鉆孔灌注樁在富水砂性土層中的應用

邵海兵,林 娜,王劍春,王明軒

(1.中交上海航道局有限公司，上海 200002；2.上海交通建設總承包有限公司，上海 200136)

沿海地區存在著大量的軟土地基，含水率高、地基承載力較低，采用鉆孔灌注樁作為建筑基礎提供了一個解決問題的途徑，被廣泛應用于現代工程建設中[1]。傳統的鉆孔灌注樁施工常采用泥漿護壁成孔和干作業成孔，在沿海地區尤其是地下水位豐富的近岸段，由于土壤含水及含沙量過高、泥漿配置難度大，泥漿護壁成孔難以實施，而干作業成孔又面臨成孔效率低、孔底涌土等問題[2]，因此，傳統的鉆孔灌注樁施工工藝難以在沿海地區地下水位豐富的近岸段實施。本文結合沿海地區某項目在鉆孔灌注樁施工過程中采用的護底施工技術，創新性地提出在不進行施工降水的前提下，采用孔底注水的方法，解決鉆孔灌注樁在富水砂性土層中成孔困難的相關問題。

1 項目概況

項目實施圍堤軸線外側約20 m范圍內施工區域內有一根深海排污管，而濱海綜合會展中心等圍填海項目(以下簡稱“本項目”)西側堤是在城市沙灘東圍堤的基礎上加高形成的，如不采取相應保護措施，西側堤施工運行期產生的沉降、偏移所引起的土體變形很可能影響排海管的正常使用。經計算分析，考慮采用隔離樁保護措施。深海排污管與項目西側堤見圖1。

工程區現狀主要為淺灘水域，地形由陸域向水域逐漸降低，據測量成果，西側堤地形西北高、東南低，灘面高程一般在-5.0～ 1.0 m。根據地質勘察成果，70 m深度范圍內，地基土層分布比較穩定，淺部地基土以軟弱黏性砂土為主，屬微透水層，局部分布有松散稍密狀粉土，屬弱透水層。工程地質條件見表1。

圖1 深海排污管與項目西側堤平面圖

表1 工程地質條件

2 方案比選

由于土體壓力、地下水位及成孔工藝等多種因素的影響，在鉆孔灌注樁施工過程中，孔壁及孔底常處于不穩定狀態，隨時會出現塌孔。因此，根據場區工程地質條件，選擇合適的成孔工藝，并對孔壁及孔底采取相應保護措施，保證成孔后的穩定。

傳統的鉆孔灌注樁成樁工藝包括干作業成樁和泥漿護壁成樁。

1)干作業成孔時，孔壁主要是依靠土體的自立及圓拱效應而保持穩定。李小青[3]推導了干作業成孔孔壁穩定性的數學模型公式：

(1)

式中：c為土體內聚力；ρ為土的密度；φ為土體內摩擦角；H為樁長；Fs為孔壁穩定安全系數。

可以看出，孔壁穩定性與所處的地質條件及樁長有關。樁長越長，孔壁穩定性越差。而對于砂性土，土體內聚力c為0，則Fs=0。這說明在現場所處的砂性土環境中，孔壁總是不穩定的，在毫無護壁措施情況下，干作業成孔是不可能進行的。

2)泥漿護壁成孔時，泥漿具有穩定護壁的作用，主要表現在隔水膜的形成及泥漿液態靜壓力。隔水膜的形成要求土層具有一定的滲透性，否則很難在孔壁形成隔水膜。泥漿在離心力作用下浸入土層，在一定范圍內泥漿凝膠體粘附在土顆粒上，固定了土顆粒的相對位置，在孔壁周圍形成較穩定的土層，使土層抗剪強度增加，從而維持了孔壁穩定。泥漿液態靜壓力能夠對地下水產生超壓力，起到穩定平衡作用。

根據李小青推導出的孔壁穩定模型公式，泥漿護壁條件下，要使孔壁穩定，必須滿足下列條件:

Pm-Pw≥P0+Pq

(2)

式中：Pm為孔內水壓力(或泥漿壓力)；Pw為地層水壓力；P0為阻止孔壁坍塌所需的支護應力；Pq為孔口地面超載產生的側壓力。孔壁土徑向受力見圖2。

注：A為孔壁徑向力；Pz為圓拱支撐力；Fm為孔內水向孔壁滲流時產生的滲透力；Fw為地下水向孔內滲流時產生的滲透力。

圖2孔壁土徑向受力

本項目鉆孔灌注樁樁徑1.0 m，最大樁長18.1 m(孔深<60 m)，內摩擦角為25°～35°，據此計算出靜水壓力：Pm-Pw=15～20 kPa。

因此，孔內泥漿液面須高出地下水位1.5～2.0 m，方能保證孔壁穩定。實踐證明，泥漿密度對保持孔壁穩定起著至關重要的作用。一般而言，泥漿密度越大，孔壁穩定性越好；反之，泥漿密度減小，會使泥漿對地下水的超壓力減小，孔底土體失穩的可能性增大[4]。在現場的砂質地層內，泥漿密度不可能過大，由于砂性土密度較小且本身不具備造漿功能，鉆進過程中對原狀土擾動大，極易出現流砂現象且孔的垂直度不易控制。另外，根據類似工程的實踐經驗，在此類砂性土層中進行泥漿護壁成孔作業時，經常出現泥漿置換砂層不充分、鉆進阻力過大、速度緩慢的問題。考慮到施工現場路面寬度僅7 m，施工作業面狹窄，現場也無法設置泥漿制備及回收設施，不具備采用泥漿護壁施工的外部條件。工程施工斷面見圖3。

圖3 項目西側堤斷面(高程： m;尺寸： mm)

而長螺旋鉆孔灌注樁因施工無污染、設備集約化程度高、占地面積小且成樁迅速，采用全護筒護壁后能夠有效解決砂性土層成孔孔壁坍塌的問題，成樁質量好，能夠更好地適應本項目工況條件。

由于采用了全護筒的施工工藝，在成孔前，先行打入鋼護筒，能夠形成較穩定的護壁，同時阻隔周圍地下水進入孔內，為后續混凝土的灌注提供了良好的先決條件；同時由于全套筒長螺旋鉆孔灌注樁施工技術高度集成，鉆孔、取土均由一臺樁機獨立完成，無須額外增加設備，大大減小了施工設備的占地面積。

3 工程試樁

為保證全護筒長螺旋鉆孔灌注樁施工工藝能滿足設計質量要求，施工前，先進行試樁試驗。為此，現場選擇在地質條件更差的遠岸段進行成孔試驗，目的是選擇最不利的地方檢驗工藝的可行性，并為施工提供經驗和相關參數。

按照成孔工藝，現場進行了3根試驗樁施工。試樁發現，采用全護套筒長螺旋鉆孔成孔困難，主要表現為：鉆桿外提后，出現孔底涌土，鉆桿清孔后，孔深無法滿足設計樁長要求。試樁記錄見表2。

表2 試樁記錄

為驗證鉆孔至設計樁底高程后涌土現象是否是孔底承壓水頭作用的結果，現場試樁采取鋼護筒鉆穿黏土層，保證孔底上部有一定土壓力，以抵消承壓水頭作用。現場施工時將護筒長度加長至22.5 m，鋼護筒施鉆至地面以下13 m，穿透黏土層。鉆桿外提后土樣仍為流塑狀淤泥質土。測量孔深，涌土3 m左右。1 h后再次測量孔深，涌土4.2 m，成孔失敗。結果表明：穿透黏土層后，孔底在兩側土壓力作用下向成孔位置快速回淤造成成孔困難。

4 成孔失敗原因分析

長螺旋鉆孔灌注樁通常只適用于干作業成樁，成樁要求在地下水位以上、無硬夾層或碎石層的土質中，一般不適用于地下水位以下的土層。但受制于現場條件，只要解決好地下水壓過高導致的孔底涌土問題，長螺旋鉆機就能在高含水率砂性土層中應用。

長螺旋鉆機在高含水率土層中施工成孔時，鉆頭鉆進至設計孔底高程并提離孔底，由于孔壁壓差，孔底底部的流態土壤和地下水會隨著螺旋鉆頭提離孔底而發生滲流，補給到孔底螺旋鉆頭提升而留下的空間，帶動孔壁的沙粒流入該空間內，并且隨著地下水位與孔底的高差增大，滲流的速度加大，帶動的砂粒粒徑就越大，導致孔壁最后失穩而坍塌[5]。

5 施工方案改進

5.1 施工工藝的改進

為解決全套筒長螺旋鉆孔灌注樁施工問題，針對成孔后的實際情況，設計了3種施工工藝，措施及優缺點見表3。

經綜合評估工期及成本后，最終決定采用方案2孔內注水的工藝。當螺旋鉆頭鉆至設計孔深后，提離孔底時，通過改制的螺旋鉆頭向孔底同時注水，保持水面始終高出鉆頭底部螺旋葉片，直至螺旋鉆頭提離地下水位面，而后停止注水。由于注水及時地填補了螺旋鉆頭向上提升而形成的下部空間，平衡了孔底土體的土壓力。當注水結束后，由于靜水壓力對孔底土體的作用，孔底下部土壓力得以平衡，消除了孔底土體應力釋放后的上涌壓力[6]。

表3 3種工藝具體措施及優缺點

5.2 施工機具的改進

采用孔底注水須對長螺旋鉆機進行必要的改造，在螺旋鉆頭底部鉆桿上開一個注水圓孔，鉆桿內安放一根鐵管與該孔焊接連通在一起。在孔外部的鉆桿上設置一個可自由起閉的蓋板。開始鉆進時，蓋板蓋住注水孔，防止土粒堵塞；鉆進至設計孔深鉆桿上提時，開始注水，在水壓力作用下，蓋板開啟，向孔內注水。施工機具的改進還能有效解決鉆桿上提過程中孔內產生負壓導致土體掉落的問題。

5.3 方案改進后的試樁施工

按照上述改進后的方案進行了3根試驗樁的施工，該方案重點在于先行打入鋼護筒，成孔取土后在20 min內迅速向孔內注水至護筒表面。現場分別選擇A2、A5、A9樁進行成孔試驗，成孔后每隔5 min對孔深進行測量，至30 min后，實測孔底土體回淤約2.5 m，且成孔后20～30 min孔底土體回淤增長緩慢，回淤量很小，孔深基本不發生變化。因此成孔后注水能夠有效解決孔底涌土的問題。試樁孔深記錄見表4。

表4 采用方案2孔底注水后實測孔深記錄

6 工程樁施工

工程樁施工采用試樁后的改進方案，具體施工步驟為鋼護筒壓入至筒口距地面0.8 m處，停止壓入，螺旋鉆桿下鉆取土，成孔后鉆桿上提取土，同時開始注水。根據設計樁長計算得出孔底注水量約19.5 m3，為確保20 min完成孔內注水，現場選用80 m3/h的潛水泵進行孔內注水，同時將提升鉆桿速率控制在0.8 m/min內，保證螺旋鉆桿底部始終高于注水水面，直至注水完成。此時用測繩對孔底高程進行測量，應滿足孔底深度距筒口不小于20.2 m。若測繩測得數據小于20.2 m，則將孔內水排出，進行二次清孔后，鉆桿繼續鉆至設計樁底高程。護筒內注滿水后，在30 min之內灌注水下混凝土，灌注水下混凝土前用測繩對孔深再次測量，若測繩測得數據不滿足設計要求，則重復下鉆取土。成孔后鉆桿擠壓出來的雜土及時用高壓水槍進行清理。

根據試驗樁取得的施工經驗參數，改進后的新工藝在整個施工過程中應用順利，充分發揮了長螺旋鉆機施工效率高的特點。施工過程中，只使用了一臺長螺旋鉆機，85 d便完成了321根樁的施工。經檢測，所有樁體全部合格，滿足設計要求。其中I類樁307根、II類樁14根，I類樁優良率達95.6%。

7 結語

1)不同的鉆孔灌注樁施工工藝適用于不同的地質條件，工程開工前須根據地勘資料選擇合適的灌注樁施工工藝。

2)灌注樁正式施工前應通過試樁確定相關工藝參數，并結合地質條件對施工方法進行組合優化。

3)孔底注水施工工藝能解決長螺旋鉆機在富水砂性土層中的成孔問題，成樁質量經檢測完全符合設計要求，具有操作簡單、成本低廉的特點，可供類似工況條件的工程參考。