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【摘 要】针对钻孔灌注嵌岩桩常见的孤石与基岩的区分,不同风化程度岩石的判别及终孔标准,桩机嵌岩困难等问题,分析其产生原因,并提出解决对策。
【关键词】钻孔灌注嵌岩桩;孤石;风化程度;钻进速率;嵌岩深度
Several common problems and countermeasures of Zhoushan construction of rock-socketed piles
Tu Yin-jiu, Zhang Wei, Pan Shao-cheng
(Zhejiang Hongyu Engineering Survey and Design Co., Ltd. Zhoushan Zhejiang 316100)
【Abstract】Drilling reperfusion common rock-socketed piles and bedrock boulders to distinguish between the different degree of weathering of rocks and determine the standard end-hole, rock-socketed pile difficulties, analysis of its causes and to propose solutions.
【Key words】Rock-socketed piles bored reperfusion; Boulder; Degree of weathering; Drilling rate; Depth of rock-socketed
1.前言
钻孔灌注桩由于具有施工简单、噪音小、无震动、无挤土作用、适用于各种地质条件等优点,因此,应用十分普遍。尤其是其桩端能进入中等风化基岩,可以提供很高的承载力,很好的抗震性能,以及沉降及承载力不受群桩效应影响;在设计荷载大、单桩竖向极限承载力要求高、地下水位较高、基岩埋深中等～较深的地质条件下,泥浆护壁钻孔灌注嵌岩桩(以下简称钻孔嵌岩桩)常常成为首选桩型。
舟山地区钻孔嵌岩桩的使用也较多,码头、桥梁、重型厂房、高层建筑等单桩承载力设计值较高的建(构)筑物,常采用钻孔嵌岩桩。但是,钻孔嵌岩桩在使用过程中也经常遇到一些具体问题和困难,给其应用与施工带来许多困难,我们就自己工作中的经验与体会,对此进行探讨并提出相应的对策。
2.钻孔嵌岩桩常见的几个问题及产生原因
钻孔灌注桩中常见的孔壁坍塌,桩身缩径、夹泥、断桩,钢筋笼上浮,桩身蜂窝、麻面、露筋,导管堵塞,混凝土离析,桩底沉渣太厚等问题产生的原因及解决方法,见于桩基工程手册[1、2]及诸多文献,本文拟就以往文献中谈得不多的几个问题进行探讨。
2.1 孤石与基岩的区分。
舟山地区为海岛丘陵区,基岩顶部覆盖的第四系中-上更新统残坡积层,以及上更新统洪-冲积层中的碎石土、砂砾层、含砾粘性土中,都有大小不一、多寡不等的砾石分布,局部呈孤石出现。在坡麓带(特别是较大的沟谷出口处)、海蚀崖的底部尤为常见,如东港昌正铭都、山水人家、沈家门海珍苑、莲桥铭城等建设场地。孤石的存在不仅影响勘察和桩基正常施工;而且,一旦将孤石误认为基岩,使得桩端未真正进入基岩持力层,并将因桩基沉降过大而造成严重的后果。除了地质条件复杂、当事者经验不足的原因以外,与部分施工人员素质不高,不愿花很多时间和精力进行判别及嵌岩工作也不无关系。
2.2 桩孔中岩石风化程度的判别,以及终孔标准的确定。
桩孔中强风化、中等风化及微风化岩石的判别,是最为常见、争议也最多的一个问题。其原因首先是由于各种不同风化程度的岩石,在绝大多数情况下成渐变过渡,而不同于常见的岩土层那样呈突变接触,故不容易辨别;其次,缺乏统一的鉴定标志,不同鉴定人员根据各自经验,对岩石风化程度的判别差别很大。
此外,嵌岩桩终孔的标准之一——桩机在基岩中钻进速率(cm/h),也多是因人而异,随意性很大。
2.3 桩机嵌岩施工困难。
基桩施工中,由于桩机类型、碎岩工具(钻头)及钻进工艺选用不合适,造成基岩钻进中十分困难,无法满足设计要求,甚至无法嵌岩。
3.解决问题的方法及对策
3.1 怎样区分孤石与基岩
(1)认真研究勘察资料,分析场地工程地质背景,是否具备形成孤石条件,必要时与勘察人员进行商讨。
(2)桩机操作人员应该精心操作,细心掌握孔内钻进情况。一般说来,在孤石与基岩中钻进,由于岩石坚硬、阻力大,桩机都会发出响声,钻头并有跳头现象;但是,相对于孤石来讲,基岩的结构性要均匀得多,因此,在基岩中钻进所产生跳动与响声,要比钻进孤石时所产生的跳动及响声小得多。工作中只要认真观察、仔细对比,是不难分别的。
(3)晚更新世地层中的孤石,常常较下伏基岩风化程度要浅,而中更新世残坡积地层中的孤石,则不易与下伏基岩区分。
(4)必要时进行施工勘察,在有疑问的地段,施工少量钻孔进行揭露验证。
3.2 怎样鉴别岩石风化程度,确定钻孔嵌岩桩终孔标准
3.2.1 岩石风化程度的鉴别。
岩石风化程度的鉴别有定量与定性两大类方法。定量的方法主要是通过测定风化岩石与新鲜岩石的压缩波速度(Vp),以及饱和单轴抗压强度(fr),求得定量指标波速比(Kv)及风化系数(Kf)。但由于这两种方法耗时费钱,一般仅用于大型项目与重要工程。施工现场主要通过桩孔中的岩屑(俗称砂样)进行鉴别。不同风化程度岩石鉴别标志见表1。
表1中第1～3项鉴别标志需用仪器检测;第4、5项标志主要适用于基岩露头及人工挖孔嵌岩桩;钻孔嵌岩桩中岩屑鉴别主要使用最后的3项标志。在应用上述标志时应注意以下几点:⑴首先,应确定桩孔中基岩是属硬质岩还是软质岩,因为两类岩石的鉴别标志不同;舟山地区基岩绝大多数为火山岩(凝灰岩、熔结凝灰岩、熔岩)及花岗岩类,皆属坚硬岩石类。关于这点可以参阅勘察报告及区域地质调查报告,或向有关专家咨询。⑵原岩经过强烈风化后,因Fe2+转变为Fe3+,而呈红褐色;或因长石等矿物次生变化为粘土矿物(伊利石、蒙脱石、高岭石等),而呈灰白色。这些次生矿物硬度较低,小刀很容易刻动。⑶要着重鉴定那些棱角状、断口新鲜的岩屑,因为它们才真正代表孔底岩石;而浑圆状岩屑,则是上部岩石被破碎后残留孔底被磨圆的岩屑。⑷利用桩机钻进速率曲线,也能较准确的划分不同风化程度的岩石分界线(详见3.2.2)。
3.2.2 岩石中钻进速率曲线的作用。
由于不同风化程度岩石的鉴别较难,所以,施工中常常采用桩机在岩石中的钻进速率(cm/h),来作为判断不同岩石的标准,如有的场地钻进速率在中等风化凝灰岩中不大于10cm/h,中等风化花岗岩不大于15cm/h,作为终孔标准。这种定量化的指标,对判断岩石的风化程度无疑是有好处的。但是,往往受场地地质条件,以及桩机类型、钻头式样、桩径及桩长的不同而差异很大,另外,上述指标的确定因人而异,随意性很大。
说明:fr——饱和单轴抗压强度,MPa;Kf风化系数,为风化岩石饱和单轴抗压强度/新鲜岩石饱和单轴抗压强度;K、v——波速比,为风化岩石压缩波速/新鲜岩石压缩波速。
我们的体会是:应该在试桩及施工现场进行详细的钻进打桩记录,作出钻进速率曲线,基岩中该曲线的拐点就是不同可钻性岩石的界线(即岩石不同风化程度的直接反映),见下图1。
图1为岱山县政府行政大楼172#试桩钻进速率曲线。该孔于21.70m进入全风化花岗岩,平均钻进速率为123cm/h;24.60m进入强风化花岗岩,钻进速率37～17cm/h,平均27cm/h;25.34m进入中等风化花岗岩,钻进速率10～6cm/h,平均6.8cm/h。钻进速率曲线上不同岩石的分界面反映十分清楚,根据钻进速率曲线终孔标准定为中等风化岩石内每小时8cm左右为宜。
3.3 桩机嵌岩困难。
钻孔嵌岩桩施工中常常因为岩石坚硬、桩机选型不对、碎岩工具(钻头)及钻进工艺不当等原因,出现嵌岩困难,甚至出现不进尺,造成桩尖无法达到设计深度。
岩石的可钻性(即钻进时岩石破碎的难易程度)首先与岩石本身的性质有关,如与矿物组成、结构构造(颗粒粗细、分布及组合方式)、密度、硬度、强度、孔隙度、完整性等因素紧密相关;同时,与桩机设备类型、钻孔直径及深度、钻进方法、钻头的类型及质量、钻进工艺(压力、转速、水量)等有关。要解决基岩钻进困难,主要有以下几种方法:
(1)选用功率大、扭矩大的桩机。如上海探矿机械厂所产GPS-15、GPS-10型钻机,两者功率相近(分别为30及37KW),由于后者转速高,档位多,在土层中钻进时GPS-10型效率高于GPS-15型;但前者扭矩17KN•m,大于后者(8 KN•m)1倍以上,所以在岩石中钻进,GPS-10型就显得力不从心,应选用GPS-15型。
(2)常见的三翼、四翼钻头,只适用于普通的粘性土、粉土、砂土。要嵌入硬质岩一定的深度,就不能指望用一种钻头“包打天下”,应该根据岩石的可钻性,选用不同钻头。(a)对于中等硬度岩石(可钻性6～7级),可改进原有翼式钻头,加大钻头锥尖角(>120°),采用优质硬质合金刀片。(b)坚硬岩石(可钻性>8级),改用牙轮钻头、滚刀钻头;或者采用分级破碎的办法,将翼式钻头底部的小钻头改为牙轮式或阶梯状钻头。
4.结论
(1)桩孔中孤石与基岩的区分,主要通过现场细心观察钻机状态(响声、跳动),以及钻进速率(匀速或非匀速)来区分;认真分析勘察资料是必要的前提。
(2)岩石不同风化程度的区别,主要通过砂样中简易定性方法进行鉴别,如次生颜色、硬度、指甲掐断、小刀刻划、小锤敲碾等办法;利用钻进速率曲线能较准确划定不同风化程度岩石界线,并确定终孔标准。
(3)硬质岩石中钻进,要选用功率大、扭矩大的桩机,并采用合适的钻头及钻进工艺。
参考文献
[1] 桩基工程手册编写委员会,桩基工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1995
[2] 史佩栋,实用桩基工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1999
[3] 张宏,灌注桩检测与处理[M].北京:人民交通出版社,2001
[文章编号]1006-7619(2009)06-17-460
[作者简介]涂荫玖(1942-),男,湖南长沙人,教授级高工,从事岩土工程勘察及设计工作。
【关键词】钻孔灌注嵌岩桩;孤石;风化程度;钻进速率;嵌岩深度
Several common problems and countermeasures of Zhoushan construction of rock-socketed piles
Tu Yin-jiu, Zhang Wei, Pan Shao-cheng
(Zhejiang Hongyu Engineering Survey and Design Co., Ltd. Zhoushan Zhejiang 316100)
【Abstract】Drilling reperfusion common rock-socketed piles and bedrock boulders to distinguish between the different degree of weathering of rocks and determine the standard end-hole, rock-socketed pile difficulties, analysis of its causes and to propose solutions.
【Key words】Rock-socketed piles bored reperfusion; Boulder; Degree of weathering; Drilling rate; Depth of rock-socketed
1.前言
钻孔灌注桩由于具有施工简单、噪音小、无震动、无挤土作用、适用于各种地质条件等优点,因此,应用十分普遍。尤其是其桩端能进入中等风化基岩,可以提供很高的承载力,很好的抗震性能,以及沉降及承载力不受群桩效应影响;在设计荷载大、单桩竖向极限承载力要求高、地下水位较高、基岩埋深中等～较深的地质条件下,泥浆护壁钻孔灌注嵌岩桩(以下简称钻孔嵌岩桩)常常成为首选桩型。
舟山地区钻孔嵌岩桩的使用也较多,码头、桥梁、重型厂房、高层建筑等单桩承载力设计值较高的建(构)筑物,常采用钻孔嵌岩桩。但是,钻孔嵌岩桩在使用过程中也经常遇到一些具体问题和困难,给其应用与施工带来许多困难,我们就自己工作中的经验与体会,对此进行探讨并提出相应的对策。
2.钻孔嵌岩桩常见的几个问题及产生原因
钻孔灌注桩中常见的孔壁坍塌,桩身缩径、夹泥、断桩,钢筋笼上浮,桩身蜂窝、麻面、露筋,导管堵塞,混凝土离析,桩底沉渣太厚等问题产生的原因及解决方法,见于桩基工程手册[1、2]及诸多文献,本文拟就以往文献中谈得不多的几个问题进行探讨。
2.1 孤石与基岩的区分。
舟山地区为海岛丘陵区,基岩顶部覆盖的第四系中-上更新统残坡积层,以及上更新统洪-冲积层中的碎石土、砂砾层、含砾粘性土中,都有大小不一、多寡不等的砾石分布,局部呈孤石出现。在坡麓带(特别是较大的沟谷出口处)、海蚀崖的底部尤为常见,如东港昌正铭都、山水人家、沈家门海珍苑、莲桥铭城等建设场地。孤石的存在不仅影响勘察和桩基正常施工;而且,一旦将孤石误认为基岩,使得桩端未真正进入基岩持力层,并将因桩基沉降过大而造成严重的后果。除了地质条件复杂、当事者经验不足的原因以外,与部分施工人员素质不高,不愿花很多时间和精力进行判别及嵌岩工作也不无关系。
2.2 桩孔中岩石风化程度的判别,以及终孔标准的确定。
桩孔中强风化、中等风化及微风化岩石的判别,是最为常见、争议也最多的一个问题。其原因首先是由于各种不同风化程度的岩石,在绝大多数情况下成渐变过渡,而不同于常见的岩土层那样呈突变接触,故不容易辨别;其次,缺乏统一的鉴定标志,不同鉴定人员根据各自经验,对岩石风化程度的判别差别很大。
此外,嵌岩桩终孔的标准之一——桩机在基岩中钻进速率(cm/h),也多是因人而异,随意性很大。
2.3 桩机嵌岩施工困难。
基桩施工中,由于桩机类型、碎岩工具(钻头)及钻进工艺选用不合适,造成基岩钻进中十分困难,无法满足设计要求,甚至无法嵌岩。
3.解决问题的方法及对策
3.1 怎样区分孤石与基岩
(1)认真研究勘察资料,分析场地工程地质背景,是否具备形成孤石条件,必要时与勘察人员进行商讨。
(2)桩机操作人员应该精心操作,细心掌握孔内钻进情况。一般说来,在孤石与基岩中钻进,由于岩石坚硬、阻力大,桩机都会发出响声,钻头并有跳头现象;但是,相对于孤石来讲,基岩的结构性要均匀得多,因此,在基岩中钻进所产生跳动与响声,要比钻进孤石时所产生的跳动及响声小得多。工作中只要认真观察、仔细对比,是不难分别的。
(3)晚更新世地层中的孤石,常常较下伏基岩风化程度要浅,而中更新世残坡积地层中的孤石,则不易与下伏基岩区分。
(4)必要时进行施工勘察,在有疑问的地段,施工少量钻孔进行揭露验证。
3.2 怎样鉴别岩石风化程度,确定钻孔嵌岩桩终孔标准
3.2.1 岩石风化程度的鉴别。
岩石风化程度的鉴别有定量与定性两大类方法。定量的方法主要是通过测定风化岩石与新鲜岩石的压缩波速度(Vp),以及饱和单轴抗压强度(fr),求得定量指标波速比(Kv)及风化系数(Kf)。但由于这两种方法耗时费钱,一般仅用于大型项目与重要工程。施工现场主要通过桩孔中的岩屑(俗称砂样)进行鉴别。不同风化程度岩石鉴别标志见表1。
表1中第1～3项鉴别标志需用仪器检测;第4、5项标志主要适用于基岩露头及人工挖孔嵌岩桩;钻孔嵌岩桩中岩屑鉴别主要使用最后的3项标志。在应用上述标志时应注意以下几点:⑴首先,应确定桩孔中基岩是属硬质岩还是软质岩,因为两类岩石的鉴别标志不同;舟山地区基岩绝大多数为火山岩(凝灰岩、熔结凝灰岩、熔岩)及花岗岩类,皆属坚硬岩石类。关于这点可以参阅勘察报告及区域地质调查报告,或向有关专家咨询。⑵原岩经过强烈风化后,因Fe2+转变为Fe3+,而呈红褐色;或因长石等矿物次生变化为粘土矿物(伊利石、蒙脱石、高岭石等),而呈灰白色。这些次生矿物硬度较低,小刀很容易刻动。⑶要着重鉴定那些棱角状、断口新鲜的岩屑,因为它们才真正代表孔底岩石;而浑圆状岩屑,则是上部岩石被破碎后残留孔底被磨圆的岩屑。⑷利用桩机钻进速率曲线,也能较准确的划分不同风化程度的岩石分界线(详见3.2.2)。
3.2.2 岩石中钻进速率曲线的作用。
由于不同风化程度岩石的鉴别较难,所以,施工中常常采用桩机在岩石中的钻进速率(cm/h),来作为判断不同岩石的标准,如有的场地钻进速率在中等风化凝灰岩中不大于10cm/h,中等风化花岗岩不大于15cm/h,作为终孔标准。这种定量化的指标,对判断岩石的风化程度无疑是有好处的。但是,往往受场地地质条件,以及桩机类型、钻头式样、桩径及桩长的不同而差异很大,另外,上述指标的确定因人而异,随意性很大。
说明:fr——饱和单轴抗压强度,MPa;Kf风化系数,为风化岩石饱和单轴抗压强度/新鲜岩石饱和单轴抗压强度;K、v——波速比,为风化岩石压缩波速/新鲜岩石压缩波速。
我们的体会是:应该在试桩及施工现场进行详细的钻进打桩记录,作出钻进速率曲线,基岩中该曲线的拐点就是不同可钻性岩石的界线(即岩石不同风化程度的直接反映),见下图1。
图1为岱山县政府行政大楼172#试桩钻进速率曲线。该孔于21.70m进入全风化花岗岩,平均钻进速率为123cm/h;24.60m进入强风化花岗岩,钻进速率37～17cm/h,平均27cm/h;25.34m进入中等风化花岗岩,钻进速率10～6cm/h,平均6.8cm/h。钻进速率曲线上不同岩石的分界面反映十分清楚,根据钻进速率曲线终孔标准定为中等风化岩石内每小时8cm左右为宜。
3.3 桩机嵌岩困难。
钻孔嵌岩桩施工中常常因为岩石坚硬、桩机选型不对、碎岩工具(钻头)及钻进工艺不当等原因,出现嵌岩困难,甚至出现不进尺,造成桩尖无法达到设计深度。
岩石的可钻性(即钻进时岩石破碎的难易程度)首先与岩石本身的性质有关,如与矿物组成、结构构造(颗粒粗细、分布及组合方式)、密度、硬度、强度、孔隙度、完整性等因素紧密相关;同时,与桩机设备类型、钻孔直径及深度、钻进方法、钻头的类型及质量、钻进工艺(压力、转速、水量)等有关。要解决基岩钻进困难,主要有以下几种方法:
(1)选用功率大、扭矩大的桩机。如上海探矿机械厂所产GPS-15、GPS-10型钻机,两者功率相近(分别为30及37KW),由于后者转速高,档位多,在土层中钻进时GPS-10型效率高于GPS-15型;但前者扭矩17KN•m,大于后者(8 KN•m)1倍以上,所以在岩石中钻进,GPS-10型就显得力不从心,应选用GPS-15型。
(2)常见的三翼、四翼钻头,只适用于普通的粘性土、粉土、砂土。要嵌入硬质岩一定的深度,就不能指望用一种钻头“包打天下”,应该根据岩石的可钻性,选用不同钻头。(a)对于中等硬度岩石(可钻性6～7级),可改进原有翼式钻头,加大钻头锥尖角(>120°),采用优质硬质合金刀片。(b)坚硬岩石(可钻性>8级),改用牙轮钻头、滚刀钻头;或者采用分级破碎的办法,将翼式钻头底部的小钻头改为牙轮式或阶梯状钻头。
4.结论
(1)桩孔中孤石与基岩的区分,主要通过现场细心观察钻机状态(响声、跳动),以及钻进速率(匀速或非匀速)来区分;认真分析勘察资料是必要的前提。
(2)岩石不同风化程度的区别,主要通过砂样中简易定性方法进行鉴别,如次生颜色、硬度、指甲掐断、小刀刻划、小锤敲碾等办法;利用钻进速率曲线能较准确划定不同风化程度岩石界线,并确定终孔标准。
(3)硬质岩石中钻进,要选用功率大、扭矩大的桩机,并采用合适的钻头及钻进工艺。
参考文献
[1] 桩基工程手册编写委员会,桩基工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1995
[2] 史佩栋,实用桩基工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1999
[3] 张宏,灌注桩检测与处理[M].北京:人民交通出版社,2001
[文章编号]1006-7619(2009)06-17-460
[作者简介]涂荫玖(1942-),男,湖南长沙人,教授级高工,从事岩土工程勘察及设计工作。