匡朝暉 周希泯

摘 要：硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，有細(xì)膩、松散、質(zhì)輕、多孔、吸水性、滲透性強(qiáng)及吸附性強(qiáng)的物性。納米比亞集裝箱碼頭工程是世界上首例在此土質(zhì)上建設(shè)碼頭的案例，結(jié)合本工程的經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)闡述灌注樁在硅藻土中的成孔技術(shù)，為以后在該土質(zhì)中灌注樁施工提供經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：硅藻土 成孔技術(shù)

1.研究背景

硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，有細(xì)膩、松散、質(zhì)輕、多孔、吸水性、滲透性強(qiáng)及吸附性強(qiáng)的物性。其化學(xué)成份主要是SiO2，通常占80%以上，最高可達(dá)94%，另含有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5和有機(jī)質(zhì)；松散密度為0.3-0.5g/cm3，莫氏硬度為1-1.5（硅藻骨骼微粒為4.5-5mm），孔隙率達(dá)80-90%，能吸收其本身重量1.5-4倍的水；化學(xué)穩(wěn)定性高，除溶于氫氟酸以外，不溶于任何強(qiáng)酸，但能溶于強(qiáng)堿溶液中。

由于硅藻土具有吸附性強(qiáng)的物性特性，遇水會(huì)迅速發(fā)生膨脹，并分解成小顆粒，此顆粒會(huì)吸附在物體上面，當(dāng)灌注樁成孔時(shí)，硅藻土一方面容易吸附在泥漿壁上，當(dāng)澆筑砼時(shí)，砼對(duì)泥漿壁的擠壓，使硅藻土脫離泥漿壁隨砼的上升，在鋼筋籠與泥漿壁比較窄的地方遇堵后堆積成塊，極易引起鋼筋籠的保護(hù)層不足，同時(shí)，泥漿中的硅藻土也容易附著到砼中，導(dǎo)致砼出現(xiàn)孔洞。所以研究在硅藻土中的灌注樁成孔技術(shù)具有重要意義。

納米比亞集裝箱碼頭工程是世界上極少數(shù)在此土質(zhì)上建設(shè)碼頭的案例，本工程采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，樁基采用直徑1.3m的灌注樁，鋼筋保護(hù)層厚度75mm，樁底標(biāo)高為-53m～-6 3 m，地質(zhì)情況從上到下為：+2.20m～-17.11m為第一層砂層；-17.11m～-21.8m為第一層硅藻土層，厚度為4.7m；-21.8m～-26.11m為第二層砂層，厚度為4.3m；-26.11m～-45.91m為第二層硅藻土層，厚度為19.8m；-45.91m～-52.51m為第三層密實(shí)砂層，厚度為6.6m，-52.51m～-5 6 m為強(qiáng)膠膠結(jié)砂層，厚度為3.5m，-56m以下為巖層。

2.在硅藻土土質(zhì)中成孔需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題

由于硅藻土土質(zhì)的特殊性，在硅藻土土質(zhì)中成孔，重點(diǎn)需解決以下問(wèn)題：

（1）在開孔過(guò)程中減少了泥漿中的硅藻土含量，使硅藻土層和砂層孔壁形成相對(duì)密水的泥皮，進(jìn)而形成相對(duì)穩(wěn)定的孔壁。

（2）由于硅藻土吸水膨脹的特性，容易造成附著在泥漿壁上，應(yīng)避免出現(xiàn)由于硅藻土附著在成孔的泥漿壁上，從而造成的灌注樁孔內(nèi)縮徑現(xiàn)象。

（3）增大鋼筋籠和孔壁之間的空間增大，使孔內(nèi)殘留硅藻土在混凝土灌注過(guò)程中不容易滯留在鋼筋籠與孔壁之間。

（4）盡量縮短清孔時(shí)間，減少硅藻土附著在泥漿壁的時(shí)間，同時(shí)減少含砂率，減少硅藻土附著在泥漿中砂的數(shù)量，避免在澆筑混凝土至孔中上部時(shí)沉積過(guò)多的砂和泥漿的混合而使混凝土的頂升力減弱。

3.采取解決問(wèn)題的重要方法

（1）由于硅藻土化學(xué)穩(wěn)定性高，可以采取常規(guī)使用膨潤(rùn)土作為泥漿開孔，在鉆進(jìn)至硅藻土層后，由于硅藻土的吸附性，膨潤(rùn)土和硅藻土結(jié)合，因?yàn)楣柙逋潦菬o(wú)粘性的，從而造成混合物會(huì)降低泥漿的護(hù)壁性能，所以在穿過(guò)硅藻土后需要重新造漿，將孔內(nèi)混有硅藻土的泥漿置換出來(lái)，減少了泥漿中的硅藻土含量，重新再次形成膨潤(rùn)土護(hù)壁，在硅藻土層和砂層孔壁形成相對(duì)密水的泥皮，減少硅藻土吸水膨脹的特性從而形成相對(duì)穩(wěn)定的孔壁。

（2）采用內(nèi)徑為1.5米的鋼護(hù)筒，護(hù)筒跟進(jìn)至第一層砂層底標(biāo)高，混凝土澆筑后護(hù)筒不拔出，通過(guò)加長(zhǎng)護(hù)筒和使用直徑為1.4m的探籠掃孔措施，避免出現(xiàn)由于泥皮增厚原因造成的灌注樁孔內(nèi)縮徑現(xiàn)象。

（3）為防止孔內(nèi)殘留硅藻土在混凝土灌注過(guò)程中滯留在鋼筋籠與孔壁之間從而造成灌注樁保護(hù)層不夠，增大成孔樁徑是必要措施，成孔采用直徑1.44m的回旋鉆頭和沖錘成孔，以確保設(shè)計(jì)有效樁徑1.3m，保持原設(shè)計(jì)1.15m鋼筋籠外徑不變。

4.灌注樁在硅藻土土質(zhì)中成孔施工流程

如圖1。

5.樁基在硅藻土土質(zhì)中成孔的注意事項(xiàng)

5.1鋼護(hù)筒安裝

為降低在鉆進(jìn)至硅藻土層時(shí)，硅藻土對(duì)泥漿的污染，從而造成在砂層時(shí)，對(duì)已形成的泥漿壁破壞，根據(jù)土質(zhì)情況，鋼護(hù)筒應(yīng)進(jìn)入到第一層硅藻土層，即鋼護(hù)筒需埋設(shè)至-18m?？紤]到其護(hù)筒入土深度較長(zhǎng)，與砂層的摩擦阻力大，擬采用先引孔再安裝鋼護(hù)筒的方法施工。具體過(guò)程如下：首先埋設(shè)一條長(zhǎng)度2米、外徑1.6m的鋼護(hù)筒作為引孔護(hù)筒，回旋鉆機(jī)1.55米直徑鉆頭鉆至-15m，進(jìn)行簡(jiǎn)單清孔后移開回旋鉆機(jī)，接著在1.6m鋼護(hù)筒中心按設(shè)計(jì)樁位施打1.5m外徑鋼護(hù)筒至-18m， 施打完1.5m鋼護(hù)筒后往兩護(hù)筒的空隙處回填滿砂，最后拔除1.6m的引孔護(hù)筒。

5.2泥漿制備

泥漿使用膨潤(rùn)土在專門的造漿池中拌制，為提高泥漿的性能，鉆孔過(guò)程中需控制泥漿中含砂率不超過(guò)8%，主要通過(guò)泥漿池循環(huán)和濾沙機(jī)除砂兩種方式?？刂瞥煽走^(guò)程中泥漿比重不大于1.2g/cm3，澆筑前泥漿比重不大于1.1g/cm3。由于鉆進(jìn)到硅藻土層時(shí)，硅藻土對(duì)泥漿形成污染，造成泥漿壁破壞，所以開孔和終孔時(shí)需用新鮮的膨潤(rùn)土泥漿替換掉硅藻土層自身產(chǎn)生的泥漿。泥漿指標(biāo)詳見表1。

5.3鉆孔

本工程樁基施工采用沖擊鉆和回旋鉆組合成孔工藝，標(biāo)高-54m以上主要為中砂層及硅藻土層，此段采用回旋鉆鉆孔，標(biāo)高-54m以下的膠結(jié)砂層需采用沖擊鉆成孔。采用組合工藝成孔，具有成孔速度快，功效較高的特點(diǎn)。

5.3.1回旋鉆鉆進(jìn)

（1）回旋鉆在中砂層鉆進(jìn)情況

在中砂層和硅藻土層，采用回旋鉆成孔工藝，回旋鉆頭直徑1.36m，控制鉆孔速率1.5m/h，在砂層成孔過(guò)程中，使用濾砂機(jī)濾砂。

（2）回旋鉆在硅藻土層的鉆進(jìn)情況

在回旋鉆進(jìn)入硅藻土層時(shí)，要嚴(yán)格控制在硅藻土層進(jìn)尺速度不大于1.5m/h。為了驗(yàn)證硅藻土層鉆進(jìn)速度和硅藻土塊狀大小的關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)，當(dāng)把鉆進(jìn)速度調(diào)至2.5m/h，結(jié)果仍未發(fā)現(xiàn)大塊硅藻土浮出。出現(xiàn)的硅藻土塊狀出現(xiàn)增大的情況，塊狀平均直徑2～3cm，當(dāng)將鉆進(jìn)速度調(diào)整成不大于1.5m/h時(shí)，經(jīng)過(guò)多次打撈渣樣未發(fā)現(xiàn)大塊硅藻土塊返出，出現(xiàn)的硅藻土塊狀為1cm～2cm（不同鉆進(jìn)速度的硅藻土渣樣見圖2、3）。所以控制硅藻土層的鉆進(jìn)速度極為重要，通過(guò)減緩鉆進(jìn)速度，鉆頭可以對(duì)原狀硅藻土層進(jìn)行了切碎，一部分溶進(jìn)泥漿，另一部分形成直徑不大于2cm的硅藻土塊隨泥漿排除，可以有效避免了泥漿中存在較大的硅藻土塊，有效規(guī)避后期灌樁產(chǎn)生夾泥現(xiàn)象。

5.4泥漿置換

自從鉆進(jìn)硅藻土后，孔內(nèi)泥漿的性能降低，濾失量很大，泥皮厚度增長(zhǎng)很快。且孔內(nèi)停止循環(huán)時(shí)液面減低較快，達(dá)到了每小時(shí)25cm～30cm，從而說(shuō)明開孔泥漿在鉆進(jìn)砂層及硅藻土層的過(guò)程中不足以形成有效的護(hù)壁。造成硅藻土吸水膨脹及孔內(nèi)護(hù)壁增長(zhǎng)過(guò)快。所以鉆機(jī)穿過(guò)硅藻土層后，為防止被硅藻土污染的泥漿繼續(xù)對(duì)已成孔的泥漿壁產(chǎn)生破壞，必須對(duì)泥漿進(jìn)行置換，置換泥漿采用比重差置換法方法，把新造的比重比較大的膨潤(rùn)土泥漿從孔底緩緩注入，把稀釋過(guò)的比重比較輕的硅藻土泥漿慢慢頂出孔口。置換完成后，孔口會(huì)出現(xiàn)非常明顯的硅藻土泥漿與新鮮泥漿的分界線，將界面刮除后孔口出現(xiàn)干凈的新鮮泥漿，達(dá)到了置換的目的。

5.5沖擊鉆鉆進(jìn)

根據(jù)土質(zhì)，-47.78m至-56.14m為密實(shí)砂層和強(qiáng)膠結(jié)砂層，該層施工使用沖擊鉆鉆進(jìn)，沖錘直徑為1.36m。平均鉆孔速率為0.153m/h，砂層鉆進(jìn)過(guò)程全程施工濾砂機(jī)濾砂。

5.6終孔檢測(cè)

在沖孔到位后，需要對(duì)成孔進(jìn)行檢測(cè)，由于硅藻土土質(zhì)的特殊性，施工時(shí)務(wù)必要高度重視終孔檢測(cè)，以清晰測(cè)量孔徑和終孔高程，建議采用超聲波孔徑測(cè)量和探籠探孔的測(cè)試方法。

5.7清孔及澆筑砼

第一次清孔采用氣舉反循環(huán)法，一方面可以將孔底沉渣清除，另一方面提高清孔效率，減少硅藻土層遇水膨脹破壞新形成的泥漿壁時(shí)間。第一次清孔完成后，安裝鋼筋籠歷，再進(jìn)行二次清孔，可采用正循環(huán)清孔，清完后澆筑砼。

5.8檢測(cè)

由于硅藻土土質(zhì)的特殊性，極易造成鋼筋保護(hù)層不足的情況，而小應(yīng)變和超聲波檢測(cè)具有局限性，難以檢測(cè)到保護(hù)層的缺陷，可以采用熱異常檢測(cè)儀檢測(cè)樁基完整性，也可以切開水面以上部分護(hù)筒檢查樁頭的混凝土平整，完全與泥漿分離，沒(méi)有夾泥的現(xiàn)象，從視覺(jué)上驗(yàn)證上部樁身完整性好。筆者建議采用熱異常檢測(cè)儀檢測(cè)樁基完整性。

6.結(jié)語(yǔ)

（1）硅藻土土質(zhì)的灌注樁成孔工藝與常規(guī)土質(zhì)的灌注樁成孔存在顯著不同，遇到該土質(zhì)進(jìn)行灌注樁施工必須高度重視，其中控制鉆進(jìn)速度、置換泥漿、氣舉反循環(huán)清孔控制措施是保證成孔質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。

（2）控制鉆進(jìn)速度能有效的避免大的硅藻土塊的形成，從而更容易被泥漿排出，從而減少塊狀硅藻土殘留在孔中。

（3）通過(guò)超聲波測(cè)孔圖像和探籠掃孔出現(xiàn)的卡籠現(xiàn)象來(lái)看，在鉆進(jìn)至硅藻土過(guò)程中，開孔的膨潤(rùn)土泥漿在孔內(nèi)并不能形成有效泥皮，孔壁硅藻土有吸水膨脹的現(xiàn)象，孔內(nèi)泥漿混合的硅藻土有失水吸附在孔壁的可能，從而導(dǎo)致縮徑現(xiàn)象。

（4）在鉆進(jìn)硅藻土進(jìn)入底層土質(zhì)后進(jìn)行泥漿置換，能有效的把孔內(nèi)的硅藻土排出且重新形成穩(wěn)定的膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁，避免了由于硅藻土的特性產(chǎn)生的縮徑現(xiàn)象。

（5）第一次清孔采用氣舉反循環(huán)法，能很快把孔內(nèi)沉渣及比重較大的泥漿清除與排出，大大減少了清孔的時(shí)間，從而縮短了終孔后到混凝土澆筑的時(shí)間，減少發(fā)生縮徑的可能。

（6）采用小應(yīng)變和超聲波檢測(cè)樁的完整性在硅藻土土質(zhì)中具有局限性，難以檢測(cè)到保護(hù)層的缺陷，應(yīng)增加熱異常檢測(cè)儀檢測(cè)樁基完整性。