中風(fēng)化基巖層中建筑樁基成孔控制技術(shù)研究

摘 要：旋挖成孔是建筑樁基成樁的重要工序，對(duì)保證施工質(zhì)量，提高施工效率，降低施工成本有重要意義。雖然旋挖成孔工藝已相對(duì)成熟，但實(shí)際工程中存在各種地質(zhì)情況差異，容易造成成孔質(zhì)量及成孔效率降低的情況。基于此，本文通過(guò)理論分析對(duì)中風(fēng)化巖層中旋挖成孔機(jī)理進(jìn)行探究，并利用對(duì)比試驗(yàn)分析了泥漿護(hù)壁質(zhì)量、樁底沉渣對(duì)成孔質(zhì)量的影響，并對(duì)兩項(xiàng)成孔關(guān)鍵工序提出了針對(duì)性的控制措施，以提高中風(fēng)化巖層中旋挖成孔效率及成孔質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：旋挖成樁；中風(fēng)化巖；孔壁穩(wěn)定性；沉渣控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 473" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

應(yīng)用樁基不僅能夠增強(qiáng)地基的抗沉降能力、豎向承載力，還可以有效改善基礎(chǔ)的形式。但樁基成孔質(zhì)量的優(yōu)劣嚴(yán)重影響樁基成樁質(zhì)量，從而制約樁基承載性能的發(fā)揮。本文通過(guò)研究分析旋挖成孔的機(jī)理，并對(duì)泥漿護(hù)壁質(zhì)量控制技術(shù)、樁底沉渣厚度控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，形成的控制措施可有效提高單樁承載力、減少沉降，可適用于復(fù)雜多變的地質(zhì)條件。

1 旋挖鉆動(dòng)靜耦合碎巖機(jī)理分析

采用旋挖鉆鉆頭回旋破碎巖土并將其裝入鉆頭內(nèi)，用鉆機(jī)提升裝置和伸縮式鉆桿將鉆頭提出孔外卸土。循環(huán)進(jìn)行這個(gè)過(guò)程，不斷取土和卸土，直至達(dá)到設(shè)計(jì)孔深。當(dāng)旋挖鉆機(jī)牙輪鉆頭工作時(shí)，鉆頭受到上部鉆桿自重、液壓油缸或加壓卷?yè)P(yáng)提供的加壓力等靜載荷作用。除了靜載荷，還有由牙輪自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)產(chǎn)生的沖擊載荷。當(dāng)旋挖鉆破碎齒與孔底交替接觸時(shí)，牙輪中心處于最高位置，雙齒接觸時(shí)則下降，導(dǎo)致鉆頭在滾動(dòng)過(guò)程中不斷上下交替，產(chǎn)生縱向振動(dòng)。在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，還疊加了孔底巖面不平產(chǎn)生的低頻振動(dòng)。這種滾動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的縱向振動(dòng)使鉆桿柱周期性壓縮與伸張，將彈性能轉(zhuǎn)化為對(duì)地層的沖擊作用，與靜載荷一起形成對(duì)地層的沖擊、壓碎作用，這種破巖方式是牙輪鉆頭的主要形式[]。在中風(fēng)化巖石中，旋挖鉆的動(dòng)、靜載荷耦合作用加載應(yīng)是在靜載處于卸載階段時(shí)加載[]，可增加巖石的破碎深度和擴(kuò)大體積。在旋挖施工實(shí)際過(guò)程中可理解為旋挖鉆筒受到桅桿傳遞來(lái)的向下壓力的同時(shí)，旋挖鉆筒啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，提高旋挖鉆成孔速率。

2 旋挖成孔控制技術(shù)研究

2.1 護(hù)壁質(zhì)量控制分析

2.1.1 泥漿護(hù)壁對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響分析

護(hù)壁泥漿穩(wěn)定孔壁的性能主要通過(guò)泥漿靜水壓力、泥膜壓力及抑制地層3種方式體現(xiàn)。護(hù)壁泥漿密度是泥漿對(duì)孔壁產(chǎn)生靜水壓力的關(guān)鍵，其主要作為孔內(nèi)的液體支撐，能起到抵抗孔壁側(cè)土壓力和水壓力的作用。泥漿密度越大，對(duì)孔壁的支撐性能越好。當(dāng)樁孔中沒(méi)有泥漿時(shí)，土體對(duì)孔壁的主動(dòng)土壓力為Pa，計(jì)算過(guò)程如公式（1）所示。

pa=0.5γH2tg2（45-φ/2）-2cHtg2（45-φ/2） （1）

若Pa=0，則孔壁自立穩(wěn)定的樁孔最大深度Hss和孔壁穩(wěn)定系數(shù)Fss的計(jì)算過(guò)程如公式（2）、公式（3）所示。

Hss=4c/[γtg（45-φ/2）] （2）

Fss=4c/[Hγtg（45-φ/2）] （3）

當(dāng)樁孔內(nèi)充滿泥漿時(shí)，孔壁除受到土體主動(dòng)壓力Pa外，還受到泥漿靜水壓力Pm作用，其計(jì)算過(guò)程如公式（4）所示。

Pm=0.5γmH2 （4）

對(duì)二者水平作用力求和可得，這個(gè)狀態(tài)下的孔壁穩(wěn)定的樁孔最大深度Hss和孔壁穩(wěn)定系數(shù)Fss的計(jì)算過(guò)程分別如公式（5）、公式（6）所示。

Hss=4c/[（γ-γm）tg（45-φ/2）] （5）

Fss=4c/[H（γ-γm）tg（45-φ/2）] （6）

式中：γ為土容重；c為土體內(nèi)聚力；φ為土內(nèi)摩擦角；Pm為泥漿靜水壓力；γm為泥漿密度。由公式（5）、公式（6）分析可知，當(dāng)樁孔內(nèi)泥漿密度γm增加時(shí)，Hss、Fss均會(huì)得到提高，孔壁穩(wěn)定性得到提高[]。

護(hù)壁泥漿在孔壁表面形成的泥膜對(duì)孔壁也起到支撐作用，假定泥膜單元滿足屈服條件：（σx-σy）2+τ2 xy=4τm2，在泥膜單元達(dá)到屈服條件后，會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)。此時(shí)泥膜對(duì)孔壁的作用力的計(jì)算過(guò)程[]如公式（7）所示。

（7）

式中：Px為泥膜對(duì)孔壁的作用力；H為孔深；d為孔徑；τm為泥漿抗剪強(qiáng)度。由公式（7）可知，泥膜對(duì)孔壁的最大支撐力與泥膜形成的位置深度、孔徑、泥膜抗剪強(qiáng)度等都有關(guān)系。隨著鉆孔深度H加深，泥膜穩(wěn)定性增加。當(dāng)孔徑d增加，泥膜穩(wěn)定性降低。護(hù)壁泥漿的抗剪性能提高，泥膜穩(wěn)定性也隨之提高。考慮泥漿凝膠作用，泥漿對(duì)孔壁穩(wěn)定性的水平抗力的計(jì)算過(guò)程[]如公式（8）所示。

（8）

當(dāng)τm=0時(shí)，則得到公式（4）的靜水壓力；a為鉆孔半徑。泥漿對(duì)孔壁地質(zhì)的抑制作用主要依靠泥漿的膠凝性能，泥漿形成的膠凝物質(zhì)會(huì)填充孔壁土體中的縫隙，使松散地層中的巖土體組分間不易發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)，且泥漿的膠凝作用對(duì)巖土體中即將松散脫離的組分具有一定的阻礙作用，從而提高了孔壁巖土體的穩(wěn)定性。

2.1.2 泥漿護(hù)壁質(zhì)量控制措施研究

混合固相聚合物泥漿的主要組成成分選用黏土和膨潤(rùn)土，并添加羧甲基纖維素（CMC）來(lái)優(yōu)化泥漿性能[]。通過(guò)設(shè)置不同固相材料摻入量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，得到如圖1固相材料含量對(duì)泥漿特性的影響曲線。當(dāng)混合固相聚合物泥漿中黏土或膨潤(rùn)土含量增加時(shí)，混合泥漿密度均增加，但兩種固相材料對(duì)泥漿密度增幅影響區(qū)別不大，且增幅均保持在0.8g/cm-3以?xún)?nèi)，增幅較為顯著?；旌夏酀{黏度也隨固相材料含量增加而提升，黏土對(duì)混合泥漿黏度增幅的影響比膨潤(rùn)土更加顯著，最大約為22s。綜合考慮，兩種固相材料對(duì)泥漿密度的影響較一致，對(duì)黏度影響差別較大，但在泥漿配制過(guò)程中還會(huì)添加CMC對(duì)泥漿黏度進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此從經(jīng)濟(jì)性的方面考慮，初步選定泥漿配制比例為黏土∶膨潤(rùn)土=1∶0.81。

基于上述對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，在黏土-膨潤(rùn)土混合泥漿中摻入CMC來(lái)調(diào)節(jié)混合固相聚合物泥漿的黏度。通過(guò)設(shè)置不同CMC摻入量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，得到CMC對(duì)泥漿特性的影響曲線，如圖2所示。CMC摻量對(duì)混合泥漿密度幾乎沒(méi)影響，基本維持在1.15g/cm3左右，通過(guò)黏土或膨潤(rùn)土的摻量調(diào)節(jié)泥漿密度。但CMC對(duì)泥漿黏度的影響極大，當(dāng)摻量在3.5g以下時(shí)，泥漿黏度保持在20s～30s，當(dāng)摻量超過(guò)3.5g后，基本呈現(xiàn)正相關(guān)線性增長(zhǎng)。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，將CMC摻入量控制在3g以?xún)?nèi)，并根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)微調(diào)，即可滿足絕大多數(shù)樁基成孔要求。綜上分析在黏土和膨潤(rùn)土的使用比例基礎(chǔ)上，添加CMC進(jìn)行泥漿配制比例優(yōu)化，得到混合固相聚合物泥漿配置比例為黏土∶膨潤(rùn)土∶CMC≈1∶0.81∶0.18。

2.2 樁底沉渣控制分析

2.2.1 沉渣對(duì)樁基承載能力的影響分析

樁底沉渣厚度對(duì)樁端承載力和樁側(cè)摩阻力都存在影響，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)分析不同樁底沉渣厚度對(duì)樁端承載力及樁側(cè)摩阻力的影響，得到沉渣厚度對(duì)樁基承載性能的影響曲線，如圖3所示[]。由圖3（a）可知，在不同沉渣厚度下，樁基樁側(cè)摩阻力沿樁深方向的變化規(guī)律基本一致，均在14～16m左右達(dá)到最大。但隨著沉渣厚度增加，樁側(cè)摩阻力明顯變小，由其是當(dāng)沉渣厚度由0cm增至5cm，再增至10cm時(shí)，樁側(cè)摩阻力最大值變化趨勢(shì)為159.8kPa～142.1kPa～123.6kPa，這個(gè)階段中的樁側(cè)摩阻力兩次下降幅度達(dá)到了11.07%、13.02%。當(dāng)沉渣厚度達(dá)到15cm時(shí)，樁側(cè)摩阻力的下降幅度明顯降低，約在5.2%左右。由圖3（b）可知，通過(guò)單樁承載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同沉渣厚度下，樁基Q-S曲線變化規(guī)律基本一致，當(dāng)沉渣厚度增加時(shí)，樁基的極限承載能力明顯降低。當(dāng)受到同一強(qiáng)度荷載時(shí)，樁底沉渣厚度大的樁基，沉降發(fā)生得更快，樁頂沉降量更大，且與0cm→5cm→10cm這個(gè)階段相同，變化更加明顯。

沉渣厚度對(duì)樁基承載能力的影響并不是單一的，由上述分析可知，沉渣對(duì)樁端承載力和樁側(cè)摩阻力均存在影響，而樁側(cè)摩阻力和樁端承載力均是樁土間相對(duì)位移的函數(shù)。樁基樁側(cè)摩阻力和樁端阻力在荷載傳遞過(guò)程中存在互相增強(qiáng)作用，樁端承載力和樁側(cè)摩阻力間存在耦合關(guān)系，使兩者互相影響、互相促進(jìn)，在樁底沉積的沉渣厚度超過(guò)規(guī)范允許值后，將大幅削減樁端承載力，同時(shí)也制約樁側(cè)摩阻力發(fā)揮，進(jìn)而降低樁基整體的承載能力，同時(shí)受沉渣的影響，樁基的沉降也會(huì)變大。

2.2.2 沉渣控制及處理措施研究

護(hù)壁泥漿配比不當(dāng)、樁基清孔不到位、首盤(pán)混凝土封底不到位都可能導(dǎo)致樁底沉渣厚度增加，為控制沉渣厚度，施工中通常針對(duì)這3個(gè)工序進(jìn)行施工控制。①優(yōu)化護(hù)壁泥漿性能：在旋挖濕孔法成孔過(guò)程中，優(yōu)化護(hù)壁泥漿配比，提高護(hù)壁泥漿懸浮凝絮沉渣的能力，在提高泥漿護(hù)壁穩(wěn)定性的同時(shí)，降低泥漿密度，提高泥漿攜渣能力。②嚴(yán)控清孔程度：在成孔后及時(shí)進(jìn)行清孔，在混凝土澆筑前，根據(jù)沉渣情況進(jìn)行二次清孔，縮短成孔到混凝土澆筑的等待時(shí)間。③采沉渣補(bǔ)強(qiáng)：對(duì)沉渣較厚，且清孔難以達(dá)到效果的樁基來(lái)說(shuō)，利用壓力后注漿或高壓旋噴法向沉渣中注入膠凝材料，將沉渣填充、凝固、壓實(shí)，使松散沉渣凝固形成具有一定彈性模量的整體[8]。

3 結(jié)論

本文對(duì)中風(fēng)化巖層中旋挖鉆成樁機(jī)理進(jìn)行分析，并對(duì)旋挖成樁過(guò)程中兩道關(guān)鍵工序（泥漿護(hù)壁質(zhì)量控制、樁底沉渣控制）進(jìn)行試驗(yàn)分析，得到以下結(jié)論。1）優(yōu)化旋挖鉆頭布齒形式，優(yōu)化旋挖鉆頭靜壓荷載及鉆頭旋轉(zhuǎn)動(dòng)載的加載時(shí)間節(jié)點(diǎn)，可大幅提高鉆頭碎巖效率、巖石破碎程度，提高成孔速率。2）在中風(fēng)化巖層中采用混合固相聚合物泥漿作為護(hù)壁泥漿，并添加CMC調(diào)節(jié)泥漿黏度，可提高護(hù)壁泥漿質(zhì)量，最終確定泥漿配置比例為黏土∶膨潤(rùn)土∶CMC≈1∶0.81∶0.18。3）樁底沉渣對(duì)樁基樁端承載力和樁側(cè)摩阻力均存在影響，極易導(dǎo)致樁基沉降增加。通過(guò)試驗(yàn)分析得知，對(duì)端承樁來(lái)說(shuō)，應(yīng)將沉渣厚度控制在5cm以?xún)?nèi)，對(duì)摩擦樁來(lái)說(shuō)，應(yīng)將沉渣厚度控制在10cm以?xún)?nèi)，與規(guī)范要求相符。

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