沿海厚吹填土地層樁基縮徑的控制研究

鄒 明

(贛中南地質(zhì)礦產(chǎn)勘查研究院，江西南昌330029)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地越來越受到重視，尤其在擁擠的沿海城市，土地資源更顯得彌足珍貴。吹填法作為一種圍海造陸的手段，在吹填陸地的同時(shí)還可以疏浚巷道，是解決沿海城市土地資源緊缺的一種有效經(jīng)濟(jì)手段，但同時(shí)吹填土的高液限、高含水率、高壓縮性，及低干密度、低強(qiáng)度、低滲透性即“三高三低”的特性，對樁基的施工、使用和安全產(chǎn)生很大的影響。

鉆孔灌注樁以其施工無擠土、環(huán)境噪聲小、對地層適應(yīng)強(qiáng)及承載力高等優(yōu)點(diǎn)目前大量用于工程中［1］。但在較厚吹填土地層條件下使用鉆孔灌注樁進(jìn)行軟基加固處理的施工過程中，由于鉆孔過程破壞了孔周土體原始應(yīng)力平衡，孔周邊形成應(yīng)力集中，會出現(xiàn)嚴(yán)重影響工程質(zhì)量的縮徑問題，由此工程上會采取各種應(yīng)對技術(shù)措施，從而又引發(fā)出基礎(chǔ)工程質(zhì)量保證與工程工期、經(jīng)濟(jì)性等矛盾。如何找到解決縮徑與成本適量增加的平衡點(diǎn)，對工程施工有著非?，F(xiàn)實(shí)的實(shí)際意義。

1 孔壁穩(wěn)定性影響因素

鉆孔樁孔壁失穩(wěn)的根本原因是由于鉆孔過程破壞了孔周土體原始應(yīng)力平衡，孔周邊形成應(yīng)力集中，孔壁土體受力超過了其強(qiáng)度值，致使土體屈服破壞。

1．1 天然因素

1．1．1 原始地應(yīng)力

由于天體的引力，地球的自轉(zhuǎn)及構(gòu)造運(yùn)動引起的構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致地殼不同部位出現(xiàn)受力不均衡。當(dāng)這些構(gòu)造應(yīng)力超過地殼巖石本身的強(qiáng)度時(shí)，便會產(chǎn)生斷裂而釋放出其能量;反之，便會儲存在地殼巖石中，遇到合適的條件，便會表現(xiàn)出來。研究表明，水平地應(yīng)力的各向異性對孔壁穩(wěn)定性具有顯著的影響，當(dāng)最大水平地應(yīng)力與最小水平地應(yīng)力的比值(σH/σh)越大，孔壁發(fā)生破壞的可能性就越大［2］。

1．1．2 時(shí)間因素

時(shí)間因素包括地層固結(jié)時(shí)間［3］和成孔時(shí)間。實(shí)驗(yàn)表明軟土地層固結(jié)的時(shí)間與土體強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系。固結(jié)過程即土體排出孔隙水，體積逐漸減小，抗剪強(qiáng)度逐漸增加的過程。隨著固結(jié)時(shí)間的增長，固結(jié)度逐漸增加，土的蠕變變形逐漸減小，穩(wěn)定性逐漸增加。

成孔時(shí)間的長短對孔壁的穩(wěn)定性有著重要影響，根據(jù)土力學(xué)，軟土土體具有蠕變特性，隨時(shí)間的延長，巖土的變形量會增加，當(dāng)這種變形量達(dá)到一定程度，會產(chǎn)生孔內(nèi)縮徑甚至局部坍塌。另外，有的土體經(jīng)長時(shí)間在水中浸泡會膨脹、軟化，也會對孔壁產(chǎn)生較大影響。所以，孔壁穩(wěn)定還必須滿足時(shí)間因素條件。

1．2 人為因素

1．2．1 泥漿性能

孔壁穩(wěn)定性基本條件——靜力平衡條件［4］:

F+P+σ≥P0+kR0

式中:F——巖土內(nèi)應(yīng)力，與巖土性質(zhì)相關(guān);P——泥漿水頭壓力，與泥漿重度相關(guān);σ——圓環(huán)應(yīng)力，與鉆孔半徑相關(guān);P0——孔壁巖土的側(cè)壓力，與土層參數(shù)、厚度相關(guān);k——附加壓力的傳遞系數(shù)，與土體參數(shù)相關(guān);R0——地表外荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力。

根據(jù)此平衡條件可以看出，要使得樁孔處于穩(wěn)定狀態(tài)，主要通過控制泥漿的重度等參數(shù)來達(dá)到。

1．2．2 施工工藝

鉆孔樁成孔工藝主要有正循環(huán)和反循環(huán)，在同等條件下，正循環(huán)由于泥漿通過泥漿泵強(qiáng)行壓入會對孔壁產(chǎn)生正壓力，而反循環(huán)由于泥漿泵對孔內(nèi)泥漿的抽吸會對孔壁產(chǎn)生負(fù)壓力。正循環(huán)鉆進(jìn)成孔工藝對孔壁穩(wěn)定的影響比反循環(huán)成孔工藝更有利［5］。

1．2．3 附加荷載

主要包括靜荷載和動荷載。靜荷載主要包括臨近建筑物荷載、施工機(jī)械設(shè)備及樁孔附近的堆載，由上述靜力平衡條件公式也可以看出荷載大小與樁孔的距離對其都有重要影響。

工地附近有公路、鐵路、工廠和樁孔附近的行走機(jī)械設(shè)備等能對巖土層產(chǎn)生附加動荷，如果施工的巖土層具有較大靈敏性，如淤泥、淤泥質(zhì)粘土和粉細(xì)砂等地層，在有外界附加動荷情況下，這些巖土層液化而改變巖土原有性質(zhì)，使其處于流體狀或蠕變迅速加劇，造成孔內(nèi)縮徑或坍塌［6］。

2 工程案例

2．1 地層概況

本文工程擬建場地所處地貌單元屬濱海海積灘涂，從區(qū)域地質(zhì)及鉆探資料來看，場地上部分布有厚度＞80 m的第四系松散沉積物，其中上部40 m左右為軟土，屬河口相和海相沉積物，為淤泥及淤泥質(zhì)土，成因時(shí)代為第四紀(jì)全新世(Q4);中下部為河流相、湖泊相沉積物，為粘性土和碎礫石層，成因時(shí)代為中更新世(Q3)?？s徑問題主要發(fā)生在3～9 m處的吹填土層，故將以上部吹填土地層為主展開研究。

吹填土，灰黃色，稍濕，松散狀，吹填形成，主要成分為淤泥，含少量粘性土和粉砂，為新近吹填而成，時(shí)間＜1年，全場分布。淤泥為灰色，流塑狀，高靈敏度，高壓縮性，韌性高，干強(qiáng)度高，搖振反應(yīng)無，切面光滑，含少量粉砂、貝殼碎片及腐殖質(zhì)，局部相變?yōu)橛倌噘|(zhì)粘土。上部已預(yù)壓排水，含水量相對較小，全場分布。具體參數(shù)見表1。

表1 上部土層參數(shù)

2．2 成孔泥漿及縮徑情況

本次鉆進(jìn)中泥漿工藝采用的是鉆孔自然造漿，重度γs=11 kN/m3。根據(jù)上述靜力平衡條件，巖土內(nèi)應(yīng)力F取土體的抗剪強(qiáng)度，圓環(huán)應(yīng)力σ與半徑有關(guān)，無具體參數(shù)，忽略圓環(huán)應(yīng)力有利于增大泥漿的重度，對穩(wěn)定有利，故將其忽略不計(jì)。泥漿的水頭壓力P=γsh。附加荷載R0只有鉆塔和鉆桿的重力，但鉆塔底部支架面積較大，附加應(yīng)力與土體自重應(yīng)力相比較小可忽略不計(jì)?？妆趲r土的側(cè)壓力P0按靜止土壓力計(jì)算:

式中:γ——上覆土層重度;K0——靜止土壓力系數(shù)，近似的K0=1－sinφ;Z——土層厚度。

由靜力平衡條件可知，當(dāng)F+P+σ=P0+kR0時(shí)，孔壁土體處于極限狀態(tài)，此時(shí)的深度Z=1.04 m。即在深度1.04 m以深，土體將逐漸屈服，直至破壞。工程實(shí)際縮徑情況見表2。

表2 實(shí)際成孔縮徑情況檢測表

3 縮徑控制措施

根據(jù)場地土層性質(zhì)及參數(shù)結(jié)合工程經(jīng)濟(jì)性，縮徑控制主要通過3種手段:加長護(hù)筒、改善泥漿、鉆孔擴(kuò)徑。

3．1 加長護(hù)筒

護(hù)筒控制縮徑效果較好，安全可靠，但超過一定深度，施工難度及成本將成倍增高，本工程縮徑主要在3～9 m深度，下護(hù)筒顯然不是一種最合適的手段。

3．2 改善泥漿

改善泥漿是一種有效而經(jīng)濟(jì)的方法。本項(xiàng)目鉆進(jìn)過程使用的泥漿是鉆孔自成漿，泥漿重度為11 kN/m3，根據(jù)靜力平衡條件計(jì)算得，在距地平面以下1.04 m處，孔壁土體即處于極限狀態(tài)，向下將發(fā)生屈服，直至破壞，且縮徑將沿孔深一直產(chǎn)生。而實(shí)測縮徑發(fā)生在3～9 m處，計(jì)算與實(shí)測數(shù)據(jù)有偏差。分析原因，一是由于忽略了護(hù)筒支撐保護(hù)和孔壁的圓環(huán)應(yīng)力，護(hù)筒支撐和圓環(huán)應(yīng)力對計(jì)算穩(wěn)定性有利，導(dǎo)致縮徑實(shí)際開始位置與實(shí)際有偏差。二是可能由于計(jì)算時(shí)未考慮上部淤泥層的固結(jié)時(shí)間，因?yàn)橥馏w的固結(jié)與土體的流變性、觸變性、強(qiáng)度等有著密切的聯(lián)系，固結(jié)時(shí)間越長，土體流變性、觸變性變小，強(qiáng)度增強(qiáng)。本次施工泥漿重度偏小，建議可加大泥漿的重度。

3．3 鉆孔擴(kuò)徑

鉆孔擴(kuò)徑較經(jīng)濟(jì)、安全地解決了本次施工中遇到的問題，但是擴(kuò)徑量的多少并無確定的理論值作為施工指導(dǎo)。擴(kuò)徑超過需要值，則會增加工期，增加混凝土用量，從而導(dǎo)致工程成本的上升;擴(kuò)徑不夠，則達(dá)不到預(yù)期的治理縮徑的效果。故準(zhǔn)確的判斷擴(kuò)徑量便顯得尤為重要。本文擬根據(jù)成孔檢測資料，對規(guī)定時(shí)間的縮徑量做出分析，為相對準(zhǔn)確的擴(kuò)徑量提供理論依據(jù)。圖1、圖2為本項(xiàng)目典型樁徑變化與時(shí)間關(guān)系圖。

圖1 600 mm樁孔孔徑變化量與時(shí)間關(guān)系

圖2 800 mm樁孔孔徑變化量與時(shí)間關(guān)系

根據(jù)上述2個(gè)曲線圖可看出，縮徑發(fā)生在鉆進(jìn)的剛開始，且縮徑量較大，最大縮徑量達(dá)到276.5 mm。縮徑曲線斜率增大，表明隨時(shí)間的增長，縮徑速率在增大，這與土體的蠕變性有關(guān)。由上述曲線可在確定時(shí)間計(jì)算出縮徑大概值，為實(shí)際工作的展開提供依據(jù)。如本次施工，從鉆孔完成至灌漿結(jié)束大約4 h，在4 h內(nèi)，設(shè)計(jì)600 mm的樁孔縮徑量最大達(dá)到168 mm，所以可提前將孔徑擴(kuò)至770～800 mm;設(shè)計(jì)800 mm的樁在4 h內(nèi)縮徑量將達(dá)到87.7 mm，故800 mm的樁孔可鉆至870～900 mm。而在遇到意外情況，如混凝土供應(yīng)不及等，也可根據(jù)曲線將孔徑擴(kuò)大至需要值。由于鉆孔擴(kuò)徑相對其他方案最為簡單有效，只要從理論上掌握有效控制最佳擴(kuò)徑增量，并在實(shí)際工程得到驗(yàn)證的情況下，該方案應(yīng)成為解決縮徑的主要技術(shù)手段。

4 結(jié)論與建議

由于吹填土的特殊性及其固結(jié)時(shí)間短，造成其工程性質(zhì)較差，影響樁基施工質(zhì)量、工期、安全及經(jīng)濟(jì)性，因此建議采取以下技術(shù)措施改善吹填軟土地基地質(zhì)力學(xué)性能。

(1)添加水硬性膠結(jié)材料?？稍诖堤钸^程中預(yù)添加水泥或石灰等水硬性膠結(jié)材料以改善其土力學(xué)性質(zhì)，盡可能在施工前進(jìn)行較長時(shí)間的預(yù)壓固結(jié)，以保證施工的順利進(jìn)行。

(2)摻填膨潤土。摻填膨潤土可增大泥漿重度，能夠有效增加泥漿的護(hù)壁壓力，穩(wěn)定孔壁，防止或減少縮徑現(xiàn)象，但此法會增加經(jīng)濟(jì)成本，成孔施工中必須綜合考慮質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益關(guān)系。

(3)添加外加劑。由于本文工程場地土體的特殊性，可從理論分析計(jì)算出縮徑發(fā)生的必然性，及本工程選用的鉆孔自然造漿重度偏低，需增加泥漿的重度，并添加一些氫氧化鈉(NaOH)或聚丙烯酰胺等泥漿外添加劑既可增加泥漿攜渣能力，又能控制孔壁失水量，減少水分進(jìn)入孔壁地層使土體軟化、流動造成的縮徑現(xiàn)象。同樣該法要綜合權(quán)衡考慮質(zhì)量與成本的問題。

(4)預(yù)擴(kuò)徑。預(yù)擴(kuò)徑是一種簡單行之有效的方法，相比加長護(hù)筒及改善泥漿性能，其施工難度小，技術(shù)上操作簡單可行，但準(zhǔn)確的擴(kuò)徑量，還需通過力學(xué)計(jì)算、增加監(jiān)測頻率并完善擬合曲線，從而準(zhǔn)確掌握擴(kuò)徑增量，控制成本增加適量，保證樁基工程總體取得技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益最佳平衡點(diǎn)。

［1］ 王芳，郭進(jìn)京，鄭忠成．吹填土地基處理方法的討論［J］．巖土工程界，2008，12(6):15 －17．

［2］ 羅紹明，朱文鑒．大口徑鉆孔樁孔壁穩(wěn)定分析研究［J］．探礦工程，2000，(1):35 －37．

［3］ 史燕南，俞炯奇，周劍鋒，等．吹填淤泥固化室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］．水運(yùn)工程，2014，(5):138 －142．

［4］ 龔輝，趙春風(fēng)．基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論樁孔穩(wěn)定性分析［J］．沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，27(2):237 －241．

［5］ 張禮中，胡瑞林，李向全，等．土體微觀結(jié)構(gòu)定量分析系統(tǒng)及應(yīng)用［J］．地質(zhì)科技情報(bào)，2008，27(1):108 －102．

［6］ 孫陽．大直徑深長樁施工孔壁穩(wěn)定性分析與成孔技術(shù)研究［D］．陜西西安:長安大學(xué)，2009:1－77．

［7］ 宋濤，陳志海，張樹寶，等．唐山曹妃島大酒店縮徑軟層地?zé)嵘罹O(shè)計(jì)與施工［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(7):24－27．

［8］ 時(shí)志興，翟東旭，張東興．小口徑巖心鉆探鉆孔縮徑的預(yù)防與處理［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(6):46 －49．

［9］ 高全喜．粉細(xì)砂層中樁基縮徑處理施工技術(shù)［J］．山西建筑，2008，34(16):96 －97．

［10］ 郝延周．樁基成孔施工中防塌泥漿性能試驗(yàn)分析［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(3):59 －62．

［11］ 徐珂，王希源．鉆孔灌注樁成樁直徑的有效控制［J］．住宅科技，1996，(9):37 －38．

［12］ 包曉達(dá)，羅玲麗，葉國平，等．在吹填土區(qū)域已有集群樁加固條件下的鉆孔灌注樁施工技術(shù)［J］．建筑施工，2008，30(11)．

［13］ 徐曉博，李慧瑩，李傳輝，等．超厚軟土層小直徑超長沖孔灌注樁施工技術(shù)研究和應(yīng)用［J］．廣州建筑，2012(5)．