淺談液化地層鉆孔灌注樁施工質(zhì)量控制

劉桂萍

（中鐵二十局集團(tuán) 第四工程有限公司，山東 青島266000）

1 工程地質(zhì)情況

青島藍(lán)色硅谷城際軌道交通工程10 標(biāo)段線路起訖樁號(hào)K61+901～K68+400，線路整體位于鰲山灣西側(cè)，臨近海灘。 本段場(chǎng)地地震基本烈度為六度，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地質(zhì)地層自上而下主要由第四系全新統(tǒng)人工填土、全新統(tǒng)沖洪積層、上更新統(tǒng)沖洪積層、白堊系砂巖、煌斑巖、花崗巖組成。其中，第四系全新統(tǒng)海積層揭示為中粗砂，飽和，稍密為主，厚度為2.7m～3.2m。 第四系全新統(tǒng)沖洪積層揭示為中粗砂，以長(zhǎng)石、石英質(zhì)砂、花崗巖碎屑為主，含少量礫石和黏性土，飽和，稍密，厚度3.2～3.9m。 以上兩種中粗砂層均屬于可液化地層，深度均不大于4m，縱向影響范圍960m，占全線14.8%。 受持力層地質(zhì)堅(jiān)硬影響，樁基施工無(wú)法選用振動(dòng)較小的設(shè)備，均采用沖擊鉆進(jìn)行樁基施工，鉆頭對(duì)樁孔的反復(fù)沖擊振動(dòng)造成了樁孔砂層液化，極大地增加了樁基的施工安全風(fēng)險(xiǎn)。 液化地層樁基施工也是本項(xiàng)目前期施工的難點(diǎn)，具備了范圍廣、安全風(fēng)險(xiǎn)高、處理措施復(fù)雜的特點(diǎn)，對(duì)該工藝的改善有利于本項(xiàng)目的施工安全有序進(jìn)行。

2 砂層液化機(jī)理及危害

飽水砂土受到振動(dòng)時(shí)，顆粒之間無(wú)內(nèi)聚力或內(nèi)聚力很小，受慣性力反復(fù)作用下，各顆粒處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必然產(chǎn)生相互錯(cuò)動(dòng)并調(diào)整位置，以便達(dá)到最穩(wěn)定位置。 孔隙度的減小產(chǎn)生剩余孔隙水壓力，隨著周期性的反復(fù)作用，剩余孔隙水壓力會(huì)不斷累積增大，最終導(dǎo)致砂土的抗剪強(qiáng)度降為零，完全不能承受外荷載達(dá)到液化狀態(tài)，產(chǎn)生振動(dòng)液化。隨著孔隙水壓力上升，產(chǎn)生上下水頭差和孔隙水自下而上的運(yùn)動(dòng)，動(dòng)水壓力推動(dòng)砂粒向懸浮狀態(tài)發(fā)展，形成滲流液化。

2.1 塌孔

樁基塌孔是液化地層施工較為常見(jiàn)的現(xiàn)象，也是一直以來(lái)困擾樁基施工的難題，主要表現(xiàn)在其突然性、危害性大及塌孔后的處理周期長(zhǎng)且費(fèi)用很高，往往需要進(jìn)行回填重鉆方能解決問(wèn)題，大大的增加了項(xiàng)目的施工安全風(fēng)險(xiǎn)、成本和工期壓力。

鋼護(hù)筒的埋設(shè)一般采用挖除護(hù)筒中心土的方式，護(hù)筒外側(cè)周邊重新回填粘性土或素填土進(jìn)行夯實(shí)。 若砂土層埋深大時(shí)，鋼護(hù)筒埋設(shè)無(wú)法穿過(guò)整個(gè)液化層，底部位于中粗砂層中。在沖擊鉆鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭對(duì)底部巖層的振動(dòng)及樁孔內(nèi)部泥漿反復(fù)的沖刷造成砂層液化流動(dòng)，從而將護(hù)筒底部及外側(cè)大面積掏空， 導(dǎo)致鋼護(hù)筒失穩(wěn)及周邊地層塌陷。鋼護(hù)筒失穩(wěn)直接導(dǎo)致樁孔鎖口崩潰， 影響鉆頭無(wú)法上下正常作業(yè)，同時(shí)使孔口隨時(shí)面臨繼續(xù)坍塌的危險(xiǎn)，孔口周邊作業(yè)存在巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法保證作業(yè)人員施工安全。 周邊地層的不斷塌陷易導(dǎo)致鉆機(jī)傾覆、樁孔偏位過(guò)大等嚴(yán)重后果。

2.2 孔底沉渣過(guò)厚

砂層液化造成泥漿中含砂率增大，增加了樁孔砂質(zhì)沉渣的清理難度及泥漿配置要求。清孔完成直至水下混凝土灌注這個(gè)過(guò)程的底渣沉淀以及鋼筋籠對(duì)護(hù)壁的刮蹭也是沉渣厚度增大的原因。鉆孔樁水下混凝土灌注過(guò)程中，依靠混凝土擠壓導(dǎo)管內(nèi)泥漿產(chǎn)生的沖擊力使孔底沉渣翻涌上浮，若孔底沉渣過(guò)厚易導(dǎo)致孔底沉渣因重量過(guò)大無(wú)法上浮或摻雜在混凝土之中，發(fā)生樁底沉渣大或夾泥的現(xiàn)象，導(dǎo)致后期沉降大或成樁質(zhì)量不合格等問(wèn)題。孔底沉渣厚度超出規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)將導(dǎo)致以上兩種質(zhì)量問(wèn)題， 其中樁基礎(chǔ)的大幅沉降將直接導(dǎo)致上部構(gòu)造變形開(kāi)裂，直接影響線路平順及結(jié)構(gòu)安全。

3 質(zhì)量控制措施

3.1 注漿

液化地層鉆孔施工的最大安全隱患在于其地層的振動(dòng)流動(dòng)性，要確保地層的穩(wěn)定必須在防水和改善地層穩(wěn)定特性兩方面采取控制措施防止砂層液化。由于特殊地質(zhì)特征造成施工現(xiàn)場(chǎng)必須選用沖擊鉆進(jìn)行施工，主要預(yù)防措施采用了地表注漿的辦法，即在樁孔鋼護(hù)筒安裝前對(duì)周邊地質(zhì)進(jìn)行環(huán)形均勻注漿處理（如圖1），注漿管前端穿過(guò)砂質(zhì)地層進(jìn)入底層巖層30cm 以上，采用后退式分段注漿，分段長(zhǎng)度為40～60cm，以確保樁孔周邊整個(gè)液化地層的注漿滲透擴(kuò)散效果。

圖1 樁孔注漿示意圖

樁孔孔位地質(zhì)情況顯示中粗砂層最大埋深深度一般為3～5m，且表層為素填土，注漿孔鉆孔采用機(jī)械頂進(jìn)成孔或鉆機(jī)成孔，樁孔注漿采用后退式分段注漿，在孔口采用止?jié){塞進(jìn)行止?jié){。 注漿材料選用超細(xì)水泥單液注漿， 漿液在地層中根據(jù)注漿壓力大小表現(xiàn)為滲透擴(kuò)散、劈裂擴(kuò)散，對(duì)地層固結(jié)、防滲效果較好。 注漿工藝流程：施工準(zhǔn)備→測(cè)量布孔→制孔口管→安裝孔口管→鉆孔至設(shè)計(jì)深度→安裝注漿系統(tǒng)制漿→注漿→效果檢查→結(jié)束。施工時(shí)，水灰比控制范圍：0.6:1～0.8:1，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地層富水情況適當(dāng)調(diào)整。

注漿量計(jì)算公式:Q=ПR2hαn (1+β), 其中：Q—注漿量，R—擴(kuò)散半徑， 取0.8m，h—注漿深度，α—地層充填率， 取0.7～0.8，n—地層空隙率，取0.3～0.4，β—損失率，取20%。 注漿壓力取水壓+2.5Mpa。 注漿速度取40L/min。 鉆孔及注漿設(shè)備根據(jù)注漿深度、注漿量、注漿速度等參數(shù)進(jìn)行選取。

該工藝適用于砂層等軟弱地層埋深較深的部位，其優(yōu)點(diǎn)為漿液顆粒細(xì)，中粗砂層的可注性較好，固結(jié)體強(qiáng)度高、均勻，膠凝時(shí)間較長(zhǎng)，易于操作控制，缺點(diǎn)為處理費(fèi)用較高，處理效果較依賴于作業(yè)人員作業(yè)熟練程度。

3.2 護(hù)筒接長(zhǎng)

對(duì)于液化地層厚度較小且埋深小于3m 的樁孔，可采取加長(zhǎng)鋼護(hù)筒長(zhǎng)度的辦法使其穿過(guò)砂層，確保鋼護(hù)筒底部嵌入穩(wěn)定巖層，起到隔離作用。 鋼護(hù)筒采用1cm 厚鋼板卷制而成，護(hù)筒最大高度為4m，直徑比設(shè)計(jì)孔徑大30cm，護(hù)筒高于地面50cm，護(hù)筒底部埋置在砂層下地層中至少50cm，確保護(hù)筒根基穩(wěn)固。 埋設(shè)前，應(yīng)先用挖機(jī)配合人工將樁孔中心土挖除， 埋設(shè)時(shí)采用水泥-水玻璃雙液砂漿對(duì)護(hù)筒底部進(jìn)行防水處理，護(hù)筒四周回填黏土并分層夯實(shí)，分層回填時(shí)可加設(shè)土工格柵增加橫向拉力確保回填土層與原狀土之間的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

護(hù)筒的埋設(shè)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有條件及機(jī)械采用錘擊、加壓或振動(dòng)等辦法進(jìn)行下沉。 為確保護(hù)筒不變形，埋設(shè)護(hù)筒前應(yīng)對(duì)護(hù)筒頂部采用加焊1cm 厚、30cm 高鋼板進(jìn)行加固處理。埋設(shè)護(hù)筒過(guò)程應(yīng)注意通過(guò)護(hù)樁經(jīng)常校核護(hù)筒中心偏位情況，確保護(hù)筒豎直，中心偏位不超過(guò)5cm，發(fā)現(xiàn)偏差過(guò)大，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。鉆孔過(guò)程中鉆頭、鋼筋籠上下作業(yè)時(shí)應(yīng)注意放慢速度，并由作業(yè)人員輔助穩(wěn)定，避免碰撞護(hù)筒造成鎖口坍塌。樁孔混凝土灌注完成后，應(yīng)及時(shí)松動(dòng)、拔除護(hù)筒，避免混凝土凝固后導(dǎo)致護(hù)筒無(wú)法拔除。

接長(zhǎng)護(hù)筒的辦法適用于砂層埋深淺的部位，其優(yōu)點(diǎn)主要為：施工工藝傳統(tǒng)，成本較低。 缺點(diǎn)主要為：鋼護(hù)筒制作及埋設(shè)難度較大，護(hù)筒穩(wěn)定性較差，護(hù)筒拔除難度較大，易造成浪費(fèi)。

3.3 控制泥漿質(zhì)量

鉆孔樁施工過(guò)程中泥漿的主要用途在于護(hù)壁和浮渣，由于孔樁部分地質(zhì)情況為中粗砂，地層穩(wěn)定性較差，主要依靠泥漿對(duì)樁周圍土層的側(cè)壓力及泥皮進(jìn)行護(hù)壁，對(duì)泥漿的粘度、比重等技術(shù)參數(shù)要求較為嚴(yán)格。 初始泥漿配置時(shí)選用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土， 泥漿比重控制在1.2～1.3， 黏度控制在20～28s， 含砂率不大于4%， 鉆頭鉆進(jìn)至砂質(zhì)地層時(shí)應(yīng)相應(yīng)提高泥漿比重及黏度以確保護(hù)壁穩(wěn)定，同時(shí)盡量減少對(duì)該部分地層的擾動(dòng)。 泥漿池使用前應(yīng)注意與砂層進(jìn)行隔離處理，隨著樁孔的鉆進(jìn)，砂層中的砂土不可避免的會(huì)進(jìn)入到泥漿中，應(yīng)在泥漿池設(shè)置排渣、除砂等裝置，避免砂土回流至樁孔內(nèi)，導(dǎo)致孔內(nèi)泥漿含砂率提高。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)泥漿比重、黏度、含砂率等檢測(cè)，根據(jù)需要及時(shí)添加新制泥漿進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3.4 施工協(xié)調(diào)

鉆孔樁孔底沉渣厚度與泥漿停止時(shí)間成正比， 停止時(shí)間越長(zhǎng)，孔底沉渣厚度越大，尤其砂質(zhì)地層樁孔含砂率較大，泥漿靜止容易導(dǎo)致泥漿中砂的分離下沉，沉渣不易清除。因此，連續(xù)緊湊的工序銜接顯得尤為重要，鋼筋籠盡量事先制作成整體一次性下放安裝，導(dǎo)管亦可根據(jù)實(shí)際情況事先兩節(jié)聯(lián)裝， 鉆孔、 清孔完成后應(yīng)立即安裝鋼筋籠、導(dǎo)管。樁孔的二次清孔采用泥漿泵連接導(dǎo)管沉至孔底進(jìn)行沖洗確保孔底沉渣翻涌上浮，并保持孔內(nèi)泥漿循環(huán)活動(dòng)直至混凝土澆筑。

4 小結(jié)

混凝土灌注方量相對(duì)設(shè)計(jì)方量充盈系數(shù)控制在1.1 左右，孔底沉渣厚度也控制在5cm 范圍內(nèi)。 通過(guò)對(duì)孔位周邊地質(zhì)的注漿及加長(zhǎng)護(hù)筒等質(zhì)量控制措施，液化地層鉆孔樁施工安全、質(zhì)量均得到較好控制，未出現(xiàn)塌孔等問(wèn)題，同時(shí)，樁孔泥漿質(zhì)量控制及施工工序銜接緊湊也是確保液化地層樁基正常施工的主要控制措施。

［1］趙旭榮.砂土液化機(jī)理及其判別方法研究[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2008，14(9):693-695.

［2］魯曉兵，談慶明，王淑云，張金來(lái).飽和砂土液化研究新進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展，2004,34（1）：87-92.