钻孔灌注桩在砂质粉土层中施工过程中塌孔原因及对策探讨

钻孔灌注桩在砂质粉土层中施工过程中塌孔原因及对策探讨
王华川
摘　要：混凝土钻孔灌注桩是目前广泛应用的一大桩型,适应于各种土层条件。具有单桩承载力高、造价低、无振动、无挤压等优点。但是,钻孔灌注桩也存在一些弱点和问题,如:水下浇注混凝土的技术复杂,作业要求紧密连贯,成桩过程具有隐蔽性,成桩后较难检查,容易出现塌孔。本文结合工程实际就钻孔灌注桩在砂质粉土层中造成塌孔原因进行分析，提出防塌措施。
关键词　钻孔灌注桩施工工艺　塌孔　膨润土　泥浆护壁
1　工程概况
某路延伸工程结构主要为下挖隧道形式,隧道穿越几条路线。为保证铁路施工期间的正常运营,穿越铁路段采用暗挖形式。同时为了防止隧道开挖过程中引起地表隆陷,影响既有铁路线行车安全,设计采用D24便梁进行地表铁轨加固,便梁支墩基础采用挖孔桩和钻孔桩两种形式,钻孔桩直径Φ1000,桩身24m~31m不等。
2　地质、水文条件
场区在地貌上属于钱塘江冲积平原,沉积着较厚的砂质粉土层,在第四纪历史时期,场区曾经发生海侵与海退,沉积韵律发育明显,在以陆相沉积地层之间发育着海相淤泥质粉质粘土地层。
地基土浅部主要为第四系土层,土层的厚度、分布及性质均较稳定,下部以全新世滨海淤积形成的粘性土层,性质及均一性相对较差,之下为晚更新世形成的冲湖相粘性土层及砂砾土层,性质较好,均一性较差。
根据现有勘探地基土的岩性、埋藏分布特征、物理力学性质,将桩孔深度内的地基土划分为6个工程地质层,自上而下分层描述如下:
①杂填土及素填土层:褐灰~灰色,土性以粉性土为主结构松散、质地不均,地表标高在6.5m左右。
②砂质粉土夹粉砂层:湿,中密,含较多细小云母片,土质不太均一,夹粉砂透镜体,中等压缩性,层底标高在-12.5m~-13.5m之间,此层为桩身主要地层,也是施工最不利地层。
③淤泥质粉质粘土层:灰色,流塑,局部夹淤泥质粘土,高压缩性。
④粉质粘土层:可塑,含铁、锰质氧化斑点及结核,全场均有分布,但厚度不一。
⑤粘土层:软塑,厚层状,上部为粉质粘土,具中压缩性,含腐植物碎屑。
⑥粉质粘土层:含粉砂,硬塑,质地不均匀,中压缩性。
表1　土层的主要物理力学指标
序号土层
名称含水量

% 天然
重度
KN/m3 空隙率

% 内聚力

KPa 内磨
擦角
度渗透
系数
cm/s
1 填土 28.3 19 45.6 5- 10 15- 20 10-5
2 砂质粉土 33.2 19.2 41 11 26 10-4
3 淤泥质粘土 36.6 18.5 50.5 20.5 10 10-7
4 粉质粘土层 29 19.1 44.5 41 16.5 10-7
5 粘土层 31.5 18.8 49 34.3 17.9
6 粉质粘土层 24.6 19.8 42.9 32.8 19.5
铁路在施工段内沿贴沙河走向（生活用水水源),离河边仅4m。由上表可以看出,砂质粉土透水性良好,且与贴沙河水系相连通,水量补给迅速,所以灌注桩施工与地下水密切相关,该地下水为地下潜水。
由于砂质粉土、粉砂土物理力学性质对灌注桩施工最为不利,施工过程中经常在砂质粉土层出现塌孔现象,故本文研究的是在砂质粉土、粉砂土中的施工情况。
3　成桩施工工艺
灌注桩施工选用GPS-10回转钻机,采用泥浆护壁法正循环钻进。砂质粉土层颗粒粒径小,0.01~0.0074mm占大多数,并且土层空隙率大,含水丰富,颗粒间作用力小,自稳性极差。为了减少对土层的扰动,钻头选取上采用了导向性能较好、钻进平稳的双腰三翼合金钻头。泥浆选用高塑性粘土为主料,并加入纯缄、羧甲基纤维素(CMC)、硝基腐植酸碱等外加剂混合而成。根据砂质粉土的不良特性，泥浆相对密度、粘度均采用较大值进行配比,并加大
CMC用量,比例定为粘土3纯缄3CMC3硝基腐植酸碱3水=830.330.0430.13100。制备的泥浆性能见表2。
表2　制备的泥浆性能表
项目测定数值方法
相对密度 1.2 泥浆密度计
粘度 22s 漏斗法
胶体率 95.6% 量杯法
失水量 12mL/30min 失水量仪
泥皮厚度 2.1mm/30min 尺量
PH 8~10 PH试纸

3.1　施工准备
平整场地,精确测放出桩位。
3.2　埋设护筒
由于表层杂填土较深且成份不一,结构松散,故人工清除表层2m杂填土,埋设2m深钢护筒,控制垂直度。同时为了防止地下水上逸和泥浆反串,造成成孔失败,护筒周围的粘土分层填筑压实,粘土含水量要求适中,以“手握成团、落地散开”为准。
3.3　钻进
桩机移动、就位、调平后,开机钻进,开始时注意轻压慢转,严防桩位偏移和碰撞孔壁,同时观察泥浆固壁效果,及时调整泥浆参数。
3.4　洗孔
钻进至设计标高后,及时进行泥浆置换,孔底沉渣符合要求。
3.5　下钢筋笼
孔内泥浆达标后即进行钢筋入笼,入笼过程中应防止笼体碰触孔壁引起塌孔,同时为了防止钢筋笼上浮,底部加焊钢板。
3.6　二次洗孔、浇筑
二次洗孔所用泥浆重新配制,相对密度控制在1.05g/cm3,粘度20 s左右。混凝土采用水下浇筑方式,导管做水压试验,保证接头处密封良好,在浇筑过程中保持导管在砼面下2m左右,并上下抽动。
4　塌孔及原因分析
灌注桩钻进过程中,泥浆面始终保持在与护筒溢浆口相平位置,此位置高于地下水位约1.5m左右。但在钻至4m~7m深的砂质粉土中频频发生塌孔、埋钻事故,钻孔无法继续,施工多次终止。
原因分析:由于砂质粉土土层空隙大,呈松散蜂窝结构,含水丰富,渗透性好,且颗粒粒径、内聚力极小,接近于粘性粉土,所以,土颗粒有着类似于粘性粉土的悬浮状态,对外力反应灵敏,在微弱动水或外力作用下都会发生移动,丧失稳定。钻机在钻进过程中破坏了孔壁四周的应力平衡,周围土体临空面应力瞬间释放完毕,土颗粒必然在合力作用下向孔内蠕动,进而带动大范围的土体流动,产生坍塌。因此,要保持颗粒不流动,泥浆必须及时提供足够的液态支撑,平衡土体的应力释放。而泥浆是通过泥皮以静压力作用于土体的,如果泥皮不能及时形成、泥皮局部缺失或泥皮渗透性大,旋动的泥浆都会将薄弱处土粒带入孔内,形成水土流失通道,造成土体失稳。高塑粘土由高岭土、蒙脱石、伊利石等三种主要成份组成,结构特征主要为蜂窝状、骨架状,结构不均。在水化过程中,由于三种物质表现出不同的水作用特性,造成泥浆内部特性不均。所以,泥浆不能及时形成均质、致密的泥皮是塌孔的主要原因。同时,钻机钻进产生的振动扰动了土体,造成颗料间作用力减弱,孔壁侧压力增大,也是导致塌孔的因素之一。
5　处理对策
5.1控制钻机工作的平稳度减少对土体的扰动在钻进速度上控制在中速档。过慢,钻头钻动对土体扰动加大;过快,泥皮来不及形成,上下受扰土体相互作用,土体易失稳。
5.2　改用膨润土泥浆护壁
5.2.1　膨润土组成及其特性
膨润土是以蒙脱石为主要成份(含量大于65%)的粘土矿物,为粒径小于10-9m无机质。天然膨润土分为钠膨润土和钙膨润土,钠膨润土较钙膨润土吸附水的能力强,膨胀率高,所以工程上一般采用钠膨润土。通常在天然膨润土中加入碳酸钠,置换土中的钙离子。蒙脱石具有良好的粘结性、膨胀性、胶体分散性、悬浮性、吸咐性、触变性及阳离子交换性能,结合水的能力很强,通常在与水接触24小时开始水化,膨胀4~5倍,48小时完全水化,变成原来颗粒体积的10~30倍凝胶体。胶体具有排水性能,在外力作用下,结构平衡被打乱、分离,但很快会达到新的平衡,此凝胶体抗渗系数可达10-9cm/s以下,接近滴水不漏。
5.2.2　反应机理
钠基蒙脱石结构式为:Nax (H2O)4{(Al2-xMgx) [Si4O10](OH)2},系Si-Al-Si结构体系,由云母状薄片层堆垒而成的单个颗粒。这些薄层上下表面带负电,因而层间相互排斥,仅靠钠离子结合各层,由于钠离子比钙离子半径小且离子价低,故水分子更易进入钠基膨润土层内部。膨润土在水化时,水分子则沿着Si-Al-Si薄弱表面吸附起来,相邻Si-Al-Si结构层距离被迫拉大,膨润土出现膨胀。由于Si-Al-Si层吸附水的能力特强,故最终膨胀可达到10~30倍,具有致密的结构。在成孔过程中,膨润土在自重压力作用下,向旁边的土体发生渗透,失去部分水分,使靠近土体泥浆变稠,静切力增加,形成均质、致密泥皮。
6　结束语
膨润土泥浆护壁保证了周围土体的稳定,满足了砂质粉土层钻孔的需要。由于砂质粉土在饱水情况下的力学特性,膨润土泥皮形成速度快,并有强烈的自我修复特性和高膨胀性,从而决定了泥皮的连续性、稳定性和抗破坏性,给泥浆与土体之间提供了良好的受力介质,从而保证了钻孔的顺利进行。但泥浆护壁法施工的灌注桩尽管要进行洗孔作业,置换泥浆,但由于部分浆液已渗入周围土层,且孔壁已形成泥皮,无法进行彻底置换,所以泥浆护壁法施工减弱了桩体与周围土体的力学联系,对于摩擦型的承载桩而言其摩擦力将大大减少,施工中不应采用。