高水位粉砂性土地層中的預(yù)降水對圍護(hù)樁施工影響探討

杭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站 杭州 310018

1 概述

杭州下沙及濱江等區(qū)域，屬錢塘江沖海積平原，地表及深層土體具有明顯的粉砂性地質(zhì)特征。經(jīng)筆者調(diào)查了解，杭州下沙及濱江地區(qū)的絕大部分工程地質(zhì)，至少地表以下20 m以內(nèi)，除厚0.3～3 m的地表雜填土層外，基本上都是砂質(zhì)粉土；地表20 m以下，除局部的黏質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土層外，基本上也都是粉砂、礫砂土層，巖層埋深普遍較深。不僅如此，這些區(qū)域的地下水也非常豐富，地下水位高，一般在地表以下2～3 m。

盡管如此，當(dāng)?shù)毓こ添?xiàng)目的圍護(hù)樁采用鉆孔灌注樁的情況依然普遍存在。經(jīng)筆者對近2 年下沙及濱江地區(qū)在建工程實(shí)際施工情況的了解，高水位粉砂性土層中的鉆孔灌注圍護(hù)樁施工普遍存在成孔難度高、易坍孔、樁身縮頸等成樁質(zhì)量問題：

（a）成孔難度高[1]。鉆孔灌注樁大都采用泥漿護(hù)壁施工工藝，但由于表層的砂性土質(zhì)（尤其砂質(zhì)粉土）顆粒粒徑小、地下水位高，土地穩(wěn)定性較差，加之不可避免的施工振動，即便采用膨潤土進(jìn)行泥漿護(hù)壁，仍不時(shí)發(fā)生坍孔、埋鉆等現(xiàn)象，大大增加了成孔的難度[2,3]。

（b）坍孔現(xiàn)象明顯，影響實(shí)際樁身長度。對于已成孔的灌注樁，下鋼筋籠后的清孔階段，隨著泥漿相對密度的降低，砂性土質(zhì)在飽和水狀態(tài)下破壞了泥漿護(hù)壁所形成的張力平衡，導(dǎo)致普遍的坍孔現(xiàn)象[4]。不少工程項(xiàng)目都在基坑開挖后發(fā)現(xiàn)圍護(hù)樁普遍存在局部樁身變大等問題，就是后期坍孔所造成的。

（c）縮孔現(xiàn)象普遍、鋼筋籠外露較為普遍。對于已成孔的灌注樁，下鋼筋籠后的清孔階段，隨著泥漿相對密度的降低，若孔內(nèi)壓力小于孔洞周邊水壓力時(shí)，受地下水壓影響，孔洞明顯收縮，最終導(dǎo)致成樁縮頸現(xiàn)象[5]。近2 年內(nèi)，筆者遇到十多個(gè)項(xiàng)目的圍護(hù)樁普遍在基坑開挖時(shí)發(fā)現(xiàn)圍護(hù)樁鋼筋因縮頸而被土體包裹。

而圍護(hù)樁的樁身質(zhì)量問題則直接關(guān)系到基坑安全，尤其隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，多層地下室日趨普遍[6-8]。因此，如何提高高水位粉砂性土層中的圍護(hù)樁成樁質(zhì)量，具有十分重要的工程意義。

2 粉砂性土層的特點(diǎn)分析

按照國內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定，工程上一般將粒徑大于0.075 mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量50%的土定義為“砂土”，其中，又將粒徑小于0.005 mm的顆粒質(zhì)量不超過總質(zhì)量10% 的粉土定名為“砂質(zhì)粉土”。砂性土質(zhì)，尤其砂質(zhì)粉土主要為江河湖海相沖積而成，廣泛分布于華東沖洪積平原、河流三角洲、沿海平原等地區(qū)。粉砂性土層主要有以下特征：

（a）滲透性強(qiáng)，易于液化。粉砂性土質(zhì)中的黏性顆粒含量一般較少，砂粒含量高，由于砂性顆粒的存在，因此土層滲透性遠(yuǎn)高于黏性土質(zhì)。而且在飽和水狀態(tài)下，富有大量自由水，由于砂粒之間的粘結(jié)力小，因此強(qiáng)度較低且易散化（相對固結(jié)狀態(tài)下），搖振反應(yīng)迅速、易液化，在外力或水頭壓力下具有明顯的流砂、液化管涌等傾向。

（b）固結(jié)特性明顯。粉砂性土層在工程上表現(xiàn)出很好的排水固結(jié)性能。從當(dāng)?shù)卮罅康墓こ虒?shí)踐情況來看，砂性土質(zhì)尤其砂質(zhì)粉土，在降排水后，土體能夠很快固結(jié)而且固結(jié)強(qiáng)度高、后期沉降變形量小，自立高度可達(dá)2～4 m；如無降雨等外部因素的影響，排水固結(jié)后的砂性土，自立時(shí)間也比較長。

（c）力學(xué)性能受含水量的影響比較明顯。飽和水狀態(tài)下，砂性土質(zhì)的力學(xué)性能大為降低（相對固結(jié)狀態(tài)情況而言），在水頭壓力下，砂性土質(zhì)不僅在水的作用下大大降低土體力學(xué)性能，而且砂性微細(xì)顆粒也在水頭壓力作用下被水流帶走，情況嚴(yán)重時(shí)造成流砂、管涌、土體坍塌等工程質(zhì)量問題。

正是由于粉砂性土層具有上述幾個(gè)特征，導(dǎo)致該地質(zhì)條件下（尤其高水位情況下）鉆孔灌注圍護(hù)樁施工存在前述若干問題，為基坑安全增加了不少隱患。

3 預(yù)降水對提高圍護(hù)樁施工質(zhì)量的機(jī)理分析

高水位粉砂性土層中的地下水對粉砂性土體的力學(xué)性能有著較大影響，因此該地質(zhì)條件下，要提高鉆孔灌注圍護(hù)樁施工質(zhì)量，關(guān)鍵在于如何降低地下水位。工程預(yù)降水，是一項(xiàng)先通過降水手段降低地下水位后再進(jìn)行鉆孔施工的質(zhì)量保證措施。工程預(yù)降水對提高圍護(hù)樁成樁質(zhì)量的原因，主要在于預(yù)降水后，成孔孔洞周邊的水位大為降低，而孔內(nèi)水位基本沒有變化，加之泥漿護(hù)壁的作用，孔洞周邊的砂粒能夠保持平衡而不再坍落。以孔洞周邊的顆粒為受力單元（圖1）分析如下：

圖1 孔洞周邊砂粒受力示意

孔洞周邊的砂質(zhì)粉土顆粒主要受三種力：一是孔洞內(nèi)水壓力，二是孔洞外地下水所造成的壓力，三是顆粒自重。當(dāng)孔洞內(nèi)外水壓力比較接近時(shí)，砂質(zhì)粉土顆粒主要為自重發(fā)揮作用，考慮到施工振動不可避免以及飽和水作用下，顆粒散化明顯，施工所造成的孔內(nèi)水波動很容易帶動顆粒而突破泥漿護(hù)壁層的包裹作用，從而造成縮孔、坍孔等問題。

反之，若孔洞內(nèi)水壓力明顯大于周邊的地下水壓力，在孔洞內(nèi)水壓力差（無論孔壁顆粒是否在降水范圍內(nèi)）的作用下，孔壁顆粒則受到向外的水平壓力，并在自重及周邊土體顆粒的共同擠壓下，而不至于向孔內(nèi)收縮。這種情況下，泥漿護(hù)壁不僅像一道屏障一樣防止孔洞內(nèi)水向孔外擴(kuò)散，而且在孔洞內(nèi)外水壓力的左右下，泥漿護(hù)壁層更加牢靠；此外，孔外預(yù)降水范圍內(nèi)的土體，因砂性土固有的排水固結(jié)特性，孔壁周邊土體的力學(xué)性能和土體穩(wěn)定性大幅增加。因此從理論上講，不再容易發(fā)生縮孔、坍孔等現(xiàn)象。

通過以上分析，不難看出，高水位粉砂性土層中，提高鉆孔灌注樁的成孔質(zhì)量，關(guān)鍵在于如何控制樁孔內(nèi)外的水壓差，這也是工程預(yù)降水措施能夠產(chǎn)生較好效果的根本原因。受篇幅限制，本文不再從理論上推導(dǎo)孔內(nèi)外水壓差值。當(dāng)然由于每一工程地質(zhì)情況的差異性，不同項(xiàng)目的理論水壓差或多或少有所差異。但就工程實(shí)踐情況而言，筆者認(rèn)為，杭州下沙及濱江區(qū)域內(nèi)的工程，若能保持孔洞內(nèi)外水位高差10 m左右，則基本上能滿足鉆孔樁成孔質(zhì)量的要求。

4 工程實(shí)踐效果

杭州下沙某工程2 層地下室（局部3 層），圍護(hù)樁采用鉆孔灌注樁。起初部分圍護(hù)樁在施工時(shí)存在著打樁速度上不去、成孔質(zhì)量低等問題。后在筆者的建議下，由建設(shè)單位組織勘察、設(shè)計(jì)、施工等單位主要人員，專題研討如何確保高水位粉砂土層中圍護(hù)樁成樁質(zhì)量，并一致認(rèn)為：

第一，該工程地表以下25 m范圍內(nèi)均是粉砂性土（雜填層除外）且地下水位較高；在飽和水作用下，砂性顆粒趨于散化而大為降低其力學(xué)性能。鉆孔樁施工難度以及此前存在的施工質(zhì)量問題，根源在于工程地質(zhì)為高水位粉砂性土層，難以發(fā)揮泥漿護(hù)壁的作用。

第二，根據(jù)工程勘察報(bào)告，粉砂性土層具有很好的排水固結(jié)性能；因此只要能減少鉆孔樁孔洞周邊土地的含水率，并保持孔內(nèi)水位穩(wěn)定，就可使周圍土體中的孔隙水壓力降低，有效應(yīng)力增大，從而提高土體強(qiáng)度、維持孔壁穩(wěn)定。

基于以上兩點(diǎn)，該工程最后確定采用預(yù)降水鉆孔施工措施，施工單位在圍護(hù)樁施工之前，按圍護(hù)施工圖紙的要求對基坑周邊先行布置井點(diǎn)降水，預(yù)降水3 d后再進(jìn)行圍護(hù)樁施工。采用降水措施后，圍護(hù)樁施工進(jìn)展順利、成樁速度基本穩(wěn)定在每天2 根樁；土方開挖階段發(fā)現(xiàn)，凡采用降水措施進(jìn)行施工的圍護(hù)樁，樁身質(zhì)量大為提高，除個(gè)別樁身截面略有縮小外，均能保證樁身質(zhì)量，效果較為明顯。

5 結(jié)語

從該工程實(shí)踐情況來看，預(yù)降水除有利于提高鉆孔灌注樁樁身質(zhì)量外，還可利用地下水輔助鉆孔作業(yè)，在實(shí)現(xiàn)合理循環(huán)利用地下水資源的同時(shí)降低了施工成本。同時(shí)工程實(shí)踐情況也表面，保證打樁期間孔內(nèi)外水壓差的穩(wěn)定性也十分關(guān)鍵；筆者認(rèn)為孔洞內(nèi)水位高差變化應(yīng)控制在0.5 m以內(nèi)。

當(dāng)然除采取預(yù)降水措施外，為了保證成孔質(zhì)量和打樁效率，采用黏性較高的膨潤土進(jìn)行泥漿護(hù)壁仍然十分必要。此方法對其他類似項(xiàng)目也具有一定可借鑒的意義。