注浆加固法和旋挖钻孔灌注桩基础在岩溶发育地区中的应用_韦师圣.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-02-20 第一作者简介 韦师圣 （1976-） ， 男 （壮族） ， 广西象州人， 工程师， 现从事水文地质、 工程地质、 环境地质、 岩土工程勘察、 地质灾害勘查设计与施工、 地 基处理等施工技术与管理工作。 注浆加固法和旋挖钻孔灌注桩基础 在岩溶发育地区中的应用 韦师圣*1， 何德顺 2 （1.广西水文地质工程地质勘察院， 广西 柳州 545006； 2.广西贺州市平桂区自然资源局， 广西 贺州 542827） 摘要 结合柳州市某商住楼地处岩溶地面塌陷区， 为减少岩溶地面塌陷对建成后建筑物的损害， 采 取注浆加固法对岩溶发育区进行注浆加固； 而采用旋挖钻孔灌注桩来承担上部建筑物的荷载， 为减 少不同高度的建筑物对不均匀沉降要求， 采用桩筏基础。 关键词 岩溶地面塌陷； 注浆加固法； 旋挖灌注桩； 不均匀沉降； 桩筏基础 中图分类号 U443 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202011-0004-04 1概述 柳州市某房地产开发公司投资兴建四栋商住楼， 由二类高层住宅楼及附属商业楼组成， 其中1～2商住 楼一至三层为商业楼， 建筑高度11.55m， 四层至十五层 为住宅楼， 建筑高度45.150m； 3～4商住楼一至三层局 部为商业楼， 建筑高度11.55m， 一至四层局部及五层至 十五层为住宅， 建筑高度45.150m。四栋商住楼场地内 均设地下室1层。因该拟建的商住楼场地位于帽合村 岩溶地面塌陷区域内， 且受东侧F2、 F5断层影响， 溶槽 （洞） 发育， 溶槽 （洞） 深0.30～29.90m不等， 岩溶发育规 模较大， 且溶槽 （洞） 充填物多为可塑软塑状粘土夹 白云岩风化碎屑， 局部充填硬塑状粘土及钙华物， 地基 稳定性差， 未处理极易发生岩溶地面塌陷。 为确保该拟建商住楼的稳定性和安全， 避免因岩 溶地面塌陷对建成的商住楼破坏， 设计单位采取 “注浆 加固法和旋挖钻孔灌注桩” 对其进行处理， 即先对该拟 建的商住楼场地内溶洞 （槽） 规模较大地段进行注浆加 固处理， 然后整体采用桩筏联合基础， 桩端置于第⑦层 中风化白云岩中。 2场区内工程地质特征与水文地质条件 2.1场区内工程地质特征 该场地内地基岩土层主要由杂填土 （Qml） 、 耕表土 （Qpd） 、 第四系冲洪积成因的粉质粘土 （Qal） 、 第四系残 积成因的红粘土 （Qel） 及石炭系中统大埔组白云岩 （C2d） 组成。各土岩层岩性、 结构特征自上而下分述如 下 第①层杂填土 （Qml） 主要由粘性土夹碎石、 建筑 垃圾等组成， 结构松散， 场地内均有分布， 层厚0.80～ 3.60m。 第②层耕表土 （Qpd） 主要由粘性土组成， 局部为淤 泥， 土质欠均匀， 结构松散， 含有少量植物根系及腐殖 质， 该层大部分钻孔有揭露， 顶面埋深1.50～3.00m， 层 厚0.30～1.00m。 第③层硬塑状粉质粘土 （Qal） 土质均匀， 结构致 密， 无摇振反应， 干强度及韧性高， 手捻土芯略有砂 感。该层所有钻孔均有揭露， 顶面埋深0.80～3.60m， 层厚2.00～21.10m。 第④层可塑状粉质粘土 （Qal） 土质均匀， 结构欠致 密， 无摇振反应， 韧性及干强度中等， 手捻土芯略有砂 感， 手指摁压土芯印痕明显。该层只有部分钻孔有揭 露， 主要分布于 2～3商住楼地段， 顶面埋深 4.00～ 7.00m， 层厚0.50～5.20m。 第⑤层可塑状红粘土 （Qel） 结构欠致密， 土质均 匀， 指压土芯印痕深， 切面光滑， 韧性及干强度中等， 无 摇震反应。该层主要分布于下伏基岩面附近， 分布不 连续。顶面埋深4.80～18.50m， 层厚0.70～2.50m。 第⑥层强风化白云岩 （C2d） 岩石风化强烈， 岩体 破碎， 岩芯多呈砂状、 粉末状， 少量呈碎块状， 干钻易钻 4 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 进， 岩质较软。岩体极破碎， 不完整， 属软质岩， 岩体基 本质量等级为Ⅴ级。该层顶面埋深5.20～10.50m， 揭 露厚度0.20～22.50m。 第⑦层中风化白云岩 （C2d） 主要由碳酸盐类矿物 组成， 隐晶质结构， 中厚层状构造， 裂隙较发育， 局部地 段岩体破碎， 岩芯多呈碎块状、 砂状， 大部分地段岩体 较完整， 岩芯呈柱状， 岩石质硬性脆， 岩质新鲜， 局部见 溶洞、 溶槽、 溶蚀裂隙、 小溶孔， 溶蚀现象较明显。该层 岩石属较硬岩， 岩体破碎， 岩体基本质量等级为Ⅳ级。 该层顶面埋深6.80～29.30m， 层厚0.40～23.70m。 2.2场区内水文地质条件 场区内地下水可分为上层滞水和白云岩裂隙孔洞 （溶洞） 水， 具体特征如下 （1） 上层滞水 该层水主要赋存于上覆土层中， 水 量分布不均， 不具统一水位， 属上层滞水， 主要赋存于 杂填土及粉质粘土中， 以大气降水补给为主， 其水量较 小。 （2） 白云岩裂隙孔洞 （溶洞） 水 主要赋存于白云岩 溶洞、 溶蚀裂隙中， 在施工的钻孔给水钻进过程中大部 分为全孔返水， 初见水位一般在基岩面附近， 该地下水 埋深约2.20～4.30m。本场地岩溶水稍具承压性， 场区 上覆粘性土为相对隔水层， 该层地下水的承压水头随 旱、 雨季有所变化； 单桩涌水量10～80m3/h， 其富水程 度丰富。 3浅层岩溶发育情况 （1） 溶洞 （槽） 根据桩基施工勘察资料， 共完成638 个钻孔， 其中634个钻孔揭露基岩， 有228个钻孔遭遇 溶洞； 其中拟建1～2商住楼有140个钻孔遭遇溶洞， 3～4商住楼有88个钻孔遭遇溶洞。洞内多充填可塑 软塑状粘土夹白云岩风化碎屑， 局部充填硬塑状粘土 及钙质胶结物。场地钻孔遇溶洞率35.96， 在基岩总 进尺中， 溶洞总进尺为959.9m， 线岩溶率为10.50； 岩 溶发育规模上， 溶槽 （洞） 深 （高） 0.30～29.90m不等， 岩 溶发育局部规模较大， 发育深度无规律， 场区浅层岩溶 发育程度属岩溶强烈发育。 从本次勘察结果来看， 1～2商住楼西侧为溶洞 （槽） 规模较大地段， 特别是西北角， 溶槽发育强烈且规 模大， 充填物多为软塑流塑状粘土； 东侧的断裂破碎 带及两侧地段溶洞发育且局部规模也较大， 充填物多 为软塑流塑状粘土。该两处地基稳定性差， 未经处 理极易发生岩溶地面塌陷。3～4商住楼溶洞 （槽） 平 面上分布与1～2商住楼相似， 主要也是东西两侧溶洞 （槽） 发育强烈且规模大、 较大， 但3～4商住楼西侧溶 洞充填物多为硬塑状粘土及钙华物， 核心筒及轴线 23～29以东地段溶洞充填物多为软塑流塑状粘土， 地基稳定性差， 未经处理易发生岩溶地面塌陷。 （2） 岩溶裂隙发育段 在场地内局部地段存在有基 岩裂隙发育的情况， 根据钻探揭露， 其特征主要表现为 强风化中风化白云岩重复交替揭露， 钻探过程中表 现为进尺时快时慢。裂隙发育段大部分是受溶蚀影 响。在钻探深度内该情况底面埋深5.50～58.40m， 揭 露厚度0.30～17.80m。在该岩溶裂隙发育段取岩样6 组30件做岩石点抗压强度试验， 试验结果较低； 经换算 后， 岩石饱和单轴抗压强度6.4～10.5MPa， 饱和单轴抗 压强度标准值frk7.09MPa。 4注浆加固处理和旋挖钻孔灌注桩施工技术 4.1施工顺序 总的施工顺序 先对场地区内浅层岩溶发育地带 进行注浆加固处理， 再进行旋挖灌注桩施工； 而注浆加 固处理施工顺序 为避免水泥浆液无效扩散， 先进行外 围， 后中间， 形成有效注浆帷幕。 4.2注浆加固处理 4.2.1注浆加固处理的目的 对于浅层岩溶地面塌陷区覆盖层注浆加固处理的 目的是 消除其覆盖层的土洞， 同时增强塌陷堆积物及 松散土层的力学强度， 提高其抗冲刷潜蚀能力及整体 稳定性； 对于浅层岩溶地面塌陷区内下伏岩溶发育的 溶洞、 溶沟或溶槽灌浆加固处理， 其目的是使溶洞、 溶 沟或溶槽为水泥浆液充填满， 消除其储存地下水、 气的 空间； 同时在基岩与土层之间形成一层水玻璃水泥 系隔离层， 堵塞岩溶地面塌陷地段地下水活动的岩溶 通道， 隔断与地下水的水力联系， 大幅减弱地下水升降 对上覆土层的淘蚀影响， 确保地层的稳定性。 4.2.2注浆加固处理的范围 为确保注浆加固处理的效果， 注浆加固处理的横 向范围 依据 “桩基施工勘察” 查明的覆盖层的土洞和 岩溶发育的溶洞、 溶沟或溶槽分布情况， 以此为基准， 外扩2m作为注浆加固处理的横向范围； 注浆加固处理 的纵向深度范围 应自溶洞底板以下0.5m至室外设计 标高以上1.0m所有软弱地基土孔隙为纵向深度注浆 加固范围。 4.2.3注浆加固处理的方法 本次注浆加固处理方法是采用自下而上、 分段注 浆方式进行， 即将搅拌好的水泥浆液、 加水稀释的水玻 5 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 璃液分别用注浆泵抽送， 经高压胶管、 输送管， 于孔口 混合， 形成混合液。混合液在泵压作用下， 经注浆管， 从孔底进入受灌地层； 混合液通过扩散、 渗透、 挤密等 作用， 直接填充到岩洞、 土洞的孔洞中去， 或扩散、 渗透 到洞内充填物及软弱地基土孔隙中去， 与掉落于洞内 岩石块体、 粘土颗粒胶结、 硬化， 形成承载力高、 低压 缩、 结构致密、 稳定的地基土。当下一注浆段的注浆量 满足预计的注浆量时， 将注浆管往上提升0.3～0.5m， 进行上一注浆段的注浆。重复上述工序， 直到室外设 计标高以上1.0m为止。 4.2.4注浆孔布设与施工 （1） 为确保注浆加固效果， 相邻两个注浆孔孔距 1.0m， 相邻两排排距1.5m， 且间隔施工。 （2） 注浆孔采用机械成孔， 土层采用冲击取土法 进行机械成孔， 基岩及其溶洞采用硬质合金钻头或金 刚石钻头、 清水作为冲洗液回转钻进的机械成孔方法 成孔。因注浆孔地质条件复杂且较深， 通常情况下， 采用钢护筒进行护壁； 开孔直径∅150mm， 终孔直径 ∅91mm。 4.2.5注浆量的确定 对于某个注浆孔的注浆量Q可初步按照下式进行 确定 QKVnαβ 式中 V受灌地层的加固体积； K浆液的损耗系数， K取1.10～1.20； N受灌地层的孔隙率； α浆液结石率， α取0.90～0.95； β有效充填系数， β取0.85～0.95。 4.2.6注浆压力选用与浆液配制 （1） 注浆压力选用 本次岩溶地面塌陷注浆加固处 理注浆压力选用0.8～1.0MPa， 现场注浆压力应根据实 际情况进行调整。 （2） 注浆压力控制 注浆过程中注浆压力控制采用 逐级加压方法， 每一级浆液保持一定的压力， 并持续一 段时间 （通常为30min左右） 后， 改为下一级配的浆液进 行注浆， 采用控制注浆量的方法来控制注浆压力。当 地层吸浆量接近或达到设计注浆量时， 采用浓浆进行 闭浆30min。注浆过程中若遇到压力陡升或突降时， 应 查明原因或排除故障后方能继续注浆。 （3） 浆液的配制 水泥浆液的配制采用现场机械搅 拌， 搅拌均匀。根据大块石回填的实际情况， 采用级配 的浆液。对于结构疏松、 吸浆量大的注浆段， 采用水灰 比为 1 ∶ 1、 0.8 ∶ 1、 0.5 ∶ 1三种级配的浆液； 同时施工现 场应根据地层吸浆量的大小和压力变化及时做相应的 调整。 4.2.7终灌标准 在注浆过程中， 当某注浆段的注浆量满足预计注 浆量的1.3倍， 或持续30min或者地面冒浆时， 可结束 该灌浆段注浆。 4.3旋挖钻孔灌注桩施工 4.3.1测量放样， 确定桩位 依据甲方提供的设计图纸和测量控制点， 采用全 站仪进行测量放样， 确定桩位， 并用铁钉钉在木桩上， 标明中心位置； 桩位允许偏差在测量上控制在10mm 以内。 4.3.2旋挖桩机钻孔成孔 （1） 设备就位安装 本工程旋挖桩全部采用履带式 旋挖桩机施工， 钻机安装时， 应保证桩中心、 钻机立轴 中心在同一铅垂线上， 钻机安装水平、 周正、 稳固； 并保 证钻机在成孔过程中不发生移位、 倾斜现象。钻机安 装时， 桩位允许偏差控制在2cm以内。 （2） 钻进成孔技术 利用旋挖桩机提供动力回转钻 进， 同时利用钻头底部斜螺旋面与破碎岩屑之间的摩 擦力， 将钻头破碎下来的岩屑或土块装入捞渣筒内； 当 捞渣筒内岩屑或土块量达到一定量时， 提钻、 捞渣筒内 的活瓣会自动封闭。提钻并将捞渣筒内的岩屑或土块 清除、 集中堆放在桩孔外。重复上述工序， 直到钻进到 满足设计要求的桩孔深度后， 方能终孔。 （3） 因本场地内岩溶发育且具有不均匀性， 基岩面 起伏变化大。勘察钻孔直径小， 有的勘察钻孔位置可 能刚好钻在岩石的凸起顶部或岩石裂隙中， 而桩孔直 径大， 同一桩孔内可能出现部分岩石、 另一部分为粘土 的现象， 即俗称 “半边岩” 的情况， 故为确保桩端嵌入设 计持力层， 须及时采取桩芯岩样并通知勘察单位对其 岩性进行验收确认。 4.3.3安放钢筋笼， 浇灌混凝土成桩 （1） 钢筋笼制作与安装 桩孔终孔后， 应根据桩孔 直径和深度确定桩身钢筋笼直径和长度， 下料加工制 作钢筋笼。当钢筋笼制作完成并通过验收后， 应标明 其桩号、 长度， 便于采用吊车钢筋笼集中安放入桩孔 内。 （2） 桩身混凝土浇筑 当桩钢筋笼安放好后， 应及 时浇筑桩身混凝土。因旋挖桩机成孔效率较高， 桩身 混凝土浇灌采用 “水下混凝土灌注工艺” 进行灌注成 6 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 桩。通常情况下， 桩身混凝土采用商品砼公司提供的 商品混凝土、 泵送浇灌入桩孔内， 能够保证桩身混凝土 浇灌质量。 （3） 桩孔终孔后， 应及时对桩孔和钢筋笼检查验收 和安放并浇灌桩身混凝土， 避免因桩孔终孔停留时间 过长， 造成桩底沉渣厚度超过规范要求， 导致桩身质量 缺陷或影响桩的承载力。 5施工注意事项 5.1注浆加固施工注意事项 （1） 因该建筑场地内岩溶发育且具有不均匀性， 基 岩面起伏变化大， 可利用桩基勘察中遇溶洞、 溶槽或溶 沟及土洞的钻孔作为注浆孔， 既能减少注浆孔机械成 孔时间， 又能提高注浆孔遇溶洞、 溶沟或溶槽及土洞的 概率， 同时能提高岩溶注浆效果和提高工效。 （2） 为节约材料、 降低工程成本， 对于洞高大于 1.0m的岩洞、 土洞， 应采用灌注 （1 ∶ 1） ～ （1 ∶ 3） 的水泥砂 浆。而对于非空洞孔段注浆， 应及时更换为原来水玻 璃水泥浆液注浆， 同时应控制两者之间的搭接长度， 一般搭接长度控制在0.5m范围内。 （3） 因本岩溶地面塌陷区注浆是在完成桩基勘察 施工后进行注浆加固， 且勘察孔遇溶洞、 溶沟或溶槽及 土洞的几率较大， 在注浆孔注浆时， 其附近遇溶洞、 溶 沟或溶槽及土洞的勘察孔会出现 “冒浆” 现象。为提高 注浆加固效果， 可采取 “增加水玻璃溶液量， 以缩短水 玻璃水泥混合液胶凝时间” 的方法控制浆液无效扩 散半径， 必要时还可采取 “间歇注浆法” 进行注浆； 同时 为减少机械成孔数量与进尺， 可采取 “预埋注浆管” 方 法进行二次注浆， 即在某一注浆孔注浆过程中， 如发现 其附近勘察孔出现 “冒浆” 时， 先暂停注浆加固， 用钻机 将事先准备好带花管并用封口胶密封的注浆管埋入 “冒浆勘察孔” 内， 预埋深度应与勘察孔深度相近， 以确 保注浆加固效果， 待该注浆孔完成注浆后次日对其进 行注浆。 5.2旋挖钻孔灌注桩施工注意事项 （1） 桩端持力层的确认 为确保桩端持力层嵌入设 计岩层深度并保证桩端持力层为设计持力层， 应在桩 孔接近设计持力层深度时采取岩样， 同时及时通知勘 察单位鉴别岩性并确认； 如采取岩样发现存在不完整 或泥时， 应及时向监理、 勘察单位汇报。 （2） 因桩身混凝土浇灌采用商品砼、 配合混凝土泵 送进行水下浇灌， 桩孔终孔后， 应及时对桩孔和笼验 收； 验收合格后， 应及时浇灌桩身混凝土， 避免因停待 时间过长而造成桩底沉渣超过规范允许厚度， 导致桩 底与基岩胶结差和影响桩的承载力。 6结束语 （1） 采用注浆加固方法处理溶洞、 溶沟或溶槽、 土 洞等复杂地质条件， 能够有效地预防浅层岩溶地面塌 陷， 避免因岩溶地面塌陷给建成、 使用中商住楼造成不 良影响。 （2） 采用 “注浆加固方法处理场地内软弱地基土、 旋挖钻孔灌注桩的桩筏基础承担高层建筑物荷载” ， 能 够有效地克服裙楼和高层建筑物对地基土不同变形量 的要求， 能减少不均匀沉降。 （3） 本场地虽岩溶发育、 基岩面起伏大等复杂地质 条件， 但经注浆加固后， 溶洞、 溶沟或溶槽基本注满水 泥浆或水泥砂浆， 旋挖钻孔成孔相对简单， 减少如卡 钻、 钻具折断等孔内事故发生。 参考文献 [1]韦兴标,等.强夯法、 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