武漢碎石土地層中孔壁穩(wěn)定性分析及護(hù)壁措施

賴國梁，田 野,2，陳 國，宋 志，張 濤

(1.中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430070；2.湖北中建三局建筑工程技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430070)

鉆孔灌注樁以其較強(qiáng)的適用性在工程樁基、基坑支護(hù)等領(lǐng)域被廣泛使用。孔壁的穩(wěn)定性對(duì)鉆孔灌注樁的成樁質(zhì)量、施工進(jìn)度等具有重要影響，施工過程中，地層條件、地下水位、施工設(shè)備和方法以及孔深、孔徑等因素均會(huì)影響孔壁穩(wěn)定性，同時(shí)由于地區(qū)的差異性、地層的離散性、施工的不確定性等客觀條件，使得鉆孔灌注樁的孔壁穩(wěn)定性分析存在一定難度。

王云崗[1]等采用有限元方法研究土體性質(zhì)、泥漿密度、孔深、孔徑等因素對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響，王中文[2]也對(duì)鉆孔灌注樁穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了分析。溫世游[3]等分析不同泥漿比重護(hù)壁效果，時(shí)倉艷[4]等通過對(duì)孔壁應(yīng)力狀態(tài)的分析，建立孔壁穩(wěn)定性計(jì)算公式。相關(guān)學(xué)者從理論和實(shí)踐的角度對(duì)孔壁穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出了很多有意義的結(jié)論，也提出了很多值得借鑒的研究方法，但鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性不僅與土的物理力學(xué)性質(zhì)、地下水位、泥漿護(hù)壁等因素有關(guān)，還與土體空間特性、邊界條件等因素相關(guān)。施工過程中孔壁穩(wěn)定性需要結(jié)合具體的工程實(shí)際、針對(duì)特定的項(xiàng)目進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的措施來保障施工順利進(jìn)行。本文以武漢三級(jí)階地碎石土地層中鉆孔灌注樁施工為例，分析成樁過程孔壁穩(wěn)定性，研究地下水、孔深、泥漿比重對(duì)孔壁穩(wěn)定性影響，針對(duì)孔壁穩(wěn)定性差、縮徑量大等問題，采取有效的措施，本文有助進(jìn)一步認(rèn)識(shí)武漢剝蝕堆積壟崗地貌三級(jí)階地碎石土工程特性，可為類似地層施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

圖1 場地平面位置示意圖

如圖1 所示，工程位于武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)硃山湖以南，鄂江左線堤上路以北處，工程占地面積15.6 萬m2，設(shè)置二層地下室，基坑開挖深度11.25m，涉及鉆孔灌注樁支護(hù)段長度約200m，基坑距離紅線約11m，紅線外為通行道路。結(jié)合周邊環(huán)境、考慮工程進(jìn)度要求，鉆孔灌注支護(hù)樁樁徑1.0m，間距1.5m，樁長16m，同時(shí)場區(qū)部分工程樁采用樁徑0.8m 鉆孔灌注樁，整個(gè)工程涉及到大量灌注樁施工。

1.1 地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料，場地涉及灌注樁支護(hù)主要為第四系中更新統(tǒng)沖洪積（Q2al+pl）黏性土及碎塊石土。巖土特征如下：①雜填土，雜色，局部以褐紅色含礫黏土為主，稍濕-濕，松散，主要由磚渣、碎石、混凝土塊及砂、礫等混少量黏性土組成，局部見褐紅色硬土塊，土性差異大，堆填時(shí)間不足10 年；②碎塊石土，褐黃色，飽和，中密，碎、塊石成分主要為石英、遂石、砂巖等，多呈棱角-次棱角狀，礫徑多大于20mm，可見大于110mm 的大塊狀及短柱狀巖芯，含量一般大于60%，充填物為硬塑狀黏性土，碎、塊石多被黏性土包裹，碎、塊石排列無規(guī)律。鉆探中在礫石塊徑較小時(shí)取樣進(jìn)行顆粒分析，其粘粒含量20%～90%。層中偶見較純的黏土夾層。

1.2 水文地質(zhì)條件

場地地下水主要有上層滯水和巖溶裂隙水。上層滯水賦存于①層填土層中，主要接受大氣降水補(bǔ)給，以大氣蒸發(fā)方式及向周邊地勢(shì)較低段滲流排泄。其中表層①-1 層雜填土主要由磚渣、碎塊石等組成，孔隙豐富，雨后地表水極易下滲，勘察期間降水時(shí)該水位面接近地面。④-2層雖為碎、塊石土，但碎、塊石均被硬塑狀黏性土包裹，其透水性差、富水性弱，均為相對(duì)隔水層?？碧讲扇√坠芨糁股蠈訙椒?，在④-2層中均未見孔隙水。但場區(qū)緊鄰硃山湖（灌注樁施工期間水位約17.0m），不排除在局部區(qū)域富含孔隙承壓水的可能。當(dāng)該層埋深較淺，基坑開挖、樁基和抗浮錨桿等施工時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致地下水突涌。

2 孔壁穩(wěn)定性分析

2.1 分析模型與參數(shù)

本文采用Plaxis 2D 有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析，選取典型剖面按平面應(yīng)變考慮，土體本構(gòu)模型選用莫爾-庫侖模型，地層參數(shù)見表1，因地層多為老黏土碎石土地層，強(qiáng)度參數(shù)取總應(yīng)力參數(shù)。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

2.2 干作業(yè)成孔孔壁穩(wěn)定性

圖2 干成孔分析模型及地層

圖3 孔深對(duì)孔壁變形影響

由于場地主要為武漢剝蝕堆積壟崗地貌三級(jí)階地碎石土，地層滲透系數(shù)小，基本可視為隔水層，勘察中也未見自由表面孔隙潛水，考慮孔內(nèi)取土為干土，不考慮地下水影響，建立分析模型如圖2 所示。計(jì)算得到不同成孔深度下縮徑位移如圖3 所示。計(jì)算表明，各成孔深度下，成孔0～4m 內(nèi)縮徑量較大，孔段4m 往下，縮徑量趨于平緩，隨成孔深度的增加，上部縮徑量有所增大，成孔階段最大縮徑量約為1cm，且主要發(fā)生在孔段頂部。根據(jù)成孔縮徑量曲線，可考慮采取4m 左右護(hù)筒保證孔壁穩(wěn)定。干作業(yè)成孔孔壁穩(wěn)定性主要依賴于土拱效應(yīng)，對(duì)于碎石土，其黏聚力及內(nèi)摩擦角均較大，在無地下水影響下，可提供較大的圓拱支撐力以滿足孔壁穩(wěn)定性要求。隨成孔深度的增加，破裂楔形土體范圍不斷加大，孔壁側(cè)向卸荷量隨之增大，縮徑量也相應(yīng)增加。計(jì)算表明，鉆孔灌注樁施工中干成孔作業(yè)基本可滿足孔壁穩(wěn)定性要求。

2.3 滲流對(duì)孔壁穩(wěn)定性影響

部分地段旋挖鉆進(jìn)至約8m，突遇滲流地下水（圖4）。地下水向孔內(nèi)快速流動(dòng)，會(huì)對(duì)孔壁土體產(chǎn)生超孔隙水壓力，進(jìn)而導(dǎo)致孔壁的不穩(wěn)定。為預(yù)判地下水滲流影響，防止發(fā)生塌孔、埋鉆、超方等不利影響，利用有限元方法，考慮地下水流動(dòng)作用，分析滲流條件下孔壁穩(wěn)定性，由于地下水流動(dòng)對(duì)土體內(nèi)部生成超孔隙水壓力，孔隙水壓力會(huì)轉(zhuǎn)換到變形分析中，最終以縮徑的形式進(jìn)行體現(xiàn)。

圖4 滲流對(duì)孔壁影響模型示意及孔內(nèi)滲流照片

計(jì)算表明（圖5），隨開挖深度增大，縮徑量總體上不斷增加，不同于干成孔中最大縮徑量位于樁段上部，由于地下水滲流影響，最大縮徑量位于滲流水面以下，約位于成孔中間部位，其最大縮徑量約為3cm，即最終成孔直徑增大0.3cm，與之對(duì)應(yīng)充盈系數(shù)為1.06。考慮到孔壁多為碎石土，為武漢長江三級(jí)階地垅崗區(qū)土質(zhì)，天然埋藏條件下承受較高前期固結(jié)壓力，一旦開挖暴露極易產(chǎn)生卸荷裂隙或干裂隙，如水分侵入，土體強(qiáng)度將迅速下降，發(fā)生崩塌、邊坡失穩(wěn)或增加對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力[5]，同時(shí)本場地碎石土中多為老黏土，高嶺石含量較高，具有一定的膨脹性，失水干縮、遇水膨脹。根據(jù)現(xiàn)場成孔情況，遇地下水滲流后，孔壁不斷有土塊掉入孔內(nèi)，滲流進(jìn)入孔內(nèi)地下水在孔中形成自由水面，嚴(yán)重影響成孔施工。隨開挖深度的增加，孔壁持續(xù)產(chǎn)生垮土現(xiàn)象，將孔內(nèi)水位引排至孔外后，孔內(nèi)水位很快得到補(bǔ)給，并加大塌孔的發(fā)生。為防止發(fā)生埋鉆，同時(shí)考慮到后期超灌量大，不利于工程成本控制，基于滲流對(duì)孔壁穩(wěn)定的不利影響，干成孔作業(yè)己不適用于滲流條件下的施工。

圖5 滲流對(duì)孔壁變形影響

3 護(hù)壁處理措施

場區(qū)主要以碎石土為主，距北側(cè)朱砂湖約為250m，雖勘察中未見孔隙水，但根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件推測(cè)部分地段可能存在孔隙承壓水，實(shí)測(cè)朱砂湖水位約為18m，場地樁頂標(biāo)高約為28m，場地外圍無管網(wǎng)等地下構(gòu)筑物，經(jīng)現(xiàn)場多個(gè)樁位試鉆，均存在地下水影響，綜合研判孔內(nèi)來水為地下孔隙承壓水，為此將成孔工藝改為注漿護(hù)壁成孔。泥漿采用膨潤土造漿，外購膨潤土進(jìn)行造漿，膨潤土泥漿的重量配比為：水∶膨潤土∶cmc∶純堿=100∶10∶0.3∶0.4，其中cmc 和純堿的比例有一定增加，目的是為了增加新制泥漿的黏度，更有效形成泥皮，達(dá)到護(hù)壁效果。新制泥漿主要性能要求：比重1.15～1.25，黏度20～30s，含砂率≤4%；針對(duì)試樁地層情況，如需進(jìn)一步增加泥漿比重，可在泥漿中摻入一定比例重晶石粉。泥漿經(jīng)高速攪拌機(jī)攪拌不少于4min，并經(jīng)1d 時(shí)間達(dá)到完全溶脹后方可使用。為確定合理的泥漿護(hù)壁參數(shù)，灌注過程中記錄灌注量，并計(jì)算成每米樁長方量，如圖6 所示。

圖6 泥漿護(hù)壁試成樁灌注方量曲線

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測(cè)記錄，試驗(yàn)孔1 初始泥漿比重1.15 時(shí)，灌漿充盈系數(shù)達(dá)到1.4，且超灌主要位于6～9m 孔段，水泥用量大大超過設(shè)計(jì)規(guī)定，為此試驗(yàn)孔2 將泥漿比重提高至1.21，充盈系數(shù)減少到1.16，超灌主要位于8～14m 孔段；為進(jìn)一步減少充盈系數(shù)，泥漿比重提高至1.24，黏度達(dá)到22s，最終灌漿充盈系數(shù)約為1.04，7～9m 孔段略有超灌，滿足設(shè)計(jì)要求。后續(xù)成孔參照試驗(yàn)孔泥漿比重和黏度進(jìn)行護(hù)壁，基本可達(dá)到順利成孔的目的（圖7）。

圖7 成孔鋼筋籠下放圖

4 結(jié)論

本文以武漢三級(jí)階地碎石土地層中鉆孔灌注樁施工為例，分析成樁過程孔壁穩(wěn)定性，根據(jù)相關(guān)分析及現(xiàn)場施工驗(yàn)證，得出如下結(jié)論。

1)武漢三級(jí)階地碎石土地層在無地下水影響下，孔壁穩(wěn)定性較好，通過設(shè)置短護(hù)筒，可以滿足干作業(yè)條件下順利成孔。

2)應(yīng)注意孔隙承壓水對(duì)武漢三級(jí)階地碎石土地層孔壁穩(wěn)定性影響，由于地下水滲流作用，使土體產(chǎn)生超孔隙水壓力，同時(shí)伴隨土體強(qiáng)度下降，容易產(chǎn)生塌孔、垮土等現(xiàn)象，為減少埋鉆風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免充盈系數(shù)過大造成施工成本增加，干成孔作業(yè)不適用碎石土地層滲流條件下施工。

3)經(jīng)多個(gè)樁位成孔試驗(yàn)，采用泥漿護(hù)壁，泥漿比重1.24、黏度22s，最終灌漿充盈系數(shù)1.04，可滿足設(shè)計(jì)及施工要求。