濱海地區淤泥質地層軟土鉆孔灌注樁質量控制研究

王雪燕

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，山西 太原 030000）

隨著國家環保意識的增強，淤泥質地層軟土基坑開挖的難度也逐漸變大。因軟弱土區地質結構特殊，基坑支護結構設計不合理，容易導致支護結構水平位移變大、周圍地表沉降和基坑底部隆起，對基坑穩定性、周圍設施的安全和正常運行造成嚴重影響[1]。針對軟土基坑開挖過程中的問題，為避免單一支護結構難以滿足工程需求，現有的圍護結構多采用深層攪拌樁、鋼板樁、地下連續墻和鉆孔灌注樁等，由此進一步提高淤泥質地層建設工程在技術層面的合理性、安全性和經濟性[2]。該文以濱海地區為例，從淤泥質地層軟土區域著手，進行鉆孔灌注樁的施工研究，通過該方式，保證基坑整體結構的穩定性，使建設項目在投入使用后更經濟、合理。

1 工程概況與土層分段成孔劃分方案

該工程項目位于A市濱海地區，根據建設用地劃分范圍，結合工程施工要求，該工程項目在施工中的用房設計為鉆孔灌注樁施工，設計施工條件見表1。

表1 鉆孔灌注樁設計施工條件

與其他項目相比，該項目所在地的地下水位較高，對應的基坑持力層位于淤泥質地層，地層中分布大量軟土，非常不利于施工[3]。同時，該工程項目的工期較短、設計總樁數較多、樁位相對密集且業主方對工程的質量要求較高，因此，在綜合分析后發現，該項目的施工難度較大[4]。

為提高施工中鉆孔灌注樁的一次成孔率，保證成樁質量，正式施工前需要進行試成樁，并分析工程項目所在地的土層對成樁質量是否存在影響及影響程度[5]。根據現場勘察和調研，將工程項目所在地的土層劃分為5個區段，內容見表2。

表2 土層分段成孔劃分

對土層進行劃分后，發現距離地表5m～12m處存在不利土層，包括淤泥質土層和粉質黏土層。當鉆孔灌注樁通過不利土層時，出現孔壁塌陷、直徑減少等問題[6]。粉土層分布在距地表17.5m～25.3m處。當鉆孔灌注樁樁身穿過時，由于鉆進速度緩慢，需要花費很長的時間，因此很容易出現塌孔等問題。

在進一步分析項目所在地綜合地質情況的過程中發現，該工程對應的部分長樁端部結構位于最不利的土層（砂層），當鉆孔施工作業時，由于地質結構較為特殊，因此會出現因塌孔的情況，從而導致底部沉渣過厚。為解決該問題，施工準備完畢后，在正式施工前，需要對成孔質量進行試鉆孔，通過該方式采集相關數據以便及時處理后續施工中出現的多種不良地質問題。當項目施工現場進行試成孔時，應根據具體情況，對工程樁進行合理選型，根據該工程的實際需求，所選的工程樁樁徑為600mm，樁長為40m。當現場準備時，所使用的泥漿須為原土造漿，將漿液的含砂率控制在小于 8%，確保施工前的準備工作符合技術規范。

2 穩定性分析

2.1 基坑穩定性分析

淤泥質地層軟土基坑發生失穩現象的特征如下：邊墻和護墻整體滑動，護墻的上半部分向外傾，下半部分向內傾，地面向上抬升、地表下陷。針對該現象，必須對工程的整體穩定性進行分析和計算，因此，引進圓弧滑動面簡單條分法，計算淤泥質地層軟土基坑整體穩定性的安全系數，如公式（1）所示。

式中：K代表淤泥質地層軟土基坑整體穩定性安全系數；c代表土體黏聚力；Li代表土條底面面積；i代表第i個土條；q0代表地面均布荷載；b代表土條寬度；W代表土條重力；θ代表土條底面傾角；φ代表內摩察角。

公式（1）對應的計算模式如圖1所示。

圖1 淤泥質地層軟土基坑整體穩定性計算模型

2.2 支護結構踢腳穩定性分析

在單軸體系中，踢腳失效的主要原因是以該體系為中心的旋轉不穩定，如果體系為多軸體系，就有圍繞該體系底部的旋轉發生踢腳失效的可能性。計算踢腳安全系數，如公式（2）所示。

式中：K1代表踢腳安全系數；Mp代表圖中對應的內側B點力矩；Ma代表外側BD區段中，主壓力條件下B點力矩；Ep代表被動土壓力；ht代表下層支點與底部的距離；hd代表支護結構嵌入深度；ea，b代表B點主動土壓力；ea，d代表D點主動土壓力。

公式（2）對應的計算模式如圖2所示。

圖2 踢腳穩定計算模型

3 濱海地區淤泥質地層軟土鉆孔灌注樁施工

3.1 鉆孔、清孔和鋼筋籠施工

在鉆探過程中，須科學控制鉆探速度，從堅硬的巖層向松散的巖層鉆進，可以適當提高鉆探速度。在軟巖向硬巖轉化的過程中，應采用低壓、低速鉆井的方法。孔底所受的鉆井壓力不能超過鉆桿、鉆頭和壓塊總質量的60%，可減少或避免打斜、打彎等情況。鉆探開始階段，鉆孔的速度不能過快，在鉆孔深度4.0m內，應該達到2m/h。后續應該達到3m/h。在覆土層中，必須隨時進行降壓鉆井，根據鉆井液中的鉆井液含量，定期檢測鉆井液中的鉆井液參數，并及時調節其濃度。當鉆到設計深度后，可以讓鉆機空鉆不進，然后使其噴出稀薄的泥漿，這樣可以使更濃的泥漿從孔內排出，當泥漿密度降至1.15～1.20時，可以開始提鉆，并用測繩測量孔深。當出現特殊情況時，必須將鉆頭向上提起，以免被埋沒。對出現的井眼塌陷和進尺異常等問題，要認真地觀察和分析，找出原因及出現問題的位置，采取相應的措施。

清孔的重點是清理殘渣和淤泥。殘渣是當鉆頭切割時，孔壁上掉落的砂礫、碎石等。沉積物是密度大、稠度大的劣質泥漿，經過長期的空洞沉降，會形成流塑狀混合物，沉積會在樁的底部形成一種軟弱的夾層，會破壞其端承力。可以采用下循環成孔，氣舉反循環成孔的方法清理沉淀物。采用換漿的方式，將鉆頭提起20～30cm，再進行循環，使鉆頭的泥漿表面保持距地下水1.5～2.0m以上，避免出現塌孔現象。當清井作業時，要注意控制水頭，定期檢查泥漿參數，參數符合要求后，立刻施工。在此基礎上再放入鋼筋籠，盡量減少混凝土澆筑過程的施工時間和沉降量。

分段完成鋼筋籠的施工，分段長度參考鋼筋籠整體剛度和鋼筋長度等。為保證保護層的厚度符合需求，鋼筋籠上應設置保護層墊塊，設置數量不少于2組，當長度大于12m時，應在中間增設1組。每組配筋不少于3組且應均勻布置在同一截面主筋上。在鋼筋籠的吊裝、運輸和安裝過程中，必須采取有效的措施，避免鋼筋籠產生變形，因此起吊點應設置在加固筋的位置。

3.2 水下混凝土施工

按照建設部的規范設計混凝土配合比。在施工前，必須進行試配，在施工過程中，試配后的混凝土強度要比設計樁高15%～20%。坍落度為16～20cm，砂率為40%～45%，水泥的用量為380kg/m3，最大用量為500kg/m3，須保證其良好的和易性和流動性。坍落度損失要符合灌漿的需要。在該基礎上，混凝土的初凝固時間應該超過常規澆筑時間的2倍。

水下澆筑是保證成樁質量的重要環節，澆筑前必須做好各項準備工作以保證澆筑過程的連續性和緊密性。單樁灌漿時間不應＞8h。澆筑時，其填充系數不應小于1，也不應大于1.3。澆注混凝土管道的內徑應該根據樁的直徑和每小時的灌注量決定的，通常來說，管道的直徑為200～250mm，管道的壁厚度為3mm。第一段底部管道的長度應該大于4.0m，標準段的長度為3m。當水下澆筑時，可采用混凝土澆筑，其強度在C20以上。外部形狀應該均勻平滑且要用橡皮墊起來。

在澆筑混凝土的過程中，所有管道都要安放在孔洞的中央。管道底部與孔底的距離以能放掉隔水塞和混凝土為準，通常約50mm[7]。在管道中應該用金屬絲連接防水塞。在澆筑前，必須用0.1mm3～0.2m3的水泥漿，按1∶1.5的比例澆筑后才能澆筑混凝土。當初始澆筑足量的混凝土時，可以切斷隔水塞上的綁扎鋼絲，將其澆筑到孔底。當混凝土澆筑完成后，管道的初始灌注量應該能確保管道的埋深在0.8～1.3m，管道內外的水泥柱壓力相同。

4 施工質量控制

4.1 施工前準備階段的質量控制

施工前，須對設計圖紙、施工計劃進行逐層交底，并檢查原材料的質量。在旱地或筑島的位置，將護管與坑壁間壓實，護管與樁身中心線的偏差不能超過40mm，傾角不能超過1%，高度應該高于地面0.3m或水面1.0～2.0m。根據設計需要和水文地質條件確定護筒的埋深，在干地和筑島的位置，一般要高于雜填土的埋深0.2m，在黏粒土壤中不能低于1m，在沙粒土壤中不能低于1.5m，并使鉆孔中的泥水平面高于地下水1m。受沖刷作用的河道，其下陷深度應＞1.0～1.5m。

4.2 施工中的質量控制

在施工中，從軸心控制點開始測量樁的位置，并核對樁的對中，選擇多個角度核對砂輪的平整度。在鉆探的過程中，要經常檢查鋼軌的垂直度和砂輪的平面度，如果有偏差，要及時修正。

根據試成孔技術參數進行鉆井，并針對不同的地層條件，進行泥漿密度試驗。在澆筑混凝土前，必須檢測混凝土的塌落度確保其符合要求。檢查井中管道的長度和到井底的距離。漏斗填滿混凝土后，切斷漏斗中的鋼絲，并將防水栓塞進地面混凝土中[8]。必須降低澆筑速度，并減少管道埋設深度。施工中土體的豎向應力計算如公式（3）所示。

式中：σcz代表土體在豎直方向上的應力；z代表基坑的深度；γc代表坑壁上方土體的等效容重。當σcz的增量接近或達到軟土的天然地基承載力特征值時，支護結構會因持續增加的沉降量而出現失穩情況。結合地基沉降的理論依據計算總沉降量，如公式（4）所示。

式中：S（t）代表地基的總沉降量；Sd代表地基瞬時產生的沉降量；Sc（t）代表地基排水固結沉降量；Ss（t）代表地基欠固結沉降量。當土體沉降從最初的彈性變形轉變為塑性變形時，坑壁支護結構會不均勻沉降，進而產生破壞性問題。結合上述計算結果，在施工過程中，控制沉降和控制定位放線的精度可以有效提高施工質量。當定位放線時，先計算各樁位的坐標點，再通過測繪提供的三個控制點定位各樁結構。在樁位點上插入短的鋼筋棍進行定位，同時在點位上明確標記。每個點位的樁機就位后，還需要用全站儀復核，使用不同的控制點可以避免一個點出現誤差或重復操作的問題，保證施工質量。當護筒埋設施工時，護筒中心與樁位中心的偏差不能超過50mm，護筒應與地面成90°，周圍需要用黏土回填并夯實。完成擴孔工作后，還需要拆除擴孔器，再進行成孔施工。

4.3 施工后的質量控制

質量檢驗可以檢查成樁后的承載力是否滿足設計要求。用鉆芯法、動測法、聲波透射法、射線法和靜載試驗等方法檢驗樁的結構完整性和承載力。與其他方法相比，靜態加載法更直觀，得到的數據也更有說服力。而動態測量方法可以利用聲波速度來測量樁體的完整性和樁長，測量結果的誤差通常為±3000mm。

5 結語

隨著建設項目覆蓋范圍逐漸擴大，越來越多的人開始重視開發地下空間。隨著工程建設與改造的不斷深入和建設項目的復雜程度不斷增加，基坑工程也呈現逐年增多的趨勢。尤其在軟土地層施工中，由于地類地層的土體剪切強度較小、滲透系數較小、含水率高和壓縮系數較大，導致軟土所在地的建設工程難度變大。我國屬于沿海國家，在沿海、長江、湖泊、河流等地區，有大量淤泥質軟土地層。隨著城市用地日益緊缺，施工方對淤泥質地層的地下空間進行大量開發與利用。由于淤泥質地層的周邊環境十分復雜，因此，施工中的安全問題就顯得尤為重要。

針對此問題，該文進行研究，希望為淤泥質地質環境或特殊地質環境的樁基施工積累經驗。