CN108589718A - 岩溶区桩基施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩溶区桩基施工方法，包括以下步骤：利用回旋钻和冲击钻进行超前钻孔；在超前钻孔中出现溶洞时，对桩基承载特性进行分析；根据桩端极限承载力，进行桩基钻孔，并在桩孔中下放钢筋笼，根据溶洞的不同高度选择不同的防护措施；在桩孔中浇筑混凝土成桩。本发明可以避免在桩基施工过程中可能出现的偏孔、塌孔、卡钻、埋钻、泥浆渗漏和混凝土流失等问题，从而保证桩基施工质量和施工安全。

Description

岩溶区桩基施工方法

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，具体地，涉及一种岩溶区桩基施工方法。

背景技术

岩溶区是指具有溶蚀性的水对石灰岩、白云岩等可溶性岩石进行长期溶蚀等作用而形成的特殊地貌形态。在岩溶区，由于岩溶作用使得岩体的结构发生改变，从而导致岩石的强度降低、渗透性增强，通常容易引起地基承载力不足、下伏溶洞顶板坍塌、地面塌陷、地基不均匀沉降等问题，对工程建设和使用产生很大影响。

在桥梁桩基施工过程中，经常遇到岩溶区域，极易因钻孔的侧壁受力不均匀而出现偏孔、塌孔、卡钻、埋钻、泥浆渗漏和混凝土流失等问题，且面对岩溶区的复杂地质条件，溶洞等的影响各有不同，在桩基施工过程中，溶洞的不同影响给桩基施工带来很大的不确定性，给施工成本和施工质量带来不良影响。目前，对岩溶区的桩基施工，经常采用回填、人工挖孔或者采用振动全护筒桩基施工设备进行施工，但是在施工过程中，由于溶洞的存在，易出现桩基混凝土浇筑时在混凝土压力作用下造成护壁破坏，混凝土泄漏流失等问题，且施工质量难以控制，施工工期长，施工成本高。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种岩溶区桩基施工方法，以解决施工质量难以控制，施工工期长，施工成本高的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述岩溶区桩基施工方法，包括以下步骤：

利用回旋钻和冲击钻进行超前钻孔；

在超前钻孔中出现溶洞时，对桩基承载特性进行分析，包括：测量溶洞大小，并比较桩基直径和溶洞直径，当桩基直径大于溶洞直径时，将溶洞体系简化为受均匀围压的小孔模型，桩端极限承载力为62.5σ_t，当桩基直径小于溶洞直径时，将溶洞体系简化为受冲切作用的横梁体系，桩端极限承载力为13.68σ_t，其中，σ_t为冲切面极限抗拉强度；

根据桩端极限承载力，进行桩基钻孔，并在桩孔中下放钢筋笼，溶洞高度小于3米时，在溶洞内填充片石、粘土、砂混合物或灌注混凝土，通过静压注浆将溶洞内的填充物紧密压实，使得溶洞范围形成护壁，且在溶洞上下各1米范围内的钢筋笼的外侧焊接钢板圆筒，使用冲击钻继续钻进，直至达到桩孔设定位置；溶洞高度为4-6米时，在钢筋笼外侧埋设钢护筒，使用冲击钻进行冲孔、扩孔，采用振动锤将钢护筒穿过溶洞底部达到桩孔设定位置；溶洞高度大于6米时，在钢筋笼外侧埋设钢护筒，且采用单层套钢护筒跟进施工，扩孔后钢护筒立即跟进，直至穿过溶洞底部达到桩孔设定位置；

在桩孔中浇筑混凝土成桩。

优选地，所述钢板圆筒的厚度为4毫米，在所述钢板圆筒外侧固定有多根定位钢筋。

优选地，所述钢护筒的外侧固定有多根钢板箍筋，多根钢板箍筋的间距为2米，每根钢板箍筋的宽度为20厘米。

优选地，溶洞高度大于6米时，所述钢护筒的直径比桩基直径大0.2米。

优选地，溶洞高度小于1米时，桩基钻孔进行至溶洞顶板上方1米时，控制冲击钻的冲程在1-1.5米，冲击钻击穿溶洞之后，将冲击钻提升至孔口，并立即向溶洞内填充泥浆。

优选地，采用冲击钻进行冲孔施工时，将钢护筒坐落在不透水的土层上，再继续冲击成孔。

优选地，岩溶区桩基施工方法还包括：对桩基承载特性进行数值模拟分析，包括：根据溶洞与桩基的相对位置，建立桩基数学模型，并进行数值模拟，得到溶洞被桩基贯穿、溶洞被桩基包含以及溶洞与桩基分离三种不同溶洞条件下的桩基的位移和应力分布。

优选地，根据数值模拟分析结果确定不同溶洞条件下的溶洞内填充物的压实度，溶洞被桩基贯穿时溶洞内填充物的压实度最小。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明所述岩溶区桩基施工方法，通过对桩基承载特性进行理论分析，确定桩端极限承载力，并根据不同的溶洞条件，选择桩基施工时相应的防护措施，以避免在桩基施工过程中可能出现的偏孔、塌孔、卡钻、埋钻、泥浆渗漏和混凝土流失等问题，从而保证桩基施工质量和施工安全，且缩短施工工期，节约施工成本。

附图说明

图1是本发明所述岩溶区桩基施工方法流程示意图；

图2a和图2b分别是两种溶洞体系受力状态示意图；

图3是本发明中溶洞高度小于3米时桩基防护的结构示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

下面结合图1-图3来详细说明本实施例。

图1是本发明所述岩溶区桩基施工方法流程示意图，如图1所示，本发明所述岩溶区桩基施工方法，包括以下步骤：

步骤S1，利用回旋钻和冲击钻进行超前钻孔，以探明基桩地质状况，其中，回旋钻用于粘性土层即全、强风化岩层，冲击钻用于弱风化、微风化等坚硬岩层；

步骤S2，在超前钻孔中出现溶洞时，测量溶洞大小，并比较桩基直径和溶洞直径，当桩基直径大于溶洞直径时，将溶洞体系简化为受均匀围压的小孔模型，桩端极限承载力为62.5σ_t，当桩基直径小于溶洞直径时，将溶洞体系简化为受冲切作用的横梁体系，桩端极限承载力为13.68σ_t，其中，σ_t为冲切面极限抗拉强度；

步骤S3，根据桩端极限承载力，进行桩基钻孔，并在桩孔中下放钢筋笼，溶洞高度小于3米时，在溶洞内填充片石、粘土、砂混合物或灌注混凝土，通过静压注浆将溶洞内的填充物紧密压实，使得溶洞范围形成护壁，且在溶洞上下各1米范围内的钢筋笼的外侧焊接钢板圆筒，使用冲击钻继续钻进，直至达到桩孔设定位置；溶洞高度为4-6米时，在钢筋笼外侧埋设钢护筒，根据超前钻孔的结果，确定钢护筒的打入深度，使用冲击钻进行冲孔、扩孔，采用振动锤将钢护筒穿过溶洞底部达到桩孔设定位置；溶洞高度大于6米时，在钢筋笼外侧埋设钢护筒，且采用单层套钢护筒跟进施工，扩孔后钢护筒立即跟进，直至穿过溶洞底部达到桩孔设定位置；

步骤S4，在桩孔中浇筑混凝土成桩。

本发明中，通过对桩基承载特性进行理论分析，确定桩端极限承载力，并根据不同的溶洞条件，选择桩基施工时相应的防护措施，从而有效避免在桩基施工过程中可能出现的坍塌等问题，确保施工质量和施工安全。

在步骤S2中，通过比较桩基直径与溶洞直径的相对大小，分别分析两种状态下溶洞体系的受力状态。当桩基直径较大时，桩端承载力作用下持力层的应力扩散范围较大，而溶洞较小时，整个溶洞处于桩端承载力的应力扩散范围之内，因此，可以将溶洞体系简化为受均匀围压的小孔模型，溶洞体系边界所受的围压应力来源于桩端向下扩散的附加应力，如图2a所示。

距离溶洞中心3r处A点岩体所受竖向应力p和B点岩体所受横向应力q分别为：

p＝K_rAp₀ (1)

q＝λK_rBp₀ (2)

式中，K_rA、K_rB分别为A点和B点的附加应力系数；p₀为基桩底部的压应力；λ为岩体在溶洞位置的侧向压力系数。

将溶洞体系简化之后，根据弹性理论，则：

式中，σ_r为溶洞边缘岩体的环向正应力；σ_θ为溶洞边缘岩体的径向正应力；τ_rθ为溶洞边缘岩体的剪应力；r为溶洞半径；ρ为岩体距溶洞中心的距离；θ为相对水平轴的转角。

令ρ＝r时溶洞边缘的环向正应力为：

σ_θ＝p[1+2cos(2θ)]+q[1-2cos(2θ)] (6)

将式(1)和式(2)代入上式(6)得到：

σ_θ＝p₀{K_rA[1+2cos(2θ)]+λK_rB[1-2cos(2θ)]} (7)

其中，圆形面积上竖向均布荷载作用下的附加应力系数为：

式中，r为应力圆的半径；z为距应力圆中心的垂直距离。

取溶洞顶板厚度为3d(d为基桩直径)，溶洞半径为0.3d，则A点距桩底距离约为2d，B点距桩底距离约为2.5d，则K_rA＝0.09，K_rB＝0.06。

岩体的侧向压力系数(μ为岩体的泊松比)。取μ＝0.3，则λ＝0.43。

综上，可得沿溶洞边缘θ＝0°时，溶洞水平两侧的最大压应力值为0.24p₀(p₀为桩底压应力)。θ＝90°时，溶洞水平两侧的最大拉应力值为0.01p₀。取岩石的极限抗压强度为15σ_t，则溶洞水平两侧的最大压应力值为σ_θ＝0.24p₀≤15σ_t，则桩端极限承载力为p_0max＝62.5σ_t。

当桩基直径较小，溶洞体积较大时，溶洞跨度超出了桩端应力扩散范围，可以将溶洞体系受力状态简化为受冲切作用的横梁体系，如图2b所示。

按照剪锥台上方岩体对锥台侧表面存在剪应力和拉应力两种状态进行分析：

锥台侧岩层抗剪模式分析：

式中，p₀为桩端应力；d为基桩直径；τ为冲切面极限抗剪强度；k₁为抗剪安全系数；h为顶板厚度；θ为持力层的冲切角度。

取抗剪安全系数k₁＝1,h＝3d,θ＝25°时，p_0max＝28.8τ。

锥台侧岩层抗拉模式分析：

式中，p₀为桩端应力；d为基桩直径；σ_t为冲切面极限抗拉强度；k₂为抗拉安全系数；h为溶洞顶板厚度；θ为持力层的冲切角度。

取抗拉安全系数k₂＝1,h＝3d,θ＝25°时，p′_0max＝13.68σ_t。

综上，溶洞顶板冲切破坏表现为冲切锥面的斜拉破坏，则桩端极限承载力为p′_0max＝13.68σ_t。

由上可知，根据桩基直径与溶洞直径的相对大小不同，桩端极限承载力不同，在小桩径大溶洞条件下，桩端极限承载力较差。

在步骤S3中，根据溶洞的高度不同，选用不同的防护措施。图3是本发明中溶洞高度小于3米时桩基防护的结构示意图，如图3所示，溶洞1的高度小于3米时，在溶洞1内填充片石、粘土、砂混合物或灌注混凝土等填充物2，通过静压注浆将溶洞1内的填充物2紧密压实，使得溶洞在一定范围内形成护壁，且在溶洞上下各1米范围内的钢筋笼3的外侧焊接钢板圆筒4。其中，静压注浆时为了加固孔中护壁以及溶洞填充物，并达到一定的强度(20兆帕以上)，防止钻孔桩施工时泥浆流失、流砂或坍孔等情况的发生，从而保障成孔以及水下混凝土浇筑等一系列施工工序的顺利完成。

优选地，当溶洞的高度小于1米时，桩基钻孔进行至溶洞顶板上方1米时，控制冲击钻的冲程在1-1.5米，冲击钻击穿溶洞之后，将冲击钻提升至孔口，并立即向溶洞内填充泥浆，向钻孔内投入片石、粘土块和水泥等。溶洞被击穿之后，孔内水位立即下降，填充溶洞后，孔内水位趋于稳定，且一定范围内在溶洞形成护壁。当溶洞的高度为1-3米时，可以先向溶洞内抛入填片、碎石或砂混合物等，将溶洞内的填充物初步挤压紧实之后，再向溶洞内灌注混凝土，24小时后，待混凝土强度达到2.5兆帕之后，再继续施工钻孔，穿过溶洞。

优选地，钢板圆筒4的厚度为4毫米，在钢板圆筒4的外侧固定有多根定位钢筋，以进一步地稳固溶洞护壁。

步骤S3中，为了保证钢护筒的强度和刚度，优选地，钢护筒的外侧固定有多根钢板箍筋，多根钢板箍筋的间距为2米，每根钢板箍筋的宽度为20厘米。

根据超前钻孔的结果，确定钢护筒的长度，优选地，钢护筒的长度比超前钻孔确定的多层溶洞高度大2米。溶洞高度大于6米时，超前钻孔易出现严重漏浆，单层钢护筒跟进施工，优选地，钢护筒的直径比桩基直径大0.2米。

在步骤S3中，为了避免钢护筒过短，没有穿透砂砾和卵石层落在不透水层，冲击钻遇到溶洞后造成漏浆，使得砂砾和卵石层失去稳定而造成坍孔，优选地，采用冲击钻进行冲孔施工时，将钢护筒坐落在不透水的土层上，再继续冲击成孔，从而避免坍孔。

溶洞的存在会使桩基的应力分布发生变化，桩身部分区域出现局部应力集中现象，会导致桩身整体结构下沉，桩身发生不同程度的变形。因此，需要根据桩基的应力分布对溶洞进行填充。优选地，岩溶区桩基施工方法还包括：对桩基承载特性进行数值模拟分析，包括：根据溶洞与桩基的相对位置，建立桩基数学模型，并进行数值模拟，得到溶洞被桩基贯穿、溶洞被桩基包含以及溶洞与桩基分离三种不同溶洞条件下的桩基的位移和应力分布。优选地，根据数值模拟分析结果确定不同溶洞条件下的溶洞内填充物的压实度，溶洞被桩基贯穿时溶洞内填充物的压实度最小，以便于预先估算填充溶洞时，对溶洞内填充物紧密压实的程度，从而缩短施工周期并保证施工质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种岩溶区桩基施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用回旋钻和冲击钻进行超前钻孔；

在超前钻孔中出现溶洞时，对桩基承载特性进行分析，包括：测量溶洞大小，并比较桩基直径和溶洞直径，当桩基直径大于溶洞直径时，将溶洞体系简化为受均匀围压的小孔模型，桩端极限承载力为62.5σ_t，当桩基直径小于溶洞直径时，将溶洞体系简化为受冲切作用的横梁体系，桩端极限承载力为13.68σ_t，其中，σ_t为冲切面极限抗拉强度；

根据桩端极限承载力，进行桩基钻孔，并在桩孔中下放钢筋笼，溶洞高度小于3米时，在溶洞内填充片石、粘土、砂混合物或灌注混凝土，通过静压注浆将溶洞内的填充物紧密压实，使得溶洞范围形成护壁，且在溶洞上下各1米范围内的钢筋笼的外侧焊接钢板圆筒，使用冲击钻继续钻进，直至达到桩孔设定位置；溶洞高度为4-6米时，在钢筋笼外侧埋设钢护筒，使用冲击钻进行冲孔、扩孔，采用振动锤将钢护筒穿过溶洞底部达到桩孔设定位置；溶洞高度大于6米时，在钢筋笼外侧埋设钢护筒，且采用单层套钢护筒跟进施工，扩孔后钢护筒立即跟进，直至穿过溶洞底部达到桩孔设定位置；

在桩孔中浇筑混凝土成桩。

2.根据权利要求1所述的岩溶区桩基施工方法，其特征在于，所述钢板圆筒的厚度为4毫米，在所述钢板圆筒外侧固定有多根定位钢筋。

3.根据权利要求1所述的岩溶区桩基施工方法，其特征在于，所述钢护筒的外侧固定有多根钢板箍筋，多根钢板箍筋的间距为2米，每根钢板箍筋的宽度为20厘米。

4.根据权利要求1所述的岩溶区桩基施工方法，其特征在于，溶洞高度大于6米时，所述钢护筒的直径比桩基直径大0.2米。

5.根据权利要求1所述的岩溶区桩基施工方法，其特征在于，溶洞高度小于1米时，桩基钻孔进行至溶洞顶板上方1米时，控制冲击钻的冲程在1-1.5米，冲击钻击穿溶洞之后，将冲击钻提升至孔口，并立即向溶洞内填充泥浆。

6.根据权利要求1所述的岩溶区桩基施工方法，其特征在于，采用冲击钻进行冲孔施工时，将钢护筒坐落在不透水的土层上，再继续冲击成孔。

7.根据权利要求1所述的岩溶区桩基施工方法，其特征在于，岩溶区桩基施工方法还包括：对桩基承载特性进行数值模拟分析，包括：根据溶洞与桩基的相对位置，建立桩基数学模型，并进行数值模拟，得到溶洞被桩基贯穿、溶洞被桩基包含以及溶洞与桩基分离三种不同溶洞条件下的桩基的位移和应力分布。

8.根据权利要求7所述的岩溶区桩基施工方法，其特征在于，根据数值模拟分析结果确定不同溶洞条件下的溶洞内填充物的压实度，溶洞被桩基贯穿时溶洞内填充物的压实度最小。