面下5 ～ 11. 8m 成桩的施工方法，在施工过程中，通过对拔管前后桩身混凝土表面标高的测量，发现拔管后桩身混凝土顶面标高比拔管前有不同程度上升，由此判断，桩身混凝土直径小于设计直径，有颈缩现象发生。在拔管以后，立即在上部5m深、直径500mm 空管部位添加砂石料，并进行夯压，对桩身混凝土顶形成顶部压力，利用砂石料及夯压的作用，制约桩管内混凝土因受周边土体作用而颈缩上移。开挖后，经检查，桩身质量明显好转。
1.3 无法拔出的原因及采取的措施
根据地质资料，各层岩土的分布情况为:①杂填土;②粉质黏土;③中粗砂;④圆砾;⑤强风化变粒岩。圆砾层为设计选用的持力层，厚度为4. 8 ～ 6. 2m，满足规范要求。但在施工过程中，出现了护管打进去以后拔不出来的情况，即使勉强拔出来，管内混凝土也颈缩严重。经地质部门确定，夹管原因是地下出现黄泥层。针对这种情况，在实际操作中临时调入
1 台螺旋桩机，采用螺旋桩引孔，为使桩端土层受到有效夯击而达到挤密效应，保证载体的质量，引孔深度确定螺旋桩管在距持力层1. 5m 左右拔出，螺旋桩拔出后，夯扩桩跟进，对持力层以上1. 5m 范围内的土层进行强夯，保證持力层土体的挤密效应。达到设计要求的3 击贯入度要求后，
正常施工。既解决了拔管难的问题，也使成桩质量得到很大提高。在载体桩的施工中，要根据地质情况，采取相应的保证措施，充分掌握载体桩的特点及原理，把理论与实践有机地结合起来。载体桩施工时除了要进行常规原材料检测、试块检测、钢筋笼偏差检查和桩位偏差检查外，还包括有关载体施工的4 项检查:填料量、夯填混凝土量、每击贯入度和3 击
贯入度。
2 石灰岩地区端承桩基础的施工
2.1 石灰岩地区的工程地质条件
石灰岩地区的工程地质条件相当复杂, 以目前的工程勘察手段是难以查清楚的。因此, 在石灰岩地区施工桩基础, 其难度是相当大的, 弄得不好会留下很大的潜在危险。石灰岩地区工程地质条件的复杂性, 主要表现在一是基岩岩面起伏大, 高差悬殊, 形态变异大; 二是隐伏型岩溶发育丰富,常有溶洞发育, 且溶洞的大小、形态各异, 规律难找寻。
2.2 石灰岩地区端承桩基础的施工
2.2.1 施工方法及施工中常遇到的情况
石灰岩地区端承桩基础的施工, 最好是采用冲、钻结合, 以冲为主的施工方法。在施工中常会碰到以下情况:
(1) 由于岩面起伏大, 高差悬殊, 倾角陡, 易产生斜孔;
(2) 溶洞发育位置、深度不详, 桩易座落在溶洞之上, 因而难于保证桩的荷载能力;
(3) 溶洞贯通性好, 且多充填物, 易产生大量漏浆, 造成坍孔,甚至出现地面塌陷, 危及安全。
2.2.2 施工中应遵循的原则 根据石灰岩地区经常碰到的情况, 在施工中应遵循以下的原则:
(1) 应采用每桩一孔或多孔( 勘察孔) 的原则, 先摸清桩底地质条件。或者采用施工超前钻的方法探明桩底以下3 ～ 5 倍桩径范围内的地质情况, 以便采取对策处理, 施工超前钻可采用: ①在桩基础施工中, 可按设计桩径施工至设计入岩厚度后即换钻具施工超前钻; ② 按设计桩径施工至岩面后即换钻具施工超前钻。两种方法中, 以后者好, 可节省时间, 缩短工期, 耗费少;
(2) 在石灰岩地区施工钻孔桩时, 应备足粘土( 粘土球) 、钢护筒、速凝剂(CaCL2) 等材料, 以备应急;
(3) 对有溶洞的桩, 应根据实际情况提出处理方法再施工, 决不能掉以轻心, 危及安全;
(4) 在施工中如出现大量漏浆, 要密切注意, 并做好两方面准备工作: 一是架设好泵路及备好泥浆、黄土, 及时补充漏失的泥浆; 二是制定好人员、设备迅速撤离现场的措施, 以防因地质塌陷而出现危险。
3 孔斜及溶洞的处理方法
在石灰岩地区施工桩基础, 出现孔斜和遇到溶洞是常有的,因此, 应根据不同情况采取措施进行处理。
3. 1 孔斜的处理方法
(1) 首先在成孔过程中, 在钻具上加导向器和采用不同的钻头可以有效的预防孔斜的发生。出现孔斜时, 可以采用回填块石的方法重新造孔钻进, 纠正孔斜。
(2) 另外在出现孔斜时, 可以采用C20 级素砼进行水下灌注,灌注高度一般以高于开始出现孔斜的位置0. 5m 左右, 待砼有一定的强度后, 用Ø 146 钻具钻至原孔底以下, 以此孔作为进一步施工的导向孔, 这样即可纠正孔斜。
3. 2 溶洞的处理方法
遇到溶洞时, 其处理方法则采用# 堵∃ 或# 隔∃ 或# 堵、隔∃ 结合的方法。采用哪一种方法这要根据溶洞的大小、形状, 漏浆的严
重性来定。
3.2.1 不漏浆的溶洞
这类溶洞是指非连通性、有充填物的溶洞, 施工中没有或仅有少量泥浆消耗的溶洞, 其判断依据: ①工程勘察资料; ② 桩基施工中钻效判断、泥浆消耗情况。
这类溶洞施工中比较好处理。桩孔穿过溶洞后仅进入溶洞底板几十厘米即可终孔。成孔中不需“堵”或“隔”即可达到目的。
3.2.2漏浆的溶洞
这种溶洞可分为3 种类型: A 类溶洞: 桩位下的溶洞不大,但与邻近溶洞有联系, 互相沟通; B 类溶洞: 溶洞较大, 漏浆严重; C 类溶洞: 呈多层( 串珠) 状出现, 可能本来不连通( 或少有连通) , 因施工勘察钻或超前钻而使它们连成一体。
上述几种溶洞漏浆现象明显, 严重时, 甚至出现地面塌陷。其判断依据: 工程勘察资料; 施工中的钻具状态( 如突然掉钻、卡钻...)、漏浆现象。如A 类溶洞, 施工中不断漏浆, 经不断补给有可能维持施工水位; B 类溶洞表现有垂直高度大, 钻穿顶板时会出现大量漏浆的现象, 虽大量补给仍难以维持施工水位,甚至出现地面塌陷的现象; C 类溶洞是指在不同深度出现大小各异且间距较小的溶洞。此类溶洞最难于处理。对这几类溶洞一般分别采取如下处理方法:
(1) A 类溶洞: 一般多采用# 堵∃ 的办法进行处理。“ 堵”的方法有两种: 一是投入大量的粘( 粘土球) , 以便把溶洞的通道堵塞,制止泥浆漏失。二是先用小口径钻孔( 如Ø108 或Ø146) 钻穿溶洞顶板, 灌入100# 的水泥砂浆, 这样可以堵塞溶洞通道, 并形成一定标号( 低于100# ) 的“止水”层, 灌后1~ 2d 后再用设计桩径的钻头钻进, 效果也很好。
(2) B 类溶洞: 由于漏浆严重, 因此, 在施工中多采用“ 堵”、“隔”结合的处理方法。具体操作步骤是: 第一, 用比设计桩徑大10 ～20cm 的钻头施工至岩面即停钻; 第二, 用小口径( 如Ø 146)钻头钻穿溶洞顶板后, 继续探明溶洞高度。这时会出现泥浆漏失, 因此要备足泥浆, 不断补充, 同时投入大量粘土球; 第三, 用比设计桩径大10~ 20cm 的钻头继续往下钻进, 同时投入大量粘土球, 必要时还可以投入部分水泥, 若不出现大量漏浆现象, 则钻至溶洞底板10 ～ 20cm 后再换设计桩径的钻头继续施工至设计入岩深度后停钻; 第四, 下钢护筒或加密后的钢筋笼进行“ 隔”。所下的钢护筒或加密部分的钢筋笼其直径应比设计桩大5 ～10cm,长度应大于溶洞的高度, 一般底板超过10～20cm, 顶板超出50cm 即可。
(3) C 类溶洞: 由于溶洞呈串珠状, 处理时要注意解决2 个问题: 一是多层状溶洞易于产生孔斜。施工中可先采用长岩芯管作超前导向, 缓慢施工; 二是要密切注意泥浆漏失及地面塌陷情况。对C 类溶洞的处理, 多采用投入大量的粘土, 待稳定几天后再重新施工, 并采用扩大孔径、下钢护筒或加密钢筋笼的方法。具体步骤是: 第一, 用大口径钻头施工至岩面; 第二, 改用小口径(Ø 146) 钻穿串珠状溶洞; 第三, 用200# 水泥砂浆进行水下灌注,把串珠状溶洞封堵; 第四, 再按设计桩径、桩长进行施工。如设计需要钻穿串珠状溶洞( 溶洞间距小) 时, 应改用比设计桩径大的钻头施工, 然后在采用下钢护筒或加密钢筋笼等方法等处理措施处理。
3 结束语
上述为溶洞发育的石灰岩地区施工端承桩基础经常碰到的孔斜和各类溶洞的一些施工处理方法及体会, 以及在石灰岩地区施工桩基础时应遵循的一些基本原则, 对在石灰岩地区施工桩基础有很好的指导作用, 提出来供同行参考。