超厚砂層地質(zhì)條件下的旋挖擴(kuò)孔灌注樁施工技術(shù)

孫中富

（貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴州貴陽 550001）

0 前言

超厚砂層環(huán)境是建筑工程中較為常見的情況，該類地質(zhì)條件復(fù)雜，是因水力和風(fēng)化作用影響，地表巖石以巖石粒形式沉積而形成。此種建設(shè)環(huán)境中，砂粒缺少可塑性，結(jié)構(gòu)較為松散，受到外部擾動時極易出現(xiàn)砂粒錯位，造成砂層位移或者結(jié)構(gòu)變形。地下水含量高時建設(shè)難度更高，易引起塌孔和樁體不穩(wěn)，應(yīng)通過技術(shù)手段提升樁質(zhì)量。

1 施工難點(diǎn)

當(dāng)施工現(xiàn)場為超厚砂層地質(zhì)時，進(jìn)行樁基施工難度更高。與常規(guī)土質(zhì)環(huán)境相比，砂土內(nèi)聚力不足、穩(wěn)定性不良，為保證樁基使用穩(wěn)定性，必須增強(qiáng)樁體內(nèi)摩阻力。尤其在進(jìn)行地下水線下環(huán)境施工時，樁基和土體之間發(fā)生的內(nèi)摩阻力低于常規(guī)情況，抗剪強(qiáng)度較弱。在樁基施工時，鉆機(jī)成孔操作后因應(yīng)力影響，砂土被擠壓向孔內(nèi)，導(dǎo)致初始孔徑規(guī)格縮小，持續(xù)影響下砂層孔壁不穩(wěn)，直至坍塌。在鉆孔灌注成樁時應(yīng)結(jié)合砂層地質(zhì)特點(diǎn)，重點(diǎn)解決砂粒迅速沉淀和埋孔問題，還應(yīng)加強(qiáng)孔壁穩(wěn)定性，控制護(hù)壁泥漿配比。此外，為防止孔中長期沉淀泥漿沉砂厚度過大，應(yīng)提高安裝鋼筋籠的效率。綜合上述因素，本文探討在超厚砂層地質(zhì)環(huán)境中較適用的施工技術(shù)。

2 主要影響因素

在進(jìn)行超厚砂層地質(zhì)樁建設(shè)時，主要應(yīng)對樁體質(zhì)量和樁基承載力兩個方面進(jìn)行優(yōu)化分析。根據(jù)旋挖鉆孔灌注樁施工原理，直接影響樁體質(zhì)量的因素包括旋挖成孔質(zhì)量、泥漿質(zhì)量以及沉樁效應(yīng)造成的影響。樁基承載力與施工器具和工藝密切相關(guān)。當(dāng)樁基混凝土強(qiáng)度較高時，地基土摩阻力是單樁承載力的決定性因素。樁體承受兩種阻力，分別為樁底土層支承力和樁側(cè)表面阻力。樁基支承力是由基底土質(zhì)與樁體嵌入持力層深度共同形成。樁基所處土質(zhì)環(huán)境不同，側(cè)摩阻力差異較大，此外樁基表面積越大，受到的側(cè)表面阻力也越大。同類土質(zhì)下，側(cè)摩阻力的關(guān)鍵影響因素是施工工藝。

承載力方面，施工質(zhì)控水平是主要影響因素。施工中鉆孔孔底會出現(xiàn)沉渣，對這些沉渣進(jìn)行科學(xué)處理可提升施工質(zhì)量，進(jìn)而使樁端具有更高承載力，增強(qiáng)樁體整體承載力。超厚砂層環(huán)境中施工，操作時器械設(shè)備振動，施工操作釋放應(yīng)力，直接影響砂層穩(wěn)定性，改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致砂體松散度更高，樁體承載力因此降低，此種樁建設(shè)在其他地質(zhì)環(huán)境中也會產(chǎn)生同類影響，但當(dāng)?shù)刭|(zhì)環(huán)境為超厚砂層時，因超厚砂層穩(wěn)定性更差，故而此種消極影響也更明顯。在超厚砂層中成孔時樁孔難免出現(xiàn)沉渣，且此類環(huán)境中沉渣是顯著問題，影響樁端承載力。

鉆孔灌注樁為泥漿護(hù)壁，導(dǎo)致土體和樁體間有軟泥皮層，此種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致樁周摩擦阻力降低。在超厚砂層施工時，受泥漿浸泡影響，圍繞樁的砂層改變物理性質(zhì)，影響砂層和樁體的相互作用力，砂層的不良影響因而增強(qiáng)。采用傳統(tǒng)工藝灌注樁時，是以泥漿護(hù)壁進(jìn)行成孔，此種工藝中樁體周圍土體和樁身混凝土之間未形成強(qiáng)度黏結(jié)，導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力降低。成孔環(huán)節(jié)中，地層初始應(yīng)力變化，樁周土體朝鉆孔處偏移，樁體受到的地層側(cè)壓力因而減弱，樁體、土體應(yīng)力以及樁側(cè)摩阻力減弱。鉆孔完成后，因?yàn)榭字杏嗔舫猎猎苯佑绊懲馏w產(chǎn)生的支承力，也會導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力降低。灌注混凝土樁之后，在混凝體固結(jié)過程中會發(fā)生體積收縮，在收縮影響下，土體和樁體膠結(jié)性減弱，樁側(cè)摩阻力也因此減弱。

3 施工技術(shù)要點(diǎn)

超厚砂層施工的主要問題是砂礫迅速沉淀引起孔內(nèi)過度沉渣甚至埋鉆情況發(fā)生。為緩解沉渣和埋鉆問題，應(yīng)嚴(yán)格控制鉆機(jī)速度，科學(xué)推進(jìn)鉆進(jìn)速度。為提升孔壁穩(wěn)定性，提高泥漿護(hù)壁工序質(zhì)量。完善鋼筋籠安裝工藝，促進(jìn)快速銜接，進(jìn)而避免砂礫在泥漿中過度沉淀，減少沉渣。

3.1 鉆進(jìn)操作

為提升成孔質(zhì)量，應(yīng)選擇適用于工程的旋挖鉆機(jī)，保證功率等性能符合鉆孔要求。在超厚砂層鉆孔中孔壁坍塌是常見問題，影響孔壁穩(wěn)定性的因素是鉆進(jìn)深度和鉆斗升降速度。兩因素與孔壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)性如圖1所示。

圖1 鉆斗升降速度、鉆進(jìn)深度和孔壁坍塌率的相關(guān)性

經(jīng)過分析，為降低塌孔率，在鉆機(jī)工作時應(yīng)控制鉆進(jìn)深度不大于0.4m，控制鉆斗升降速率小于0.3m/s。控制此種鉆進(jìn)速度，可降低塌孔率。

3.2 制備泥漿

砂層具有不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，在此環(huán)境中施工時應(yīng)加強(qiáng)泥漿制備管理。砂土層缺少內(nèi)聚力，人工造漿操作中主原料適合選擇膨潤土，在膨潤土中添加一定量的羧甲基纖維素與純堿，制備為混合料，促使膨潤土具有更高黏度，提升膠體率。膨潤土以蒙脫石為主要構(gòu)成，蒙脫石屬于黏土礦物，具有天然納米特性。膨潤土作為泥漿主料吸水性能優(yōu)越，在水分影響下水化，發(fā)生十幾倍膨脹。該材料的優(yōu)越性在于高黏度、低密度、材料中沙占比較低、可強(qiáng)效固壁、并且可較快造漿。

鈉類膨潤土和鈣類膨潤土是膨潤土的兩種分類，分類依據(jù)為材料的金屬含量。施工實(shí)踐表明，鈉含量高的膨潤土的優(yōu)勢是具有良好的黏性，其缺點(diǎn)是鹽分和水泥易對其造成影響，穩(wěn)定性不佳。在施工時應(yīng)結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行膨潤土類型選擇。

為增強(qiáng)膨潤土的水化作用，改善泥漿穩(wěn)定性，使泥漿具有更強(qiáng)的膠體率。可在制備泥漿時混合一定工業(yè)純堿。此材料添加后，泥漿pH提升，可達(dá)到9～11，此種變化導(dǎo)致膨潤土顆粒以更快的速度分散，提升水化作用影響，泥漿主要原料是膨潤土，經(jīng)過此種改良更具穩(wěn)定性，材料膠體率也更高。在實(shí)際工程中，通常根據(jù)膨潤土總量，按照其0.3%～0.5%的占比混入工業(yè)純堿。添加羧甲基纖維素的作用是在孔壁表層設(shè)置薄膜，充分保存水分，增強(qiáng)砂層表面黏度，抑制孔壁剝落。羧甲基纖維素在膨潤土中的占比應(yīng)為0.05%～0.1%。旋挖鉆孔鉆速度較快，泥漿入孔速度相對較慢，在制備泥漿時應(yīng)制備1.5倍方量泥漿后再實(shí)施鉆孔施工。在制備泥漿時，應(yīng)先行適配，然后確定摻加劑用量。對泥漿性能指標(biāo)加以檢驗(yàn)。檢驗(yàn)?zāi)酀{性能后，明確配比要求，然后結(jié)合超厚砂層施工需要制備泥漿[1]。

分析泥漿配比與樁基分級的相關(guān)性，顯示膨潤土占比約7.5%時可保證Ⅰ類樁占比大于98%。即在制備泥漿時，應(yīng)在泥漿中添加7.5%膨潤土。純堿在泥漿中占比與Ⅰ類樁占比正相關(guān)，同時純堿大量使用會增加工程成本，對樁基承載力、旋挖擴(kuò)孔中泥皮厚度與建設(shè)成本進(jìn)行協(xié)調(diào)，純堿含量應(yīng)設(shè)置為0.35%。泥漿中纖維素影響樁基完整性。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，泥漿中添加纖維素時，添加初期Ⅰ類樁占比逐漸增長，但繼續(xù)添加后，該占比下降。在泥漿制備中，0.05%纖維素較適宜，此時樁質(zhì)量控制效果最好。綜合各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可知在制備泥漿時，以1kg水為單位，泥漿中應(yīng)含有0.05%纖維素，0.35%工業(yè)純堿，7.50%膨潤土[2]。

3.3 安裝鋼筋籠

初次清孔后，下放鋼筋籠。應(yīng)合理控制鋼筋籠下放時間，下放時間延遲將導(dǎo)致孔底過量沉渣，下放深度過淺。鋼筋籠下放深度不足將導(dǎo)致塌孔或者鋼筋籠被埋。為防止塌孔等事故發(fā)生，應(yīng)高效率連接、安裝鋼筋籠，從而改善灌注樁質(zhì)量。可結(jié)合工程實(shí)際使用銜接定位裝置，對各節(jié)鋼筋籠編號管理，安裝時根據(jù)編號銜接各節(jié)，從而對銜接過程中縱筋長度與位置加以控制。根據(jù)鋼筋籠水平圈所在部位，采用鋼板桿位鉆孔方法安裝定位裝置。使用30cm長套管焊接各個鉆桿孔位。鋼板兩側(cè)平均分布孔位，在兩側(cè)焊接，鋼板兩側(cè)套筒設(shè)置固定螺桿2個。在底座部位直立安裝鋼板，輔助銜接定位。聲測管安裝大部分采用鋼筋籠內(nèi)提前綁扎的形式進(jìn)行，但安裝底節(jié)鋼筋籠時需要在籠外焊接。應(yīng)用該安裝技術(shù)，可縮短工序時間，促進(jìn)穩(wěn)定施工。

3.4 總體操作控制

在樁施工前，應(yīng)先對樁位進(jìn)行定位，即明確鉆孔部位，定位時分析樁位坐標(biāo)，借助基線控制網(wǎng)，采用全站儀進(jìn)行樁基定位，標(biāo)記樁位點(diǎn)，然后埋設(shè)護(hù)筒。受地質(zhì)條件影響，在開挖時孔壁不穩(wěn)定，需要制備優(yōu)質(zhì)泥漿增強(qiáng)孔壁穩(wěn)定性。因?yàn)樯巴岭y以優(yōu)質(zhì)自行造漿，需要通過人工造漿對孔壁加以維護(hù)。在制備泥漿時應(yīng)科學(xué)配比，單桶泥漿攪拌不少于10min，攪拌結(jié)束后，使其在泥漿池內(nèi)水化，經(jīng)過24h分解，然后予以使用。應(yīng)使用泥漿攪拌機(jī)制備，使用泥漿分離器予以循環(huán)分離，然后再使用處理器沉淀處理泥漿。在埋設(shè)護(hù)筒時，應(yīng)選用厚度3～10mm的鋼板，內(nèi)直徑應(yīng)大于樁徑約20cm[3]，應(yīng)控制傾斜度小大于1%，避免過大偏差。

4 結(jié)論

綜上所述，在超厚砂層中建設(shè)旋挖擴(kuò)孔灌注樁時，應(yīng)分析地質(zhì)條件特點(diǎn)，定位施工難點(diǎn)，結(jié)合施工技術(shù)控制提升樁質(zhì)量，促進(jìn)建筑工程穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)施工。在施工時，應(yīng)重點(diǎn)控制鉆進(jìn)操作速度，科學(xué)制備泥漿，合理調(diào)整泥漿中摻和料配比，應(yīng)提升鋼筋籠安裝效率，增強(qiáng)技術(shù)控制。