泥巖條件下的人工挖孔樁施工關鍵技術研究與應用

顧申申

摘要：本文主要討論了一種泥巖地質條件下的人工挖孔樁的施工關鍵技術，該技術通過理論分析，試樁實驗及數據總結，對泥巖條件下樁基施工的間歇期、降水情況等多種擾動因素進行探討，形成了一套泥巖條件下樁基施工的控制措施。

關鍵詞：泥巖;人工挖孔樁;擾動

一、引言

膨脹性泥巖是經過巖石礦物風化，自然搬運，最后沉積作用而成，屬于泥質結構，由面層構造而成，它的強度和透水性在不同的方向上有不同的變化。泥巖地質條件在我國分布較廣，具有吸水急劇膨脹，產生泥化、軟化及脫水開裂、收縮變形等特性，是極軟巖的一種。泥巖的膨脹特性對工程的潛在危害是巨大的，在樁基施工過程種，因泥巖的特性發生改變、軟化，會引發樁基承載力不能達到設計標準的風險。

為了解決上述問題，通過以合肥離子醫學中心工程項目為載體，利用試驗深入研究不同因素下泥巖條件樁基施工的影響，總結泥巖條件下的人工挖孔樁施工技術，為后續同類工程提供借鑒與思路。

二、工程背景

（一）項目背景

合肥離子醫學中心項目占地面積46214平方米，總建筑面積約33687平方米，地下一層，地上三層，建筑高度為23.2米，其中質子裝置區約4200平方米（3個旋轉治療艙、1個固定束治療艙、1個科學研發室），是項目施工的重點和難點。

質子區精密設備運行對所處建筑環境極為嚴苛，不僅需保證施工完成后建筑完成精度達到指標要求，同時還需確保建筑沉降在可控范圍內，避免隨著時間流逝導致的精度降低。BID文件中對建筑沉降控制要求如下：

1）安裝有回旋加速器、ESS、BTS和所有治療室的建筑部分必須被建成為一個剛性結構。不接受伸縮接縫或者單獨的樓板。所有治療室地面和混凝土墻體結構必須是一個整體部分。這是為了保證建筑沉降不會導致單獨PTE建筑部分之間產生相對運動;

2）在對PTE進行安裝和對齊以后，對于操作PTE產生的建筑最大差別沉降應使用特殊規定，在建筑外殼建筑過程中就必須開始檢查沉降特征;

3）超過10m的長度上差別沉降必須<0.2mm（0.008）/年;

4）BDCT有責任按照沉降規定設計建筑物，且在PTE交付之前監控建筑物沉降率。

（二） 施工背景

擬建場地屬于江淮波狀平原地貌單元，微地貌場地西部為崗地，東部為坳溝，根據勘察報告顯示場地地基土構成層序自上而下依次為：雜填土、粉質粘土、粘土、粉質粘土、粉質粘土、強風化粉砂質泥巖和中風化粉砂質泥巖。如下圖所示

本工程樁基采用人工挖孔樁的形式，項目共施工人工挖孔樁299根。為了滿足沉降要求，人工挖孔樁需進入持力層即⑦中分化層3米，有效樁長≮22m，樁身直徑1.2m，擴大頭2.4m。

三、泥巖條件人工挖孔樁施工分析

（1）泥巖物理性能分析

泥巖廣泛分布于全國各地，強度介于巖與土之間，按工程分類歸屬于軟質巖石。具有質軟，節理發育，巖芯多呈碎塊狀，遇水浸泡后極易風化軟化，暴曬后開裂等特征。在建筑物荷載作用下，表現出承載力低、變形大、復雜易變等工程特性。

泥巖本身的巖性因成巖礦物受到當時環境影響，所表現出的性質不同。有黏土質泥巖、粉砂質泥巖、砂質泥巖，不同類型的泥巖。其內部結構、結構連接、顆粒與顆粒之間接觸方式、排列特征、膠結物及膠結狀態、粒間孔隙大小與形狀是不同的，從而致使泥巖力學性質不同。

1）風化損傷作用：泥巖所處的環境不斷變化，影響著其物理狀態和化學成分，并改變著泥巖的賦存狀態。物理風化作用、化學風化作用、生物分化作用間接擾動著泥巖的形態和力學性能;

2）卸荷作用：卸荷引起回彈、拉張、裂隙增大甚至連接貫通，產生不協調變形及應力差，巖體處于剪應力環境并形成剪切裂隙。瓦解了巖體內的結構和強度;

3）水巖相互作用：水與泥巖相互作用通過水巖的力學作用、物理作用、化學作用來改變著泥巖性質。力學作用通過滲透作用對土骨架產生拖拽力，導致土體中的應力與變形發生變化。物理作用表現在水對泥巖的軟化與泥化、失水干縮與崩解。化學作用表現在泥巖吸水膨脹、層間吸力變化、PH值變化引起離子濃度的變化、水巖化學作用引起的結構變化;

4）施工工藝：施工工藝不同，如沖擊成孔、回轉成孔、人工挖孔等，其擾動程度也不一樣;

5）時間效應作用：經歷了機械擾動、水作用卸荷的擾動，泥巖出現結構再造前的瞬時結構損傷。隨時間流逝，結構將逐漸發生次結構損傷。

（2）泥巖條件下人工挖孔灌注樁施工分析

針對泥巖巖性多變、承載力低、遇水易風化軟化、暴曬后開裂等特點，制定以下措施降低泥巖條件對樁基質量的損傷。

1）地勘階段詳細對擬建現場土質情況進行勘測，盡量詳盡準確的對場地地下情況進行描述，給設計院提供一個較為準確的數據參考;

2）正式樁基施工前進行試樁，對現場土質開挖留樣檢測，與地勘進行對比，確保數據準確;

3）試樁完成對樁基進行靜載試驗，確保承載力及沉降要求滿足設計要求;

4）樁基施工完畢后需盡快清孔驗收澆筑，避免樁底長期暴露改變巖土性能;

5）人工挖孔樁施工至樁底時盡量減少對巖土的侵擾;

6）人工挖孔樁施工時需考慮場地降水，保證巖土性能及施工作業人員安全。

四、人工挖孔樁試驗實施

（1）基巖試驗過程

原計劃在樁孔擴大頭完成后進行巖基試驗，考慮到1.8m長的擴大端在試驗過程中長時間無護筒支護，存在較大安全隱患，故改為先進行巖基試驗再進行擴大頭施工。為研究地下水對持力層地基承載力的影響，試驗過程中3根試樁孔內采取不同程度抽水。

Z1孔開挖至中風化泥巖，具備巖基試驗條件。試驗裝置安裝調試完成后，于兩日后20：00開始進行巖基加載，第三日23：10開始巖基卸載，第四日1：50完成試驗，試驗過程中孔內不抽水。

Z2孔開挖至中風化泥巖，具備巖基試驗條件。試驗裝置安裝調試完成后，于3日后2：30開始進行巖基加載，第4日8：30開始巖基卸載，第五日11：40完成試驗，試驗過程中孔內連續抽水。

（2） 試驗數據分析

Z1孔實測基巖最大沉降量為11.175mm，最大回彈量9.317mm，巖基承載力特征值為1885kPa，滿足設計要求。Z1孔的U-δ（荷載-位移）、δ-lgt（位移-時間對數）曲線見下圖。

Z2孔實測基巖最大沉降量為19.531mm，最大回彈量8.296mm，巖基承載力特征值為1885kPa，滿足設計要求。Z1、Z2孔的U-δ（荷載-位移）、δ-lgt（位移-時間對數）曲線見下圖。

Z1孔、Z2孔的荷載-位移曲線對比見下圖。從圖中可以看出，加壓荷載達到280kN前，Z1、Z2孔巖層沉降值相差不大。加壓超過280kN后，Z2孔沉降量顯著增大，地基變形呈現明顯塑性，最終沉降量較Z1孔增加明顯。

五、結論

Z2孔實測巖基沉降較Z1孔顯著增大，由以下原因造成：

（1）Z1孔于2017年3月18日開挖到位準備試驗，3月20日開始進行試驗，基巖暴露時間為2天，而Z2孔3月21日開挖到位至3月24日開始試驗，基巖曝露時間為3天。基巖曝露時間越長，基巖強度損失越大。

（2）Z2孔雖然在試驗過程中保持連續降水，但在開挖到位至試驗前的3天內未能連續抽水，加之3月22日的大氣降水，Z2孔泥巖不可避免地發生軟化。

（3）由于人挖樁直徑僅1.2m，Z2樁孔內設置的集水坑距荷載板較近。寬度300mm集水坑的存在減小了周邊地層對基巖的側向約束，加大了基巖的沉降變形。

（4）根據試驗結論，在人挖樁正式施工部署中，擴大頭開挖完畢后12小時內應進行一樁一驗和混凝土澆筑，即使不滿足條件也應該進行混凝土封底或者土方回填覆蓋。同時樁基布置應避開集水坑等因素影響。

參考文獻：

（1） 李杭州 膨脹性泥巖應力-應變關系的試驗研究[J]. 巖土力學，2007，1（1）：107-110.

（作者單位：上海市工程建設咨詢監理有限公司）