花岗岩残积土地区人工挖孔桩失效的原因分析 3T^dgWXEG
陈文庆 (j
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(福建省莆田市水利水电勘测设计院) -^yc y Z
摘 要:以某住宅工程人工挖孔桩失效为例,分析了花岗岩残积土地区人工挖孔桩失效的岩土方面原因,其中包括对花 03\8e?$
岗岩残积土的透水性、富水性、结构性的认识和对不同降水方式对人工挖孔桩成桩质量的影响,同时还指出了在花岗岩 ,'DrF lI
残积土地区采用人工挖孔桩时进行水文地质测试的重要性和必要性。 `%:(IGxz
关键词:残积土;人工挖孔桩;地下水;渗透破坏 ~a,'
由于人工挖孔灌注桩具有施工设备简单、无公害、无噪音振动;造价较低;便于大面积平行作业,施工进度快;成孔直径大、可扩底、单桩承载力大;施工过程中可直接检验持力层位置和孔底虚土、残渣,桩身质量较稳定等优点而在多层建筑中得以广泛应用,但在花岗岩残积土地区在采用人工挖孔灌注桩时由于对花岗岩残积土的工程地质与水文地质性质的特殊性认识不足,或在前期工作中未能按要求进行水文地质测试,往往会发生由于岩土方面的原因而导致的桩基失效现象。本文以花岗岩残积土地区某工程桩基失效为例,对该地区人工挖孔灌注桩失效的岩土原因进行分析。 *J5euA5=
1工程实例 | (9FV^_
1.1工程概况 \(t>(4s_~
某住宅工程位于福建省东南沿海地区,拟建建筑物为七层、框架结构、高度为21m ,无地下室,建筑面积为5120m2 。最大单柱荷重为2000kN。 i_^NbC
1.2工程勘察 k(Xv& Zn
建筑场地原为残丘低洼地貌,后已填土整平。场地主要岩土体分布有: ①素填土:褐色,松散,主要成分为粉质粘土,厚度1～2m; ②淤泥质土:灰色,流塑,厚度2～4m; ③粘土:灰色,软—可塑,土质不均,局部夹淤泥质土,厚度3～5m; ④黑云母花岗岩残积砂质粘性土:以下简称为“残积土”,硬塑,厚度> 8m。各主要岩土体的物理力学性质参数见表1 所示。地下水稳定水位埋深为1.0～1.5m。工程地质勘察报告认为,包括残积土在内的地基土均为弱透水,均具贫水性质。该建筑物不宜以素填土①、淤泥质土②、粘土③层作为基础持力层,建议以残积土④为基础持力层,由于残积土埋深较大,建议采用桩基形式,推荐桩型有沉管灌注桩、混凝土预制桩、人工挖孔灌注桩,并根据本地区多个成功的工程实例提供各桩型的岩土工程设计参数。 RLX^'g+P
1.3基础设计 AQU: 0
建设单位认为人工挖孔桩造价便宜,工期易于控制,最终采用人工挖孔桩基础, 设计桩长为10 ～ 13m , 桩端进入残积土≥5m ,桩径为1000mm 及1100mm ,扩大头为2 倍桩径,桩身砼等级为C20 。 KftM4SFbK
1.4桩基施工 w:(7fu=
桩基成孔施工过程中发现,残积土地下水涌水量较为丰富,并不象原先预计的弱透水性或相对隔水性。施工单位未及时采取疏降孔底地下水位的工程措施,只是当孔底渗积地下水较多时,采取水泵集中排汲水处理。在开挖过程中孔底不断有土体呈散粒状或片状掉剥崩落,且孔底始终处于浸水状态,孔底表部土体用手抓即可挖剥,出渣物呈松散的砂砾状,人站在孔底,在自重作用下可下陷数十厘米。 X,CF Y
1.5桩基检测 -%$
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桩基施工完毕,抽取二根工程桩进行静载压桩试验。试桩结果表明,试验桩的竖向承载力均小于原设计值,仅分别相当于原设计值的71 %和87 %。后对试验桩采用进行钻芯法及低应变动力检测法进一步检测,成果表明,桩身完整性及沉桩深度等均符合要求,而桩端持力层即残积土较松软。桩基检测结论认为:本工程为非桩身质量原因引起的桩基失效。 $ !=:ES
2原因分析 RIx 6& 7$
2.1对残积土的透水性、富水性认识不足 ]a~LA7 VHO
花岗岩残积土是花岗岩体经受了强烈的化学风化作用,形成以粗细不等的石英颗粒散布于高岭土粘土矿物之间为特征的砂质粘性土。从本工程残积土的颗粒组成成果来看,在空间上,土体颗粒组成很不均匀,离散性大,土砾级粒含量多,粉砂含量普遍较高,最高近60 % ,而粘粒含量极少,外观和性质与砂土相近,其中石英颗粒组成骨架,粘粉粒等充填其间;另一方面,残积土由于自身形成原因,保留母岩的某些特点,土体空隙包括孔隙和裂隙,赋存孔隙水和裂隙水,由于粘、粉粒的充填阻塞,空隙连通性一般较差,与同样颗粒组成的其他成因的松散砂土相比,其透水性及富水性要来得差。从供水水文地质方面,一般被视为贫水层甚至作为隔水层对待,但从工程建设上考虑,不应简单视残积土为隔水层,且残积土粗颗粒越多,其水文地质特性越接近松散砂土,透水性及富水性越好。 6MQ:C'8T&=
2.2对残积土的结构性认识不足 Oj\mkg
残积土在天然状态下,由于其保留着原岩的一定残余结构强度,使其保持着较高的力学强度、低压缩性且皆为超固结土(超固结比远> 1) ,这可从残积土标准贯入试验击数N 值和静载荷试验的变形模量E0 值均较高中看出,且也已被很多工程实践所证实,在残积土上修建的厦门集美公路桥桥墩实测实降只有计算沉降的40 %、福州梅峰宾馆大楼(11 层) 基础沉降仅10cm、福州大学科学楼(17 层) 封顶后沉降仅4cm ,这说明花岗岩残积土不但具有较高的强度,实际压缩性也是较小的。以上这些情况是在保持土体原状时才得以成立的,当残积土在扰动或地质环境改变的情况下,其结构性和力学强度随之改变,在室内土工试验成果中,残积土显示多呈高孔隙比、高压缩性,这就是由于残积土中的石英颗粒带有棱角,钻探取土样或室内试验时在取土 5ml}TSMu'
器、环刀或切土刀的刃口的切削作用下易产生扰动,使土工试验压缩系数偏大;另外在挖孔后残积土暴露地表,坑底土受地下水浸泡,产生崩解,使土体软化,压缩性增大,从而降低桩基的承载力。残积土原状土体(小方块,尺寸为30 ×30 ×30cm3 ) 崩解试验表明,崩解率可达35 %～40 % ,呈散粒状方式崩解,且崩解速度快。 4'| :SyOm
2.3忽视降排水方式的影响 glIIJ5d|,
在挖孔桩成孔时进行降排水,有疏干降低地下水位与孔底集中汲排水两种工程措施,其对残积土的工程力学性质的影响有着本质的不同。疏降水位使地下水位降低至孔底以下一定深度,可减少孔隙水压力,提高土体的有效应力,可进一步促进土体颗粒固结,保持孔壁的稳定性,有利于土体强度保持甚至增大,对受扰动后结构强度易受破坏的残积土来说尤为关键;而在本工程中采取的是孔底汲排水方式进行,在残积土中采取此措施,由于土体开挖产生临空面,井孔成了附近地下水渗流场的集中排泄处,地下水流汇集孔内,形成集水坑,孔深越大的地方,所产生的水力梯度愈大,对孔壁和孔底表部土体产生越大的动水压力,方向朝向临空,在压力水的掏冲下,使残积土中细小颗粒(如粘、粉粒) 和部分稍粗颗粒被挟走,且这种渗流破坏具有时间效应,时间越长,则孔隙越扩大,水的实际流速增大,土体的空隙不断扩大和加深,促使空隙连通性变好,产生流砂、管涌等渗透破坏,导致土体结构松动或破坏,并形成扰动松动层,从而降低土体结构强度。 rmJ847%y`
2.4忽视水文地质测试工作的重要性 ?saVk7Z[|5
岩土工程勘察作为工程建设的前期、基础工作,应正确反映场地的工程地质条件和水文地质条件,查明不良地质作用和地质灾害,精心勘察、精心分析,提出资料完整、评价完整的勘察报告,为设计、施工提供依据。在勘察中要通过对相关土层进行水文地质测试,提供渗透系数、涌水量等水文地质参数,为深基坑、人工挖孔桩等工程的设计和施工起指导和服务作用。在本工程的勘察中未能对残积土进行水文地质测试,未能对该场地残积土的水文地质特性作出全面、真实、客观的评价,使得设计单位在选择桩型时依据欠缺,是造成本工程桩基失效的重要原因之一。 %*}f<k{6
3结语 aBLb i
(1)花岗岩残积土的透水性、富水性不均匀,总体上较差,但从工程意义上考虑,不能简单地视之为隔水层。 >?FCv7qN
(2)花岗岩残积土未开挖前保持着良好的力学特性,而开挖后则发生很大的变化,临空面发育,地下水流发生改变,水力梯度变化大,易产生管涌、流砂等渗压破坏;且残积土的水稳性极差,暴露地表浸水后会崩解,最终导致土体结构破坏,土质软化,强度降低。 M&-/ &>n!
(3)以花岗岩残积土作为人工挖孔桩的桩端持力层时,成桩的成败在于对地下水的控制,应采用疏干降低水位的措施。施工前应先进行试桩工作,当残积土渗透性大、富水性好、水位埋深小时应慎用此桩型。 $o H,:x?}
(4)施工中挖到设计深度后,应尽早浇灌混凝土成桩,减少孔坑暴露空气的时间,否则应及时做好垫层或表面保护性处理。 ogbd t1
(5)拟以花岗岩残积土为桩端持力层的,在工程勘察中应特别重视对残积土进行水文地质测试工作,为桩型选择、桩基施工提供依据。 Uwa1)Lwn
参考文献: .q }k
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3:《岩土工程手册》编委会. 岩土工程手册[M] . 中国建筑工业出版社, 1994. S`.-D+.68
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本篇文章选自《西部探矿工程》2004 年第3 期
