地下水对钻孔灌注桩施工的影响及优质泥浆护壁实例分析-林礼进

2014年第1期西部探矿工程*收稿日期：2013-08-05作者简介：林礼进（1968-），男（汉族），福建福州人，贰级注册建造师，工程师，现从事探矿工程、建筑工程等岩土钻掘施工与管理工作。地下水对钻孔灌注桩施工的影响及优质泥浆护壁实例分析林礼进*（福建省第二地质勘探大队，福建永安366000）摘要：在城市高层及超高层建筑中，钻孔灌注桩被广泛用于深基坑支护。当地下水位过高时，地下水对钻孔灌注桩的施工带来不利的影响，对深基坑支护造成不良后果。首先分析了深基坑地下水的来源及对钻孔灌注桩施工的不利影响，然后归纳了一般的施工应对措施，最后以福建某高地下水位的深基坑工程为例介绍了优质泥浆在钻孔灌注桩护壁中的应用。总结得出的经验及工程实例可供类似地区参考。关键词：深基坑；地下水；钻孔灌注桩；泥浆护壁中图分类号：TU473文献标识码：B文章编号：1004-5716（2014）01-0029-04沿海地区，由于特定的地质条件，高层建筑必须选用钻孔灌注桩作为基础将其上部荷载传递给地基。承载力是控制工程安全的决定因素，而成孔工艺是影响桩基承载力的重要原因。影响钻孔灌注桩基础成孔工艺的因素很多，部分因素是难于控制的，如钻孔所处的环境、气候条件、地层分布等；但部分因素是可以根据需要不断改进的，以便于钻孔效率更高、钻孔工艺更经济、合理。泥浆就是这类因素中重要的一个，泥浆质量的好坏直接决定了钻孔灌注桩基础的质量。根据沿海地区的工程实践，分析了地下水对钻孔灌注桩的影响，总结归纳了一般的钻孔灌注桩施工的一般措施，然后结合工程实例，以某深基坑工程为例分析了高地下水位条件下优质泥浆的应用，可为本地区类似工程提供借鉴。1地下水对钻孔灌注桩的影响1.1地下水的来源通常而言，深基坑工程中地下水的来源可分为如下几类：（1）原地下水位高于基坑开挖面时，基坑外地下水在压差作用下从支护体系底端渗透或从坑侧渗漏涌入基坑；（2）短时的强降雨导致基坑内迅速积水；（3）钻孔施工过程中泥浆池、泥浆循环管道及钻孔内的泥浆外溢；（4）地层中承压水通过钻孔、勘探孔、桩身抽心孔等渠道涌出；（5）基坑降水排出的地下水流入基坑或通过基坑内废弃井管涌出的承压水；（6）钻孔施工过程形成的钻渣在堆放过程中泥浆中水的渗流。基坑工程中采用排水、降水措施控制地下水。排水需铺设专门的管道，利用水泵排至基坑外；降水采用降水井，设备更为复杂。在高地下水位的深基坑工程中，由于水源丰富，如不能及时控制，不仅导致场地泥泞，施工条件恶化，影响安全和文明生产，而且长时间积水将导致基坑表面土体软化，强度降低，钻孔孔壁易于坍塌，危及基坑安全。1.2对钻孔灌注桩施工的影响地下水位过高时（特别是高于基坑底面时），在内外水头差的作用下地下水易形成渗流，如图1所示。若基坑支护体系止水效果良好，渗流将由基坑外侧穿过支护体系底部进入基坑内侧，渗流方向向上，土体受到向上左右的渗透力，根据有效应力原理，渗流的作用增加了基坑外侧的有效应力、减小了基坑内侧的有效应力。此外，渗流易于将土体中的微小颗粒携带流失，长时间的渗流作用将导致土体粘聚力和强度降低、结构破坏。若地层中承压水头高于基坑底面，在桩孔位置，随着钻孔深度的增加，承压水层上覆土体的有效自重应力逐渐减小，小于临界值时，承压水水头压力将破坏钻孔底部土层，于钻孔处涌出（水量较小时，表现为孔内292014年第1期西部探矿工程泥浆面缓慢上升），易引起钻孔内土层坍塌。由于突涌具有突发性和不可预见性，因此对钻孔的危害极大，严重威胁到施工安全，对安全产生重大影响。2钻孔灌注桩施工需采取的措施2.1深基坑开挖措施深基坑在灌注桩施工前不宜一次开挖到底，而应预留3~4m，待施工完成后开挖，其作用主要有以下几点：（1）避免泥浆池等开挖时对地下室底板以下土层的扰动；（2）增加钻孔内液柱高度和压力，有利于孔壁稳定；（3）增加空孔段长度，灌注桩顶混凝土时导管内外压差增大，混凝土易于灌注，桩顶混凝土密实度较好。2.2场地布置措施（1）对基坑顶部的地面进行硬化处理，在四周设置排水沟，确保地表水的疏导和排放，防止地表水渗入或涌入基坑；（2）基坑开挖后沿开挖面周边砌筑排水沟和集水井，基坑底部应及时铺筑砖渣、碎石等，并碾压密实，形成过滤层，条件许可时对场地进行整体硬化处理，避免基坑开挖面的土体浸水软化；（3）泥浆池应远离支护体系布置，且必须砌筑后用水泥砂浆抹面，防止泥浆中的水分渗入地层；（4）施工道路应远离施工桩位，避免施工设备行走时的振动及附加应力对孔壁稳定产生不利影响；（5）大型钻孔设备就位时，其底部应铺设钢板、型钢或方木等，以减小设备的接地比压。2.3保持孔壁稳定措施2.3.1降水基坑降水可分为3种方式：基坑外降水、基坑内降水、坑内—坑外联合降水。降低基坑内的地下水位并低于开挖面以下一定深度，以保证钻孔时孔内泥浆的压力大于地下水形成的压力，保持在一定值以上，便于维持孔壁稳定。此外，通过降水可降低土体中的含水量，使周围土体中的孔隙水压力降低，有效应力增大，提高土体强度，维持孔壁稳定。基坑降水时，应优先考虑便于基坑内桩基的施工，结合地层情况及周边环境优先选择基坑外降水。若基坑外降水受到限制而采取基坑内降水时，应充分考虑降水对桩基施工的影响，降水井应避开桩位，并尽量靠近基坑周边布置，做好保护措施，避免桩基施工时对降水井造成破坏。2.3.2孔口护筒深基坑开挖后，由于基坑外地下水位高于基坑底面，基坑外地下水绕过止水帷幕底部进入基坑并形成渗流；在支护桩的深度范围内，土体应力发生了变化，在水土压力的作用下易于形成了局部塑性区。为避免渗流及局部塑性区对孔壁产生的不利影响，应该埋设护筒，应采取振动或锤击方法沉入，不得采用挖埋方法。2.3.3优化钻探工艺一方面缩短成孔时间，避免土体蠕变坍塌，另一方面对孔壁土体进行挤密，以稳固孔壁。可采取多种工艺相结合的施工方法，如在上部易坍塌段采取冲击挤密孔壁，对于稳定性较好的粘性土或粉质粘土采用旋挖钻进以缩短成孔时间等。2.3.4选用优质泥浆护壁配备优质泥浆，在孔壁形成薄而坚韧的泥皮，阻止泥浆中的水分向孔壁中渗透，避免风化地层膨胀崩解。同时适当增加泥浆的密度和粘度，以提高孔内压力。泥浆的配置应该根据地层进行配比分析。2.3.5优化灌注工艺混凝土灌注前，必须进行二次清孔，以将孔底沉渣清除干净，避免灌注过程中沉渣与混凝土混合形成桩身缺陷。确保混凝土的搅拌质量，不得灌注离析或和易性较差的混凝土。混凝土的初灌量应保证导管底口在混凝土中的埋深大于1m，以保证桩端混凝土密实。混凝土的灌注必须连续进行，尽可能加快混凝土的灌注速度，避免混凝土灌注过程时间过长。导管提拔速度不宜太快，拔导管过程中应进行多次反插，以将导管部位混凝土插捣密实。防止钻孔塌孔主要取决于所采用的护壁泥浆的质量。泥浆护壁依靠钻孔内外水土压力平衡保证孔壁的稳定性，泥浆在维持压力的过程中发挥着重要的作用。若护壁泥浆的比重达不到要求，则易出现钻孔扩302014年第1期西部探矿工程径、甚至坍塌；若泥浆比重过高，易堵塞泥浆泵，严重时会影响混凝土的置换，且易沉渣。3案例分析3.1工程概况福建石狮地区某桩基工程采用钻孔灌注桩，桩长不等，10~35m，进入持力层（中风化岩层）超过0.5m，桩直径0.90~1.80m，共计317根。与桩基工程相关的地层自上而下依次为：（1）杂填土，由回填的粘性土及块石、碎石组成，层厚2.50~6.2m；（2）粉质粘土，主要由粘性土组成，层厚0.60~4.90m；（3）中粗砂，以中粗石英砂为主，层厚4.80~7.50m；（4）粉质粘土，由粘性土组成，层厚0.50~5.50m；（5）残积砂质粘性土，由花岗岩风化残余的粘性土和石英组成，层厚2.00~21.20m；（6）全风化花岗岩，层厚0.90~15.80m；（7）砂土状强风化花岗岩，层厚0.80~15.00m；（8）碎块状强风化花岗岩，层厚0.90~16.30m；（9）中风化花岗岩，坚硬岩，埋藏深度15~40m。地下水位高，初见水位埋深为0.50~6.11m，赋存形式为：杂填土、粉质粘土中为孔隙水，中粗砂中为承压水，渗透性强，强风化花岗岩为基岩裂隙水。根据最初几根灌注桩施工时的塌孔情况分析塌孔的原因，可归结为：（1）钻机自重大，动荷载大、护筒周围未用粘土紧密填封、护筒内水位过低、土层土质松散或砂层较厚、成孔速度太快和钻至砂层时钻具提升较快、空钻时间过长；（2）成孔后钢筋笼安装时笼体垂直度不合格或笼顶采用单根吊筋造成钢筋笼安装下沉时倾斜，笼体、笼底碰撞孔壁引起塌孔，二次清孔及待灌时间过长；（3）灌注时间过长；（4）未采用泥浆护壁或所采用护壁泥浆的比重、粘度不够，未起到护壁作用不能支撑孔壁的水土压力。除开常规的灌注桩施工措施外，根据实践经验并结合场地的地质条件，配置了优质泥浆用于钻孔灌注桩护壁，以防止钻孔塌孔。3.2泥浆抑制地层的作用机理泥浆保持孔壁稳定，主要体现为3个方面：（1）静水压力作用，对地下水产生超压力，起稳定平衡作用；（2）泥皮作用，泥浆在孔壁上形成不透水泥皮薄膜，阻止泥浆渗透至周围土中或者地下水侵入孔内与泥浆混合，促进孔壁稳定；（3）抑制地层的作用，主要表现为泥浆的凝胶作用。凝胶作用和颗粒沉淀，在泥浆和孔壁界面处形成一层泥皮或“泥饼”，减小了地下水的侵入而存在孔壁坍塌的可能性；另一方面，凝胶泥浆具有微小的抗剪强度，当孔壁上土颗粒脱落进入孔内时，泥浆对此有微弱的抵抗作用，从而增大了孔壁的稳定性。当泥浆压力为主动土压力的65%~80%时，孔壁一般难以保持稳定。因此，一定比重的泥浆才能保持足够的压力，维持孔壁稳定，需要根据场地的地质条件进行配置。3.3泥浆配比方案与现场控制3.3.1配比方案泥浆由水、粘土（或膨润土）和添加剂组成，泥浆原料宜尽可能使用膨润土。膨润土具有密度低、粘度大、含砂量少、失水量少、泥浆厚度小、稳定性和固壁能力强、钻具回旋阻力小、钻进率高、造浆能力大等优点。为改善泥浆的性能，通常在制备泥浆时掺入少量的外加剂，常用的有纤维素（CMC）、聚丙烯酰胺（PHP）和Na2CO3（纯碱）等。工程中采用的泥浆配合比见表1，结合孔径、孔深确定的各层段的泥浆性能指标见表2。根据地层情况稳定液需满足的性质见表3。选用优质膨润土造浆，泥浆比重控制在1.1~1.4g/cm3范围。土层粘性土粉砂层卵石层砂岩泥岩水掺量（kg）100100100100100膨润土掺量（kg）51515810纤维素（kg）0.80.80.80.80.8碱掺量（kg）331.831.8表1各地层的掺量配比表2泥浆性能指标岩层淤泥、粘土细砂粗砂、砾砂卵石、岩石泥浆比重（g/cm3）1.05~1.101.20~1.251.20~1.401.20~1.35粘度（s）18~2020~2222~2625~28静切力（Pa）1.0~2.51.0~2.52.0~4.03.0~5.0含砂率（%）＜4＜4＜4＜4塑性指数＞15＞15＞15＞15项目膨润土的最低浓度泥浆的最小粘度（500/500mL）过滤水的限度（0.3N/mm2）每30minpH指数最高限度指标8%25s20mL10.0表3稳定液的性质3.3.2泥浆的制备原则与步骤泥浆制备遵循的原则为：严格按照施工配比拌制312014年第1期西部探矿工程泥浆，拌制泥浆的时间不少于10min，拌制好的新浆必须在泥浆池中水化分解24h后才能使用，放置期间必须用泥浆泵进行池内循环。制备好的泥浆不透明，胶结一体状态，近距离观测有细颗粒悬浮，长时间放置表面会析出清水，大约2~3cm厚，但受扰动后（如投入石子等）泥浆成胶结状。制浆前，先把粘土（用膨润土、碱、聚丙烯酰胺、纤维素按适当的比例配制而成）打碎，使其易于成浆。制浆时，将打碎的粘土直接投入套管内，使用钻斗旋转制浆，待粘土已搅拌成泥浆时，泥浆的配比经实验确定满足性能指标要求，即可进行钻孔。多余的泥浆导入钻孔外泥浆池贮存，以便随时补充孔内泥浆。（1）当采用性能较差的粘质土调制的泥浆其性能指标不符合要求时，可在泥浆中掺入Na2CO3（俗称碱粉或纯碱）、NaOH（氢氧化钠）或膨润土粉末以提高泥浆性能指标。（2）采用性能较好的钠基土