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        嵌巖樁樁端超前鉆進(jìn)注漿系統(tǒng)及其施工技術(shù)

        2018-06-26 10:57:20周嘉林
        城市地質(zhì) 2018年2期
        關(guān)鍵詞:巖樁成樁巖層

        周嘉林

        (北京市地質(zhì)工程公司,北京 100143)

        0 引言

        樁基工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)要求樁端進(jìn)入中風(fēng)化、微風(fēng)化甚至新鮮巖體設(shè)定深度的情況,而受鉆進(jìn)能力限制,實(shí)際施工過(guò)程中,鉆機(jī)施工至目標(biāo)巖層界面時(shí),鉆進(jìn)效率急劇下降,個(gè)別情況還會(huì)出現(xiàn)無(wú)法鉆至設(shè)計(jì)深度的現(xiàn)象,致使施工進(jìn)度減慢、施工造價(jià)增加,甚至因基礎(chǔ)樁未能施工到設(shè)計(jì)深度而產(chǎn)生樁體承載力無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)象。不僅制約了基礎(chǔ)樁設(shè)計(jì)的發(fā)展,也嚴(yán)重制約了巖土施工企業(yè)在類似嵌巖樁工程投標(biāo)及施工過(guò)程中的主動(dòng)性。

        樁端超前鉆進(jìn)注漿系統(tǒng)及其施工方法是一種基礎(chǔ)樁施工領(lǐng)域中解決嵌巖樁樁端入巖困難的一種備選技術(shù)。常規(guī)嵌巖樁實(shí)施由于受到設(shè)備鉆進(jìn)能力限制會(huì)影響施工進(jìn)度、成本高且可控性差,成樁質(zhì)量不能得到有效地保障。因此,本文描述的一種樁端超前鉆進(jìn)注漿系統(tǒng)及其施工技術(shù),是可以解決以上問(wèn)題又能實(shí)現(xiàn)承載力相當(dāng)于入巖水平的樁端處理的系統(tǒng),可為今后嵌巖樁設(shè)計(jì)、施工提供一定的選擇空間,豐富了設(shè)計(jì)、施工方法。

        1 嵌巖樁設(shè)計(jì)施工與問(wèn)題

        1.1 嵌巖樁設(shè)計(jì)、施工現(xiàn)狀

        對(duì)于民用建筑工程,嵌巖樁單樁承載力極限值主要通過(guò)靜載荷試驗(yàn)結(jié)合《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011) 計(jì)算進(jìn)行確定。從公式(1)可知,嵌巖樁極限承載力主要由土層段側(cè)阻和嵌巖段綜合端阻提供,在樁徑及樁端巖層確定的情況下,嵌巖段綜合端阻只與端阻綜合系數(shù)有關(guān),而樁端綜合系數(shù)又與嵌巖深徑比有關(guān),見(jiàn)表1。

        式中:Quk、Qrk為分別為土的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、嵌巖段總極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值;Qsik為樁周第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;Li、Ap為樁周土層段長(zhǎng)度及樁端面積;Frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;為樁嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)。

        表1 嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)Tab.1 Comprehensive coef fi cient of shaft and tip resistance of socketed pile in rock

        在樁體參數(shù)確定的情況下,影響嵌巖樁嵌巖段承載力的因素主要由嵌巖深徑比及樁端巖層強(qiáng)度決定。在工程場(chǎng)區(qū)選定的情況下,嵌巖深徑比是決定嵌巖段承載力的決定因素。從規(guī)范表5.3.9可以看出,對(duì)于硬質(zhì)巖,嵌巖深徑比達(dá)到4.0后,再增加嵌巖樁入巖深度對(duì)于提高單樁承載力效果便不再明顯。

        式中:Ra為單樁承載力特征值;qpa為樁端巖石承載力特征值;ψr為折減系數(shù),根據(jù)巖體完整程度及結(jié)構(gòu)面的間距、寬度、產(chǎn)狀和組合,由地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定;frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

        從公式(2)可知,嵌巖樁單樁承載力特征值取決于巖層飽和單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)rk、樁截面積Ap和折減系數(shù) 。折減系數(shù) 根據(jù)樁端巖層的完整程度及結(jié)構(gòu)面的間距、寬度、產(chǎn)狀的組合,由地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定(史佩棟,2015)。

        對(duì)于嵌巖樁的施工,國(guó)內(nèi)目前主要采用大扭矩旋挖鉆機(jī)入巖成樁、沖擊鉆機(jī)沖擊成樁或小扭矩旋挖鉆機(jī)與沖擊鉆機(jī)接力成樁方法,近幾年又出現(xiàn)了風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)。雖然成樁方法日趨多樣,但每種成樁方法都或多或少存在各自的弊端,影響其在實(shí)際施工過(guò)程中的使用。

        1.2 存在的問(wèn)題與不足

        對(duì)于樁端入巖基礎(chǔ)樁工程,當(dāng)巖體硬度較大時(shí),解決大直徑樁入巖問(wèn)題往往采用大扭矩旋挖鉆機(jī)成樁、沖擊鉆機(jī)成樁、小扭矩鉆機(jī)與沖擊鉆機(jī)或風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)接力成樁的方法,以上各種方法都具有相應(yīng)的不足之處。

        大扭矩旋挖鉆機(jī)入巖成樁:旋挖鉆進(jìn)成樁已是成熟工法,但由于大扭矩旋挖鉆機(jī)造價(jià)高昂,市場(chǎng)保有率低,對(duì)于體量較大的工程,常出現(xiàn)因無(wú)法組織足夠數(shù)量的鉆機(jī)進(jìn)行施工而影響施工進(jìn)度的情況。

        沖擊鉆機(jī)沖擊成樁及小扭矩鉆機(jī)與沖擊鉆機(jī)接力成樁:沖擊成樁就是通過(guò)沖擊鉆機(jī)將帶刃的沖擊錘提升到一定高度,通過(guò)沖擊錘沖擊震碎及切削孔底巖層實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。該工藝沖擊成樁效率低下,所排泥漿容易造成污染。

        風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)接力成樁:通過(guò)大直徑潛孔錘巨大的沖擊能量實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬質(zhì)巖的高效鉆進(jìn),解決了大直徑樁在硬質(zhì)巖層鉆孔困難的問(wèn)題(趙大軍,2012),但鉆進(jìn)過(guò)程中需要配備大功率、高風(fēng)量空壓機(jī)、形成泥漿循環(huán)系統(tǒng),因此鉆進(jìn)成本及環(huán)境污染增加,目前在華北區(qū)域還鮮見(jiàn)采用。

        2 系統(tǒng)組成及技術(shù)

        2.1 原理及系統(tǒng)的組成

        樁端超前鉆孔注漿技術(shù),適用于嵌巖樁入巖困難時(shí),樁端施工至相對(duì)較為軟弱巖層后,通過(guò)采用成樁后在樁端鉆進(jìn)一定深度的超前注漿孔,形成注漿通道,然后沿著注漿通道向樁端巖層裂隙內(nèi)壓入水泥漿等可固結(jié)巖層裂隙的化學(xué)漿液,使樁端巖層形成一個(gè)整體,并與基礎(chǔ)樁有效結(jié)合,提高施工效率的同時(shí),實(shí)現(xiàn)提高單樁承載力的目的。因只在樁端以下巖層鉆進(jìn)小直徑鉆孔,其對(duì)樁端巖層做功較小,能耗損失小,相應(yīng)降低了施工成本。超前鉆孔注漿是在基礎(chǔ)樁成樁后鉆進(jìn),不僅對(duì)基礎(chǔ)樁的施工不產(chǎn)生任何影響,還有利于施工過(guò)程中形成流水作業(yè),相對(duì)普通嵌巖樁施工進(jìn)度更快(圖1)。

        圖1 樁端超前鉆進(jìn)注漿系統(tǒng)剖面示意圖Fig.1 Sketch map of drilling and grouting at the bottom of the socketed pile

        超前鉆進(jìn)注漿系統(tǒng)主要包括:綁扎在基礎(chǔ)樁鋼筋籠上的超前鉆進(jìn)注漿管、地質(zhì)鉆機(jī)、高壓注漿泵、地質(zhì)鉆機(jī)的鉆桿經(jīng)綁扎在基礎(chǔ)樁鋼筋籠上的超前注漿鋼管下放至樁端與巖層接觸并在強(qiáng)度較高巖層鉆進(jìn)形成的超前注漿孔。超前鉆進(jìn)注漿管可采用普通焊管或無(wú)縫鋼管等,內(nèi)徑為30~150mm,與擬采用的超前鉆進(jìn)地質(zhì)鉆機(jī)鉆具匹配為準(zhǔn);管口上端套絲,絲扣間距與注漿閥匹配。根據(jù)基礎(chǔ)樁直徑的不同,可布設(shè)2~3根超前鉆進(jìn)注漿管。超前鉆進(jìn)注漿管在注漿前不僅可以作為聲測(cè)管使用,而且可算入工程樁配筋,不單獨(dú)增加造價(jià),在施工時(shí)下入容易,避免了沿樁身鉆孔的無(wú)效工作,而且便于注漿作業(yè)。

        2.2 工藝流程

        嵌巖樁鉆孔至目標(biāo)巖層界面后,樁孔內(nèi)下入綁扎有超前注漿管的鋼筋籠,然后澆筑混凝土成樁,待樁身混凝土終凝后,將地質(zhì)鉆機(jī)鉆桿沿超前注漿管下入至樁端,啟動(dòng)地質(zhì)鉆機(jī)在樁端鉆進(jìn)巖層,施工超前注漿孔,終孔向超前注漿管內(nèi)壓入高壓水,通過(guò)高壓水沖洗基礎(chǔ)樁樁端巖層裂隙,最后用高壓水泥漿或混合漿液注漿。具體施工工序如下:①基礎(chǔ)樁施工至目標(biāo)巖層;②下入綁扎有超前鉆進(jìn)注漿鋼管(端口柔性密封)的鋼筋籠后澆筑混凝土;③樁身混凝土終凝后,地質(zhì)鉆機(jī)(含錨固鉆機(jī)、潛孔錘鉆機(jī)、背包鉆機(jī)等)鉆桿沿著超前注漿管下入基礎(chǔ)樁樁端進(jìn)行樁端鉆進(jìn)造孔(一般鉆進(jìn)深度3~5m,約3~4倍基礎(chǔ)樁直徑);④超前注漿管管口接高壓水,沖洗、擴(kuò)張基礎(chǔ)樁樁端巖層裂隙;⑤超前注漿管管口接高壓水泥漿或混合漿液進(jìn)行壓力注漿;⑥樁端超前鉆進(jìn)注漿的注漿量或注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求,終止注漿(圖2)。

        實(shí)施案例提供的樁端超前鉆進(jìn)注漿系統(tǒng),構(gòu)成簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)合理,將目前較為成熟的巖層注漿技術(shù)與基礎(chǔ)樁樁端注漿工藝相結(jié)合,通過(guò)采用樁端超前鉆進(jìn),在鉆孔內(nèi)高壓注漿,通過(guò)充填、固結(jié)樁端巖層的裂隙,使樁端與樁端巖層成為一個(gè)整體,充分發(fā)揮巖層固有承載力,來(lái)實(shí)現(xiàn)在樁端不充分入巖的情況下,起到樁端入巖的效果,在提高施工效率、控制施工造價(jià)的同時(shí),提高基礎(chǔ)樁承載力。

        3 施工參數(shù)的確定

        3.1超前注漿孔深度及直徑的確定

        依據(jù)上述文獻(xiàn),對(duì)于硬質(zhì)巖,嵌巖深徑比達(dá)到4.0后,再增加嵌巖樁入巖深度對(duì)于提高單樁承載力效果便不再明顯,因此,一般超前鉆進(jìn)注漿孔深度宜為3~5m,約3~4倍基礎(chǔ)樁直徑。超前鉆進(jìn)注漿孔內(nèi)徑宜為30~150mm,可根據(jù)基礎(chǔ)樁的直徑進(jìn)行調(diào)整。

        圖2 樁端超前鉆進(jìn)注漿施工流程圖Fig.2 Construction fl ow chart of drilling and grouting at the bottom of the socketed pile

        3.2 注漿材料的選擇

        注漿材料主要選用水泥漿,其主要特點(diǎn)是結(jié)石力學(xué)強(qiáng)度高,耐久性好且無(wú)毒,成本較低。但因普通水泥漿液容易離析和沉淀,穩(wěn)定性較差且硬化時(shí)伴有體積收縮,因此可摻入速凝劑、緩凝劑、膨脹劑、流動(dòng)劑、防析水劑等不同的附加劑改善水泥漿液的性質(zhì)。

        3.3 注漿參數(shù)的確定

        注漿參數(shù)包括水灰比、終止注漿壓力、注漿量、注漿時(shí)間等參數(shù),注漿作業(yè)開(kāi)始前,應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)性注漿,不斷優(yōu)化并最終確定注漿參數(shù)。

        (1)注漿壓力的確定

        注漿壓力應(yīng)根據(jù)前期沖洗、擴(kuò)張巖層裂隙的注水壓力結(jié)合相鄰注漿導(dǎo)管返漿情況確定,為確保漿液在巖層裂隙間的擴(kuò)張及填充效果,最小注漿壓力不宜小于3MPa。漿液的擴(kuò)散能力與注漿壓力的大小有關(guān),在保證漿液能夠注入的前提下,宜采用相對(duì)較低的注漿速率,注漿流量不宜超過(guò)75L/min。

        (2)注漿量的確定

        最小注漿量可根據(jù)式(3)估算。

        式中:R為擴(kuò)散半徑,h為超前注漿段深度,μ為樁端巖層裂隙率,β為有效填充系數(shù),γ為樁端巖層裂隙填充率。

        注漿過(guò)程中,如出現(xiàn)水泥漿液從該樁其他注漿孔大量返出的現(xiàn)象時(shí),可暫停注漿,采用間歇補(bǔ)漿的方式進(jìn)行注漿,直至最小注漿量達(dá)到預(yù)估注漿量。

        (3)注漿時(shí)間的確定

        注漿作業(yè)應(yīng)在樁身混凝土終凝后進(jìn)行,宜于成樁兩天后開(kāi)始。當(dāng)樁身超前注漿管兼作聲測(cè)管使用時(shí),應(yīng)先完成聲波測(cè)試后再行注漿。

        4 應(yīng)用實(shí)例

        柬埔寨金邊某基礎(chǔ)樁項(xiàng)目,設(shè)計(jì)樁端穿透全風(fēng)化砂巖,嵌入下伏強(qiáng)度較高中風(fēng)化砂巖,樁端區(qū)域巖、土層埋深及特性見(jiàn)表2。

        表2 項(xiàng)目第BH-5#鉆孔樁端區(qū)域地層描述Tab.2 Project section of BH-5# borehole end regional stratigraphic description

        計(jì)算項(xiàng)目基礎(chǔ)樁抗壓承載力特征值時(shí)忽略樁側(cè)土層側(cè)摩阻力,只計(jì)入樁端位于巖層內(nèi)的側(cè)摩阻及端阻;抗拔承載力計(jì)算時(shí),考慮樁側(cè)土層提供的側(cè)阻。基本設(shè)計(jì)參數(shù):混凝土抗壓強(qiáng)度35MPa,樁端砂巖承載力特征值5.5MPa,巖層段側(cè)摩阻標(biāo)準(zhǔn)值350kPa,巖層段抗拔側(cè)摩阻標(biāo)準(zhǔn)值200kPa(表3)。

        表3 基礎(chǔ)樁設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 design parameters of foundation piles

        試樁施工階段,鉆進(jìn)至中風(fēng)化以下巖層后,受到鉆機(jī)鉆進(jìn)能力限制,個(gè)別樁孔無(wú)法鉆進(jìn)至目標(biāo)深度,采用樁端超前鉆進(jìn)注漿工藝施工后,經(jīng)檢測(cè)承載能力能夠滿足設(shè)計(jì)要求(圖3)。

        圖3 現(xiàn)場(chǎng)注漿Fig.3 Site grouting

        現(xiàn)場(chǎng)超前鉆進(jìn)注漿鉆孔由KLM803套管鉆機(jī)鉆進(jìn)完成,樁端鉆孔深度5m,鉆孔直徑100mm。超前注漿孔施工前已在樁身鋼筋籠上綁扎有與鋼筋籠等長(zhǎng)的內(nèi)徑100mm鋼管,作為鉆進(jìn)通道,避免了在樁身鉆孔。需注意的是,樁孔內(nèi)下入鋼筋籠前,應(yīng)將注漿鋼管采用泡沫塞封底并用膠帶進(jìn)行二次密封,防止灌注樁身混凝土?xí)r混凝土漿液進(jìn)入管道。

        5 結(jié)論

        樁端超前鉆進(jìn)注漿系統(tǒng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)合理,將較為成熟的巖層注漿技術(shù)與基礎(chǔ)樁樁端注漿工藝相結(jié)合,采用樁端超前鉆進(jìn),在鉆孔內(nèi)高壓注漿,通過(guò)充填、固結(jié)樁端巖層的裂隙,使樁端與樁端巖層成為一個(gè)整體,充分發(fā)揮巖層固有承載力,實(shí)現(xiàn)了在樁端不充分入巖的情況下,達(dá)到樁端入巖的效果,在提高施工效率、控制施工造價(jià)的同時(shí),提高基礎(chǔ)樁承載力,非常具有推廣意義。目前,限于應(yīng)用實(shí)例較少,超前鉆進(jìn)注漿系統(tǒng)的施工參數(shù)還有待根據(jù)大量的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)反饋進(jìn)一步完善,通過(guò)大量的極限荷載對(duì)比試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)出采用樁端超前鉆進(jìn)注漿技術(shù)的微嵌巖樁與相同場(chǎng)地條件下常規(guī)嵌巖樁極限承載力的對(duì)比參數(shù),總結(jié)出根據(jù)樁端巖石抗壓承載力標(biāo)準(zhǔn)值與巖層完整程度及超前注漿參數(shù)估算基礎(chǔ)樁承載力的經(jīng)驗(yàn)公式,便于該工藝的推廣使用。

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