武汉碎石土地层中孔壁稳定性分析及护壁措施

赖国梁，田 野,2，陈 国，宋 志，张 涛

(1.中建三局集团有限公司工程总承包公司，湖北 武汉 430070；2.湖北中建三局建筑工程技术有限责任公司，湖北 武汉 430070)

钻孔灌注桩以其较强的适用性在工程桩基、基坑支护等领域被广泛使用。孔壁的稳定性对钻孔灌注桩的成桩质量、施工进度等具有重要影响，施工过程中，地层条件、地下水位、施工设备和方法以及孔深、孔径等因素均会影响孔壁稳定性，同时由于地区的差异性、地层的离散性、施工的不确定性等客观条件，使得钻孔灌注桩的孔壁稳定性分析存在一定难度。

王云岗[1]等采用有限元方法研究土体性质、泥浆密度、孔深、孔径等因素对孔壁稳定性的影响，王中文[2]也对钻孔灌注桩稳定性影响因素进行了分析。温世游[3]等分析不同泥浆比重护壁效果，时仓艳[4]等通过对孔壁应力状态的分析，建立孔壁稳定性计算公式。相关学者从理论和实践的角度对孔壁稳定性进行分析，得出了很多有意义的结论，也提出了很多值得借鉴的研究方法，但钻孔灌注桩孔壁稳定性不仅与土的物理力学性质、地下水位、泥浆护壁等因素有关，还与土体空间特性、边界条件等因素相关。施工过程中孔壁稳定性需要结合具体的工程实际、针对特定的项目进行分析，并根据分析结果采取相应的措施来保障施工顺利进行。本文以武汉三级阶地碎石土地层中钻孔灌注桩施工为例，分析成桩过程孔壁稳定性，研究地下水、孔深、泥浆比重对孔壁稳定性影响，针对孔壁稳定性差、缩径量大等问题，采取有效的措施，本文有助进一步认识武汉剥蚀堆积垄岗地貌三级阶地碎石土工程特性，可为类似地层施工提供经验借鉴。

1 工程概况

图1 场地平面位置示意图

如图1 所示，工程位于武汉经济技术开发区硃山湖以南，鄂江左线堤上路以北处，工程占地面积15.6 万m2，设置二层地下室，基坑开挖深度11.25m，涉及钻孔灌注桩支护段长度约200m，基坑距离红线约11m，红线外为通行道路。结合周边环境、考虑工程进度要求，钻孔灌注支护桩桩径1.0m，间距1.5m，桩长16m，同时场区部分工程桩采用桩径0.8m 钻孔灌注桩，整个工程涉及到大量灌注桩施工。

1.1 地质条件

根据勘察资料，场地涉及灌注桩支护主要为第四系中更新统冲洪积（Q2al+pl）黏性土及碎块石土。岩土特征如下：①杂填土，杂色，局部以褐红色含砾黏土为主，稍湿-湿，松散，主要由砖渣、碎石、混凝土块及砂、砾等混少量黏性土组成，局部见褐红色硬土块，土性差异大，堆填时间不足10 年；②碎块石土，褐黄色，饱和，中密，碎、块石成分主要为石英、遂石、砂岩等，多呈棱角-次棱角状，砾径多大于20mm，可见大于110mm 的大块状及短柱状岩芯，含量一般大于60%，充填物为硬塑状黏性土，碎、块石多被黏性土包裹，碎、块石排列无规律。钻探中在砾石块径较小时取样进行颗粒分析，其粘粒含量20%～90%。层中偶见较纯的黏土夹层。

1.2 水文地质条件

场地地下水主要有上层滞水和岩溶裂隙水。上层滞水赋存于①层填土层中，主要接受大气降水补给，以大气蒸发方式及向周边地势较低段渗流排泄。其中表层①-1 层杂填土主要由砖渣、碎块石等组成，孔隙丰富，雨后地表水极易下渗，勘察期间降水时该水位面接近地面。④-2层虽为碎、块石土，但碎、块石均被硬塑状黏性土包裹，其透水性差、富水性弱，均为相对隔水层。勘探采取套管隔止上层滞水方法，在④-2层中均未见孔隙水。但场区紧邻硃山湖（灌注桩施工期间水位约17.0m），不排除在局部区域富含孔隙承压水的可能。当该层埋深较浅，基坑开挖、桩基和抗浮锚杆等施工时可能会导致地下水突涌。

2 孔壁稳定性分析

2.1 分析模型与参数

本文采用Plaxis 2D 有限元软件进行数值分析，选取典型剖面按平面应变考虑，土体本构模型选用莫尔-库仑模型，地层参数见表1，因地层多为老黏土碎石土地层，强度参数取总应力参数。

表1 岩土物理力学参数

2.2 干作业成孔孔壁稳定性

图2 干成孔分析模型及地层

图3 孔深对孔壁变形影响

由于场地主要为武汉剥蚀堆积垄岗地貌三级阶地碎石土，地层渗透系数小，基本可视为隔水层，勘察中也未见自由表面孔隙潜水，考虑孔内取土为干土，不考虑地下水影响，建立分析模型如图2 所示。计算得到不同成孔深度下缩径位移如图3 所示。计算表明，各成孔深度下，成孔0～4m 内缩径量较大，孔段4m 往下，缩径量趋于平缓，随成孔深度的增加，上部缩径量有所增大，成孔阶段最大缩径量约为1cm，且主要发生在孔段顶部。根据成孔缩径量曲线，可考虑采取4m 左右护筒保证孔壁稳定。干作业成孔孔壁稳定性主要依赖于土拱效应，对于碎石土，其黏聚力及内摩擦角均较大，在无地下水影响下，可提供较大的圆拱支撑力以满足孔壁稳定性要求。随成孔深度的增加，破裂楔形土体范围不断加大，孔壁侧向卸荷量随之增大，缩径量也相应增加。计算表明，钻孔灌注桩施工中干成孔作业基本可满足孔壁稳定性要求。

2.3 渗流对孔壁稳定性影响

部分地段旋挖钻进至约8m，突遇渗流地下水（图4）。地下水向孔内快速流动，会对孔壁土体产生超孔隙水压力，进而导致孔壁的不稳定。为预判地下水渗流影响，防止发生塌孔、埋钻、超方等不利影响，利用有限元方法，考虑地下水流动作用，分析渗流条件下孔壁稳定性，由于地下水流动对土体内部生成超孔隙水压力，孔隙水压力会转换到变形分析中，最终以缩径的形式进行体现。

图4 渗流对孔壁影响模型示意及孔内渗流照片

计算表明（图5），随开挖深度增大，缩径量总体上不断增加，不同于干成孔中最大缩径量位于桩段上部，由于地下水渗流影响，最大缩径量位于渗流水面以下，约位于成孔中间部位，其最大缩径量约为3cm，即最终成孔直径增大0.3cm，与之对应充盈系数为1.06。考虑到孔壁多为碎石土，为武汉长江三级阶地垅岗区土质，天然埋藏条件下承受较高前期固结压力，一旦开挖暴露极易产生卸荷裂隙或干裂隙，如水分侵入，土体强度将迅速下降，发生崩塌、边坡失稳或增加对支护结构的压力[5]，同时本场地碎石土中多为老黏土，高岭石含量较高，具有一定的膨胀性，失水干缩、遇水膨胀。根据现场成孔情况，遇地下水渗流后，孔壁不断有土块掉入孔内，渗流进入孔内地下水在孔中形成自由水面，严重影响成孔施工。随开挖深度的增加，孔壁持续产生垮土现象，将孔内水位引排至孔外后，孔内水位很快得到补给，并加大塌孔的发生。为防止发生埋钻，同时考虑到后期超灌量大，不利于工程成本控制，基于渗流对孔壁稳定的不利影响，干成孔作业己不适用于渗流条件下的施工。

图5 渗流对孔壁变形影响

3 护壁处理措施

场区主要以碎石土为主，距北侧朱砂湖约为250m，虽勘察中未见孔隙水，但根据区域水文地质条件推测部分地段可能存在孔隙承压水，实测朱砂湖水位约为18m，场地桩顶标高约为28m，场地外围无管网等地下构筑物，经现场多个桩位试钻，均存在地下水影响，综合研判孔内来水为地下孔隙承压水，为此将成孔工艺改为注浆护壁成孔。泥浆采用膨润土造浆，外购膨润土进行造浆，膨润土泥浆的重量配比为：水∶膨润土∶cmc∶纯碱=100∶10∶0.3∶0.4，其中cmc 和纯碱的比例有一定增加，目的是为了增加新制泥浆的黏度，更有效形成泥皮，达到护壁效果。新制泥浆主要性能要求：比重1.15～1.25，黏度20～30s，含砂率≤4%；针对试桩地层情况，如需进一步增加泥浆比重，可在泥浆中掺入一定比例重晶石粉。泥浆经高速搅拌机搅拌不少于4min，并经1d 时间达到完全溶胀后方可使用。为确定合理的泥浆护壁参数，灌注过程中记录灌注量，并计算成每米桩长方量，如图6 所示。

图6 泥浆护壁试成桩灌注方量曲线

根据现场实测记录，试验孔1 初始泥浆比重1.15 时，灌浆充盈系数达到1.4，且超灌主要位于6～9m 孔段，水泥用量大大超过设计规定，为此试验孔2 将泥浆比重提高至1.21，充盈系数减少到1.16，超灌主要位于8～14m 孔段；为进一步减少充盈系数，泥浆比重提高至1.24，黏度达到22s，最终灌浆充盈系数约为1.04，7～9m 孔段略有超灌，满足设计要求。后续成孔参照试验孔泥浆比重和黏度进行护壁，基本可达到顺利成孔的目的（图7）。

图7 成孔钢筋笼下放图

4 结论

本文以武汉三级阶地碎石土地层中钻孔灌注桩施工为例，分析成桩过程孔壁稳定性，根据相关分析及现场施工验证，得出如下结论。

1)武汉三级阶地碎石土地层在无地下水影响下，孔壁稳定性较好，通过设置短护筒，可以满足干作业条件下顺利成孔。

2)应注意孔隙承压水对武汉三级阶地碎石土地层孔壁稳定性影响，由于地下水渗流作用，使土体产生超孔隙水压力，同时伴随土体强度下降，容易产生塌孔、垮土等现象，为减少埋钻风险，同时避免充盈系数过大造成施工成本增加，干成孔作业不适用碎石土地层渗流条件下施工。

3)经多个桩位成孔试验，采用泥浆护壁，泥浆比重1.24、黏度22s，最终灌浆充盈系数1.04，可满足设计及施工要求。