淺談“鉆孔灌注樁”之
2011-01-01 00:00:00陳勇鋒,任付印
中華建設科技 2011年2期
【摘 要】本文主要著手于“鉆孔灌注樁”施工過程中孔內的靜水壓力與孔壁穩定性問題，通過分析，提出相應的預防措施，從而確?？妆诘姆€定性。
【關鍵詞】鉆孔灌注樁；孔內液體的靜水壓力；孔內水頭高度；護筒設置
Shallow talk the quiet water pressure of liquid inside“drill a hole to infuse to note a stake” its bore
Chen Yong-feng，Ren Fu-yin
(Hangzhou city qianjiang xincheng construction development limited company Hangzhou Zhejiang 310016)
【Abstract】This text is main to begin at the bore in the construction process of“drill a hole to infuse to note a stake” inside of quiet water pressure dint and the bore wall stability problem， pass analysis， put forward correspond of prevention measure， insure bore thus wall of stability.
【Key words】Drill a hole to infuse to note a stake;The quiet water pressure dint of the liquid in the bore;Bore internal water head height;Protect a tube constitution
在世界各國的深基礎工程中，樁基是采用的主要手段，而鉆孔灌注樁則是我國應用最為廣泛的樁基之一。而對于鉆孔灌注樁的施工，成樁工藝較為復雜，故其成樁質量難以進行直觀的檢查。所以鉆孔灌注樁施工中，要牢記“防范于未然”的名言，事先控制，杜絕各種事故隱患，保證樁基質量。
本文主要著手于“鉆孔灌注樁”施工過程中孔內的靜水壓力與孔壁穩定性問題，通過分析，提出相應的預防措施，從而確?？妆诘姆€定性。
1. 孔壁外四周總側向壓力對孔壁的作用。
假設孔壁為一剛體，其在周圍主動土壓力作用下，會向孔洞內位移，當位移到一定數值時，周圍土體達到主動極限平衡狀態，這是從土壓力的作用入手來進行分析的。但針對鉆孔這一具體工序來說，是不允許孔壁土體向內移動的。否則將引起坍塌現象。因此，要想防止孔壁土體的移動，必須在孔壁內產生一個力來抵抗孔壁外的主動土壓力。對于這個主動土壓力，我們可以根據朗肯土壓力理論來進行分析計算：
1.1 根據朗肯土壓力理論；單位墻長的主動土壓力Ea的計算公式為：Ea=1/2rh2Ka。
式中：
Ea——單位墻長的土壓力值（KN/m）
r——剛體的土體重度（KN/m2）
h——剛體的高度（M）
Ka——主動土壓力系數Ka=tg2(45°-/2)
——土的內摩擦角
當然，對于一個孔深方向上的土質肯定是各有不同的，而不同土質的土層由于重度、內摩擦角的不同，其所作用的土壓力必然有所不同。本文主要著手討論孔壁內的靜水壓力問題，故對各不同土質土層的土壓力也不作具體的分析，在實際工程中只要根據不同的土層取不同的參數進行計算就行了。
1.2 地下水的靜水壓力計算公式為：P1=rHcA。
式中：P1——地下水的靜水壓力（KN/m）
Hc——受壓面積的形心在水下淹沒深度（M）
r——水容重（KN/m3）
A——受壓面積（m2）
故總側向壓力E=Ea+P1其分布圖如圖1所示，該側向作用力E即為作用于孔壁四周的總壓力，因此，孔內必須產生一個大于等于總側向壓力的靜水壓力，才能夠確?？妆诓粫?。即P≥E式中：
P——孔內液體靜水壓力
E——孔壁四周外總側向壓力。
2. 孔內液體的靜水壓力作用
作為孔內液體，其作用于孔壁上的靜水壓力是保證孔壁不坍塌的主要因素之一。本文從任意平面上靜水總壓力入手，簡要剖析了靜水壓力的分布及其總壓力的大小。
由于任意平面的邊界形狀多種多樣，壓強分布圖形體積較為復雜和難于計算，故不便于應用圖解法計算總壓力，而需要采用解析法求解。
將任意平面MN傾斜地放置在靜水中，平面廷展面與自由水平面交角d，廷展面與自由水面的交線是一條水平線（ox）。若以（oy）為軸旋轉90°，便可以清楚地看到MN的形狀尺寸，如圖2所示。
設A為該任意平面的面積，其形心點在水面以下深度為hc。在平面上任取一微小面積dA，中心點m在水面以下的深度為h，該點的相對壓強p=rh，則作用在dA面積上的總壓力為：
dp=r·h·dA
=r·sina·Da
由于整個平面上各點微小面積上的壓力方向相互平行，所以對上積分便得整個平面A上的靜水總壓力，即
P=∫adp=∫ar·y·sinadA
=r·sina∫aydA
式中∫aydA為面積，A對ox軸的靜面矩，積分結果為yo·A故上可寫成:
P=y·sin(yc·A)
式中yc——平面形心點到ox軸的距離。
由圖中幾何關系可知yc·sina=hc，于是得靜水總壓力為：
P=r·hc·A
式中：
p——靜水總壓力（KN/m）
r——水容重（KN/m3）
hc——受壓面積的形心在水下淹沒深度（m）
A——受壓面積（m2）
此式即適用于鉛垂矩形平面，也可適用于任意形狀。任意方位的平面。
上述表明，作用于任意形狀平面上靜水總壓力的大小，等于受壓面積A與期形處靜水壓強r·hc的乘積。同時，從該式中可以看出，總壓力的大小只與r·hc·A有關，與受壓面積的方位無關。
作為鉆孔灌注樁孔內液體——泥漿的護壁效果，要求其泥漿在孔內所產生的靜水總壓力要大于等于孔壁 四周的總側向壓力，從而確?？妆诘姆€定性。而其泥漿的靜水總壓力值與泥漿的容重，高度和孔面積成正比。故合理的增大該三個值，是確?？妆诜€定的先決條件。
3. 孔內液體靜水壓力與孔壁四周總側向壓力的確定。
了解了孔內液體的靜水壓力和孔外總側向壓力的原理后，我不能難看出，只有當孔內液體的靜水壓力大于等于孔外總側向壓力，才能夠保證鉆孔過程中孔壁不倒塌。
對于孔壁四周側向土壓力的要求，其他基土的條件直接影響孔壁的穩定性。試驗證明，土的內摩擦角愈小，所需泥漿的相對密度愈大；反之所需泥漿相對密度就愈小。因為土的內摩擦角在一定程度上反映土質好壞，內摩擦角大，土質條件好，就不容易發生坍塌。所以在施工時，要根據不同的土質條件選用不同的泥漿配合比，各地的經驗只能參考不能照搬。尤其在地層中存在較弱的淤泥質土層或粉砂層時要引起特別的重視。
對于地下水位的水壓力，國內外實踐證明，在第四系地層鉆進成孔，只要孔內水頭壓力比孔外地下水壓力大2×104MPa就能保證孔壁的穩定即：H·r≥2×104MPa
式中：
H——孔內液面至地下水位的高度（M）
r——孔內泥漿的容重（N/m3）
由式中可以看出，要滿足靜水壓力的要求，可以單獨增大H或r，或同時改變H與r。但r不應過大，過大則會使附著于孔壁上的泥皮增厚而疏松，不利固壁；而H過大不會提高設備安裝高度，且護筒埋深需加大，以防孔內泥漿順護筒外側反竄至地面，故增大該兩項值時要綜合考慮。
4. 地下水位與泥漿液面對孔壁的影響。
某工程為一幢七層的框架結構，采用鉆孔灌注樁，混凝土采用C35，樁長約45米，進入微分化灰巖層不小于0.5米，共設計鉆孔灌注樁95棵，其中800為89棵，單樁豎向承載力設計值R=5500KN；1000為6棵，單樁豎向承載力設計值R=6500KN，施工區地層松散，膠結性差，同時其地下水位還受周邊江河影響，水位變化較大且地下水位高。
施工中采用泵吸反循環鉆進工藝，主要設備為GPS-15型條吸反循環鉆機。施工班組搬照一般的施工經驗進行施工，護筒埋設上口基本與自然地坪相平，泥漿比重采用1：1.15，泥漿液面略低于自然地坪，與地下水位高差較小。施工過程中，屢次發生孔壁坍塌現象，難以成孔。
經過分析，總結出事故原因，由于地下水位高，與泥漿面的水頭高度偏小，導致孔內靜水壓力不夠，加上泥漿性能指標不符合要求，故造成塌孔。
后通過總結教訓，始終保持孔內靜水壓力，即接高護筒，提升泥漿液面，堅持用好泥漿，結果成孔順利，鉆進效率高，成孔質量好。
通過該工程實踐，證明地下水位愈高平衡它所需的泥漿相對密度也愈大，即孔壁失穩的可能性也愈大，所以地下水位的相對高度對孔壁穩定的影響很大。同時它也影響差泥漿相對密度的大小。故在鉆孔過程中要重視地下水的影響，必要時可部分或全部降低地下水位，對保證孔壁穩定會起很大作用。
泥漿液面的高低對孔壁穩定亦產生很大影響。泥漿液面愈高所需的泥漿相對密度愈小，即孔壁失穩的可牟性愈小，由此可知泥漿液面一定要高出地下水位一定高度。對于這個問題來說，國處亦相當重視。歐洲一些國家認為泥漿液面應高出地下水位0.6m，英國認為至少要高出0.9-1.2m，日本認為在松散砂層地區施工宜高出2.0m以上。根據我國《建筑樁基技術規范》JGJ94-94規范來看，泥漿液面應高出地下水位1.0m以上，在受水漲落影響時，泥漿液面應高出最高水位1.5m以上。
對于在施工期間如發現有漏漿或跑漿現象，應及時堵漏或補漿，以保證泥漿規定的液面，防止出現坍塌現象。
綜合所得，合理的控制地下水位與孔內液面的水頭差，是保證孔壁不坍塌的有力措施之一。
5. 流砂層施工中孔內水頭高度的確定
對于在流砂層等地區復雜地層施工，在穿越流砂層施工時應保持樁孔具有合理的水頭高度，使樁孔不坍塌，也不會出現泥漿反竄現象。
5.1 水頭高度設置：如圖3所示孔壁砂層的側壓力為：
Ea=ra·h·tg2(45°-/2)地下水位以下砂土層的靜水壓力為
PW=z·rw
孔內泥漿液注壓力為Pm=(z+h)·rm
保持孔壁不垮的條件為：
Pm=Ea+pw
即（z+h）·rm≥rs·h·tg2(45°-/2)+z·rw
從而得出孔內水頭高度：
h≥rs·h·tg2(45°-/2)-z(rm-rw)/rm
式中：
h——孔內水頭高度（m）
rs——孔壁砂層的容重（KN/m3）水下取浮容重
H——地面至孔底距離(m)
Y——砂層的內摩擦角（°）水下取內摩擦角
z——孔外水位高度(m)
rm——泥漿容重（KN/m3）
rw——水容重（KN/m3）
當然，在實際工程中，水頭高度要根據水位和地層的變化及施工條件，合理調整確定。
5.2 泥漿反竄控制。
由于砂層的高滲透性，如果孔內水頭高度或泥漿容重過大，會導致泥漿從孔內向孔壁四周的砂層滲漏，接近護筒的部位，泥漿會沿護筒外側上冒竄漿，引起孔內水頭下降而垮孔，特別是在漲、落潮和江河水位變化較大時，容易出現上述現象。
根據孔內外動水位的變化，防止泥漿反竄的水頭高度為：
h≤z·rsZo/korw(1-rm)
式中：
Zo——護筒埋入深度(m)
k——安全系數k=2.0-2.2
rs——砂層浮容重（KN/m3）
rw——水容重（KN/m3）
rm——泥漿容重（KN/m3）
由此可見，如何合理的確定孔內水頭高度H值是作不泥漿護壁施工的必要工序之一，同時也是保證成孔質量的有力措施之一。在工程實際施工中，有必要對合理確定孔內水頭高度引起足夠的重視。
6. 分析與試預防措施
針對于孔內液體與地下水位對孔壁坍塌的影響，故特提出以下三種預防措施，以保證孔壁的穩定性。
6.1 改善泥漿性質及孔內液體高度。
作為鉆孔灌注樁施工中的泥漿，其作用主要就是護壁作用，攜碴作用，冷卻和潤滑作用。
泥漿如要起到護壁作用，首先就要求其具有一定的相對密度，并要求泥漿面高出地下水位一定高度，致使泥漿在孔內對孔壁產生一定的靜水壓力，以抵抗作用在孔壁上的側向土壓力和水壓力。即相當于一種液體支撐，可以防止孔壁坍塌和剝落，并防止地下水滲入。
另外，泥漿在孔壁上會形成一層透水性很低的泥皮，從而可使泥漿的靜水壓力有效地作用于孔壁上，能防止孔壁剝落。同時，泥漿還能從孔壁表面向土層滲透，待滲透到一定范圍，泥漿就粘附在土顆粒上，這種粘附作用可減少孔壁的透水性，亦可防止孔壁坍塌。
6.2 護筒設置。
因為孔內泥漿液面的高度與孔內靜水壓力成正比，而加高護筒的高度即可
提高泥漿液面的高度，也就增強了孔內靜水壓力，從而有利于孔壁穩定。所以說，在不影響設備安裝就位的前提下，護筒高度一般要盡量提高，以拉大泥漿面與地下水位之間的水頭差，確?？妆诘姆€定性。
護筒用4-8mm的厚鋼板制作，其內徑大于鉆頭直徑100mm呈圓形。護筒埋設在粘土中，埋深不小于1m，埋在砂性土中，埋深不小于1.5m，在護筒周圍要用粘性分層夯擊密度，不使漏漿現象發生。護筒要高于天然地坪，可以防止雜物落入坑孔中，以免破壞成孔質量。
6.3 降低地下水位。
要某些地下水位較高的地方，或逢連續降雨的地方，由于地下水位上升，到近天然地坪，使泥漿對地下水的超過力減少，這種情況下極易產生孔壁的坍塌。
大量實踐證明，地下水位愈高，平衡它所需的泥漿密度也愈大，孔壁失穩的可能性愈大。為了解決孔壁的坍方問題，必要時可采取部分或全部降低地下水位的有力措施，從而使泥漿面與地下水位液面的水頭差價增大，保證孔壁的穩定性。
常用的降水方法有集水井降水和井點降水。
以上三種方法作為預防鉆孔灌注樁鉆孔過程孔壁坍塌的措施之一，合理的處理方法是保證成孔質量的前提，故在施工過程中要對每一個環節引起足夠的重視，最終以確保鉆孔中孔壁的穩定為目的。
7. 結論：
通過一系列的分析所討論，可得出如下結論：
7.1 增強孔內靜水是保證孔壁穩定性的有力措施之一。
7.2 在施工中要重視孔內液面與地下水位之間的水頭差，合理的控制水頭差有利于施工的質量。
由上可見，在鉆孔灌注樁成孔過程中如何處理好孔內液體靜水壓力的問題是一道十分重要且必要的工序，對確?？妆诘姆€定性也有相當重要的意義！
