鄒 明

(贛中南地質(zhì)礦產(chǎn)勘查研究院，江西南昌330029)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地越來(lái)越受到重視，尤其在擁擠的沿海城市，土地資源更顯得彌足珍貴。吹填法作為一種圍海造陸的手段，在吹填陸地的同時(shí)還可以疏浚巷道，是解決沿海城市土地資源緊缺的一種有效經(jīng)濟(jì)手段，但同時(shí)吹填土的高液限、高含水率、高壓縮性，及低干密度、低強(qiáng)度、低滲透性即“三高三低”的特性，對(duì)樁基的施工、使用和安全產(chǎn)生很大的影響。

鉆孔灌注樁以其施工無(wú)擠土、環(huán)境噪聲小、對(duì)地層適應(yīng)強(qiáng)及承載力高等優(yōu)點(diǎn)目前大量用于工程中［1］。但在較厚吹填土地層條件下使用鉆孔灌注樁進(jìn)行軟基加固處理的施工過(guò)程中，由于鉆孔過(guò)程破壞了孔周土體原始應(yīng)力平衡，孔周邊形成應(yīng)力集中，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重影響工程質(zhì)量的縮徑問(wèn)題，由此工程上會(huì)采取各種應(yīng)對(duì)技術(shù)措施，從而又引發(fā)出基礎(chǔ)工程質(zhì)量保證與工程工期、經(jīng)濟(jì)性等矛盾。如何找到解決縮徑與成本適量增加的平衡點(diǎn)，對(duì)工程施工有著非?，F(xiàn)實(shí)的實(shí)際意義。

1 孔壁穩(wěn)定性影響因素

鉆孔樁孔壁失穩(wěn)的根本原因是由于鉆孔過(guò)程破壞了孔周土體原始應(yīng)力平衡，孔周邊形成應(yīng)力集中，孔壁土體受力超過(guò)了其強(qiáng)度值，致使土體屈服破壞。

1．1 天然因素

1．1．1 原始地應(yīng)力

由于天體的引力，地球的自轉(zhuǎn)及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致地殼不同部位出現(xiàn)受力不均衡。當(dāng)這些構(gòu)造應(yīng)力超過(guò)地殼巖石本身的強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生斷裂而釋放出其能量;反之，便會(huì)儲(chǔ)存在地殼巖石中，遇到合適的條件，便會(huì)表現(xiàn)出來(lái)。研究表明，水平地應(yīng)力的各向異性對(duì)孔壁穩(wěn)定性具有顯著的影響，當(dāng)最大水平地應(yīng)力與最小水平地應(yīng)力的比值(σH/σh)越大，孔壁發(fā)生破壞的可能性就越大［2］。

1．1．2 時(shí)間因素

時(shí)間因素包括地層固結(jié)時(shí)間［3］和成孔時(shí)間。實(shí)驗(yàn)表明軟土地層固結(jié)的時(shí)間與土體強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系。固結(jié)過(guò)程即土體排出孔隙水，體積逐漸減小，抗剪強(qiáng)度逐漸增加的過(guò)程。隨著固結(jié)時(shí)間的增長(zhǎng)，固結(jié)度逐漸增加，土的蠕變變形逐漸減小，穩(wěn)定性逐漸增加。

成孔時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)孔壁的穩(wěn)定性有著重要影響，根據(jù)土力學(xué)，軟土土體具有蠕變特性，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，巖土的變形量會(huì)增加，當(dāng)這種變形量達(dá)到一定程度，會(huì)產(chǎn)生孔內(nèi)縮徑甚至局部坍塌。另外，有的土體經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間在水中浸泡會(huì)膨脹、軟化，也會(huì)對(duì)孔壁產(chǎn)生較大影響。所以，孔壁穩(wěn)定還必須滿足時(shí)間因素條件。

1．2 人為因素

1．2．1 泥漿性能

孔壁穩(wěn)定性基本條件——靜力平衡條件［4］:

F+P+σ≥P0+kR0

式中:F——巖土內(nèi)應(yīng)力，與巖土性質(zhì)相關(guān);P——泥漿水頭壓力，與泥漿重度相關(guān);σ——圓環(huán)應(yīng)力，與鉆孔半徑相關(guān);P0——孔壁巖土的側(cè)壓力，與土層參數(shù)、厚度相關(guān);k——附加壓力的傳遞系數(shù)，與土體參數(shù)相關(guān);R0——地表外荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力。

根據(jù)此平衡條件可以看出，要使得樁孔處于穩(wěn)定狀態(tài)，主要通過(guò)控制泥漿的重度等參數(shù)來(lái)達(dá)到。

1．2．2 施工工藝

鉆孔樁成孔工藝主要有正循環(huán)和反循環(huán)，在同等條件下，正循環(huán)由于泥漿通過(guò)泥漿泵強(qiáng)行壓入會(huì)對(duì)孔壁產(chǎn)生正壓力，而反循環(huán)由于泥漿泵對(duì)孔內(nèi)泥漿的抽吸會(huì)對(duì)孔壁產(chǎn)生負(fù)壓力。正循環(huán)鉆進(jìn)成孔工藝對(duì)孔壁穩(wěn)定的影響比反循環(huán)成孔工藝更有利［5］。

1．2．3 附加荷載

主要包括靜荷載和動(dòng)荷載。靜荷載主要包括臨近建筑物荷載、施工機(jī)械設(shè)備及樁孔附近的堆載，由上述靜力平衡條件公式也可以看出荷載大小與樁孔的距離對(duì)其都有重要影響。

工地附近有公路、鐵路、工廠和樁孔附近的行走機(jī)械設(shè)備等能對(duì)巖土層產(chǎn)生附加動(dòng)荷，如果施工的巖土層具有較大靈敏性，如淤泥、淤泥質(zhì)粘土和粉細(xì)砂等地層，在有外界附加動(dòng)荷情況下，這些巖土層液化而改變巖土原有性質(zhì)，使其處于流體狀或蠕變迅速加劇，造成孔內(nèi)縮徑或坍塌［6］。

2 工程案例

2．1 地層概況

本文工程擬建場(chǎng)地所處地貌單元屬濱海海積灘涂，從區(qū)域地質(zhì)及鉆探資料來(lái)看，場(chǎng)地上部分布有厚度＞80 m的第四系松散沉積物，其中上部40 m左右為軟土，屬河口相和海相沉積物，為淤泥及淤泥質(zhì)土，成因時(shí)代為第四紀(jì)全新世(Q4);中下部為河流相、湖泊相沉積物，為粘性土和碎礫石層，成因時(shí)代為中更新世(Q3)?？s徑問(wèn)題主要發(fā)生在3～9 m處的吹填土層，故將以上部吹填土地層為主展開(kāi)研究。

吹填土，灰黃色，稍濕，松散狀，吹填形成，主要成分為淤泥，含少量粘性土和粉砂，為新近吹填而成，時(shí)間＜1年，全場(chǎng)分布。淤泥為灰色，流塑狀，高靈敏度，高壓縮性，韌性高，干強(qiáng)度高，搖振反應(yīng)無(wú)，切面光滑，含少量粉砂、貝殼碎片及腐殖質(zhì)，局部相變?yōu)橛倌噘|(zhì)粘土。上部已預(yù)壓排水，含水量相對(duì)較小，全場(chǎng)分布。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 上部土層參數(shù)

2．2 成孔泥漿及縮徑情況

本次鉆進(jìn)中泥漿工藝采用的是鉆孔自然造漿，重度γs=11 kN/m3。根據(jù)上述靜力平衡條件，巖土內(nèi)應(yīng)力F取土體的抗剪強(qiáng)度，圓環(huán)應(yīng)力σ與半徑有關(guān)，無(wú)具體參數(shù)，忽略圓環(huán)應(yīng)力有利于增大泥漿的重度，對(duì)穩(wěn)定有利，故將其忽略不計(jì)。泥漿的水頭壓力P=γsh。附加荷載R0只有鉆塔和鉆桿的重力，但鉆塔底部支架面積較大，附加應(yīng)力與土體自重應(yīng)力相比較小可忽略不計(jì)?？妆趲r土的側(cè)壓力P0按靜止土壓力計(jì)算:

式中:γ——上覆土層重度;K0——靜止土壓力系數(shù)，近似的K0=1－sinφ;Z——土層厚度。

由靜力平衡條件可知，當(dāng)F+P+σ=P0+kR0時(shí)，孔壁土體處于極限狀態(tài)，此時(shí)的深度Z=1.04 m。即在深度1.04 m以深，土體將逐漸屈服，直至破壞。工程實(shí)際縮徑情況見(jiàn)表2。

表2 實(shí)際成孔縮徑情況檢測(cè)表

3 縮徑控制措施

根據(jù)場(chǎng)地土層性質(zhì)及參數(shù)結(jié)合工程經(jīng)濟(jì)性，縮徑控制主要通過(guò)3種手段:加長(zhǎng)護(hù)筒、改善泥漿、鉆孔擴(kuò)徑。

3．1 加長(zhǎng)護(hù)筒

護(hù)筒控制縮徑效果較好，安全可靠，但超過(guò)一定深度，施工難度及成本將成倍增高，本工程縮徑主要在3～9 m深度，下護(hù)筒顯然不是一種最合適的手段。

3．2 改善泥漿

改善泥漿是一種有效而經(jīng)濟(jì)的方法。本項(xiàng)目鉆進(jìn)過(guò)程使用的泥漿是鉆孔自成漿，泥漿重度為11 kN/m3，根據(jù)靜力平衡條件計(jì)算得，在距地平面以下1.04 m處，孔壁土體即處于極限狀態(tài)，向下將發(fā)生屈服，直至破壞，且縮徑將沿孔深一直產(chǎn)生。而實(shí)測(cè)縮徑發(fā)生在3～9 m處，計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有偏差。分析原因，一是由于忽略了護(hù)筒支撐保護(hù)和孔壁的圓環(huán)應(yīng)力，護(hù)筒支撐和圓環(huán)應(yīng)力對(duì)計(jì)算穩(wěn)定性有利，導(dǎo)致縮徑實(shí)際開(kāi)始位置與實(shí)際有偏差。二是可能由于計(jì)算時(shí)未考慮上部淤泥層的固結(jié)時(shí)間，因?yàn)橥馏w的固結(jié)與土體的流變性、觸變性、強(qiáng)度等有著密切的聯(lián)系，固結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，土體流變性、觸變性變小，強(qiáng)度增強(qiáng)。本次施工泥漿重度偏小，建議可加大泥漿的重度。

3．3 鉆孔擴(kuò)徑

鉆孔擴(kuò)徑較經(jīng)濟(jì)、安全地解決了本次施工中遇到的問(wèn)題，但是擴(kuò)徑量的多少并無(wú)確定的理論值作為施工指導(dǎo)。擴(kuò)徑超過(guò)需要值，則會(huì)增加工期，增加混凝土用量，從而導(dǎo)致工程成本的上升;擴(kuò)徑不夠，則達(dá)不到預(yù)期的治理縮徑的效果。故準(zhǔn)確的判斷擴(kuò)徑量便顯得尤為重要。本文擬根據(jù)成孔檢測(cè)資料，對(duì)規(guī)定時(shí)間的縮徑量做出分析，為相對(duì)準(zhǔn)確的擴(kuò)徑量提供理論依據(jù)。圖1、圖2為本項(xiàng)目典型樁徑變化與時(shí)間關(guān)系圖。

圖1 600 mm樁孔孔徑變化量與時(shí)間關(guān)系

圖2 800 mm樁孔孔徑變化量與時(shí)間關(guān)系

根據(jù)上述2個(gè)曲線圖可看出，縮徑發(fā)生在鉆進(jìn)的剛開(kāi)始，且縮徑量較大，最大縮徑量達(dá)到276.5 mm?？s徑曲線斜率增大，表明隨時(shí)間的增長(zhǎng)，縮徑速率在增大，這與土體的蠕變性有關(guān)。由上述曲線可在確定時(shí)間計(jì)算出縮徑大概值，為實(shí)際工作的展開(kāi)提供依據(jù)。如本次施工，從鉆孔完成至灌漿結(jié)束大約4 h，在4 h內(nèi)，設(shè)計(jì)600 mm的樁孔縮徑量最大達(dá)到168 mm，所以可提前將孔徑擴(kuò)至770～800 mm;設(shè)計(jì)800 mm的樁在4 h內(nèi)縮徑量將達(dá)到87.7 mm，故800 mm的樁孔可鉆至870～900 mm。而在遇到意外情況，如混凝土供應(yīng)不及等，也可根據(jù)曲線將孔徑擴(kuò)大至需要值。由于鉆孔擴(kuò)徑相對(duì)其他方案最為簡(jiǎn)單有效，只要從理論上掌握有效控制最佳擴(kuò)徑增量，并在實(shí)際工程得到驗(yàn)證的情況下，該方案應(yīng)成為解決縮徑的主要技術(shù)手段。

4 結(jié)論與建議

由于吹填土的特殊性及其固結(jié)時(shí)間短，造成其工程性質(zhì)較差，影響樁基施工質(zhì)量、工期、安全及經(jīng)濟(jì)性，因此建議采取以下技術(shù)措施改善吹填軟土地基地質(zhì)力學(xué)性能。

(1)添加水硬性膠結(jié)材料。可在吹填過(guò)程中預(yù)添加水泥或石灰等水硬性膠結(jié)材料以改善其土力學(xué)性質(zhì)，盡可能在施工前進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)壓固結(jié)，以保證施工的順利進(jìn)行。

(2)摻填膨潤(rùn)土。摻填膨潤(rùn)土可增大泥漿重度，能夠有效增加泥漿的護(hù)壁壓力，穩(wěn)定孔壁，防止或減少縮徑現(xiàn)象，但此法會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本，成孔施工中必須綜合考慮質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益關(guān)系。

(3)添加外加劑。由于本文工程場(chǎng)地土體的特殊性，可從理論分析計(jì)算出縮徑發(fā)生的必然性，及本工程選用的鉆孔自然造漿重度偏低，需增加泥漿的重度，并添加一些氫氧化鈉(NaOH)或聚丙烯酰胺等泥漿外添加劑既可增加泥漿攜渣能力，又能控制孔壁失水量，減少水分進(jìn)入孔壁地層使土體軟化、流動(dòng)造成的縮徑現(xiàn)象。同樣該法要綜合權(quán)衡考慮質(zhì)量與成本的問(wèn)題。

(4)預(yù)擴(kuò)徑。預(yù)擴(kuò)徑是一種簡(jiǎn)單行之有效的方法，相比加長(zhǎng)護(hù)筒及改善泥漿性能，其施工難度小，技術(shù)上操作簡(jiǎn)單可行，但準(zhǔn)確的擴(kuò)徑量，還需通過(guò)力學(xué)計(jì)算、增加監(jiān)測(cè)頻率并完善擬合曲線，從而準(zhǔn)確掌握擴(kuò)徑增量，控制成本增加適量，保證樁基工程總體取得技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益最佳平衡點(diǎn)。

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