鉆孔灌注樁在富水砂性土層中的應(yīng)用

邵海兵,林 娜,王劍春,王明軒

(1.中交上海航道局有限公司，上海 200002；2.上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136)

沿海地區(qū)存在著大量的軟土地基，含水率高、地基承載力較低，采用鉆孔灌注樁作為建筑基礎(chǔ)提供了一個解決問題的途徑，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工程建設(shè)中[1]。傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁施工常采用泥漿護壁成孔和干作業(yè)成孔，在沿海地區(qū)尤其是地下水位豐富的近岸段，由于土壤含水及含沙量過高、泥漿配置難度大，泥漿護壁成孔難以實施，而干作業(yè)成孔又面臨成孔效率低、孔底涌土等問題[2]，因此，傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁施工工藝難以在沿海地區(qū)地下水位豐富的近岸段實施。本文結(jié)合沿海地區(qū)某項目在鉆孔灌注樁施工過程中采用的護底施工技術(shù)，創(chuàng)新性地提出在不進行施工降水的前提下，采用孔底注水的方法，解決鉆孔灌注樁在富水砂性土層中成孔困難的相關(guān)問題。

1 項目概況

項目實施圍堤軸線外側(cè)約20 m范圍內(nèi)施工區(qū)域內(nèi)有一根深海排污管，而濱海綜合會展中心等圍填海項目(以下簡稱“本項目”)西側(cè)堤是在城市沙灘東圍堤的基礎(chǔ)上加高形成的，如不采取相應(yīng)保護措施，西側(cè)堤施工運行期產(chǎn)生的沉降、偏移所引起的土體變形很可能影響排海管的正常使用。經(jīng)計算分析，考慮采用隔離樁保護措施。深海排污管與項目西側(cè)堤見圖1。

工程區(qū)現(xiàn)狀主要為淺灘水域，地形由陸域向水域逐漸降低，據(jù)測量成果，西側(cè)堤地形西北高、東南低，灘面高程一般在-5.0～ 1.0 m。根據(jù)地質(zhì)勘察成果，70 m深度范圍內(nèi)，地基土層分布比較穩(wěn)定，淺部地基土以軟弱黏性砂土為主，屬微透水層，局部分布有松散稍密狀粉土，屬弱透水層。工程地質(zhì)條件見表1。

圖1 深海排污管與項目西側(cè)堤平面圖

表1 工程地質(zhì)條件

2 方案比選

由于土體壓力、地下水位及成孔工藝等多種因素的影響，在鉆孔灌注樁施工過程中，孔壁及孔底常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨時會出現(xiàn)塌孔。因此，根據(jù)場區(qū)工程地質(zhì)條件，選擇合適的成孔工藝，并對孔壁及孔底采取相應(yīng)保護措施，保證成孔后的穩(wěn)定。

傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁成樁工藝包括干作業(yè)成樁和泥漿護壁成樁。

1)干作業(yè)成孔時，孔壁主要是依靠土體的自立及圓拱效應(yīng)而保持穩(wěn)定。李小青[3]推導了干作業(yè)成孔孔壁穩(wěn)定性的數(shù)學模型公式：

(1)

式中：c為土體內(nèi)聚力；ρ為土的密度；φ為土體內(nèi)摩擦角；H為樁長；Fs為孔壁穩(wěn)定安全系數(shù)。

可以看出，孔壁穩(wěn)定性與所處的地質(zhì)條件及樁長有關(guān)。樁長越長，孔壁穩(wěn)定性越差。而對于砂性土，土體內(nèi)聚力c為0，則Fs=0。這說明在現(xiàn)場所處的砂性土環(huán)境中，孔壁總是不穩(wěn)定的，在毫無護壁措施情況下，干作業(yè)成孔是不可能進行的。

2)泥漿護壁成孔時，泥漿具有穩(wěn)定護壁的作用，主要表現(xiàn)在隔水膜的形成及泥漿液態(tài)靜壓力。隔水膜的形成要求土層具有一定的滲透性，否則很難在孔壁形成隔水膜。泥漿在離心力作用下浸入土層，在一定范圍內(nèi)泥漿凝膠體粘附在土顆粒上，固定了土顆粒的相對位置，在孔壁周圍形成較穩(wěn)定的土層，使土層抗剪強度增加，從而維持了孔壁穩(wěn)定。泥漿液態(tài)靜壓力能夠?qū)Φ叵滤a(chǎn)生超壓力，起到穩(wěn)定平衡作用。

根據(jù)李小青推導出的孔壁穩(wěn)定模型公式，泥漿護壁條件下，要使孔壁穩(wěn)定，必須滿足下列條件:

Pm-Pw≥P0+Pq

(2)

式中：Pm為孔內(nèi)水壓力(或泥漿壓力)；Pw為地層水壓力；P0為阻止孔壁坍塌所需的支護應(yīng)力；Pq為孔口地面超載產(chǎn)生的側(cè)壓力?？妆谕翉较蚴芰σ妶D2。

注：A為孔壁徑向力；Pz為圓拱支撐力；Fm為孔內(nèi)水向孔壁滲流時產(chǎn)生的滲透力；Fw為地下水向孔內(nèi)滲流時產(chǎn)生的滲透力。

圖2孔壁土徑向受力

本項目鉆孔灌注樁樁徑1.0 m，最大樁長18.1 m(孔深<60 m)，內(nèi)摩擦角為25°～35°，據(jù)此計算出靜水壓力：Pm-Pw=15～20 kPa。

因此，孔內(nèi)泥漿液面須高出地下水位1.5～2.0 m，方能保證孔壁穩(wěn)定。實踐證明，泥漿密度對保持孔壁穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。一般而言，泥漿密度越大，孔壁穩(wěn)定性越好；反之，泥漿密度減小，會使泥漿對地下水的超壓力減小，孔底土體失穩(wěn)的可能性增大[4]。在現(xiàn)場的砂質(zhì)地層內(nèi)，泥漿密度不可能過大，由于砂性土密度較小且本身不具備造漿功能，鉆進過程中對原狀土擾動大，極易出現(xiàn)流砂現(xiàn)象且孔的垂直度不易控制。另外，根據(jù)類似工程的實踐經(jīng)驗，在此類砂性土層中進行泥漿護壁成孔作業(yè)時，經(jīng)常出現(xiàn)泥漿置換砂層不充分、鉆進阻力過大、速度緩慢的問題?？紤]到施工現(xiàn)場路面寬度僅7 m，施工作業(yè)面狹窄，現(xiàn)場也無法設(shè)置泥漿制備及回收設(shè)施，不具備采用泥漿護壁施工的外部條件。工程施工斷面見圖3。

圖3 項目西側(cè)堤斷面(高程： m;尺寸： mm)

而長螺旋鉆孔灌注樁因施工無污染、設(shè)備集約化程度高、占地面積小且成樁迅速，采用全護筒護壁后能夠有效解決砂性土層成孔孔壁坍塌的問題，成樁質(zhì)量好，能夠更好地適應(yīng)本項目工況條件。

由于采用了全護筒的施工工藝，在成孔前，先行打入鋼護筒，能夠形成較穩(wěn)定的護壁，同時阻隔周圍地下水進入孔內(nèi)，為后續(xù)混凝土的灌注提供了良好的先決條件；同時由于全套筒長螺旋鉆孔灌注樁施工技術(shù)高度集成，鉆孔、取土均由一臺樁機獨立完成，無須額外增加設(shè)備，大大減小了施工設(shè)備的占地面積。

3 工程試樁

為保證全護筒長螺旋鉆孔灌注樁施工工藝能滿足設(shè)計質(zhì)量要求，施工前，先進行試樁試驗。為此，現(xiàn)場選擇在地質(zhì)條件更差的遠岸段進行成孔試驗，目的是選擇最不利的地方檢驗工藝的可行性，并為施工提供經(jīng)驗和相關(guān)參數(shù)。

按照成孔工藝，現(xiàn)場進行了3根試驗樁施工。試樁發(fā)現(xiàn)，采用全護套筒長螺旋鉆孔成孔困難，主要表現(xiàn)為：鉆桿外提后，出現(xiàn)孔底涌土，鉆桿清孔后，孔深無法滿足設(shè)計樁長要求。試樁記錄見表2。

表2 試樁記錄

為驗證鉆孔至設(shè)計樁底高程后涌土現(xiàn)象是否是孔底承壓水頭作用的結(jié)果，現(xiàn)場試樁采取鋼護筒鉆穿黏土層，保證孔底上部有一定土壓力，以抵消承壓水頭作用?，F(xiàn)場施工時將護筒長度加長至22.5 m，鋼護筒施鉆至地面以下13 m，穿透黏土層。鉆桿外提后土樣仍為流塑狀淤泥質(zhì)土。測量孔深，涌土3 m左右。1 h后再次測量孔深，涌土4.2 m，成孔失敗。結(jié)果表明：穿透黏土層后，孔底在兩側(cè)土壓力作用下向成孔位置快速回淤造成成孔困難。

4 成孔失敗原因分析

長螺旋鉆孔灌注樁通常只適用于干作業(yè)成樁，成樁要求在地下水位以上、無硬夾層或碎石層的土質(zhì)中，一般不適用于地下水位以下的土層。但受制于現(xiàn)場條件，只要解決好地下水壓過高導致的孔底涌土問題，長螺旋鉆機就能在高含水率砂性土層中應(yīng)用。

長螺旋鉆機在高含水率土層中施工成孔時，鉆頭鉆進至設(shè)計孔底高程并提離孔底，由于孔壁壓差，孔底底部的流態(tài)土壤和地下水會隨著螺旋鉆頭提離孔底而發(fā)生滲流，補給到孔底螺旋鉆頭提升而留下的空間，帶動孔壁的沙粒流入該空間內(nèi)，并且隨著地下水位與孔底的高差增大，滲流的速度加大，帶動的砂粒粒徑就越大，導致孔壁最后失穩(wěn)而坍塌[5]。

5 施工方案改進

5.1 施工工藝的改進

為解決全套筒長螺旋鉆孔灌注樁施工問題，針對成孔后的實際情況，設(shè)計了3種施工工藝，措施及優(yōu)缺點見表3。

經(jīng)綜合評估工期及成本后，最終決定采用方案2孔內(nèi)注水的工藝。當螺旋鉆頭鉆至設(shè)計孔深后，提離孔底時，通過改制的螺旋鉆頭向孔底同時注水，保持水面始終高出鉆頭底部螺旋葉片，直至螺旋鉆頭提離地下水位面，而后停止注水。由于注水及時地填補了螺旋鉆頭向上提升而形成的下部空間，平衡了孔底土體的土壓力。當注水結(jié)束后，由于靜水壓力對孔底土體的作用，孔底下部土壓力得以平衡，消除了孔底土體應(yīng)力釋放后的上涌壓力[6]。

表3 3種工藝具體措施及優(yōu)缺點

5.2 施工機具的改進

采用孔底注水須對長螺旋鉆機進行必要的改造，在螺旋鉆頭底部鉆桿上開一個注水圓孔，鉆桿內(nèi)安放一根鐵管與該孔焊接連通在一起。在孔外部的鉆桿上設(shè)置一個可自由起閉的蓋板。開始鉆進時，蓋板蓋住注水孔，防止土粒堵塞；鉆進至設(shè)計孔深鉆桿上提時，開始注水，在水壓力作用下，蓋板開啟，向孔內(nèi)注水。施工機具的改進還能有效解決鉆桿上提過程中孔內(nèi)產(chǎn)生負壓導致土體掉落的問題。

5.3 方案改進后的試樁施工

按照上述改進后的方案進行了3根試驗樁的施工，該方案重點在于先行打入鋼護筒，成孔取土后在20 min內(nèi)迅速向孔內(nèi)注水至護筒表面?，F(xiàn)場分別選擇A2、A5、A9樁進行成孔試驗，成孔后每隔5 min對孔深進行測量，至30 min后，實測孔底土體回淤約2.5 m，且成孔后20～30 min孔底土體回淤增長緩慢，回淤量很小，孔深基本不發(fā)生變化。因此成孔后注水能夠有效解決孔底涌土的問題。試樁孔深記錄見表4。

表4 采用方案2孔底注水后實測孔深記錄

6 工程樁施工

工程樁施工采用試樁后的改進方案，具體施工步驟為鋼護筒壓入至筒口距地面0.8 m處，停止壓入，螺旋鉆桿下鉆取土，成孔后鉆桿上提取土，同時開始注水。根據(jù)設(shè)計樁長計算得出孔底注水量約19.5 m3，為確保20 min完成孔內(nèi)注水，現(xiàn)場選用80 m3/h的潛水泵進行孔內(nèi)注水，同時將提升鉆桿速率控制在0.8 m/min內(nèi)，保證螺旋鉆桿底部始終高于注水水面，直至注水完成。此時用測繩對孔底高程進行測量，應(yīng)滿足孔底深度距筒口不小于20.2 m。若測繩測得數(shù)據(jù)小于20.2 m，則將孔內(nèi)水排出，進行二次清孔后，鉆桿繼續(xù)鉆至設(shè)計樁底高程。護筒內(nèi)注滿水后，在30 min之內(nèi)灌注水下混凝土，灌注水下混凝土前用測繩對孔深再次測量，若測繩測得數(shù)據(jù)不滿足設(shè)計要求，則重復(fù)下鉆取土。成孔后鉆桿擠壓出來的雜土及時用高壓水槍進行清理。

根據(jù)試驗樁取得的施工經(jīng)驗參數(shù)，改進后的新工藝在整個施工過程中應(yīng)用順利，充分發(fā)揮了長螺旋鉆機施工效率高的特點。施工過程中，只使用了一臺長螺旋鉆機，85 d便完成了321根樁的施工。經(jīng)檢測，所有樁體全部合格，滿足設(shè)計要求。其中I類樁307根、II類樁14根，I類樁優(yōu)良率達95.6%。

7 結(jié)語

1)不同的鉆孔灌注樁施工工藝適用于不同的地質(zhì)條件，工程開工前須根據(jù)地勘資料選擇合適的灌注樁施工工藝。

2)灌注樁正式施工前應(yīng)通過試樁確定相關(guān)工藝參數(shù)，并結(jié)合地質(zhì)條件對施工方法進行組合優(yōu)化。

3)孔底注水施工工藝能解決長螺旋鉆機在富水砂性土層中的成孔問題，成樁質(zhì)量經(jīng)檢測完全符合設(shè)計要求，具有操作簡單、成本低廉的特點，可供類似工況條件的工程參考。