浅谈强风化基岩的工程地质条件与预制桩基础

时间日期：2002-10-31 已被阅读次：[11794]

广东佛山地质工程勘察院　黄芝惠　　刘晖

当前，预制桩以其质优价廉，施工快捷的特点而广泛用于码头，桥闸和厂房、楼房建筑等桩基础施工中。预制桩基础往往选用强风化基岩的下部至中风化基岩的顶界作为桩端持力层，施工中常见有桩体变形、桩端滑移或断桩事故发生。引发事故的因素很多，除了桩体的质量之外，尚有施工设备、施工工艺、设计桩型的可行性和场地工程地质条件的好坏等因素都直接影响到预制桩基础的工程质量。国家标准《建筑桩基技术规范》(JGJ94－94)和广东省标准《预应力混凝土管桩基础技术规程》(DBJ/T15－22－98)对预制桩基础的设计和施工做了详细的技术规定，但是，实际工作中某些因素是规范中未能涉及到的地方，这就需要我们在实践中去探索和总结经验。
　　多年来，笔者在岩土工程勘察工作中深感强风化基岩的工程地质条件与预制桩基础的施工质量关系最为密切，本文就佛山市某场地为例做出点滴浅析，以供同行参考。
　　佛山市某场地正在兴建六层住宅楼，场地之地基由人工填土层(Qml)、第四系三角洲海陆交互相冲淤积层(Qmc)和下第三系　心组下段(E1－2bxa)灰色、紫红色薄～中层状泥岩、粉砂质泥岩夹粉砂岩、长石砂岩等组成。场地之基岩岩层走向北东，岩层面向北西倾斜，岩
层倾角约15～25°，形成一单斜构造，未发现断裂构造或破碎带，地基稳定性良好。
　　场地内拟建六层楼房采用预应力混凝土管桩基础，桩径为ф400mm，以5.0锤打桩机施工。贯入度以30mm/10击收锤。一般情况下，大部分管桩都能顺利施工。但在某些部位或地段则配桩难，甚至容易引发桩体变形或断桩事故。究其原因，配桩难、桩体变形、断桩等现象统统与强风化基岩的工程地质条件密切相关。
　　场地内的强风化基岩具有如下几个特点：
　　1.强风化带基岩与中风化带基岩的分界线具有两种类型：
　　第1种类型：如图3ZK4、ZK10、ZK19相同岩性(泥岩)垂向风化成残积土层、强风化泥岩及中风化或微风化泥岩。各相带为垂向渐变过渡关系，这种类型的强风化基岩对预应力管桩施工比较有利，一般都能顺利施工。
　　第2种类型：如图3ZK26和ZK33强风化粉砂岩与中(微)风化泥岩的相带界线正好是两种不同岩性的岩层面，两者软硬突变，加上岩层倾角约20～25°，桩端到达该层面时，桩端顺层面滑移，从而引发桩体弯形，甚至断桩。
　　2.强风化带基岩太薄或缺失：如图2ZK5第四系淤泥质土层直接覆盖于中风化带基岩之上，两者之间缺失残积土层和强风化基岩，桩端轻易穿过淤泥质土层便与中风化村岩猛烈撞击，容易引发断桩。
　　3.强风化带基岩厚度过大，风化程度不均匀：在这种情况下，配桩难度大。如图2ZK6附近有一个双桩承台，由于ZK6孔深18.5～18.6m处标贯试验反弹，该承台有一根桩桩端到达标贯试验点深度时按贯入度完工；由于基岩风化不均匀，而同一承台另一根桩则到达24.2m处才收锤，两桩桩长相差将近6m。图3ZK33附近的承台，也发生类似情况。
　　4.强风化带基岩厚度过大，又有楔状尖灭的中风化岩夹层：这些地段配桩更难。图1是场地内中风化基岩顶界起伏示意图，在ZK6—ZK11—ZK20—ZK26—ZK29—ZK32一线的北西侧中风化泥岩顶界埋藏浅，顶界标高约－7～－9m左右，而且中风化泥岩向东南方向迅速呈楔状尖灭；而该线的南东侧为强风化粉砂岩和强风化长石砂岩，其下伏的中风化基岩顶界埋藏深，顶界标高约－25m左右。这种深浅的突变是难以用等深线给予准确的表示的，只能通过图2和图3工程地质剖面图给予辅助反映。可想而知，在ZK6—ZK11—ZK20—ZK26—ZK29—ZK32一线东南旁侧的承台预应力管桩自然是配桩难，而且难以确保施工质量。如ZK26在孔深9.5～10.9m处夹有1.4m厚中风化泥岩，由于岩层面向北西向倾斜，使该中风化泥岩夹层在ZK26的东南侧呈楔状迅速尖灭。ZK26附近有一双桩承台，其中的一根桩桩端落在9.0m处，加一根桩长达16.2m，而且桩体变形，技术处理十分麻烦。ZK29附近的承台也有类似事故发生，甚至引发管桩的下部因为施打过渡疲劳受损造成断桩。
　　综观上述各种情况，预制桩基础既有质优价廉，施工快捷的一面，又有受制于错综复杂的各种地质情况，配桩难，施工事故多的一面。
　　对于岩土工程勘察和岩土工程勘察报告的编写，笔者提出如下几点建议：
　　1.岩土工程勘察工作中，岩土工程师应注意观察记录基岩岩层倾角，对于岩层倾角普遍过大(35～40°以上)的场地，不宜采用预制桩基础。
　　2.对于基岩中软硬岩层交互频繁出现的场地(如宝月组强风化粉砂岩、长石砂岩与或微风化泥岩互层)，不宜采用预制基础。
　　3.对于预制桩基础可行性能够确定的场地，建议在岩土工程勘察报告中尽量详细做出中风化基岩顶界等深线图。结合工程地质剖面图可以判断基岩岩层的走向和倾向，有利于反映岩层的构造特征，有利于预制桩基础的设计和施工。
　　4.对于预制桩基础可行性能够确定的场地，不管是否技术孔，残积土层和强风化带基岩建议每隔2～3m应进行标准贯入试验一次，直至标贯实测锤击数N`≥100击为止，强风化基岩中若有中(微)风化基岩夹层，应注明夹层位置，这样比较有利于预计桩长和配桩。
　　5.工程地质剖面图上钻孔之间基层各相带连线，应综合考虑岩性、岩石强度、岩层产状及剖面方向等因素连图，因为有些部位相同相带的基岩界线不能盲目直线连接。
　　6.关于预应力管桩基础强风化基岩的极限侧阻力标准值qsik和极限端阻力标准值qpk的取值问题，人们往往习惯于套用qsik=200kPa和qpk=8000kPa，建议应根据场地强化风基岩的工程地质条件适当做些增减。对于岩土层物理力学指标的选取，应结合地区经验为宜。
　　以上是笔者在实际工作中对强风化基岩的工程地质条件和预应力管桩基础的一些粗浅认识，由于水平有限，错误难免，不妥之处敬请指正。

南海市松岗地区溶洞、土洞工程地质特征
广东佛山地质工程勘察院黄贤克　易国雄
　　摘要：本文阐述了松岗石灰岩地区溶洞、土洞的不良地质现象，对溶洞、土洞的形成机理及空间分布规律进行分析，并对石灰岩地区的岩土工程勘察及地基处理提出一些建议。
关键词：溶洞　土洞　地基　地表场陷南海市松岗

岩溶洞隙及其伴生的土洞是石灰岩地区的常见不良地质现象，它对建筑物基础的稳定性危害极大。在被第四系覆盖的石灰岩分布区兴建桥梁、楼房及水利设施时，地基岩土工程勘察的技术要求高，施工难度大，探明溶洞、土洞的岩土层工程地质特征，采取合理的有效措施对溶洞、土洞进行处理尤为重要，这就需要我们在实际工作中努力探索和总结经验。
　　南海市松岗镇地区正是溶洞、土洞十分发育地区，本文就该地区某建筑场地为实例，试对溶洞、土洞的岩土层工程地质特征及溶洞、土洞的生成地质条件进行剖析，以供同行参考。
　　一、场地岩土层工程地质特征
　　该建筑场地面积约100×100m2，建筑物占地面积约50×40m2。场地内拟建一座13层综合大楼。第一期初勘布设钻孔42个，第二期详勘又加密钻孔48个，先后共90个钻孔均以方格网状布孔。
　　该场地地处珠江三角洲平原中部三水盆地北东部边缘的里水隆起区与佛山沉降区边界北侧，场地之地基由人工填土层(Qml)、第四系三角洲相松散冲淤积层(Qmc)、残坡积层(Qedl)及石炭系中、上统壶天群(C2＋3ht)石灰岩、白云质灰岩组成。岩土层之工程地质特征自上而下简述如下：
　　1、素填土：层厚0.8～2.2m。紫红色、黄褐色，主要由砂岩、泥岩风化土堆填而成，含块石，稍压实。湿～很湿。
　　(1)粉质粘土：层厚0.5～3.3m，底界埋深1.5～4.3m。灰色、灰黄色，含腐植质，顶部0.3～0.5m呈硬可塑状而构成硬壳层(为耕土层)，中下部呈软塑状，经53处标贯试验，N=1～10击，平均5.5击。
　　(2)粉土：层位不稳定，层厚2.0～5.6m，底界埋深4.9～7.9m。灰色，上部含淤泥质，稍密～中密，湿～很湿。经60处标贯试验，N=1～15击，平均4.6击。(3)粉、细砂：层厚1.1～4.9m，底界埋深5.8～9.0m。为河口湾三角洲侧向加积层，呈灰色、灰白色，成分以石英为主，顶部含泥质，底部偶含细砾及中、粗砂，松散～稍密，局部中密，饱和。经60处标贯试验，N=6～25击，平均12.6击。
　　(4)粉质粘土：层厚0.9～9.9m，底界埋深8.3～16.5m。浅灰白色，上部含砂质较多，可塑为主，局部软塑。经134处标贯试验，N=3～15击，平均9.1击。
　　3、残坡积土：层厚0.9～11.2m，底界埋深13.4～21.7m。呈紫红色、棕黄色、灰白色等，花斑状，成分以粘性土为主，含砂及砂岩、硅质岩角砾，成分复杂，粘性较差，软可塑～硬可塑。经171处标贯试验，N=3～40击，平均11.9击。该层中、下部土洞发育。
　　4、微风化石灰岩：揭露厚度0.5～13.1m，顶界埋深12.7～25.4m。为石炭系中、上统壶天群石灰岩。灰色、灰白色、肉红色，厚层状—巨厚层状，岩层倾角大于60°，岩芯短柱状，致密坚硬。方解石脉及岩溶洞隙发育。取岩石抗压样61件，其单轴极限抗压强度fr=36.4～170MPa。
　　二、溶洞、土洞等不良地质现象
　　场地内不良地质现象主要为岩溶洞隙及与其伴生的土洞，场地内先后共施工90个钻孔，有66个钻孔见溶洞和土洞，溶、土洞的出现率占钻孔数的73.3％。其中发现土洞的钻孔34个，发现溶洞的钻孔46个，溶、土洞共存在的钻孔14个。施工其间出现地表塌陷的钻孔有18个，施工后半个月内发现地表塌陷区增加到31处，地表塌陷区最小面积约1m2，大者可达数十平方米。
　　1、溶洞、土洞的发育部位
土洞发育于第3层残坡积土的下部，在地表以下18m深处开始出现土洞，至深度20m左右土洞的出现率最高，20～24m深处溶、土洞最为发育，溶洞呈多层结构，部分溶、土洞共存。
2、溶洞、土洞的形态、规模
　　溶、土洞的形态在剖面上整体为扁平状，局部呈犬牙交错的不规则状，既有单独的土洞和溶洞，也有溶、土洞互相连接勾通。从工程地质剖面图上发现溶、土洞的最长可达>30m，最大洞深可超过8m。部分溶洞顶板微风化灰岩的厚度不大，远远小于洞跨，预测在未来的地史岁月中，这些洞顶也会有塌陷的危险。
　　3、溶洞、土洞堆填物性状
　　大多数溶、土洞底部均有从顶部坍塌的堆填物，既有粘性土，也有硅质岩、灰岩角砾或碎块，由于受地下水浸泡，土质极为松软。大多数溶洞未充填或少数溶洞半充填有灰色淤泥质土、砾质粘性土及岩块等。
　　三、地下水对地表塌陷的影响
　　钻探施工中当钻至土洞或溶洞时，钻孔中普遍都发生漏水现象，钻孔终孔时都观察不到孔内地下水水位。但经过一、二天之后，钻孔内水位普遍恢复到－1.0～－1.5m(假设地面标高为0m)。说明岩溶洞隙内的水具有一定的流动性，但钻孔内的水位又能在较短时间内恢复到地表水位上来，双从一个侧面反映出岩溶通道内的水虽有流动，但其排泄通道并不畅通。在未钻探施工之前，第(2～4)层粉质粘土和第(3)层残坡积土阻隔着地表水与土洞、溶洞的通道，当钻探施工中钻孔打开了地表水与土洞、溶洞的通道时，造成地下水位突然下降，使土洞顶板受到水力潜蚀，土洞空间扩大，顶板渐薄，向上呈拱形扩展，当拱顶薄到不能支撑上部土层的承重时，便出现成片、成带的地表塌陷。
　　四、溶洞、土洞成因分析
　　场地内溶、土洞的生成具备以下三个条件：1、基岩为石炭系中、上统壶天群石灰岩和白云质灰岩。据1：5万《佛山市幅》区域地质调查资料，松岗地区岩层由于在燕山期受东西向压应力场的挤压作用，岩层走向近南北，岩层近于直立，岩层倾角普遍大于60～70°，裂隙发育。壶天群灰岩的层面和裂隙为地下水活动提供了通道，为溶洞的形成提供了空间。
　　2、第四系第(2～3)粉、细砂为河口湾三角洲侧向加积层，厚度较大，分布范围广，孔隙度高，含水量十分丰富，为地下水向溶洞垂向渗流提供了丰富的水源。
　　3、第四系第(3)层残坡积土厚度大，成分复杂，粘性差，为地下水的潜蚀作用和土洞的扩展提供了层位。
　　第(2～4)层粉质粘土是良好的隔水层，在松岗地区该层层位比较稳定，维持着地表土层现状的均衡静态。这种平衡条件一旦受到破坏，地面将可能产生成片、成带的塌陷，给地面的建筑物造成极大的危害。
　　五、岩土工程勘察及地基处理建议
　　根据松岗地区溶、土洞具有发育强烈、规模大、埋藏深、分布范围广的特点，笔者提出如下几点建议。
　　1、第(2～4)层粉质粘土是良好的隔水层，一般厚度3～7m，层位比较稳定，它维护着地表土层现状的均衡静态，任何施工单位不要随意破坏土层结构，不得设置任何改变地下水水位的设施。
　　2、无论兴建低层、多层、高层楼房或桥梁及重要的水利设施，都必须进行可行性的岩土工程勘察，建议孔距15～20m，根据工程的需要孔深应进入连续中、微风化基岩3～5m。
　　3、地基中若发现有溶、土洞存在，则必须进一步做详细勘察工作。应查明溶、土洞的发育地质条件，溶、土洞的分布规律，拟建工程范围内的溶、土洞的位置、规模、埋深及洞内堆积物和地下水特征，并研究、分析其发展趋势。
　　4、因为松岗地区的溶、土洞发育十分强烈、规模大、埋藏深(约18～24m)，难以采用挖填夯实、洞底支撑及灌填法、排水防渗等措施，对溶、土洞加以治理。建议建筑物尽量避开溶、土洞兴建，宁可建低层而不建高层，对于非建不可的建筑物建议采用物探测试场地内容、土洞的分布情况，采用一柱一孔进行详勘。
　　5、采用桩基础和钢筋混凝土梁板跨越相结合的措施，在建筑物的底板用筏板将各桩连结起来，以防土洞扩展而引发建筑物基础失稳。
　　以上为笔者多年来在松岗地区岩土工程勘察中的点滴体会，供建筑行业主管部门和同行参考。因笔者经验不足，错误在所难免，敬请行家指正。
　　参考文献
　　1、广东省地质矿产局，1988，广东省区域地质志。地质出版社。
　　2、刘正峰等，2000，地基与基础工程新技术实用手册。海潮出版社。
　　3、中华人民共和国国家标准，2002，岩土工程勘察规范。建筑工业出版社

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