雜填土條件下混凝土灌注樁塌孔的預防措施

司 云

1 概述

麗澤花苑住宅小區工程項目場地位于山西省太原市汾河西岸，場地地貌單元屬汾河西岸河漫灘。上部地層的砂層厚，顆粒粗，離河床遠的顆粒細，粉質粘土、粉土層厚。根據勘察結果，該場地地基土層最上層為雜填土，主要由混凝土塊、爐渣、磚塊、塑料袋、白灰等建筑垃圾和生活垃圾組成，不均勻，松散，層厚 0.5m～9.5m。在沖擊鉆孔過程中常常出現塌孔現象。我們結合施工現場的具體情況，對塌孔原因進行了分析，依據對紅土的化學反應和力學效應試驗結果及分析的理論研究，提出了改變工程鉆孔泥漿的比重及固相含量和采用加紅土孔內造漿護壁的嘗試措施。經過工程實踐證明，措施可靠有效且經濟成本低。改用新的施工方法后，塌孔現象大幅度減少，提高了成孔率。本工程鋼筋混凝土灌注樁采用封閉式樁端側后壓漿技術注漿，基樁設計直徑 800，工程樁樁長為40.1m，錨樁和試樁為46.6m，基樁須作單樁豎向抗壓靜載試驗以確定單樁豎向抗壓承載力特征值大于 5 500 kN。護筒按設計和規范要求埋設，采用沖擊鉆機鉆孔，自備泥漿護壁和掏渣法排渣。鉆進過程中發現樁基普遍存在塌孔現象，鉆孔深度在 8m～10m時出現塌孔，位置約在護筒底下 2m范圍。經測護筒底部2m左右泥漿相對密度在1.02～1.05之間，8m～10m泥漿相對密度為 1.2～1.4。護筒內水位高于地下水位 2m以上，設計和施工中均無承壓水。塌孔嚴重地困擾著工程進度，項目部專門聘請了包括設計院、巖土工程技術專家等組成的專家組到工地現場研究解決辦法。但是，出于經濟成本的考慮，最后我們還是自力更生，充分依靠廣大的現場施工人員、技術人員的集體經驗和智慧，經過多方嘗試，終于克服這一施工難題。但是，基于國內外相關的研究進展和成果資料的不足，在理論上仍然存在驗證不足的問題，有待進一步深入研究。

2 塌孔原因分析

常規來說，沖擊鉆孔塌孔原因主要有提升、下落沖錘、掏渣筒帶動漿液沖擊擾動孔壁或相鄰近機組作業振動影響和放鋼筋骨架時碰撞護壁;護筒底漏水使護筒底懸空或護筒長度太短;未及時向孔內加泥漿，孔內泥漿面低于孔外水位;泥漿密度不合理;孔內有承壓水;清孔排渣沒有保持孔內水頭、泥漿泵注漿朝向孔壁;鉆孔進尺太快等。經過深入分析和研究麗澤花苑高層住宅樓樁基工程中的塌孔，主要原因歸納有以下三點:

1)本工程自然地坪以下 0.5m～9.5m層厚范圍內以生活及建筑垃圾為主的雜填土層，鉆孔時的振動使護筒周圍和底部土層坍塌、漏水。2)在雜填土層中，對較大塊的建筑混凝土垃圾，下落沖錘的沖擊力小打不碎混凝土垃圾塊，也不能把它擠到孔壁處，而沖擊力大就造成塌孔。3)投泥造漿過程中因鉆頭主要在鉆孔樁底部運動，所以底部泥漿密度大，而孔頂部泥漿密度過小，造成上下段泥漿護壁不均，不能對孔壁形成上下一致的保護作用。

3 塌孔預防及處理措施

1)避免群機近距離作業，采用分散跳打的施工方法和措施，把鄰機作業相互振動影響的因素降低到最低點。

2)調整鉆孔泥漿的比重。

a.鉆孔泥漿組成及作用。鉆孔泥漿由水、膨潤土和添加劑組成。具有懸浮鉆渣、冷卻鉆頭、潤滑鉆具、增大靜水壓力，并在孔壁形成泥皮，隔斷孔內外滲流，防止塌孔的作用。調制的鉆孔泥漿及經過循環凈化的泥漿，應根據鉆孔方法和地層情況來確定泥漿稠度，泥漿稠度應視地層變化或操作要求機動掌握，泥漿太稀，排渣能力小、護壁效果差;泥漿太稠，會削弱鉆頭沖擊功能，降低鉆進速度。b.鉆孔泥漿比重及固相含量對成孔的影響。工程鉆孔泥漿的主要性能有:泥漿的比重和固相含量，泥漿的流變特性(泥漿粘度和切力)，泥漿的濾失性能(泥漿的失水量和泥皮厚度)以及泥漿的含砂量、潤滑性、膠體率和pH值等。每一個性能的變化都直接影響著機械鉆速、孔壁穩定、孔內凈化、鉆頭壽命等一系列的成孔工藝問題。工程鉆孔泥漿的最大特點是:循環過程中在壓差作用下能在孔壁上形成泥皮而加固孔壁，在循環停止時，泥漿能很快轉為溶膠狀而懸浮巖屑，防止巖屑過多的沉淀而引起塌孔。在成孔過程中防止漏失、涌水和維護孔壁的穩定，重要的一點是要維持鉆孔—地層間的力的平衡。而孔內靜液柱壓力的大小和孔內液柱的比重以及垂直高度有關。即:Ps(靜液柱壓力)= 0.1r(比重)×H(液柱垂直高度);從公式中可以看出在孔深H一定時，液柱壓力值決定于比重r。所以，比重的大小直接影響著孔壁穩定、機械鉆速和水下混凝土的灌注。根據工程地質條件的不同，當工程鉆泥漿的比重r＜1.15時，不能維持鉆孔和地層間力的平衡，不能起到護壁作用，導致塌孔。當工程鉆泥漿的比重 r＞(1.25～1.30)時，雖然能維護鉆孔和地層間力的平衡，但是泥漿比重大時所帶來的對施工不良影響卻不少，而工程鉆孔泥漿比重大(r＞1.25)的主要因素是泥漿中的無用固相(即巖屑)含量高所致。所以，根據本工程的特殊地質條件，適當調整泥漿比重對成孔起著非常關鍵的作用。c.改善泥漿的性能，實時監測泥漿各項指標。沖擊鉆進時泥漿的調制是采用鉆錐上下攪動而產生的，泥漿的性能指標主要有相對密度、粘度、靜切力、含砂率、膠體率、酸堿度。泥漿各指標的測定時間為開始制漿和每班開始工作時，測定一次全套泥漿指標，以后每隔 2h測定鉆孔口和孔底(用鉆具取出)的相對密度、粘度和含砂率。鉆進過程中，如果出現泥漿含砂量太高以致相對密度過大的情況，采用掏渣筒放入孔內，不進尺只將鉆渣掏出，待含砂率和相對密度符合要求后，再補充合格的泥漿。

3)增加護筒長度。

麗澤花苑工地的雜填土層厚為0.5m～9.5m，先下入6m護筒開孔，待孔深達到適宜的深度時，再在護筒內側加入 10m護筒，將雜填土護住，為避免塌孔起到了關鍵作用。

4)改進鉆孔工藝。

開孔及整個鉆進過程中，始終保持孔內水位高出地下水位1.5m～2.0m。護筒底腳以下 2m～4m范圍內比較松散，采用濃泥漿、小沖程、高頻率反復沖砸，使孔壁堅實不塌不漏。

及時掏渣。在開孔階段為使鉆渣擠入孔壁，鉆進 4m～5 m后再掏渣，正常鉆進每進尺0.5m～1.0m時掏渣一次，掏至泥漿內含渣顯著減少、無粗顆粒、相對密度恢復正常為止。掏渣后及時向孔內添加泥漿以維護水頭高度。平穩起吊沖擊錐，防止沖撞護筒和孔壁。

5)加干紅土在孔內造漿護壁提高成孔率效果顯著。實踐中，我們嘗試在雜填土(多為生活和建筑垃圾)和砂石地層上鉆孔時，添加干紅土并在孔內造漿護壁的工藝。具體用量是樁孔深為 45m時，加填 50裝載機的一鏟紅土，一鏟容量約為3.5m3(50裝載機的鏟斗標準容量是 3m3)。施工人員使用鐵鍬一邊隨著鉆孔泥漿流入樁孔中一邊撒干紅土，直到成孔結束。

4 加干紅土提高成孔率的理論依據

4.1 紅土的化學成分

紅土是母巖經歷不同程度的紅土風化作用形成的。研究結果表明，紅土的化學成分都是以SiO2，Fe2O3和Al2O3為主，隨著SiO2含量的減少，Fe2O3，Al2O3和R2O3的含量增大，而紅土的pH值、燒矢量隨著 R2O3含量的增大而增大。紅土是一種富含鐵、鋁氧化物，粘粒含量較高、幾乎不含鹽基成分的紅色粘性土，具有特殊工程地質性質。紅土處于酸性環境，顆粒之間主要靠膠結連接、結合水連接為主。

4.2 pH值對鐵離子化學力學效應的影響

不同pH值、循環流動的(Na，Fe)(OH)Cl3水溶液浸泡后的紅土試件在飽和狀態下的抗剪強度和壓縮性試驗結果如圖 1，圖 2所示。

由此可知，含鐵離子物質與水作用后的化學反應對紅土體確實存在正反兩方面的雙向性力學效應。含鐵離子物質對土體的雙向性力學效應受環境水溶液的pH值和化學成分的控制。酸性水溶液使含鐵離子物質膠結作用增強，使紅土強度提高，形成正方向的力學效應;堿性水溶液使含鐵離子物質的膠結作用降低，形成負方向的力學效應。

5 結語

通過盡量避免群機近距離作業，采用分散跳打的施工方法、改善泥漿的性能，定時監測泥漿各項指標、增加護筒長度和優化護筒埋設方法、改進鉆孔工藝和加干紅土孔內造漿護壁等一系列措施，在工程實踐中證實在雜填土層上塌孔的現象確實大幅度減少了，提高了成孔率。同時，注意掏渣法排渣時應采取措施，使泥漿沉淀后及時循環;加強對護筒底周圍泥漿密度的檢測，吊入鋼筋骨架時對準鉆孔中心豎直插入，鋼筋籠入孔時必須扶正，嚴防籠子觸及孔壁，以保證鉆孔和灌注混凝土的順利進行。另外，成孔后及時下籠焊接，盡量減少下籠焊接和下導管的時間，適時正確灌注混凝土，也是保證不塌孔的重要一環。

[1] 史佩棟.實用樁基工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，1999.

[2] 高大釗，趙春風.樁基礎的設計方案與施工技術[M].北京:機械工業出版社，2002.

[3] 王 清，陳劍平，馬麗英.中國紅土的研究與地基承載力的評價[J].探礦工程，1995(4):15-17.