岩土工程是指土木工程中以工程地质学、土力学、岩体力学及地基基础工程学为基本理论基础,涉及岩土体的利用、整治或改造的科学技术,内容有勘察、设计、施工、检测以及管理,包括地基基础工程、边坡工程、洞室工程、支护工程和岩土环境工程等多方面,具有很强的实践性和综合性,其工作范围一般在地壳表层。
两千多年前,四川内陆地区就开始凿井求盐,使中国成为世界上最早开展钻探工程的国家[1],目前正在江苏东海县施工的大陆科学钻探设计孔深为5000ｍ,显示出我国一流的钻探水平。该技术现广泛应用于岩土工程勘察、施工和检测中,已成为衡量岩土工程水平的重要依据之一,特别是进入21世纪以来,基础设施建设不断加强,尤其是地下工程、高层建筑及大跨度桥梁的大规模建设,岩土工程问题日趋复杂,钻探技术必将取得长足的发展。但长期以来,该技术仅在原地矿、核工业和石油等系统的勘探类专业讲授,土木工程专业对此研究欠少,造成岩土工程设计与施工在客观上协调不足,制约了岩土工程的深入发展。
本文结合多年在岩土工程领域的教学、科研和生产实践,介绍并例举了钻探技术在岩土工程中的应用,认为发展岩土工程必须注重提高钻探水平,以推动勘察、施工和检测技术进步。
1 岩土工程勘察中的钻探技术及应用
岩土工程勘察就是通过调查、测绘、勘探与试验等方法,获得与工程建设有关的岩体、土体和水体的空间分布、变化规律及其物理力学参数等信息,以此评价、论证、检验场地的稳定性、建筑的适宜性及环境的演化性,并提出设计施工的基本资料与原则建议。
钻探是一种常规且非常重要的勘探方法之一,又是采取岩土样品和进行孔内原位测试必不可少的辅助手段。钻探技术是勘察资料准确性的必要条件,特别是对于深厚碎石土、砂土及岩溶等复杂地层,钻探技术不过关,便不可能准确揭露地层结构,也不可能获得岩土的客观物理力学参数,导致一些虚假的地质信息出现在勘察报告上,严重影响了工程建设的质量,造成不必要的浪费,或者导致结构物的安全隐患。影响勘察质量的钻进工艺主要有钻进方法、护壁堵漏技术和层位确定等。为了方便测试与取样,勘察钻进方法主要有锤击和回转两种。勘察过程中,往往要将锤击和合金回转钻进综合运用;护壁堵漏有冲洗液护壁、套管护壁和水泥护壁等方法,清水或钻孔自身造浆和套管护壁常较实用;在第四系中钻进,还要注意土质软硬悬殊对层位确定带来的不利影响,特别是当粘土钻头以锤击方式从硬层进入软层时,硬土芯将产生堵截作用,层位误差可达该回次总进尺[2]。厚度特大的砂层、碎石土层和洞穴地区,应高度重视钻探技术的开发和创新。以下将常见情况分四种基本类型来说明如何选定钻孔结构和钻进方法,钻进不良地质段则在此基础上增加变径次数和套管级数(见图1所示)。
1.1 上层为硬塑的粘性土,下伏岩层较完整上层可采用锤击,也可采用给水回转钻进且靠水压取芯[3],孔壁稳定,取样方便,可顺利完成孔内触探等原位测试;岩层可采用裸孔清水硬质合金回转钻进,如图1(ａ)所示。
1.2 上层为硬塑的粘性土,下伏岩体含洞穴或裂隙喀斯特地区和采空区多洞穴,其表层采用常规硬粘性土的钻进方法,而下部的空洞或大的破裂带常用套管隔离,如图1(ｂ)所示。尤其是发育多层洞穴时,还要安装多层套管。若岩体中溶蚀或裂隙张开性不大,可用清水合金回转钻进,根据冲洗液的颜色或流量变化准确判断溶蚀的位置与规模[4];若溶蚀或裂隙张开性较大,影响清水上返时,则改用优质泥浆或水泥浆护壁堵漏。
图1 四类典型地层的勘察孔结构示意图
1.3 上层为无粘性土或软弱土,下层岩体完整无粘性土可能源于河流冲积、岩石风化、急流洪积或人工堆积等,软弱土常由淤积或人工堆积而成,钻进时,其孔壁难稳定,故常跟管护壁至岩层,采用冲击、锤击或干法合金钻进[5],下部完整岩体仍采用裸孔钻进。钻孔结构如图1(ｃ)所示。
1.4 上层为无粘性土或软弱土,下伏岩体含洞穴或裂隙这种地层结构比较复杂。在综合上述3种情形的基础上,上层采用锤击、冲击或干法合金回转钻进,跟管护壁至岩体;下部主要靠优质泥浆或套管护壁,采用回转钻进工艺,如图1(ｄ)所示。当溶蚀强烈发育时,套管级数增多,孔内事故频繁,工期长,成本高。
2 工程施工中的钻探技术及应用
岩土工程施工是检验勘察资料,实现设计意图的过程,其质量取决于人员、机器、材料、方法和环境等五个方面的因素,其中,机器设备和工艺技术特别重要。很多工作内容如地基处理、基桩(包括空心桩)施工、边坡支护、巷道掘进、岩土固、托换工程等,都可以利用钻机施工不同直径、不同长度和不同倾斜度的孔洞,再充填强度较高材料。在这些工程中,钻孔的直径小到 75～110ｍｍ(锚桩、树根桩等),大到 4000ｍｍ以上,孔深(钻孔桩)达到150ｍ[6]或更深,顶角可据要求设置,从而使钻探技术在岩土工程施工中显示出长足的发展潜力。
2.1 竖向孔施工竖向孔指垂直向上或向下的孔洞,用于矿山、军工和土木工程等领域,可以充填或不充填,以满足受力或提供空间的需要。土木工程中常指地基基础中的桩孔,其成孔工艺主要有螺旋钻进、正(反)循环回转钻进、潜水钻进、冲击钻进和冲抓钻进等。单一的钻进方法各有其适宜地层,在长期的实践中积累了很多经验,有了很多革新,如在螺旋钻进方面,李式仁[7]设计出锥螺旋凿岩钻头,并以“钻孔压浆成桩法”为依托,解决了长螺旋钻孔不能嵌岩的难题;综合技术措施常用来对付复杂地层,如罗大勇[8]在319国道浏阳天马大桥工程中,采用冲击反循环钻进工艺、钢套管围护成孔、多级钢套管跟进护壁、片石回填和优质泥浆循环等综合技术措施,钻穿了11层溶洞,成功地完成了直径 3500ｍｍ、深达63.5ｍ的基桩。
2.2 斜孔施工在岩土工程中,有很多构造物需要支护、补强与加固,其方法之一就是在岩土体中钻孔后设置土钉或锚杆,以调动和提高岩土的自身强度和自稳能力。目前,岩土锚固孔的钻进方法有长螺旋干钻、冲击回转挤密钻进、冲洗液全面钻进和风动潜孔锤冲击回转钻进等几种。钻进中所用钻头应根据岩石可钻性等级、钻进方式和钻孔倾角决定,一般原则是:可钻性6级以下的岩石宜用合金钻头或牙轮钻头;可钻进6级以上的岩石可用钢粒和金刚石钻头钻进。钢粒钻进宜用于倾角>60°的钻孔。
3 岩土工程检测中的钻探技术与应用
岩土工程施工及运营会引起岩土性状和周围环境条件发生变化。监测就是在施工期和施工后运用专用仪器和工艺测试这些变化,以了解施工产生的影响程度和规律,科学地指导设计与施工。随着高科技的发展,监测技术日益更新,但基本上可分为浅层和深层监测两类,而钻孔是实现深层监测的重要手段。下面结合工程实例,从深部土压力测试、分层位移(垂直和水平)测试和基桩抽芯叁方面介绍钻探技术的具体运用。
3.1 深部土压力测试杭州市运河截污工程[9]需要在沟槽地面以下4ｍ处量测大直径污水干管地基中垂直土压力分布情况,其安装工艺[9]为:
①钻孔:为了减少地基土的扰动范围和程度,终孔直径应比压力盒直径大一级,采用注水回转钻进工艺以压差护孔。
②埋盒:先回填同类土,夯平孔底,再用自制工具兜吊装压力盒,要求膜面朝向被测压力方向,倾角<10°。
③回填:选用原位土体填孔压密,要求密实度接近原状土,一段时间后补填,方可施加测试荷载。
3.2 分层位移测试笔者曾在“佛(山)—开(平)”高速公路“谢边—南庄”段Ｋ7+120断面埋设了分层沉降仪。该断面地层从上而下可分为3层:第一层为褐黄色粘土,稍湿,可塑,厚度1.4～2.0ｍ;第二层为淤泥,软—流塑状态,厚度3.2～7.9ｍ;第三层为黄色粘土,可塑,未钻穿,地下水位处于砂垫层中。
(1)钻孔时采用合金回转、套管护壁工艺。要求套管总长小于孔深1.5～2.0ｍ以上,便于回填料箍住沉降管总成底部;上段套管安装多段0.5ｍ/根的短节,确保拔管时沉降管总成不上升,如图2(ａ)。
(2)安装前,测试管底部均应采用透水隔泥砂装置。透水是为了减少浮力,隔泥砂是为了确保探测器顺利沉入管底测试点。安装时,需在管内灌水,逐段连接。如图2(ｂ)所示。
(3)管底到位后,在测试管外壁和孔内壁的环状间隙中用原位土或中、细砂加水回填。当回填料升至套管底部时,逐段起拔套管,借缩径作用箍住测试管下部,及时回填,如图2(ｃ)所示。
图2 分层沉降管安装程序(ａ)钻孔;(ｂ)下管;(ｃ)回填;(ｄ)护口1—测试管;2—套管;3—透水隔砂件;4—砂袋;5—钢管;6—回填砂开始起拔套管时,适量反打,以克服套管所受静摩阻力。
(4)拔除套管后将底端用砼嵌固的长约0.6ｍ、直径为 127ｍｍ的钢管套住沉降管总成上端,以提供测深的基准点;周围用沙袋围护,以保护沉降管总成不堵塞和破坏。如图2(ｄ)所示。
3.3 抽芯验桩即在桩体(如钢筋混凝土桩、搅拌桩和旋喷桩等)内钻孔以检查桩体质量。钻进采用 110～130ｍｍ的人造金刚石孕镶平底钻头和立轴式油压岩芯钻机及其配套矩形螺纹钻杆。钻进规程为中等压力、较高转速及中等泵量,并保持钻进参数一致,进行匀速钻进。
抽芯应注重以下要点:①岩芯完整,采芯率要达到95%～100%,最好一个回次均为整岩样,每段接口吻合;②钻孔在到达桩底前不穿出桩身,垂直偏差<0.5%,可采用下列方法判断桩底沉渣:持力层为中风化基岩时,要求在快过桩尖时停车冲孔,一直冲到孔内返清水,再开车钻进,如进尺突然加快,说明钻头已过桩尖,马上停水停钻,量好机上余尺,缓慢加压通过沉渣,至不再进尺;持力层为强风化岩或砂砾层时,可采用动力触探法确定沉渣厚度;④发现断桩等不良迹象时,须在该桩体内加钻1～2个孔方可作出正确判断;⑤岩溶地区钻芯时,一般要在桩体内钻2～3个孔,且钻入基岩内5ｍ以上,以验证沉渣、桩长和持力层厚度等情况;⑥岩芯管上连接实芯铸铁和取粉管,以自重校正孔斜、有效排渣[10]。近年来,长径比>50的超长桩应用日趋广泛,钻芯是否可行取决于桩体和钻芯孔的垂直度。钢筋笼上有后注浆管时钻芯孔的垂直度由式(1)确定;无筋(或后注浆管)桩的钻芯孔垂直度由式(2)确定:
式中:Ｈ———桩体内钻芯孔顶与底的高程差,ｍ;β———钻芯孔轴线顶角,恒取正值,β≤ａｒｃｔａｎ0.5%;Ｄ———实际桩径,ｍ;ｂ———桩顶处钻芯孔中心与基桩中心之间的距离,ｍ,取ｂ=0～Ｄ/4,由桩身是否含障碍物等因素决定,钻芯孔在基桩倾向反侧时取正值;在基桩倾向同侧时取负值。ｄ———钻芯孔直径,ｍ,取110ｍｍ或130ｍｍ; ———后注浆管直径或主筋和后注浆管直径之和,ｍ,由后注浆管是否代替部分主筋确定;ｈ———混凝土保护层厚度,ｍ,取ｈ=30～70ｍｍ;α———基桩轴线顶角,α≤ａｒｃｔａｎ1%,与钻芯孔反向倾斜时取正值,同向倾斜时取负值。
工程桩决定钻芯时,α、Ｄ、ｄ、ｈ、 和ｈ为确定值,则β由Ｈ唯一确定,即:一方面,实际桩长条件下,钻芯孔的容许顶角由式(1)、(2)计算确定;另一方面,据式(1)、(2)可计算当β处于容许范围时可以成功钻芯的最大桩长。换言之,桩长超过某值,钻芯孔必然在到达桩底前穿出桩外。
4 结束语
钻探是一门成熟而又不断发展的工程技术,在岩土工程勘察、施工和检测中至关重要。工程中应从实践出发,学习、运用和开发钻探技术,更好地服务于工程建设。
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