勘察技術(shù)在特殊構(gòu)造性承壓水場(chǎng)地樁基施工中的應(yīng)用

黨智榮 王志中 黨靜茂 楊少飛

（1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710043；2.中國(guó)建筑第八工程局有限公司西北分公司，陜西西安 710075）

0 引言

西安地處渭河地塹上形成的關(guān)中盆地中部，地貌單元屬黃土梁洼，梁洼上部沉積地層均為黃土、古土壤，下部沉積地層有所不同，黃土梁下部仍是黃土狀土或粉質(zhì)黏土，但洼地下部地層卻含大量砂類土[1-2]。

由于地基土的大孔性，西安東郊地區(qū)淺層地下水均為潛水類型。但在東郊某商住樓的鉆孔灌注樁施工中，場(chǎng)地西部鉆孔至設(shè)計(jì)要求深度時(shí)，地下水不斷快速上涌，孔底中粗砂很快上升數(shù)米，具典型的承壓水特征。

根據(jù)勘察報(bào)告，該場(chǎng)地70 m 深度內(nèi)的地下水屬潛水類型。但分析場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)并結(jié)合周邊地質(zhì)環(huán)境綜合判斷，其可能有承壓水，這種承壓水不屬一般承壓水，而是一種西安地區(qū)特殊地質(zhì)構(gòu)造形成的特殊構(gòu)造承壓水-地裂縫構(gòu)造承壓水[3-4]。

20世紀(jì)70-80年代，西安地區(qū)大量開(kāi)采地下水，因黃土梁洼下部地層差異及隱伏斷裂作用，地下水位下降后產(chǎn)生的附加沉降不同，在黃土梁洼分界處形成了13 條地裂縫。該裂縫構(gòu)成了地表水與地下水或淺部與深部地下水的快速通道[5-6]。

在黃土洼地場(chǎng)地，當(dāng)鉆孔灌注樁成孔至深部砂層，由于鍋錐旋挖鉆孔幾乎是干成孔，鉆孔中水很少，對(duì)孔壁外的地下水幾乎是零壓力[7]，周圍巨大的地下水壓力通過(guò)孔底及孔底周圍透水性強(qiáng)的砂層迅速涌入該零壓力鉆孔之中，地下水快速涌入時(shí)，帶動(dòng)大量黏聚力很小的砂土一同進(jìn)入鉆孔，從而出現(xiàn)頂部冒水、底部涌砂現(xiàn)象，導(dǎo)致孔底沉渣超標(biāo)、鉆孔深度不夠。

分析清楚承壓水產(chǎn)生的原因，有針對(duì)性地將幾乎是干成孔（孔內(nèi)壓力幾乎是零）的鍋錐旋挖成孔工藝改變成泥漿護(hù)壁正循環(huán)鉆孔加后注漿工藝，鉆孔內(nèi)近30 m 深的大比重（比重達(dá)1.05～1.15）泥漿壓住了承壓水的上升力，很好地解決了承壓水上升而造成的孔底沉渣超標(biāo)、有效樁長(zhǎng)不能滿足設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題。而后壓漿工藝則解決了樁側(cè)泥皮效應(yīng)，固化了樁端沉渣，提高了樁體承載力，滿足了設(shè)計(jì)對(duì)單樁承載力及變形控制的要求，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益，對(duì)以后類似工程有一定的指導(dǎo)意義[8-10]。

1 工程概況

1.1 工程概況及問(wèn)題的提出

該工程地處西安市東郊南廓門，距興慶公園西南角約300 m。建筑占地61 m×27 m，地上30 層、地下2 層、基坑深度12 m。基礎(chǔ)采用鍋錐旋挖鉆機(jī)成孔、水下灌注混凝土成樁工藝的灌注樁，樁徑800 mm，有效樁長(zhǎng)30 m。施工期間，基坑采用人工降水措施，地下水位由原地面下5.00～5.60 m 降至12.50～13.00 m。

當(dāng)樁基施工至場(chǎng)地西部約1/3 面積時(shí)（余87 根樁），鉆孔至26～27.5 m 深度遇見(jiàn)中粗砂層，成孔至設(shè)計(jì)要求的30.6 m 孔深停鉆后，鉆孔中水位以每分鐘2 cm 的速度迅速上升，上升4～5 m 至鉆孔孔口時(shí)溢出，此時(shí)再測(cè)量鉆孔深度，其深度只有25 m，終孔深度及沉渣厚度均無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2 場(chǎng)地巖土工程條件

（1）地形與地貌：場(chǎng)地地形平坦，勘探點(diǎn)孔口地面標(biāo)高413.78～414.22 m。地貌單元屬黃土梁洼。

（2）地層結(jié)構(gòu)：根據(jù)鉆探揭示，擬建場(chǎng)地勘探深度范圍內(nèi)地基土由人工填土、第四系黃土、古土壤、粉質(zhì)黏土及砂土等組成。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，本次施工最深僅涉及至⑦層以上地基土，樁基有效樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的地基土自上而下分層描述見(jiàn)表1?？辈炱陂g，場(chǎng)地穩(wěn)定水位埋深5.00～5.60 m，相應(yīng)標(biāo)高408.30～408.84 m。

表1 樁基有效長(zhǎng)度范圍內(nèi)場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)一覽表

2 原因分析

場(chǎng)地東西長(zhǎng)約61 m，根據(jù)鉆孔地層描述，場(chǎng)地東部（2/3 區(qū)域）地層均為粉質(zhì)黏土，滲透系數(shù)為6～8 m/d。場(chǎng)地西部（約1/3 場(chǎng)地）、鉆孔鉆至粉質(zhì)黏土⑦層的中粗砂夾層⑦-2時(shí)，才發(fā)生地下水上溢、孔底涌砂現(xiàn)象，表明承壓水聚集于粉質(zhì)黏土⑦的中粗砂夾層⑦-2中。

據(jù)分析，承壓水的水頭壓力既來(lái)自于人工降水形成的水位降，更主要來(lái)自于通過(guò)地裂縫貫穿起來(lái)的、高出⑦層地基土40 余米的興慶湖水。

2.1 西安地裂縫

西安地區(qū)地處渭河地塹上，地下有隱伏斷裂構(gòu)造，20世紀(jì)70-80年代，由于過(guò)量開(kāi)采地下水，臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶西北側(cè)（上盤）一組北東走向的隱伏斷裂出現(xiàn)活動(dòng)，地面產(chǎn)生不均勻沉降、地表形成破裂縫，在地表出露和未在地表出露的破裂縫統(tǒng)稱為“地裂縫”或“西安地裂縫”[11-15]。

2.2 形成承壓水的地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)《西安工程地質(zhì)圖集》，目前西安地區(qū)共發(fā)育有13 條地裂縫[16]。與此場(chǎng)地有關(guān)的為F5地裂縫[16-17]，施工場(chǎng)地、興慶湖及F5地裂縫之間相對(duì)位置見(jiàn)圖1。

經(jīng)分析，本工程所在地的地下水可能是通過(guò)相距很近的F5地裂縫和興慶湖下滲的地下水相連通，淺部30 余米深度范圍內(nèi)主要靠粉質(zhì)黏土連通，而40 余米深度處，則由中粗砂層連通（見(jiàn)圖1、圖2）。理由如下：

圖1 施工場(chǎng)地與地裂縫、興慶湖相對(duì)位置圖

圖2 基坑與地層、地裂縫、興慶湖關(guān)系示意圖

（1）具有形成承壓水的地質(zhì)構(gòu)造

興慶湖修建于20世紀(jì)50年代，因當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平、認(rèn)知能力及施工能力所限，湖底及湖側(cè)均未做任何防滲處理。建成60 余年來(lái)，由于湖水滲漏，已造成周邊半徑5 km 范圍內(nèi)的地下水位由原來(lái)的埋深17～18 m 上升至4～6 m，同時(shí)帶來(lái)大面積地基土軟化、地面下沉、淺埋建筑長(zhǎng)期沉降不穩(wěn)定等影響。

向南傾斜、傾角72°、在擬建場(chǎng)地附近、上盤累計(jì)沉降1345 mm 的F5地裂縫從施工場(chǎng)地及興慶湖北側(cè)通過(guò)（見(jiàn)圖1），其與建筑場(chǎng)地和湖區(qū)的最小距離分別約為150 m 和60.5 m。

由于興慶湖影響區(qū)半徑已達(dá)5 km，F(xiàn)5地裂縫及施工場(chǎng)地均在其影響范圍之內(nèi)。

正常情況下，該處地下水處于平衡狀態(tài)，因開(kāi)挖基坑、人工降水后，基坑及基坑降水影響范圍內(nèi)，地下水的平衡狀態(tài)被打破，處于動(dòng)平衡狀態(tài)。

（2）具有形成承壓水的水頭壓力

興慶湖影響區(qū)，地下水主要來(lái)自于興慶湖水補(bǔ)給，距湖邊越遠(yuǎn)，地下水位埋深越大。

經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)地面下40 m 深度處，地裂縫距建設(shè)場(chǎng)地僅有120 m，由于地裂縫是自下而上發(fā)展，且F5地裂縫在建設(shè)場(chǎng)地位置附近，其上盤已沉降1345 mm，說(shuō)明F5地裂縫已將興慶湖水與⑦層粉質(zhì)黏土中的中粗砂夾層⑦-2連通（F5地裂縫實(shí)際已成為興慶湖水與⑦-2層中粗砂夾層中地下水的連接通道，相當(dāng)于直插地下的輸水板）。相對(duì)于埋深較大⑦-2層中的地下水，興慶湖相當(dāng)于水塔，提供著源源不斷的水頭壓力。

另外，地面上F5地裂縫距興慶湖水平距離僅60.5 m，建設(shè)場(chǎng)地附近長(zhǎng)達(dá)幾千米的地裂縫中早已充滿地下水，地裂縫中存儲(chǔ)的地下水也給⑦層粉質(zhì)黏土中的中粗砂夾層⑦-2提供了足夠的水源及水頭壓力。

（3）具有形成承壓水的隔水層

中粗砂夾層⑦-2中的地下水與地裂縫中水體相連，其上部厚度近20 m、相對(duì)致密的粉質(zhì)黏土⑤、⑥層則相當(dāng)于隔水作用、興慶湖的水塔作用及地裂縫的透水板作用致使?jié)B透性較強(qiáng)的中粗砂夾層⑦-2層中的地下水具有一定的承壓性。

2.3 涌水涌砂的原因

當(dāng)?shù)亓芽p中的水在②-⑥層黃土、古土壤層或⑦層粉質(zhì)黏土中流動(dòng)時(shí)，因黃土或粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)較小（6～8 m/d）、鉆孔孔底距F5地裂縫達(dá)120 m以上，而鉆成一個(gè)30 余米的鉆孔僅需2～3 h，灌注完成需2 h，累計(jì)4～5 h，在如此短的時(shí)間內(nèi)，透水性強(qiáng)的地裂縫遇到透水性弱的孔壁地基土，其對(duì)鉆孔孔壁的影響很小甚至可以不計(jì)，故鉆機(jī)在該土層中鉆進(jìn)時(shí)，其地下水無(wú)承壓性表現(xiàn)。

在鉆孔至⑦層粉質(zhì)黏土的中粗砂夾層⑦-2中時(shí)，鉆孔成為地下水與基坑底面的通道，因孔底及其側(cè)面水頭壓力較大（根據(jù)粗略計(jì)算，其水頭壓力至少在30 kPa 左右），且中粗砂夾層⑦-2的滲透系數(shù)大（根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，其滲透系數(shù)在80～100 m/d），大水頭壓力與透水性強(qiáng)的中粗砂夾層組合，使⑦層北部（靠近地裂縫一側(cè)）在上部水頭壓力作用下，沿南部（施工場(chǎng)地）鉆孔向上釋放壓力，出現(xiàn)成孔后孔內(nèi)水位快速上升，在此高速流動(dòng)的地下水動(dòng)力作用下中粗砂夾層⑦-2的砂子隨水流入鉆孔，出現(xiàn)塌孔涌砂現(xiàn)象。

隨著地下水位的上升，水頭壓力釋放并逐漸減小，鉆孔內(nèi)地下水位開(kāi)始迅速上升，至后期上升速度減慢，1 h 左右（下完鋼筋籠及導(dǎo)管）上升到孔口后不再上升。隨著水頭壓力的減小，涌砂能力減弱，砂子涌到砂層頂面以上1～2 m（孔口下25～26 m）就不再上升。

3 解決辦法及達(dá)到的效果

3.1 解決辦法

（1）加強(qiáng)工序銜接，縮短后續(xù)工序時(shí)間

成孔后，地下水上升需要過(guò)程，為縮短時(shí)間差，待混凝土罐車到位后再收孔（30.6 m）；將原來(lái)的三節(jié)鋼筋籠改為兩節(jié)，一臺(tái)焊機(jī)改為兩臺(tái)，加快孔口鋼筋籠連接；混凝土導(dǎo)管也提前連接成兩截，加快導(dǎo)管安裝；用25 t 吊車安裝鋼筋籠及導(dǎo)管，最終將原來(lái)1.5 h的安裝時(shí)間縮短至30 min 之內(nèi)。

經(jīng)量測(cè)，孔底沉渣已上涌至孔深25 m 左右，孔底沉渣已達(dá)560 cm，遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的30 cm，不能滿足設(shè)計(jì)要求，該方法不可行。

（2）改用旋挖鉆機(jī)成孔

由于鍋錐旋挖鉆機(jī)屬于老舊土產(chǎn)設(shè)備，設(shè)備產(chǎn)能有限，施工速度較慢。為加快成孔速度，防止不同成孔工藝帶來(lái)的承載力與沉降差異，選用與鍋錐旋挖鉆機(jī)成孔方式類似的機(jī)械旋挖鉆機(jī)成孔，配以適當(dāng)?shù)哪酀{，加快成孔速度，同時(shí)加深鉆孔2～3 m，以便砂子沉到孔底、保證成孔深度滿足設(shè)計(jì)要求。采用前述方法加快工序銜接后，但灌注前測(cè)量孔深仍為25～26 m，即在巨大的承壓水壓力作用下，鉆孔周圍的中粗砂夾層⑦-2迅速隨水流坍塌填充到鉆孔中，直至砂層頂面附近。前后在場(chǎng)地內(nèi)更換不同區(qū)域施工10 根樁，均不能保證質(zhì)量，該方法也被迫放棄。

（3）改用正循環(huán)鉆機(jī)成孔

為壓住承壓水的水頭壓力，不使其引起砂層上涌，必須采取足夠的上覆壓力。

根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，該壓力只能采用大比重高黏度的泥漿提供（用膨潤(rùn)土拌和，泥漿比重不小于1.3，其中添加纖維素與火堿，增強(qiáng)其黏度，必要時(shí)還可加重晶石粉，增加泥漿比重）。

選用正循環(huán)鉆機(jī)而非反循環(huán)鉆機(jī)成孔，是因?yàn)樵摲椒衫蒙喜?0 余米的粉質(zhì)黏土持續(xù)造漿，增加泥漿比重，經(jīng)實(shí)測(cè)，泥漿比重可達(dá)1.3～1.5。成孔后多次測(cè)量孔底沉渣，20 min 未有變化，快速下鋼筋籠及導(dǎo)管，再測(cè)孔底沉渣仍小于30 cm，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

雖然利用泥漿比重及黏度壓住了承壓水水頭壓力、解決了塌孔及孔底砂子上涌的問(wèn)題，但泥漿產(chǎn)生的泥皮效應(yīng)（因泥皮的潤(rùn)滑作用，致使樁側(cè)摩擦阻力大幅減小）卻無(wú)法避免。由于該樁為摩擦樁，根據(jù)已有試驗(yàn)資料，正循環(huán)施工的樁基承載力因泥皮效應(yīng)而變化很大、最大值和最小值相差50%以上。為此，建議設(shè)計(jì)將樁徑由800 mm 增加到850 mm，再在樁側(cè)及樁端壓漿（樁側(cè)分兩層壓漿，總注漿量1.5 t，樁端注漿量1.0 t，水灰質(zhì)量比為0.5），以消除樁側(cè)的泥皮、樁端的沉渣效應(yīng)。同時(shí)將有效樁長(zhǎng)由30 m 增加到33 m（見(jiàn)圖3）。

3.2 達(dá)到的效果

（1）單樁承載力

施工前，選取3 個(gè)點(diǎn)做靜載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4的1#、2#、3#曲線。施工結(jié)束后，在不同區(qū)域、不同工藝區(qū)選取6 個(gè)點(diǎn)做靜載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)位見(jiàn)圖3，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4，其中，點(diǎn)S1#、S3#、S4#為鍋錐旋挖法成孔，點(diǎn)S2#、S5#、S6#為正循環(huán)法成孔且樁側(cè)及樁端后壓漿的樁。

圖3 樁基工程竣工圖（單位：cm）

由圖4可見(jiàn)，其極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值均達(dá)到6400 kN，均滿足6000 kN 的設(shè)計(jì)要求。但在同等壓力下沉降量略有差異，前者沉降量為6.40～8.91 mm，后者沉降量為5.17～5.35 mm。

根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，在以摩擦樁為主的西安地區(qū)，同一場(chǎng)地采用無(wú)泥漿的鍋錐旋挖成孔工藝與采用較稠泥漿護(hù)壁的正循環(huán)成孔工藝所成的灌注樁，一般情況下，其承載力差異較大。但從圖4可見(jiàn)，兩者差異不大，說(shuō)明采用樁側(cè)注漿等方法很好地解決了泥皮效應(yīng)對(duì)樁體側(cè)摩擦阻力的減小作用，采用樁端壓漿很好地解決了樁底沉渣對(duì)端阻力的不利影響，提高了樁端承載力，兩者共同作用，使單樁承載力得到較大提高。

圖4 載荷試驗(yàn)荷載–沉降曲線

（2）建筑物沉降觀測(cè)

為掌握建筑物在建期間的變形情況，沿其周圍共布置8 個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，依據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制的沉降觀測(cè)時(shí)間-沉降量曲線見(jiàn)圖5。

圖5 沉降觀測(cè)時(shí)間–沉降量曲線

根據(jù)沉降觀測(cè)結(jié)果，建筑物西部1#點(diǎn)、5#點(diǎn)的沉降量較小，剩余的東部6 個(gè)點(diǎn)沉降量相對(duì)較大，主要是西部樁端持力層位于密實(shí)的中粗砂層上，變形模量大，故沉降量較?。?3～15 mm）。相反，東部樁端持力層位于粉質(zhì)黏土層上，壓縮模量相對(duì)較小，所以沉降量相對(duì)較大（17～26 mm）。

另外，觀測(cè)結(jié)果顯示，建筑物整體沉降量很?。?3～26 mm），經(jīng)計(jì)算，滿足相鄰兩點(diǎn)沉降差不大于0.015L的規(guī)范要求。

需要說(shuō)明的是，為趕工期，由于施工管理不善，局部時(shí)段施工對(duì)沉降觀測(cè)點(diǎn)擾動(dòng)較多，出現(xiàn)部分觀測(cè)數(shù)據(jù)異常，但總體變形趨勢(shì)趨于收斂。

4 結(jié)論

（1）利用勘察技術(shù)對(duì)地下涌砂問(wèn)題進(jìn)行了較為深入地研究，分析結(jié)果認(rèn)為地下涌砂問(wèn)題來(lái)自于地下承壓水的作用。分析明確了承壓水的來(lái)源及壓力大小，有針對(duì)性地提出了用增加泥漿比重及黏度來(lái)降低地下承壓水水頭壓力的措施，從而減輕或消除孔底涌砂，保證樁基成孔質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

（2）通過(guò)加大樁徑、增加樁長(zhǎng)、再采用后壓漿工藝處理樁側(cè)泥皮效應(yīng)及樁端沉渣措施，有效解決了該工程中不同工藝可能造成的承載力及變形有較大差異的技術(shù)難題，保證了樁基承載力滿足設(shè)計(jì)要求，建筑物沉降及差異沉降均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

（3）利用勘察技術(shù)解決巖土工程問(wèn)題的方法，經(jīng)實(shí)踐與探索，效果十分明顯，該思路和措施對(duì)以后相關(guān)工作具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。