钻孔灌注桩在富水砂性土层中的应用

邵海兵,林 娜,王剑春,王明轩

(1.中交上海航道局有限公司，上海 200002；2.上海交通建设总承包有限公司，上海 200136)

沿海地区存在着大量的软土地基，含水率高、地基承载力较低，采用钻孔灌注桩作为建筑基础提供了一个解决问题的途径，被广泛应用于现代工程建设中[1]。传统的钻孔灌注桩施工常采用泥浆护壁成孔和干作业成孔，在沿海地区尤其是地下水位丰富的近岸段，由于土壤含水及含沙量过高、泥浆配置难度大，泥浆护壁成孔难以实施，而干作业成孔又面临成孔效率低、孔底涌土等问题[2]，因此，传统的钻孔灌注桩施工工艺难以在沿海地区地下水位丰富的近岸段实施。本文结合沿海地区某项目在钻孔灌注桩施工过程中采用的护底施工技术，创新性地提出在不进行施工降水的前提下，采用孔底注水的方法，解决钻孔灌注桩在富水砂性土层中成孔困难的相关问题。

1 项目概况

项目实施围堤轴线外侧约20 m范围内施工区域内有一根深海排污管，而滨海综合会展中心等围填海项目(以下简称“本项目”)西侧堤是在城市沙滩东围堤的基础上加高形成的，如不采取相应保护措施，西侧堤施工运行期产生的沉降、偏移所引起的土体变形很可能影响排海管的正常使用。经计算分析，考虑采用隔离桩保护措施。深海排污管与项目西侧堤见图1。

工程区现状主要为浅滩水域，地形由陆域向水域逐渐降低，据测量成果，西侧堤地形西北高、东南低，滩面高程一般在-5.0～ 1.0 m。根据地质勘察成果，70 m深度范围内，地基土层分布比较稳定，浅部地基土以软弱黏性砂土为主，属微透水层，局部分布有松散稍密状粉土，属弱透水层。工程地质条件见表1。

图1 深海排污管与项目西侧堤平面图

表1 工程地质条件

2 方案比选

由于土体压力、地下水位及成孔工艺等多种因素的影响，在钻孔灌注桩施工过程中，孔壁及孔底常处于不稳定状态，随时会出现塌孔。因此，根据场区工程地质条件，选择合适的成孔工艺，并对孔壁及孔底采取相应保护措施，保证成孔后的稳定。

传统的钻孔灌注桩成桩工艺包括干作业成桩和泥浆护壁成桩。

1)干作业成孔时，孔壁主要是依靠土体的自立及圆拱效应而保持稳定。李小青[3]推导了干作业成孔孔壁稳定性的数学模型公式：

(1)

式中：c为土体内聚力；ρ为土的密度；φ为土体内摩擦角；H为桩长；Fs为孔壁稳定安全系数。

可以看出，孔壁稳定性与所处的地质条件及桩长有关。桩长越长，孔壁稳定性越差。而对于砂性土，土体内聚力c为0，则Fs=0。这说明在现场所处的砂性土环境中，孔壁总是不稳定的，在毫无护壁措施情况下，干作业成孔是不可能进行的。

2)泥浆护壁成孔时，泥浆具有稳定护壁的作用，主要表现在隔水膜的形成及泥浆液态静压力。隔水膜的形成要求土层具有一定的渗透性，否则很难在孔壁形成隔水膜。泥浆在离心力作用下浸入土层，在一定范围内泥浆凝胶体粘附在土颗粒上，固定了土颗粒的相对位置，在孔壁周围形成较稳定的土层，使土层抗剪强度增加，从而维持了孔壁稳定。泥浆液态静压力能够对地下水产生超压力，起到稳定平衡作用。

根据李小青推导出的孔壁稳定模型公式，泥浆护壁条件下，要使孔壁稳定，必须满足下列条件:

Pm-Pw≥P0+Pq

(2)

式中：Pm为孔内水压力(或泥浆压力)；Pw为地层水压力；P0为阻止孔壁坍塌所需的支护应力；Pq为孔口地面超载产生的侧压力。孔壁土径向受力见图2。

注：A为孔壁径向力；Pz为圆拱支撑力；Fm为孔内水向孔壁渗流时产生的渗透力；Fw为地下水向孔内渗流时产生的渗透力。

图2孔壁土径向受力

本项目钻孔灌注桩桩径1.0 m，最大桩长18.1 m(孔深<60 m)，内摩擦角为25°～35°，据此计算出静水压力：Pm-Pw=15～20 kPa。

因此，孔内泥浆液面须高出地下水位1.5～2.0 m，方能保证孔壁稳定。实践证明，泥浆密度对保持孔壁稳定起着至关重要的作用。一般而言，泥浆密度越大，孔壁稳定性越好；反之，泥浆密度减小，会使泥浆对地下水的超压力减小，孔底土体失稳的可能性增大[4]。在现场的砂质地层内，泥浆密度不可能过大，由于砂性土密度较小且本身不具备造浆功能，钻进过程中对原状土扰动大，极易出现流砂现象且孔的垂直度不易控制。另外，根据类似工程的实践经验，在此类砂性土层中进行泥浆护壁成孔作业时，经常出现泥浆置换砂层不充分、钻进阻力过大、速度缓慢的问题。考虑到施工现场路面宽度仅7 m，施工作业面狭窄，现场也无法设置泥浆制备及回收设施，不具备采用泥浆护壁施工的外部条件。工程施工断面见图3。

图3 项目西侧堤断面(高程： m;尺寸： mm)

而长螺旋钻孔灌注桩因施工无污染、设备集约化程度高、占地面积小且成桩迅速，采用全护筒护壁后能够有效解决砂性土层成孔孔壁坍塌的问题，成桩质量好，能够更好地适应本项目工况条件。

由于采用了全护筒的施工工艺，在成孔前，先行打入钢护筒，能够形成较稳定的护壁，同时阻隔周围地下水进入孔内，为后续混凝土的灌注提供了良好的先决条件；同时由于全套筒长螺旋钻孔灌注桩施工技术高度集成，钻孔、取土均由一台桩机独立完成，无须额外增加设备，大大减小了施工设备的占地面积。

3 工程试桩

为保证全护筒长螺旋钻孔灌注桩施工工艺能满足设计质量要求，施工前，先进行试桩试验。为此，现场选择在地质条件更差的远岸段进行成孔试验，目的是选择最不利的地方检验工艺的可行性，并为施工提供经验和相关参数。

按照成孔工艺，现场进行了3根试验桩施工。试桩发现，采用全护套筒长螺旋钻孔成孔困难，主要表现为：钻杆外提后，出现孔底涌土，钻杆清孔后，孔深无法满足设计桩长要求。试桩记录见表2。

表2 试桩记录

为验证钻孔至设计桩底高程后涌土现象是否是孔底承压水头作用的结果，现场试桩采取钢护筒钻穿黏土层，保证孔底上部有一定土压力，以抵消承压水头作用。现场施工时将护筒长度加长至22.5 m，钢护筒施钻至地面以下13 m，穿透黏土层。钻杆外提后土样仍为流塑状淤泥质土。测量孔深，涌土3 m左右。1 h后再次测量孔深，涌土4.2 m，成孔失败。结果表明：穿透黏土层后，孔底在两侧土压力作用下向成孔位置快速回淤造成成孔困难。

4 成孔失败原因分析

长螺旋钻孔灌注桩通常只适用于干作业成桩，成桩要求在地下水位以上、无硬夹层或碎石层的土质中，一般不适用于地下水位以下的土层。但受制于现场条件，只要解决好地下水压过高导致的孔底涌土问题，长螺旋钻机就能在高含水率砂性土层中应用。

长螺旋钻机在高含水率土层中施工成孔时，钻头钻进至设计孔底高程并提离孔底，由于孔壁压差，孔底底部的流态土壤和地下水会随着螺旋钻头提离孔底而发生渗流，补给到孔底螺旋钻头提升而留下的空间，带动孔壁的沙粒流入该空间内，并且随着地下水位与孔底的高差增大，渗流的速度加大，带动的砂粒粒径就越大，导致孔壁最后失稳而坍塌[5]。

5 施工方案改进

5.1 施工工艺的改进

为解决全套筒长螺旋钻孔灌注桩施工问题，针对成孔后的实际情况，设计了3种施工工艺，措施及优缺点见表3。

经综合评估工期及成本后，最终决定采用方案2孔内注水的工艺。当螺旋钻头钻至设计孔深后，提离孔底时，通过改制的螺旋钻头向孔底同时注水，保持水面始终高出钻头底部螺旋叶片，直至螺旋钻头提离地下水位面，而后停止注水。由于注水及时地填补了螺旋钻头向上提升而形成的下部空间，平衡了孔底土体的土压力。当注水结束后，由于静水压力对孔底土体的作用，孔底下部土压力得以平衡，消除了孔底土体应力释放后的上涌压力[6]。

表3 3种工艺具体措施及优缺点

5.2 施工机具的改进

采用孔底注水须对长螺旋钻机进行必要的改造，在螺旋钻头底部钻杆上开一个注水圆孔，钻杆内安放一根铁管与该孔焊接连通在一起。在孔外部的钻杆上设置一个可自由起闭的盖板。开始钻进时，盖板盖住注水孔，防止土粒堵塞；钻进至设计孔深钻杆上提时，开始注水，在水压力作用下，盖板开启，向孔内注水。施工机具的改进还能有效解决钻杆上提过程中孔内产生负压导致土体掉落的问题。

5.3 方案改进后的试桩施工

按照上述改进后的方案进行了3根试验桩的施工，该方案重点在于先行打入钢护筒，成孔取土后在20 min内迅速向孔内注水至护筒表面。现场分别选择A2、A5、A9桩进行成孔试验，成孔后每隔5 min对孔深进行测量，至30 min后，实测孔底土体回淤约2.5 m，且成孔后20～30 min孔底土体回淤增长缓慢，回淤量很小，孔深基本不发生变化。因此成孔后注水能够有效解决孔底涌土的问题。试桩孔深记录见表4。

表4 采用方案2孔底注水后实测孔深记录

6 工程桩施工

工程桩施工采用试桩后的改进方案，具体施工步骤为钢护筒压入至筒口距地面0.8 m处，停止压入，螺旋钻杆下钻取土，成孔后钻杆上提取土，同时开始注水。根据设计桩长计算得出孔底注水量约19.5 m3，为确保20 min完成孔内注水，现场选用80 m3/h的潜水泵进行孔内注水，同时将提升钻杆速率控制在0.8 m/min内，保证螺旋钻杆底部始终高于注水水面，直至注水完成。此时用测绳对孔底高程进行测量，应满足孔底深度距筒口不小于20.2 m。若测绳测得数据小于20.2 m，则将孔内水排出，进行二次清孔后，钻杆继续钻至设计桩底高程。护筒内注满水后，在30 min之内灌注水下混凝土，灌注水下混凝土前用测绳对孔深再次测量，若测绳测得数据不满足设计要求，则重复下钻取土。成孔后钻杆挤压出来的杂土及时用高压水枪进行清理。

根据试验桩取得的施工经验参数，改进后的新工艺在整个施工过程中应用顺利，充分发挥了长螺旋钻机施工效率高的特点。施工过程中，只使用了一台长螺旋钻机，85 d便完成了321根桩的施工。经检测，所有桩体全部合格，满足设计要求。其中I类桩307根、II类桩14根，I类桩优良率达95.6%。

7 结语

1)不同的钻孔灌注桩施工工艺适用于不同的地质条件，工程开工前须根据地勘资料选择合适的灌注桩施工工艺。

2)灌注桩正式施工前应通过试桩确定相关工艺参数，并结合地质条件对施工方法进行组合优化。

3)孔底注水施工工艺能解决长螺旋钻机在富水砂性土层中的成孔问题，成桩质量经检测完全符合设计要求，具有操作简单、成本低廉的特点，可供类似工况条件的工程参考。