泥岩条件下的人工挖孔桩施工关键技术研究与应用

顾申申

摘要：本文主要讨论了一种泥岩地质条件下的人工挖孔桩的施工关键技术，该技术通过理论分析，试桩实验及数据总结，对泥岩条件下桩基施工的间歇期、降水情况等多种扰动因素进行探讨，形成了一套泥岩条件下桩基施工的控制措施。

关键词：泥岩;人工挖孔桩;扰动

一、引言

膨胀性泥岩是经过岩石矿物风化，自然搬运，最后沉积作用而成，属于泥质结构，由面层构造而成，它的强度和透水性在不同的方向上有不同的变化。泥岩地质条件在我国分布较广，具有吸水急剧膨胀，产生泥化、软化及脱水开裂、收缩变形等特性，是极软岩的一种。泥岩的膨胀特性对工程的潜在危害是巨大的，在桩基施工过程种，因泥岩的特性发生改变、软化，会引发桩基承载力不能达到设计标准的风险。

为了解决上述问题，通过以合肥离子医学中心工程项目为载体，利用试验深入研究不同因素下泥岩条件桩基施工的影响，总结泥岩条件下的人工挖孔桩施工技术，为后续同类工程提供借鉴与思路。

二、工程背景

（一）项目背景

合肥离子医学中心项目占地面积46214平方米，总建筑面积约33687平方米，地下一层，地上三层，建筑高度为23.2米，其中质子装置区约4200平方米（3个旋转治疗舱、1个固定束治疗舱、1个科学研发室），是项目施工的重点和难点。

质子区精密设备运行对所处建筑环境极为严苛，不仅需保证施工完成后建筑完成精度达到指标要求，同时还需确保建筑沉降在可控范围内，避免随着时间流逝导致的精度降低。BID文件中对建筑沉降控制要求如下：

1）安装有回旋加速器、ESS、BTS和所有治疗室的建筑部分必须被建成为一个刚性结构。不接受伸缩接缝或者单独的楼板。所有治疗室地面和混凝土墙体结构必须是一个整体部分。这是为了保证建筑沉降不会导致单独PTE建筑部分之间产生相对运动;

2）在对PTE进行安装和对齐以后，对于操作PTE产生的建筑最大差别沉降应使用特殊规定，在建筑外壳建筑过程中就必须开始检查沉降特征;

3）超过10m的长度上差别沉降必须<0.2mm（0.008）/年;

4）BDCT有责任按照沉降规定设计建筑物，且在PTE交付之前监控建筑物沉降率。

（二） 施工背景

拟建场地属于江淮波状平原地貌单元，微地貌场地西部为岗地，东部为坳沟，根据勘察报告显示场地地基土构成层序自上而下依次为：杂填土、粉质粘土、粘土、粉质粘土、粉质粘土、强风化粉砂质泥岩和中风化粉砂质泥岩。如下图所示

本工程桩基采用人工挖孔桩的形式，项目共施工人工挖孔桩299根。为了满足沉降要求，人工挖孔桩需进入持力层即⑦中分化层3米，有效桩长≮22m，桩身直径1.2m，扩大头2.4m。

三、泥岩条件人工挖孔桩施工分析

（1）泥岩物理性能分析

泥岩广泛分布于全国各地，强度介于岩与土之间，按工程分类归属于软质岩石。具有质软，节理发育，岩芯多呈碎块状，遇水浸泡后极易风化软化，暴晒后开裂等特征。在建筑物荷载作用下，表现出承载力低、变形大、复杂易变等工程特性。

泥岩本身的岩性因成岩矿物受到当时环境影响，所表现出的性质不同。有黏土质泥岩、粉砂质泥岩、砂质泥岩，不同类型的泥岩。其内部结构、结构连接、颗粒与颗粒之间接触方式、排列特征、胶结物及胶结状态、粒间孔隙大小与形状是不同的，从而致使泥岩力学性质不同。

1）风化损伤作用：泥岩所处的环境不断变化，影响着其物理状态和化学成分，并改变着泥岩的赋存状态。物理风化作用、化学风化作用、生物分化作用间接扰动着泥岩的形态和力学性能;

2）卸荷作用：卸荷引起回弹、拉张、裂隙增大甚至连接贯通，产生不协调变形及应力差，岩体处于剪应力环境并形成剪切裂隙。瓦解了岩体内的结构和强度;

3）水岩相互作用：水与泥岩相互作用通过水岩的力学作用、物理作用、化学作用来改变着泥岩性质。力学作用通过渗透作用对土骨架产生拖拽力，导致土体中的应力与变形发生变化。物理作用表现在水对泥岩的软化与泥化、失水干缩与崩解。化学作用表现在泥岩吸水膨胀、层间吸力变化、PH值变化引起离子浓度的变化、水岩化学作用引起的结构变化;

4）施工工艺：施工工艺不同，如冲击成孔、回转成孔、人工挖孔等，其擾动程度也不一样;

5）时间效应作用：经历了机械扰动、水作用卸荷的扰动，泥岩出现结构再造前的瞬时结构损伤。随时间流逝，结构将逐渐发生次结构损伤。

（2）泥岩条件下人工挖孔灌注桩施工分析

针对泥岩岩性多变、承载力低、遇水易风化软化、暴晒后开裂等特点，制定以下措施降低泥岩条件对桩基质量的损伤。

1）地勘阶段详细对拟建现场土质情况进行勘测，尽量详尽准确的对场地地下情况进行描述，给设计院提供一个较为准确的数据参考;

2）正式桩基施工前进行试桩，对现场土质开挖留样检测，与地勘进行对比，确保数据准确;

3）试桩完成对桩基进行静载试验，确保承载力及沉降要求满足设计要求;

4）桩基施工完毕后需尽快清孔验收浇筑，避免桩底长期暴露改变岩土性能;

5）人工挖孔桩施工至桩底时尽量减少对岩土的侵扰;

6）人工挖孔桩施工时需考虑场地降水，保证岩土性能及施工作业人员安全。

四、人工挖孔桩试验实施

（1）基岩试验过程

原计划在桩孔扩大头完成后进行岩基试验，考虑到1.8m长的扩大端在试验过程中长时间无护筒支护，存在较大安全隐患，故改为先进行岩基试验再进行扩大头施工。为研究地下水对持力层地基承载力的影响，试验过程中3根试桩孔内采取不同程度抽水。

Z1孔开挖至中风化泥岩，具备岩基试验条件。试验装置安装调试完成后，于两日后20：00开始进行岩基加载，第三日23：10开始岩基卸载，第四日1：50完成试验，试验过程中孔内不抽水。

Z2孔开挖至中风化泥岩，具备岩基试验条件。试验装置安装调试完成后，于3日后2：30开始进行岩基加载，第4日8：30开始岩基卸载，第五日11：40完成试验，试验过程中孔内连续抽水。

（2） 试验数据分析

Z1孔实测基岩最大沉降量为11.175mm，最大回弹量9.317mm，岩基承载力特征值为1885kPa，满足设计要求。Z1孔的U-δ（荷载-位移）、δ-lgt（位移-时间对数）曲线见下图。

Z2孔实测基岩最大沉降量为19.531mm，最大回弹量8.296mm，岩基承载力特征值为1885kPa，满足设计要求。Z1、Z2孔的U-δ（荷载-位移）、δ-lgt（位移-时间对数）曲线见下图。

Z1孔、Z2孔的荷载-位移曲线对比见下图。从图中可以看出，加压荷载达到280kN前，Z1、Z2孔岩层沉降值相差不大。加压超过280kN后，Z2孔沉降量显著增大，地基变形呈现明显塑性，最终沉降量较Z1孔增加明显。

五、结论

Z2孔实测岩基沉降较Z1孔显著增大，由以下原因造成：

（1）Z1孔于2017年3月18日开挖到位准备试验，3月20日开始进行试验，基岩暴露时间为2天，而Z2孔3月21日开挖到位至3月24日开始试验，基岩曝露时间为3天。基岩曝露时间越长，基岩强度损失越大。

（2）Z2孔虽然在试验过程中保持连续降水，但在开挖到位至试验前的3天内未能连续抽水，加之3月22日的大气降水，Z2孔泥岩不可避免地发生软化。

（3）由于人挖桩直径仅1.2m，Z2桩孔内设置的集水坑距荷载板较近。宽度300mm集水坑的存在减小了周边地层对基岩的侧向约束，加大了基岩的沉降变形。

（4）根据试验结论，在人挖桩正式施工部署中，扩大头开挖完毕后12小时内应进行一桩一验和混凝土浇筑，即使不满足条件也应该进行混凝土封底或者土方回填覆盖。同时桩基布置应避开集水坑等因素影响。

参考文献：

（1） 李杭州 膨胀性泥岩应力-应变关系的试验研究[J]. 岩土力学，2007，1（1）：107-110.

（作者单位：上海市工程建设咨询监理有限公司）