旋挖、钻冲孔等大直径灌注桩设计与施工

冲孔、旋挖大直径嵌岩混凝土灌注桩设计与施工邓汉荣2010.07冲孔、旋挖大直径嵌岩混凝土灌注桩设计与施工基础设计和施工是人类和自然的直接对话，人类只有顺应自然，认知自然，才能合理改造自然。对人类改造自然的方式、方法，应进行前期充分的风险评估，才能使实施阶段得到有效控制。冲孔、旋挖大直径嵌岩混凝土灌注桩设计与施工针对冲击钻成孔，旋挖钻孔大直径（D≥800mm）嵌岩灌注桩设计、施工、检测、工程处理等工程实践中，遇到的若干工程问题，结合现行规范、规定，进行分析、总结。冲孔、旋挖大直径嵌岩混凝土灌注桩设计与施工目录：一、成孔工作原理、慎用范围和主要优缺点二、嵌岩混凝土灌注桩的设计三、嵌岩混凝土灌注桩施工注意事项四、工程检测五、灌注桩工程问题及处理六、工程桩检测案例七、岩溶（土）洞处理案例八、灌注桩工程质量案例1.成孔工作原理、慎用范围和主要优缺点1.1.冲击钻成孔灌注桩：1.1.1.工作原理：冲击钻成孔施工方法是采用冲击式钻机或卷扬机带动一定重量的冲击钻头，在一定高度内使钻头提升，然后突放使钻头自由降落，利用冲击动能冲挤土层或破碎岩层而形成桩孔，然后再用淘渣筒或者其他方法将钻渣岩屑排出。1.成孔工作原理、慎用范围和主要优缺点1.1.冲击钻成孔灌注桩：1.1.2.慎用范围：（a）地铁保护范围；（b）附近有精密仪器使用范围。备注：施工场地属于地铁保护范围，使用冲孔桩时，需申报，评审。1.成孔工作原理、慎用范围和主要优缺点1.1.冲击钻成孔灌注桩：1.1.3.优点：（a）可以破碎任何强度的岩石；（b）冲击土层时的冲挤作用形成的孔壁较为坚固，成孔直径和理论值接近；（c）钻进参数容易掌握；备注：入岩进尺较有规律性（d）钻头改造简单。备注：①所以理论上，可以施工任何直径灌注桩。②冲孔桩属于部分挤土桩。③虽然成孔直径和理论值接近，但较弱土层段，充盈系数会较大。1.成孔工作原理、慎用范围和主要优缺点1.2.旋挖钻孔灌注桩：：1.2.1.工作原理：旋挖钻孔施工是利用钻杆和钻斗的旋转，以钻斗自重并加液压作为钻进压力，使土屑装满钻斗后提升钻斗出土。通过钻斗的旋转、挖土、提升、卸土和泥浆置换护壁，反复循环而成孔。备注：旋挖桩可以：（a）干作业成孔。（b）泥浆护壁成孔。（c）加护筒成孔。1.成孔工作原理、慎用范围和主要优缺点1.2.旋挖钻孔灌注桩：：1.2.2.慎用范围：（a）根据广东现行设备能力，岩石单轴抗压强度≥15MPa时，需慎用；备注：旋挖钻孔入岩能力是一个综合问题，设备厂家称可入单轴抗压强度20MPa的岩石，应注意：①设计上的frk和实际的硬、软质岩试样最大值、最小值的差异关系；②入岩深度及岩性；③frk较大时，钻头磨损较大，成本较高。（b）卵石、碎石层较厚，需慎用；卵石、碎石层较厚且地下水丰富时，应禁用；（c）岩溶发育岩层，需慎用；持力层穿过溶洞时，应禁用。1.成孔工作原理、慎用范围和主要优缺点1.2.旋挖钻孔灌注桩：：1.2.3.优点：（a）可设计为带扩大头旋挖桩；备注：在岩层内扩头。（b）行走移动方便，成孔速度快；备注：行走路线应明确，成孔后应尽快灌注混凝土，必要时应跳挖施工。（c）现场需要用电负荷较小。备注：设备套数较少。1.成孔工作原理、慎用范围和主要优缺点1.2.旋挖钻孔灌注桩：：1.2.4.缺点：（a）在硬质岩层较致密的卵砾石（卵石粒径超过100mm）和孤石层施工较为困难；（b）不易形成混皮，护壁性相对较差，容易缩颈，塌孔；（c）成孔直径和理论值可能差异较大。1.3.冲孔、旋挖成孔相结合使用问题。1.4.人工挖孔、正（反）循环钻孔桩概念。2.嵌岩混凝土灌注桩设计2.1.广东省规范《建筑地基基础设计规范》（DBJ15-31-2003）相关规定：2.1.1.完整、较完整岩石地基承载力特征值：fa=Ψr•frk折减系数Ψr的建议值较完整岩体完整岩体硬质岩0.20～0.250.25～0.33软质岩0.30～0.400.40～0.502.嵌岩混凝土灌注桩设计2.1.2.较破碎、破碎、极破碎岩石地基承载力特征值fa：注：强风化岩石的实测标准贯入试验击数N’≥50。风化程度强风化中风化微风化硬质岩700～15001500～4000≥4000软质岩600～10001000～2000≥20002.嵌岩混凝土灌注桩设计2.1.3.水下钻（冲）孔灌注桩的端阻力特征值的经验值qpa（kPa）土层名称土的状态桩入土深度（m）≤1515碎石、卵石中密、密实1200～18001600～2800强风化软质岩N`≥50600～900800～1200强风化硬质岩N`≥50800～12001000～16002.嵌岩混凝土灌注桩设计2.1.4.人工挖孔灌注桩的端阻力特征值的经验值qpa（kPa）注：桩长径比l/d3，桩长小于4m者取低值。土层名称土的桩台端阻力特征值碎石、卵石中密、密实2000～3000强风化软质岩N`≥501200～1600强风化硬质岩N`≥501300～20002.嵌岩混凝土灌注桩设计2.1.5.桩端进入中、微风化岩层的嵌岩桩单桩竖向承载力特征值：Ra＝uΣqsiali+upC2frshr+C1frpApC1、C2系数注：①C1、C2系数，根据持力层基岩完整程度及沉渣厚度等因数确定；②桩端扩大头时，扩大头斜面部分取C2＝0；③当桩端嵌入基岩深度hr0.5m时，C2＝0。C1C20.24～0.400.032～0.0482.嵌岩混凝土灌注桩设计2.2.综述：2.2.1.单轴抗压强度标准值、岩样抗压强度、现场压板岩石抗压强度之间的关系。2.2.2.计算公式的关系：中微风化岩深度不修正，硬、软质岩系数问题。2.2.3.设计方法：结合frk（frk≤5MPa，5MPafrk6MPa，frk≥6MPa）和岩性，按不同计算公式计算。（a）岩土工程勘查报告；备注：①frk6MPa，应提供qpa，qps；②芯样照片分析;③地下障碍物判断。（b）持力层、桩径、扩大头尺寸的选择；备注：①桩身混凝土强度[C30（C25），C35（C30）]；②冲（旋挖）各自选择----冲（万能桩），③旋挖（扩大头）；④可能存在软弱下卧层。（c）旋挖成孔工艺的选择；（d）沉渣厚度取值；（e）检测的设计最低要求。2.嵌岩混凝土灌注桩设计2.2.4超前钻探：（a）范围确定原则：根据岩性(夹层情况)、重要性(荷载大小)、受力性质(压、拔)等；（b）成果分析(夹层、斜度)；（c）参考桩长和入岩深度的深化设计。2.嵌岩混凝土灌注桩设计2.2.5工程验收问题：备注：①现场抽芯微风化、中风化、强风化岩样判断；②《岩土工程勘查报告》、《超前钻探报告》岩样对照、分析、入岩判断。风化程度野外特征未风化岩质新鲜，偶见风化痕迹微风化结构基本未变，仅节里面有渲染或略有变色，有少量风化裂隙中风化结构部分破坏，沿节里面有次生矿物，风化裂隙发育，岩体被切割成岩块。用镐挖难挖，岩芯钻方可钻进强风化结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育，岩体破碎，用镐可挖，干钻不易钻进全风化结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，可用镐挖，干钻可钻进残积土组织结构全部破坏，已风化成土状，楸镐易挖掘，干钻易钻进，具可塑性。3.嵌岩混凝土灌注桩施工注意事项3.1.《施工组织设计》应包括的内容3.1.1.设备、设备入岩能力及成孔工艺选择，应根据桩型(扩底否)、岩土层情况(岩土性、地下障碍物)等条件进行说明。3.1.2.施工平面图：标注桩位编号、施工顺序。3.1.3.采用泥浆护壁成孔时，应标明泥浆技术参数、制备设施及其循环系统。3.1.4.成孔通病防冶和处理措施说明。3.1.5.入岩判断方法、终孔条件、清渣方法。测沉渣的时间、方法。3.1.6混凝土灌注说明(要求详3.4部分)。3.1.7.钢筋笼制作安装、通病防冶和处理措施说明。3.1.8.关键工序(定位、入岩、扩底、测渣、首批砼灌注)验收(旁站)说明.3.1.9.施工过程的应急预案(成孔过程、砼灌注过程).备注：其中“入岩判断方法、终孔条件”最终由试桩时工程各方共同确定。3.嵌岩混凝土灌注桩施工注意事项3.2.冲孔成孔3.2.1各类土层中冲程和泥浆相对密度选用表适用图层钻进方法在护筒及刃脚以下3m低冲程1m左右，泥浆相对1.2～1.5，土层松软时投入小片石和黏土块黏性土、粉土层中、低冲程1～2m，加清水或稀泥浆，经常清楚钻头上的泥块粉、细、中、粗砂层中冲程2～3m，泥浆相对密度1.2～1.5，投入黏土块，勤冲、勤洗、勤淘渣砂卵石层中、高冲程2～4m，泥浆相对密度1.3左右，多投黏土，减少投石量，勤淘渣。基岩高冲程3～4m，加快冲击频率8～12次/min，泥浆相对密度1.3左右。软弱土或塌孔回填重钻低冲程反复冲击，加黏土块夹小片石，泥浆相对密度1.3～1.5淤泥层低冲程0.75～1.50m，增加碎石和黏土投量，边冲击边投入3.嵌岩混凝土灌注桩施工注意事项3.2.2.遇到孤石或岩面较斜时可以抛填片石，用高冲程冲击，或高低冲程交替冲击。3.2.3.岩溶发育层成孔：(a)冲孔顺序：一般由深到浅，由大到小的原则安排，以利于及时封闭溶洞，隔断通路。(b)在溶洞内冲孔，关键是解决斜面开口和洞内造壁问题。(c)溶（土）洞各种处理方法：投放石块加黏土，加钢护筒，灌浆法。3.2.4施工安全问题。3.嵌岩混凝土灌注桩施工注意事项3.3.旋挖成孔3.3.1.确保稳定液（浆液）的质量，泥浆护壁是利用泥浆与地下水之间的压力差来控制水压力，以确保孔壁的稳定，稳定液的主要指标包括：密度、黏度、pH值、含砂量等。3.嵌岩混凝土灌注桩施工注意事项稳定液的主要性能指标备注：①黏度：恩氏粘度又叫思格勒(Engler)黏度。是一定量的试样，在规定温度(如：50℃、80℃、100℃)下，从恩氏黏度计流出200毫升试样所需的时间与蒸馏水在20℃流出相同体积所需要的时间(秒)之比。恩氏粘度的单位为条件度。②失水率：一定体积的泥浆在规定空气压力下流出的滤液量即为失水率。③ｐＨ值超过某一限度，吸附量急剧下降，直至基本不吸附。项目指标膨润土的最低浓度8%泥浆的最小黏度（500/500mL）25s失水率的限度（0.3MPa）每30min20mLpH值的最高限度113.嵌岩混凝土灌注桩施工注意事项钻斗钻成孔法稳定液的必要黏度参考值土质必要黏度（s）（500/500mL）砂质淤泥20～23砂（N10）45砂（10≤N20）25～45砂（N≥20）23~25混杂黏土的砾砂25~35砾砂453.嵌岩混凝土灌注桩施工注意事项3.3.2.为防止钻头内的土砂掉落到孔内，使稳定液性质变坏或沉淀到孔底，斗底活门在钻进过程中应保持关闭状态。3.5.3.必须控制钻斗在孔内的升降速度。3.5.4.承压水较丰富时，宜适当降水。3.5.5.灌注水下混凝土前，孔底500mm以内的泥浆相对应小于1.25，含砂率不得大于8％，黏度不得大于28s。3.嵌岩混凝土灌注桩施工注意事项3.4.灌注水下混凝土的质量控制应满足下列要求：3.4.1.开始灌注混凝土时，导管底部至孔底的距离宜为300～500mm；3.4.2.应有足够的混凝土储备量(应计算)，导管一次埋入混凝土灌注面以下不少于0.8m；3.4.3.导管埋入混凝土深度宜为2～6m(拔管速度应计算,测量应专人)。严禁将导管提出混凝土灌注面，并应控制导管提拔速度，应有专人测量导管埋深及管内外混凝土灌注面的高差，填写水下混凝土灌注记录；3.4.4.灌注水下混凝土必须连续施工，每根桩的灌注时间应按初盘混凝土的初凝时间控制，对灌注过程中的故障应记录备案。3.4.5.应控制最后一次灌注量，超灌高度宜为0.8～1.0m。凿除泛浆后必须保证暴露的桩顶混凝土强度达到设计等级。4.工程检测4.1施工前的试验（设计依据）规范及条文号条文内容概述DBJ15-31-2003中10.1.9条施工前须需静载试验：①甲级且没同桩型在相似地质的试桩资料作参考；②新桩型或新工艺，尚无可靠经验。DBJ15-31-2003中10.1.10条不具备静载条件时，大直径嵌岩桩，可根据持力层岩样单轴抗压强度或原位压板试验结果及桩身砼芯样等综合确