桩基础是桥梁工程中最常用的一种深基础形式, 其具有承载力高、基础沉降小的特点。桩基础按照其承载方式的不同, 分为摩擦型桩、端承型桩和摩擦-端承混合型桩。摩擦桩适用于岩层埋置较深, 且桩头受荷小的情况, 其主要依靠桩周的摩阻力承担上部荷载, 其对应的土层是除岩土以外的其他土层, 施工方法有预制挤土桩、钻孔灌注桩, 由于不入岩, 施工效率相对较高。而端承桩用于岩层埋置较浅、桩头受荷大的情况, 其主要靠桩尖的竖向承压承担桩头荷载, 桩周摩阻力较小, 只能采用先成孔后浇筑混凝土的方法进行施工, 目前工程采用旋挖成孔灌注桩和冲击成孔灌注桩。摩擦-端承混合型桩是针对有一定桩长且需入岩的基础桩, 其依靠桩周摩阻力和桩尖承压承担桩头传递的荷载, 因为要入岩, 其施工方法与端承桩一样。

当前, 穿越斜岩面的桩在入岩施工时经常存在如卡锤、每次进尺小甚至无法进尺的问题, 或即使成孔但浇筑混凝土时充盈系数非常大, 为此造成施工进度过慢、施工成本加大的现实问题。研究表明, 导致上述情况的原因主要是复杂的地质情况, 特别是溶洞和倾斜岩层。针对溶洞存在的场地开展桩基础的施工研究已较多, 并取得良好的工程效益, 但对于斜岩层施工桩基础则鲜有文献。

本文从地质构造入手, 阐述岩层倾斜的机理及其分布特征, 提出依据地勘报告及场地岩土地质资料绘制工程场地倾斜场地岩层布置图, 并进行精细化施工, 对桩基础成孔过程的进尺进行监控, 以获得施工桩位处的倾斜岩层深度及方向, 设计成有斜度的钢护筒, 然后清孔下放钢护筒至斜岩面, 浇筑C60以上高强度等级混凝土至斜岩面最高面以上0.5m处, 养护2d, 即可进行钻孔施工。

柳州市公共交通配套工程 (一期) 土建施工02标线路长6.36km, 共计5站5区间, 包括:莲花客运站站—龙珠河站区间、龙珠河站、龙珠河站—响水河站区间、响水河站、响水河站—洛维工业园站区间、洛维工业园站、洛维工业园站—都乐园站区间、都乐园站、都乐园站—白莲洞站区间、白莲洞站。施工内容为土建施工 (含车站基础及上部结构、区间桥梁及安装) 、各系统预埋预留件 (基础、钢板、管、沟槽) 、外立面装修、防雷接地等。

施工区域位于柳州市鱼峰区柳石路, 道路宽50m, 双向8车道, 为进出城市主干道, 桥墩及车站位于路中9m宽的绿化带内, 管线迁改和绿化移植工程量较大 (见图1) 。沿线有社区、学校、厂房等设施。根据地勘资料显示, 施工区域整段均为岩溶发育区域。

工程施工场地主要地质主要为岩溶强发育场地, 主要以滞水溶洞、斜岩、半边岩为主。根据初勘钻孔统计, 钻孔遇斜岩率为20%。斜岩地质广泛分布于整个沿线场区。在斜岩施工过程中, 桩在入岩施工时经常存在卡锤、偏斜、无法钻进等施工问题。在浇筑混凝土时, 由于成孔偏斜, 会产生混凝土充盈系数过大的问题, 由此导致施工成本高、效率低。因此桩基斜岩入岩施工为项目技术攻关的重点。

1) 当采用冲击成孔时, 由于斜岩面的存在, 锤击的落点会出现部分岩强度高部分强度低的特点, 如果两者强度相差较大时, 将导致快速下落的锤发生倾斜, 导致斜岩面处孔洞直径变大, 这是导致充盈系数大的原因。当锤撞击斜面时, 其对斜面的撞击力会随着斜面角度的增加迅速减弱, 这是导致每次锤击进尺尺寸微小的原因。

2) 旋挖成孔的原理是利用设备动力头给土体一定压力并施加扭矩切割土体, 其一般适用于以砂土、粉土、黏性土及风化岩石。当旋挖成孔遇到倾斜岩面时, 加上采用泥浆护壁导致岩面处摩擦力降低, 当旋挖施加压力时, 设备会沿岩面发生滑移, 无法施加切割力, 因此导致无法进尺甚至有钻头被埋入孔底发生塌孔问题。

无论采用何种方法进行成孔施工, 必须在孔底有一个接近水平的等强受力面, 为此, 只有在斜岩面制造等强的水平面, 将斜岩面变为等强度平面, 才可提高斜岩面施工效率, 保障施工质量。

1) 为在斜面上打造水平受力面, 变斜岩面为水平岩面最可行的方法是依据斜岩的强度指标, 回灌一定厚度的与该位置岩土强度相当的混凝土。根据文献, 常见岩石强度指标为:硅质砂岩强度为80~200MPa;泥质砂岩强度为40~50MPa甚至更小;页岩强度为20~70MPa, 甚至更低;石灰岩 (白云岩) 强度为40~80MPa;泥岩强度为6~30MPa。目前, 工程上可制配的混凝土强度可达C100, 即立方体抗压强度达到100MPa, 完全可以达到岩石的强度。

2) 为减小混凝土充盈率, 应从减少斜岩面处的孔洞直径入手, 应根据场地详勘钻孔资料及岩层形成机理和岩层分布特点, 绘制全场地的地层布置图, 以确定场地斜岩面状况。目前, 详细勘察阶段存在勘探孔数量不足的情况, 导致无法绘制准确的地形图, 从解决斜岩施工桩复杂问题的角度, 承建单位可要求增加勘测孔个数, 以探明地下斜岩的布置情况。若条件无法满足, 施工单位亦可用一定刚度的型钢, 一节一节放下去, 然后沿着孔壁一周测量斜岩面高度, 绘制出斜岩面情况。在钻孔时, 当到达斜岩面后, 应轻锤一定次数, 将斜岩面处的软弱土层清理掉, 同时不会增加斜岩面处的孔洞直径, 然后清孔, 根据地勘探明的斜岩在孔洞范围内的高差, 浇筑拟定高强度混凝土, 等混凝土强度达到与岩层等强时, 即可进行钻孔施工。混凝土浇筑高度应比斜岩面高0.5m左右, 此高度也可通过现场试验确定。如果斜岩面处孔洞直径变大, 则考虑下放钢护筒, 施工单位可在进场后即根据地勘所提供的斜岩情况, 制作各斜岩桩基相应的钢护筒, 护筒高度可与浇筑混凝土的高度相同, 护筒形状要与岩面起伏情况一致, 如图2所示。

研究场地地勘资料绘制场地岩层布置图;钻孔作业至斜岩面, 轻锤冲孔或低功率旋挖;测量桩孔处斜面形状、绘制桩孔处斜岩位置;由地勘资料确定斜岩强度进而确定灌注混凝土强度等级;由有无扩孔确定是否需要钢护;浇筑混凝土并待强度达到斜岩等强后钻孔作业。

1) 根据场地钻探资料绘制场地地层布置图并根据桩基础的施工过程修改该场地地层布置图, 以更准确地指导施工。

2) 斜岩面位置的判定首先依据场地地形图和桩超前钻柱状图, 在成孔过程中要依据现场钻孔进尺记录判定。若每小时平均尺寸比正常情况缓慢, 同时存在偏锤现象时, 可制作T形简易工具探测是否遇到斜岩, 由2根直径为25mm的钢筋焊接, L为桩孔直径的0.5倍。若为斜岩桩, 则需用型钢沿桩孔周长一圈测定桩底标高, 绘制该桩的斜岩面。

3) 根据实际的斜岩面逐桩制作钢护筒, 钢护筒制作与普通钢护筒要求一致。

4) 由于斜岩面的钢护筒需与斜岩面保持一致, 钢护筒下放时, 要严格按照桩实际岩面开展, 需要在现场将斜岩面情况标出, 然后根据标志固定钢护筒的摆放状态, 再下钢护筒。由于护筒本身重量较大, 可依靠自重深入桩底残渣中, 不需额外堵漏。

5) 要根据钢护筒的高度及斜岩面的实际情况计算混凝土量, 在满足环保要求的情况下, 现场调配。混凝土浇筑与普通水下桩混凝土浇筑方法相同。

6) 待浇筑完混凝土2d后方能继续钻孔。钻孔时, 由于钢护筒对混凝土具有套箍作业, 当孔穿过斜面时, 钢护筒已破损。

7) 当成孔达到设计标高之后, 要用T形检测工具查看斜岩面处有没有形成扩孔, 如果有, 在浇筑桩基础混凝土时, 仍需下放从斜岩面至桩底的钢护筒, 以保证桩基础施工质量和减小混凝土的充盈系数。

传统片石回填配合冲击钻:每天进度0.5m, 需回填片石4次, 一次4m3, 片石材料费60元/m3, 工费150元/m3, 则回填费用为3 360元。若锤发生倾斜, 导致斜岩面处孔洞直径变大, 则需要超灌混凝土假设为3m³C35混凝土, C35混凝土350元/m³, 则费用为4 410元, 处理1根斜岩桩基平均时间为10d。

采用钢护筒配合高强度混凝土方法, 钢护筒价格3 000元/个, 假设采用2m3C60混凝土进行回填, C60混凝土450元/m³, 则费用为3 900元。并可防止因为孔径变大而造成的超方。节省费用510元。处理1根斜岩桩基平均时间为4d。

针对跨越斜岩面的桩基础施工这一施工难题, 必须从斜岩产生机理入手, 精确分析并确定斜岩位置, 采用高强混凝土可将斜岩面变为水平面, 并对扩孔部分采用钢护筒的办法, 从而减小混凝土充盈系数, 进而降低施工成本。由于本文方法仅提供解决穿越斜岩面施工的思路, 如混凝土浇筑高度、混凝土强度等级与斜岩强度等级关系等参数, 还需经过工程实践验证以获取更多有价值的参数。