灌注樁鉆孔塌孔實(shí)測(cè)及孔壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

灌注樁鉆孔塌孔實(shí)測(cè)及孔壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)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(zhì)量實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的孔壁穩(wěn)定或坍塌程度評(píng)價(jià)參數(shù)——塌孔率，建立了塌孔孔徑劃分標(biāo)準(zhǔn)和坍塌體積計(jì)算模型，對(duì)塌孔體積與砂層厚度、鉆孔深度的相關(guān)性進(jìn)行了回歸分析.對(duì)塌孔率與砂層平均標(biāo)貫數(shù)、砂土不均勻系數(shù)及砂土平均粒徑的相關(guān)性進(jìn)行了回歸分析.研究結(jié)果表明:砂土層是灌注樁鉆孔時(shí)孔壁穩(wěn)定的關(guān)鍵;用塌孔率來評(píng)價(jià)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(guān);砂層平均標(biāo)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo).【期刊名稱】《人民長(zhǎng)江》【年(卷)，期】2017(048)019【總頁(yè)數(shù)】7頁(yè)(P79-84,96)【關(guān)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(shè)計(jì)集團(tuán)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(yǔ)種】中文【中圖分類】TU443隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，對(duì)能源需求急速增長(zhǎng)，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(guān)鍵在于地基處理［1-3］，地基處理方法多種多樣，常用的有強(qiáng)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(yīng)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(fèi)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(zhì)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(xué)機(jī)制非常復(fù)雜，不確定因素多，故孔壁穩(wěn)定性成為鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)、施工的主要難題。此外，孔壁穩(wěn)定性是鉆孔灌注樁成樁質(zhì)量和樁基承載力發(fā)揮的重要決定因素。因此，對(duì)鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性進(jìn)行研究具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。近年來，針對(duì)鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性問題，一些學(xué)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(rèn)為，若無鄰近樁基，孔徑、孔深、泥漿相對(duì)密度、護(hù)筒深度及成孔時(shí)間是孔壁穩(wěn)定的主要影響因素；在鄰近樁基的影響下，護(hù)筒保護(hù)和護(hù)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(qiáng)度理論［6］，在考慮中主應(yīng)力對(duì)孔周土體強(qiáng)度影響的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了鉆孔初始屈服深度的解析解，并分析了土體內(nèi)摩擦角、鉆孔深度及統(tǒng)一強(qiáng)度參數(shù)對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響。研究認(rèn)為，鉆孔初始屈服深度由孔周土體強(qiáng)度和孔內(nèi)泥漿重力密度共同決定，在實(shí)際中應(yīng)根據(jù)實(shí)際地層情況和埋深適當(dāng)調(diào)節(jié)泥漿重力密度。王云崗等通過Plaxis軟件的強(qiáng)度折減法分析了土體性質(zhì)、泥漿相對(duì)密度、孔深、孔徑等因素對(duì)鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性的影響［7］，研究結(jié)論為，提高泥漿相對(duì)密度可有效地減小縮徑量，砂土地基中最小泥漿相對(duì)密度應(yīng)使得泥漿側(cè)壓力不小于土體靜止側(cè)壓力。趙春風(fēng)等開展了上海某工程鉆孔灌注樁試孔的成孔測(cè)試［8］，得出了考慮成孔卸荷效應(yīng)的孔徑隨時(shí)間及空間的變化規(guī)律，并對(duì)不同土層孔徑變化進(jìn)行擬合，推導(dǎo)出孔徑變化公式和反映孔壁穩(wěn)定性的公式。研究認(rèn)為，實(shí)際擬合中需剔除離散較大的8.6m深度以上淤泥質(zhì)黏土范圍內(nèi)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，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(shí)用價(jià)值。李林等基于SMP準(zhǔn)則改進(jìn)的修正劍橋模型，采用應(yīng)力空間變換方法推導(dǎo)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(hù)荷載和孔壁頸縮的解析表達(dá)式，并在此基礎(chǔ)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(jì)算方法，對(duì)影響鉆孔穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了研究。研究結(jié)論為，在泥漿支護(hù)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(jié)比、土體內(nèi)摩擦角及泥漿重度等因素，與孔深、孔徑無關(guān)；超固結(jié)比和內(nèi)摩擦角越大，鉆孔穩(wěn)定的臨界支護(hù)壓力和最小泥漿重度越小，應(yīng)在保證最小泥漿重度的條件下合理選取泥漿比例。目前對(duì)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(jì)算為主要研究手段，所得出的結(jié)論尚需得到實(shí)測(cè)或試驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。本文以該問題為研究導(dǎo)向，在典型區(qū)域灌注樁成孔質(zhì)量實(shí)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了一種新的孔壁穩(wěn)定或坍塌程度的評(píng)價(jià)參數(shù)——塌孔率，建立了塌孔孔徑劃分標(biāo)準(zhǔn)和坍塌體積計(jì)算模型，對(duì)塌孔體積與砂層厚度、鉆孔深度的相關(guān)性進(jìn)行了回歸分析，此外，對(duì)塌孔率與砂層平均標(biāo)貫數(shù)、砂土不均勻系數(shù)及砂土平均粒徑的相關(guān)性進(jìn)行了回歸分析。工程占地面積約6km2，建設(shè)周期超過4a，投資額超過500億人民幣，其中基礎(chǔ)及地基處理費(fèi)用近20億人民幣，工期1a以上。場(chǎng)區(qū)地貌單元為榕江三角洲平原，地形較平坦開闊。根據(jù)巖土工程勘察成果，場(chǎng)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(fēng)-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(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層，局部為微風(fēng)化層。自上而下，場(chǎng)區(qū)巖土層分布及其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)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(jī)配合旋挖鉆機(jī)、潛孔錘成孔+旋挖清孔施工工藝，施工設(shè)備為全套管分離式鉆機(jī)（SWMD2512型）、180潛孔錘和南車360型旋挖鉆機(jī)，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(chǎng)區(qū)地基土廣泛分布有海相、湖相及河相復(fù)雜沉積層，具有含水量大、強(qiáng)度低、壓縮性高及透水性差等特點(diǎn)，灌注樁鉆孔施工時(shí)出現(xiàn)了沿海復(fù)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(shí)測(cè)區(qū)域的選擇工程場(chǎng)地被劃分為5個(gè)區(qū)域（見圖3），選擇代表性的B、C區(qū)域?yàn)楣嘧秾?shí)測(cè)對(duì)象，2個(gè)區(qū)域鉆孔灌注樁測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，每個(gè)區(qū)域均完成10個(gè)點(diǎn)的檢測(cè)。3.2檢測(cè)方法、儀器及精度鉆孔灌注樁成孔質(zhì)量采用專用檢測(cè)設(shè)備JJC-1D型灌注樁孔徑檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由筆記本電腦（打印機(jī)）、JJC-1D微機(jī)檢測(cè)儀、JJY-2型（或JJY-5型）井徑儀、電動(dòng)絞車（JC-1B型）和各種必需的配套裝備組合而成，采集對(duì)象為鉆孔的孔徑、孔深、垂直度、沉渣厚度，采集數(shù)據(jù)后利用函數(shù)繪圖與數(shù)據(jù)分析工具對(duì)鉆孔灌注樁工程施工現(xiàn)場(chǎng)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理與評(píng)價(jià)。該系統(tǒng)具有測(cè)試精度高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，沉渣厚度檢測(cè)電阻率測(cè)量誤差＜5%,垂直度檢測(cè)測(cè)量誤差＜±0.1%，深度指示誤差＜1%。。3.3實(shí)測(cè)結(jié)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(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示，20m以下深度結(jié)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(xì)砂層孔徑擴(kuò)大趨勢(shì)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(guān)鍵，由于其凝聚力低，鉆孔在該類土層不能保持穩(wěn)定。根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告，針對(duì)工程地層上部存在以粉細(xì)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(diǎn)，對(duì)孔壁穩(wěn)定性影響很大，需采取相應(yīng)的技術(shù)措施。在鉆進(jìn)過程中及時(shí)觀測(cè)、調(diào)整鉆進(jìn)速度。此外，由于泥漿池中砂性土含量相對(duì)較高，導(dǎo)致側(cè)摩擦阻力小和泥漿護(hù)壁的黏度較低，在外界附加動(dòng)荷載作用下地層性質(zhì)發(fā)生改變，土體變?yōu)榱魉芑蚣铀偃渥儬顟B(tài)，對(duì)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(zhì)量和工期。灌注樁質(zhì)量檢測(cè)方法有單樁靜載試驗(yàn)、鉆孔取芯法、高低應(yīng)變動(dòng)測(cè)法及聲波透射法，上述方法均無法定量描述和評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)單個(gè)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(shè)計(jì)鉆孔體積之比。鉆孔塌孔率計(jì)算公式為式中，國(guó)為第i處塌孔段坍塌體積；VDi為第i處塌孔段設(shè)計(jì)直徑下體積。由塌孔率定義及計(jì)算式可知該參數(shù)與孔深無關(guān)，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(gè)鉆孔。因此，適宜將塌孔率作為塌孔基準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)目前，國(guó)內(nèi)外研究未給出灌注樁鉆孔塌孔直徑的劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《JGJ94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范》與《GB50202-2002建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中對(duì)鉆孔灌注樁孔徑允許偏差的規(guī)定，將實(shí)際直徑Di比設(shè)計(jì)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(hù)壁，其中B區(qū)中鉆孔設(shè)計(jì)直徑D=800<1000mm，C區(qū)設(shè)計(jì)直徑D=600<1000mm，B、C區(qū)中塌孔孔徑的劃分標(biāo)準(zhǔn)定義為Di>850和650mm。5.2塌孔體積計(jì)算模型圖7為該工程典型鉆孔剖面示意圖，鉆孔直徑檢測(cè)時(shí)沿深度方向間隔距離為125mm，將鉆孔簡(jiǎn)化為N個(gè)125mm厚度的圓臺(tái)(見圖8)。由該模型可計(jì)算出各層圓臺(tái)體積Vi和塌孔段坍塌體積AVio鉆孔塌孔體積分析計(jì)算過程如下。第i層圓臺(tái)體積為式中，Ah為第i層圓臺(tái)厚度，Ah=125mm;Xi為第i層圓臺(tái)上底面直徑，mm;Xi+1第i層圓臺(tái)下底面直徑，mm。第i層圓臺(tái)鉆孔設(shè)計(jì)直徑D對(duì)應(yīng)鉆孔體積為式中，Ah為第i層圓臺(tái)厚度，Ah=125mm;D為鉆孔設(shè)計(jì)直徑，mm。第i層孔壁坍塌體積AVi計(jì)算公式為-nAhD2單個(gè)鉆孔的塌孔總體積為-D2]式中，Ah為第i層圓臺(tái)厚度，Ah=125mm;Xi為第i層圓臺(tái)上底面直徑，mm;Xi+1為第i層圓臺(tái)下底面直徑，mm;D為鉆孔設(shè)計(jì)直徑，mm。5.3塌孔體積計(jì)算與分析根據(jù)公式(5)對(duì)B、C區(qū)鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)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(shí)測(cè)鉆孔塌孔體積為0.5~1.5m3，其中99號(hào)較為嚴(yán)重(2.65m3),為均值1.38m3的2倍左右；C區(qū)實(shí)測(cè)鉆孔塌孔體積為0.35-0.65m3,37號(hào)較為嚴(yán)重(1.6m3)。B區(qū)鉆孔塌孔體積普遍大于C區(qū)，這是因?yàn)锽區(qū)鉆孔參數(shù)(設(shè)計(jì)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(duì)孔壁土體擾動(dòng)加大，對(duì)孔壁土體穩(wěn)定不利。因此，大直徑長(zhǎng)灌注樁應(yīng)加強(qiáng)孔壁土體保護(hù)，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(guān)性5.4.1塌孔體積與砂層厚度相關(guān)性分析以塌孔體積AV為縱坐標(biāo)，砂層厚度h為橫坐標(biāo)，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(guān)系（見圖9）。坍塌體積與砂層厚度成多項(xiàng)式關(guān)系，擬合標(biāo)準(zhǔn)差S分別為0.2823,0.1626，相關(guān)系數(shù)高度相關(guān)。塌孔體積與砂層厚度之間具有顯著的非線性關(guān)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(guān)性分析在其他鉆孔條件相同時(shí)，砂層厚度是鉆孔灌注樁施工孔壁穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。以塌孔體積AV為縱坐標(biāo)，以孔深H為橫坐標(biāo)，塌孔孔體積與孔深關(guān)系散點(diǎn)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(zhì)條件下，隨著孔深增加，鉆孔土體的帶出對(duì)周圍土體擾動(dòng)增大，且卸荷量增大引起豎向與水平向應(yīng)力差增大，土體內(nèi)部剪應(yīng)力增大，導(dǎo)致孔壁坍塌量的增大。根據(jù)塌孔率的定義及鉆孔塌孔率計(jì)算式（式1）可計(jì)算出單個(gè)鉆孔的塌孔率，具體結(jié)果列于表3中。除塌孔率外，B、C區(qū)砂層平均標(biāo)貫數(shù)、砂土不均勻系數(shù)及平均粒徑等實(shí)測(cè)參數(shù)亦列于表3中。6.1塌孔體積與砂層平均標(biāo)貫數(shù)關(guān)系對(duì)塌孔率與砂層平均標(biāo)貫數(shù)進(jìn)行回歸分析（見圖11）,B、C區(qū)擬合標(biāo)準(zhǔn)差S為0.0311和0.0472，擬合度分別為高、較高，相關(guān)關(guān)系分別為顯著、中度相關(guān)。因此，塌孔率與砂層平均標(biāo)貫數(shù)有顯著的相關(guān)關(guān)系，塌孔率隨著砂層平均標(biāo)貫數(shù)增大而減小，即砂土層平均標(biāo)貫數(shù)越大，孔壁越穩(wěn)定。砂層標(biāo)貫數(shù)是反映灌注樁孔壁穩(wěn)定性的重要勘察指標(biāo)，且砂層標(biāo)貫數(shù)與土體的物理力學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)，將砂層標(biāo)貫數(shù)作為塌孔風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)是有效適用的。6.2塌孔體積與砂土不均勻系數(shù)關(guān)系對(duì)塌孔率與砂土不均勻系數(shù)進(jìn)行回歸分析（圖12），B、C區(qū)擬合標(biāo)準(zhǔn)差S分別為0.0296和0.0473，擬合度高，相關(guān)關(guān)系分別為顯著、中度相關(guān)。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(jí)配越不好，孔壁穩(wěn)定性越低；不均勻系數(shù)Cu越大，級(jí)配越好，粗粒間空隙越被較細(xì)粒所填充，土的密實(shí)度較好，鉆孔孔壁土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性越好。因此，砂層不均勻系數(shù)能較為準(zhǔn)確地反映鉆孔灌注樁施工孔壁穩(wěn)定性，可作為場(chǎng)地塌孔風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。6.3塌孔體積與砂土平均粒徑關(guān)系對(duì)塌孔率與砂土平均粒徑D50進(jìn)行回歸分析（見圖13），B、C區(qū)擬合標(biāo)準(zhǔn)差S為0.0296，0.0437,擬合度高，相關(guān)關(guān)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(shí)質(zhì)上是土體結(jié)構(gòu)的破壞，而土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與粒度成分緊密相關(guān)，土體平均粒徑越大，其構(gòu)成的土體骨架結(jié)構(gòu)間隙越大，受擾動(dòng)時(shí)越容易失穩(wěn)，導(dǎo)致孔壁土體的坍塌破壞。因此，砂土平均粒徑也是評(píng)價(jià)灌注樁施工孔壁穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。（1）實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，在2~15m深度范圍（砂層至粉細(xì)砂層）孔徑擴(kuò)大明顯，表明砂土層是灌注樁孔壁穩(wěn)定的關(guān)鍵，對(duì)孔壁穩(wěn)定性影響很大，鉆孔時(shí)需采取相應(yīng)的技術(shù)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(gè)鉆孔，且不受鉆孔深度限制，將塌孔率作為塌孔基準(zhǔn)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(xiàng)式的非線性關(guān)系，坍塌體積隨砂層厚度增大而增大。⑷比較B、C區(qū)實(shí)測(cè)結(jié)果可知，坍塌體積受到鉆孔深度的