灌注樁鉆孔塌孔實測及孔壁穩(wěn)定性評價

灌注樁鉆孔塌孔實測及孔壁穩(wěn)定性評價馬永峰;周丁恒;張志豪;錢明【摘要】以沿海地區(qū)某大型工程鉆孔灌注樁地基處理為背景，在典型區(qū)域灌注樁成孑L質量實測的基礎上，提出了一種新的孔壁穩(wěn)定或坍塌程度評價參數(shù)——塌孔率，建立了塌孔孔徑劃分標準和坍塌體積計算模型，對塌孔體積與砂層厚度、鉆孔深度的相關性進行了回歸分析.對塌孔率與砂層平均標貫數(shù)、砂土不均勻系數(shù)及砂土平均粒徑的相關性進行了回歸分析.研究結果表明:砂土層是灌注樁鉆孔時孔壁穩(wěn)定的關鍵;用塌孔率來評價孔壁穩(wěn)定和坍塌程度是可行且適用的;塌孔體積與砂層厚度、鉆孑L深度密切相關;砂層平均標貫數(shù)、砂土不均勻系數(shù)及砂土平均粒徑是灌注樁施工孔壁穩(wěn)定性及塌孔風險評價的重要指標.【期刊名稱】《人民長江》【年(卷)，期】2017(048)019【總頁數(shù)】7頁(P79-84,96)【關鍵詞】灌注樁;鉆孔塌孔;坍塌體積;孔壁穩(wěn)定;沿海地區(qū)【作者】馬永峰;周丁恒;張志豪;錢明【作者單位】青島中油巖土工程有限公司仙東青島266071;中鐵第五勘察設計集團有限公司，北京102600清島中油巖土工程有限公司仙東青島266071清島中油巖土工程有限公司仙東青島266071【正文語種】中文【中圖分類】TU443隨著國家經濟建設的快速發(fā)展，對能源需求急速增長，大量的重化工業(yè)開始布局沿海。大型石化工程尤其是在沿海地區(qū)興建的大型石化工程，其關鍵在于地基處理［1-3］，地基處理方法多種多樣，常用的有強夯法、鉆孔灌注樁、CFG樁及PHC管樁等。沿海地區(qū)軟土地層條件下鉆孔灌注樁鉆孔過程中，土體初始平衡遭到破壞，孔壁周圍土體應力狀態(tài)隨之變化，孔壁處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易縮孔、塌孔，造成資源浪費和環(huán)境問題［4］。由于軟土地區(qū)鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性受地質條件、泥漿重度、孔隙水壓力、孔徑、孔深和施工方法等多種因素的影響，其力學機制非常復雜，不確定因素多，故孔壁穩(wěn)定性成為鉆孔灌注樁設計、施工的主要難題。此外，孔壁穩(wěn)定性是鉆孔灌注樁成樁質量和樁基承載力發(fā)揮的重要決定因素。因此，對鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性進行研究具有重要的經濟價值和社會效益。近年來，針對鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性問題，一些學者開展了研究。王中文開展了鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性影響因素的數(shù)值分析研究［5］，研究認為，若無鄰近樁基，孔徑、孔深、泥漿相對密度、護筒深度及成孔時間是孔壁穩(wěn)定的主要影響因素；在鄰近樁基的影響下，護筒保護和護筒穿越土層的合理深度可將新舊樁基相互影響降到最低。龔輝等基于統(tǒng)一強度理論［6］，在考慮中主應力對孔周土體強度影響的基礎上，推導了鉆孔初始屈服深度的解析解，并分析了土體內摩擦角、鉆孔深度及統(tǒng)一強度參數(shù)對孔壁穩(wěn)定性的影響。研究認為，鉆孔初始屈服深度由孔周土體強度和孔內泥漿重力密度共同決定，在實際中應根據實際地層情況和埋深適當調節(jié)泥漿重力密度。王云崗等通過Plaxis軟件的強度折減法分析了土體性質、泥漿相對密度、孔深、孔徑等因素對鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性的影響［7］，研究結論為，提高泥漿相對密度可有效地減小縮徑量，砂土地基中最小泥漿相對密度應使得泥漿側壓力不小于土體靜止側壓力。趙春風等開展了上海某工程鉆孔灌注樁試孔的成孔測試［8］，得出了考慮成孔卸荷效應的孔徑隨時間及空間的變化規(guī)律，并對不同土層孔徑變化進行擬合，推導出孔徑變化公式和反映孔壁穩(wěn)定性的公式。研究認為，實際擬合中需剔除離散較大的8.6m深度以上淤泥質黏土范圍內實測數(shù)據，不同土層孔徑變化量不同，文中得出的穩(wěn)定性公式具有較大的實用價值。李林等基于SMP準則改進的修正劍橋模型，采用應力空間變換方法推導了柱孔卸荷收縮問題的彈塑性解答[9]，得出了孔壁臨塑支護荷載和孔壁頸縮的解析表達式，并在此基礎上，提出了孔壁穩(wěn)定所需最小泥漿重度和孔壁穩(wěn)定安全系數(shù)的計算方法，對影響鉆孔穩(wěn)定性的因素進行了研究。研究結論為，在泥漿支護條件下，飽和軟黏土中孔壁穩(wěn)定性取決于土體重度、超固結比、土體內摩擦角及泥漿重度等因素，與孔深、孔徑無關；超固結比和內摩擦角越大，鉆孔穩(wěn)定的臨界支護壓力和最小泥漿重度越小，應在保證最小泥漿重度的條件下合理選取泥漿比例。目前對鉆孔灌注樁穩(wěn)定性的研究不多，且多以理論分析、數(shù)值計算為主要研究手段，所得出的結論尚需得到實測或試驗的進一步驗證。本文以該問題為研究導向，在典型區(qū)域灌注樁成孔質量實測結果的基礎上，提出了一種新的孔壁穩(wěn)定或坍塌程度的評價參數(shù)——塌孔率，建立了塌孔孔徑劃分標準和坍塌體積計算模型，對塌孔體積與砂層厚度、鉆孔深度的相關性進行了回歸分析，此外，對塌孔率與砂層平均標貫數(shù)、砂土不均勻系數(shù)及砂土平均粒徑的相關性進行了回歸分析。工程占地面積約6km2，建設周期超過4a，投資額超過500億人民幣，其中基礎及地基處理費用近20億人民幣，工期1a以上。場區(qū)地貌單元為榕江三角洲平原，地形較平坦開闊。根據巖土工程勘察成果，場區(qū)地基土主要為第四系人工填土層、第四系全新統(tǒng)的風-水堆積層、沼澤相沉積層、海陸相交互沉積層、第四系上更新統(tǒng)的海陸相交互沉積層、沖、洪積層、殘積層以及燕山期花崗巖組成。揭露巖層分別為全風化層、強風化層、中風化層，局部為微風化層。自上而下，場區(qū)巖土層分布及其物理力學性質指標列于表1。2.1灌注樁成孔方法及工藝鉆孔灌注樁施工采用分離式套管鉆機配合旋挖鉆機、潛孔錘成孔+旋挖清孔施工工藝，施工設備為全套管分離式鉆機（SWMD2512型）、180潛孔錘和南車360型旋挖鉆機，具體施工工藝流程如圖1所示。2.2塌孔現(xiàn)象工程建于東南沿海與江河堤岸附近，場區(qū)地基土廣泛分布有海相、湖相及河相復雜沉積層，具有含水量大、強度低、壓縮性高及透水性差等特點，灌注樁鉆孔施工時出現(xiàn)了沿海復雜富水地基土常有的孔壁坍塌失穩(wěn)現(xiàn)象（見圖2）。3.1實測區(qū)域的選擇工程場地被劃分為5個區(qū)域（見圖3），選擇代表性的B、C區(qū)域為灌注樁實測對象，2個區(qū)域鉆孔灌注樁測點布置如圖4所示，每個區(qū)域均完成10個點的檢測。3.2檢測方法、儀器及精度鉆孔灌注樁成孔質量采用專用檢測設備JJC-1D型灌注樁孔徑檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由筆記本電腦（打印機）、JJC-1D微機檢測儀、JJY-2型（或JJY-5型）井徑儀、電動絞車（JC-1B型）和各種必需的配套裝備組合而成，采集對象為鉆孔的孔徑、孔深、垂直度、沉渣厚度，采集數(shù)據后利用函數(shù)繪圖與數(shù)據分析工具對鉆孔灌注樁工程施工現(xiàn)場所采集數(shù)據進行分析處理與評價。該系統(tǒng)具有測試精度高、數(shù)據準確的優(yōu)點，沉渣厚度檢測電阻率測量誤差＜5%,垂直度檢測測量誤差＜±0.1%，深度指示誤差＜1%。。3.3實測結果及分析B區(qū)灌注樁參數(shù)：鉆孔深度40-50m,直徑800mm。C區(qū)灌注樁參數(shù)：鉆孔深度24m左右，直徑600mm。具體實測結果如圖5所示，20m以下深度結果差異不大，故圖5中未繪制。B區(qū)孔徑平均值797~838mm，底部沉渣厚度為49-83mm,傾斜度0.49。~0.82。，2~15m間孔徑大于800mm，表明砂層至粉細砂層孔徑擴大趨勢顯著；15-35m間孔徑趨于800mm,35m以下孔徑小于800mm，且孔徑隨深度增大而減小。C區(qū)孔徑平均值為609~671mm，底部沉渣厚度49~85mm,傾斜度0.41。~0.81。，2~10m間孔徑大于600mm,在10~15m間孔徑趨于600mm,15m以下孔徑小于600mm，且孔徑隨深度增大而減小。由圖5可知，砂土層是灌注樁孔壁穩(wěn)定的關鍵，由于其凝聚力低，鉆孔在該類土層不能保持穩(wěn)定。根據工程地質勘查報告，針對工程地層上部存在以粉細砂為主、局部夾黏土層、厚度超過10m的厚砂層，該類地層具有含砂率大、敏感度高及易塌孔等特點，對孔壁穩(wěn)定性影響很大，需采取相應的技術措施。在鉆進過程中及時觀測、調整鉆進速度。此外，由于泥漿池中砂性土含量相對較高，導致側摩擦阻力小和泥漿護壁的黏度較低，在外界附加動荷載作用下地層性質發(fā)生改變，土體變?yōu)榱魉芑蚣铀偃渥儬顟B(tài)，對孔壁穩(wěn)定性非常不利。在上述因素影響下，2~15m深度范圍鉆孔灌注樁出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，影響到成樁質量和工期。灌注樁質量檢測方法有單樁靜載試驗、鉆孔取芯法、高低應變動測法及聲波透射法，上述方法均無法定量描述和評價鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定或塌孔程度，本文提出用塌孔率來定量分析和評價單個鉆孔灌注樁孔壁塌孔程度，其定義為鉆孔塌孔段（見圖6）坍塌體積與塌孔段設計鉆孔體積之比。鉆孔塌孔率計算公式為式中，國為第i處塌孔段坍塌體積；VDi為第i處塌孔段設計直徑下體積。由塌孔率定義及計算式可知該參數(shù)與孔深無關，可客觀反映鉆孔灌注樁施工孔壁土體的坍塌程度，適用于每個鉆孔。因此，適宜將塌孔率作為塌孔基準變量來定量描述鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性或塌孔程度。5.1塌孔孔徑劃分標準目前，國內外研究未給出灌注樁鉆孔塌孔直徑的劃分標準，根據《JGJ94-2008建筑樁基技術規(guī)范》與《GB50202-2002建筑地基基礎工程施工質量驗收規(guī)范》中對鉆孔灌注樁孔徑允許偏差的規(guī)定，將實際直徑Di比設計直徑。0大50mm的部分劃分為塌孔部分，本工程灌注樁施工方法為旋挖法+穩(wěn)定液護壁，其中B區(qū)中鉆孔設計直徑D=800<1000mm，C區(qū)設計直徑D=600<1000mm，B、C區(qū)中塌孔孔徑的劃分標準定義為Di>850和650mm。5.2塌孔體積計算模型圖7為該工程典型鉆孔剖面示意圖，鉆孔直徑檢測時沿深度方向間隔距離為125mm，將鉆孔簡化為N個125mm厚度的圓臺(見圖8)。由該模型可計算出各層圓臺體積Vi和塌孔段坍塌體積AVio鉆孔塌孔體積分析計算過程如下。第i層圓臺體積為式中，Ah為第i層圓臺厚度，Ah=125mm;Xi為第i層圓臺上底面直徑，mm;Xi+1第i層圓臺下底面直徑，mm。第i層圓臺鉆孔設計直徑D對應鉆孔體積為式中，Ah為第i層圓臺厚度，Ah=125mm;D為鉆孔設計直徑，mm。第i層孔壁坍塌體積AVi計算公式為-nAhD2單個鉆孔的塌孔總體積為-D2]式中，Ah為第i層圓臺厚度，Ah=125mm;Xi為第i層圓臺上底面直徑，mm;Xi+1為第i層圓臺下底面直徑，mm;D為鉆孔設計直徑，mm。5.3塌孔體積計算與分析根據公式(5)對B、C區(qū)鉆孔實測數(shù)據作批量處理，從而得出各鉆孔的塌孔總體積(見表2)。B區(qū)實測鉆孔塌孔體積為0.5~1.5m3，其中99號較為嚴重(2.65m3),為均值1.38m3的2倍左右；C區(qū)實測鉆孔塌孔體積為0.35-0.65m3,37號較為嚴重(1.6m3)。B區(qū)鉆孔塌孔體積普遍大于C區(qū)，這是因為B區(qū)鉆孔參數(shù)(設計直徑800mm，孔深為40~50m）大于C區(qū)（600mm,20-30m）?？咨詈涂讖皆龃?，鉆孔對孔壁土體擾動加大，對孔壁土體穩(wěn)定不利。因此，大直徑長灌注樁應加強孔壁土體保護，采取措施防治孔壁土體坍塌。5.4塌孔體積與砂層厚度、鉆孔深度的相關性5.4.1塌孔體積與砂層厚度相關性分析以塌孔體積AV為縱坐標，砂層厚度h為橫坐標，分別建立B、C區(qū)灌注樁塌孔體積與砂層厚度的函數(shù)關系（見圖9）。坍塌體積與砂層厚度成多項式關系，擬合標準差S分別為0.2823,0.1626，相關系數(shù)高度相關。塌孔體積與砂層厚度之間具有顯著的非線性關系，塌孔體積隨著砂層厚度增加而增大。5.4.2塌孔體積與鉆孔深度相關性分析在其他鉆孔條件相同時，砂層厚度是鉆孔灌注樁施工孔壁穩(wěn)定性的關鍵因素。以塌孔體積AV為縱坐標，以孔深H為橫坐標，塌孔孔體積與孔深關系散點圖如圖10所示。鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性受孔深影響明顯，相同地質條件下，隨著孔深增加，鉆孔土體的帶出對周圍土體擾動增大，且卸荷量增大引起豎向與水平向應力差增大，土體內部剪應力增大，導致孔壁坍塌量的增大。根據塌孔率的定義及鉆孔塌孔率計算式（式1）可計算出單個鉆孔的塌孔率，具體結果列于表3中。除塌孔率外，B、C區(qū)砂層平均標貫數(shù)、砂土不均勻系數(shù)及平均粒徑等實測參數(shù)亦列于表3中。6.1塌孔體積與砂層平均標貫數(shù)關系對塌孔率與砂層平均標貫數(shù)進行回歸分析（見圖11）,B、C區(qū)擬合標準差S為0.0311和0.0472，擬合度分別為高、較高，相關關系分別為顯著、中度相關。因此，塌孔率與砂層平均標貫數(shù)有顯著的相關關系，塌孔率隨著砂層平均標貫數(shù)增大而減小，即砂土層平均標貫數(shù)越大，孔壁越穩(wěn)定。砂層標貫數(shù)是反映灌注樁孔壁穩(wěn)定性的重要勘察指標，且砂層標貫數(shù)與土體的物理力學性質緊密相關，將砂層標貫數(shù)作為塌孔風險評價指標是有效適用的。6.2塌孔體積與砂土不均勻系數(shù)關系對塌孔率與砂土不均勻系數(shù)進行回歸分析（圖12），B、C區(qū)擬合標準差S分別為0.0296和0.0473，擬合度高，相關關系分別為顯著、中度相關。塌孔率隨砂土不均勻系數(shù)Cu平均值增大而減小。不均勻系數(shù)Cu越小，級配越不好，孔壁穩(wěn)定性越低；不均勻系數(shù)Cu越大，級配越好，粗粒間空隙越被較細粒所填充，土的密實度較好，鉆孔孔壁土體強度和穩(wěn)定性越好。因此，砂層不均勻系數(shù)能較為準確地反映鉆孔灌注樁施工孔壁穩(wěn)定性，可作為場地塌孔風險評價指標。6.3塌孔體積與砂土平均粒徑關系對塌孔率與砂土平均粒徑D50進行回歸分析（見圖13），B、C區(qū)擬合標準差S為0.0296，0.0437,擬合度高，相關關系顯著。塌孔率隨砂土平均粒徑D50的增大而增大，即孔壁穩(wěn)定性降低。鉆孔灌注樁孔壁坍塌實質上是土體結構的破壞，而土體結構的穩(wěn)定性與粒度成分緊密相關，土體平均粒徑越大，其構成的土體骨架結構間隙越大，受擾動時越容易失穩(wěn)，導致孔壁土體的坍塌破壞。因此，砂土平均粒徑也是評價灌注樁施工孔壁穩(wěn)定性的重要指標。（1）實測結果顯示，在2~15m深度范圍（砂層至粉細砂層）孔徑擴大明顯，表明砂土層是灌注樁孔壁穩(wěn)定的關鍵，對孔壁穩(wěn)定性影響很大，鉆孔時需采取相應的技術措施，防止孔壁坍塌。（2）塌孔率可以客觀反映鉆孔灌注樁施工孔壁土體的坍塌成度，適用于每個鉆孔，且不受鉆孔深度限制，將塌孔率作為塌孔基準變量來定量描述鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性或塌孔程度是適用的。⑶坍塌體積與砂層厚度具有明顯的二次多項式的非線性關系，坍塌體積隨砂層厚度增大而增大。⑷比較B、C區(qū)實測結果可知，坍塌體積受到鉆孔深度的