岩溶地区冲孔灌注桩设计探讨

林奕

厦门市泛华建筑设计有限公司（361008）

岩溶地区冲孔灌注桩设计探讨

林奕

厦门市泛华建筑设计有限公司（361008）

这里以岩溶地区某商住楼的桩基础设计为例，探讨岩溶地区冲孔灌注桩设计对地质勘查的要求，以及设计和施工中应注意的问题。

岩溶地区；钻孔深度；岩溶处理；施工技术

0 前言

岩溶，也称喀斯特，是水对可溶性岩石（碳酸盐岩、石膏、岩盐等）进行以化学溶蚀作用为主，流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称。由岩溶作用所形成的地貌，称岩溶地貌。在中国，作为岩溶地貌发育的物质基础——碳酸盐类岩石（如石灰石、白云岩、石膏和岩盐等）分布很广，据不完全统计，总面积达200万平方公里，其中裸露的碳酸盐类岩石面积约130万平方公里，约占全国总面积的1/7；埋藏的碳酸盐类岩石面积约70万平方公里，主要集中在广西、贵州、云南和四川西南部。在这些地方建造房屋，修建道路桥梁，不可避免会遇到岩溶地基。对于岩溶发育地区的桩基，如何确定基础持力层标高，如何将桩基设计与现场施工结合起来以保证桩基的工程质量，对于一个结构设计工程师来说，就显得尤为重要。这里以福建省龙岩市某建于岩溶发育地区的商住楼设计为例，探讨岩溶地区桩基础设计及施工中需要注意的一些问题。

1 工程概况

福建省龙岩市某商住楼,地上为3栋主楼,地下室为2层。地质勘查报告中，各岩土层的分布及特征自上而下分述如下:

1）杂填土①:黄色，松散状态，稍湿，以黏性土为主，含20%～30%的混凝土、砖、瓦片等建筑垃圾及碎卵石、角砾等硬杂质，部分地段分布耕土。

2）粉质黏土②:灰黄、褐红色，可塑状态，湿。湿土无摇震反应，韧性中等，干强度中等。

3）含卵石粉质黏土③:黄、灰黄色，可塑－硬塑状态，湿。卵石含量25%～35%，粒径一般为30～120mm，成分为石英砂岩、粉砂岩、细砂岩等，多呈中风化状态，局部含少量中粗砂粒及漂石，卵石在土体中分布较不均匀。

4）粉质黏土④:灰黄、褐红色，可塑状态，湿。湿土无摇震反应，韧性中等，干强度中等，岩芯泡水易软化。

5）含碎石角砾粉质黏土⑤:灰褐、灰黑色，可塑状态，湿，碎石、角砾含量25%～35%，粒径一般5～40mm，成分主要以硅质岩、石灰岩为主，棱角状，多呈强风化状态，部分地段含少量卵石。

6）含角砾粉质黏土⑥:灰黑色，多呈软塑状态，湿。角砾含量25%～30%，粒径一般5～15mm，成分主要以硅质岩、石灰岩为主，棱角状，呈强风化状态，土质较松软。

7）中风化石灰岩⑦:灰、深灰色，块状构造，裂隙较发育，岩芯多呈短柱状或长柱状，部分地段上部岩石较破碎，溶洞较发育，岩芯多呈碎块状，见有溶蚀裂隙或蜂窝状溶蚀。岩石质量指标RQD值为10%～55%，按岩石坚硬程度的定性分类属较硬岩,按岩石完整性的定性分类属较破碎～较完整,岩体基本质量等级为Ⅲ～Ⅳ级。取岩石试样6组，岩石饱和单轴抗压试验范围值为38.4～49.3mPa，平均值42.7mPa。该层多数地段发育有溶洞，以充填溶洞为主，充填物为含角砾粉质黏土，黑灰色，软塑状态。

根据场地岩土工程地质条件、拟建建筑物荷载及上部结构等情况和设计地坪标高，本工程采用冲孔灌注桩基础，选用中风化石灰岩⑦做桩端持力层，该层的冲孔灌注桩极限端阻力标准值为11 000 kPa,极限侧阻力标准值为220 kPa。本工程选用桩径为1m的桩,根据以下公式确定单桩竖向承载力特征值Ra=6 500 kN。

2 岩溶地区对地质勘察的要求

由于原勘察报告中钻孔点的距离控制在20～25m之间，若根据此结果，我们就无法确定每根冲孔灌注桩下土层的情况。所以，为了确定每根桩下有无溶洞及溶洞所处的位置，我们要求勘察单位在每根桩下必须至少一个钻孔。钻孔的深度，参照《建筑地基基础设计规范》第10.2.13条桩端持力层的检验:检验孔底下3倍桩身直径或5m深度范围内有无土洞、溶洞、破碎带或软弱夹层等不良地质条件。若达不到上述条件，则加深钻孔深度，直至满足要求。经过一桩一孔的详细勘察发现，本场地存在土洞和溶洞，作为端承型灌注桩来说，如果不处理土洞和溶洞，将对桩基的质量和建筑的安全带来很大的隐患。根据分析，场地土洞的形成与地下水活动密切相关，土层中细颗粒易被潜蚀、吸蚀，其下有排泄冲蚀物的岩溶通道，对土体产生潜蚀、吸蚀、搬运作用，形成土洞。在土洞的形成过程中，洞内底面的坍落物部分被带走，部分残留洞内，或在岩溶地下水或地表水渗入的作用下,由其他通道流入洞内，浸泡于水中，形成呈流塑～软塑状态的土洞充填物。参照本地区的建筑工程经验，本场地的土洞和溶洞在冲孔灌注桩施工时一并处理，采用桩基础成桩时可对溶洞洞体填充密实,阻止溶洞坍落的进一步发展，防止地面岩溶塌陷的产生，可极大地消除地基不稳定的隐患，确保建筑场地和地基的稳定。

3 溶洞的处理

溶洞按充填状态，可分为全填充溶洞，半填充溶洞和无填充溶洞。

全填充溶洞:洞内完全充填黏性土等,含水率高,充填物呈硬塑、软塑、流塑状。

半填充溶洞:洞内有部分填充物,洞顶部有空腔。

无填充溶洞:即洞内无填充物。

根据溶洞的大小及填充情况，一般可以按如下经济可行的方法处理溶洞:

1）对于高度在3m以下的溶洞,无论是否填充，都可采用黏土和片石填塞的方法处理。

2）对于高度在3～8m的溶洞，当为全填充时，可采用压双液浆的方法处理；当为半填充或无填充时，可采用灌低标号混凝土的方法处理。

3）对于高度在8m以上的溶洞，可采用黏土和片石填塞结合钢护筒跟进的方法处理。

由于本工程溶洞大小不一，笔者将以上几个溶洞的处理方法在图纸上逐一说明，并进行详细的技术交底。现简要介绍以上处理方法。

黏土和片石填塞，主要是由于在钻孔遇到溶洞层时，泥浆会流失，甚至引起塌孔，这时采用片石加黏土（按体积比1:1）回填，可加入部分水泥，回填一层钻头冲击一遍,目的是使片石和黏土保持密实。溶洞回填后，向钻孔内注入稠度较大的泥浆，使片石缝隙被填满，然后再用钻头冲击，使片石、黏土和泥浆三者混合形成稳定的泥石护壁。若护壁出现漏浆，应再次反复回填冲击，直至护壁稳定为止。

压双液浆,即以水泥和水玻璃为压浆材料，两者按一定的比例，采用双液方式注入，必要时加入速凝剂和缓凝剂所形成的注浆材料。压双液浆能加固溶洞填充物和充满溶洞空间,并达到一定强度，防止冲孔桩施工时泥浆流失及塌孔，保证顺利成孔和水下混凝土的浇筑。对溶洞中的沙石，浆液通过渗透作用将它们结合在一起；对溶洞中的黏土，浆液通过劈裂，挤密作用加固土体。施工时可利用地质勘探钻孔进行注浆，注浆时应少量多次，反复压浆。

灌低标号混凝土法，对于较大的半填充或无填充溶洞，有时采用黏土和片石填塞难以成孔，或者成孔后灌注水下混凝土时孔壁坍塌，可采用灌低标号混凝土法处理。在钻头击穿溶洞顶壳发生漏浆时，为节约混凝土量，可先填片石，并反复冲击，直至溶洞基本填满，再灌低标号混凝土。混凝土灌至溶洞顶上后,待混凝土达到一定强度后再继续冲孔。

钢护筒跟进法，在溶洞较大(一般大于8m)，用黏土和片石填塞,再灌注混凝土仍然无法成孔时，可采取钢护筒跟进法进行施工。钢护筒跟进法，即一边冲孔，一边接钢护筒，根据地勘报告中显示的溶洞位置，将护筒下沉至溶洞处，用以阻断溶洞内填充物或水的流动，便于冲孔施工。现场应根据大溶洞的数量，确定护筒级数，每增加一级，钢护筒内径增加0.25m,最小一级钢护筒直径大于桩径0.2m。钢护筒采用8～10mm钢板卷制，防止受压变形。下沉钢护筒时，由大到小，分级逐次下沉。先钻大孔，下沉大护筒，再钻小孔，下沉小护筒。穿过一层溶洞，就采用一级钢护筒，每增加一层溶洞，就增加一级钢护筒。钢护筒的长度L=h+3m(h为溶洞高度)，若护筒太长，可分节下沉，并应在孔口处焊接连接。

通过以上方法，就能很好地处理在桩身长度范围内的溶洞，使冲孔桩落在稳定的持力层上，保证桩身混凝土的质量。

4 施工质量控制

岩溶地区冲孔灌注桩的施工工艺大致如下:

平整场地→泥浆制备→埋设护筒→安装钻机并定位→钻进成孔→岩溶处理→继续钻进成孔→终孔检查→第一次清孔→安放钢筋笼→安装导管→二次清孔→灌注水下混凝土→拔出护筒→检查质量。

岩溶地区由于其地质条件的特殊性、复杂性,在进行冲孔灌注桩的施工时，必须注意以下常见的问题，并做好处理措施。

4.1 卡钻

岩溶地区冲孔灌注桩的卡钻主要是由于钻头击穿溶洞的顶板时太猛，突然进入溶洞后，造成孔形不圆或掉入大空洞而卡钻，因此在钻头即将穿越溶洞顶板时应采用小冲程钻进。卡钻发生后切不可盲目搅动，以免造成吊绳拔断而引起掉钻。可采用滑轮组，吊机（必要时配千斤顶）和桩机相互配合将钻头提起。如无法提起，可采用水下小爆破振动法将钻头振松后提出。

4.2 漏浆

漏浆是岩溶地区冲孔灌注桩常出现的问题。主要原因是:1）钻头击穿无填充物或少量填充物溶洞顶板时，孔壁瞬间失去孔内压力，孔内水头急剧下降，外部地下水渗透水压过高而产生水压力，引起孔壁坍塌；2）由于地下溶洞中往往沟槽相互连通,又与地下水形成暗流。冲孔中泥浆密度大，在暗流水压的作用下造成泥浆严重流失。遇到上述情况时，应立即提出钻头，向孔内补浆或补水，保持孔内浆（水）面稳定，如浆（水）面仍不断下降，应立即向孔内填塞片石，黏土及水泥制成的混合物，直至不漏浆稳定为止。

4.3 塌孔

冲孔灌注桩施工中塌孔的主要原因是:1）泥浆比重不够，未形成可靠护壁；2）取渣筒或钻头撞击护壁，破坏了护壁泥皮；3）遇到溶洞时，孔内水头下降太快来不及处理，水头高度不够或孔内出现了承压水，降低了静水压力差；4）遇大溶洞时投入填塞物后钻头冲砸过快，静置时间太短，护壁不能支撑洞内填充物或孔内泥浆。这时应及时补充泥浆，保持孔内水头高度，采用小冲程冲孔固壁，防止塌孔扩大。若发生了地表塌陷，应拔出钢护筒，回填塌孔，压入护筒后重新冲孔。

4.4 钢护筒倾斜

在遇到较大溶洞时,往往要采取钢护筒跟进，所以钢护筒倾斜是常见的。因此，需要注意的是:钢护筒的导向架必须具备足够的刚度，振动跟进时必须保证护筒、桩帽与振动锤之间的法兰盘轴线垂直。当发现钢护筒的倾斜超过1%时，必须立即停止作业，采取相应措施纠正。

4.5 断桩

岩溶地区由于有的溶洞相互连通，灌注时无法测出混凝土量，水下浇筑时混凝土流失严重，造成断桩。所以在浇筑混凝土前，必须备好足够的砂石料和水泥，必要时还要准备好备用机械，浇筑过程中严密监测混凝土面上升速度，要保证2m的埋管深度，减少对下部混凝土的扰动。

冲孔灌注桩在施工完成后，还应有桩身完整性检测和竖向承载力检测，保证工程桩的质量。本工程采用以下几个方法:

1）动测法:检测数量为100%。

2）钻孔抽芯法:检测数量不少于总桩数的10%，且不少于10根。

3）静载荷试验:检测数量不少于同条件下总桩数的1%，且不少于3根。

本工程冲孔灌注桩施工近一年，在参建各方的共同努力下，桩身完整性检测和竖向承载力检测均满足要求。工程竣工至今已2年，长期的沉降观测结果也符合规范要求。

5 结语

岩溶地区由于地质情况复杂，给冲孔灌注桩的施工带来很大困难。所以，我们在地质勘查时就要引起重视，探明桩基下的岩溶情况；在桩基设计时，充分考虑如何处理岩溶地质情况，把施工中可能遇到的问题做好技术交底；在施工阶段，监理方应保证旁站监督，施工方应做好技术准备工作和加强施工组织管理，采取切实可行的安全防范措施，做好应急处理预案。只有这样，才能从根本上避免施工问题的发生，保证工程质量。

[1]GB 50007-2011,建筑地基基础设计规范[S].

[2]JGJ 94-2008,建筑桩基技术规范[S].

[3]谭景和.复杂岩溶地区嵌岩钻孔桩施工技术研究[D].南昌大学,2002.