中風化基巖層中建筑樁基成孔控制技術研究

摘 要：旋挖成孔是建筑樁基成樁的重要工序，對保證施工質量，提高施工效率，降低施工成本有重要意義。雖然旋挖成孔工藝已相對成熟，但實際工程中存在各種地質情況差異，容易造成成孔質量及成孔效率降低的情況。基于此，本文通過理論分析對中風化巖層中旋挖成孔機理進行探究，并利用對比試驗分析了泥漿護壁質量、樁底沉渣對成孔質量的影響，并對兩項成孔關鍵工序提出了針對性的控制措施，以提高中風化巖層中旋挖成孔效率及成孔質量。

關鍵詞：旋挖成樁；中風化巖；孔壁穩定性；沉渣控制

中圖分類號：TU 473" 文獻標志碼：A

應用樁基不僅能夠增強地基的抗沉降能力、豎向承載力，還可以有效改善基礎的形式。但樁基成孔質量的優劣嚴重影響樁基成樁質量，從而制約樁基承載性能的發揮。本文通過研究分析旋挖成孔的機理，并對泥漿護壁質量控制技術、樁底沉渣厚度控制技術進行優化分析，形成的控制措施可有效提高單樁承載力、減少沉降，可適用于復雜多變的地質條件。

1 旋挖鉆動靜耦合碎巖機理分析

采用旋挖鉆鉆頭回旋破碎巖土并將其裝入鉆頭內，用鉆機提升裝置和伸縮式鉆桿將鉆頭提出孔外卸土。循環進行這個過程，不斷取土和卸土，直至達到設計孔深。當旋挖鉆機牙輪鉆頭工作時，鉆頭受到上部鉆桿自重、液壓油缸或加壓卷揚提供的加壓力等靜載荷作用。除了靜載荷，還有由牙輪自轉、公轉產生的沖擊載荷。當旋挖鉆破碎齒與孔底交替接觸時，牙輪中心處于最高位置，雙齒接觸時則下降，導致鉆頭在滾動過程中不斷上下交替，產生縱向振動。在實際鉆進過程中，還疊加了孔底巖面不平產生的低頻振動。這種滾動過程中產生的縱向振動使鉆桿柱周期性壓縮與伸張，將彈性能轉化為對地層的沖擊作用，與靜載荷一起形成對地層的沖擊、壓碎作用，這種破巖方式是牙輪鉆頭的主要形式[]。在中風化巖石中，旋挖鉆的動、靜載荷耦合作用加載應是在靜載處于卸載階段時加載[]，可增加巖石的破碎深度和擴大體積。在旋挖施工實際過程中可理解為旋挖鉆筒受到桅桿傳遞來的向下壓力的同時，旋挖鉆筒啟動旋轉鉆進，提高旋挖鉆成孔速率。

2 旋挖成孔控制技術研究

2.1 護壁質量控制分析

2.1.1 泥漿護壁對孔壁穩定性的影響分析

護壁泥漿穩定孔壁的性能主要通過泥漿靜水壓力、泥膜壓力及抑制地層3種方式體現。護壁泥漿密度是泥漿對孔壁產生靜水壓力的關鍵，其主要作為孔內的液體支撐，能起到抵抗孔壁側土壓力和水壓力的作用。泥漿密度越大，對孔壁的支撐性能越好。當樁孔中沒有泥漿時，土體對孔壁的主動土壓力為Pa，計算過程如公式（1）所示。

pa=0.5γH2tg2（45-φ/2）-2cHtg2（45-φ/2） （1）

若Pa=0，則孔壁自立穩定的樁孔最大深度Hss和孔壁穩定系數Fss的計算過程如公式（2）、公式（3）所示。

Hss=4c/[γtg（45-φ/2）] （2）

Fss=4c/[Hγtg（45-φ/2）] （3）

當樁孔內充滿泥漿時，孔壁除受到土體主動壓力Pa外，還受到泥漿靜水壓力Pm作用，其計算過程如公式（4）所示。

Pm=0.5γmH2 （4）

對二者水平作用力求和可得，這個狀態下的孔壁穩定的樁孔最大深度Hss和孔壁穩定系數Fss的計算過程分別如公式（5）、公式（6）所示。

Hss=4c/[（γ-γm）tg（45-φ/2）] （5）

Fss=4c/[H（γ-γm）tg（45-φ/2）] （6）

式中：γ為土容重；c為土體內聚力；φ為土內摩擦角；Pm為泥漿靜水壓力；γm為泥漿密度。由公式（5）、公式（6）分析可知，當樁孔內泥漿密度γm增加時，Hss、Fss均會得到提高，孔壁穩定性得到提高[]。

護壁泥漿在孔壁表面形成的泥膜對孔壁也起到支撐作用，假定泥膜單元滿足屈服條件：（σx-σy）2+τ2 xy=4τm2，在泥膜單元達到屈服條件后，會發生塑性流動。此時泥膜對孔壁的作用力的計算過程[]如公式（7）所示。

（7）

式中：Px為泥膜對孔壁的作用力；H為孔深；d為孔徑；τm為泥漿抗剪強度。由公式（7）可知，泥膜對孔壁的最大支撐力與泥膜形成的位置深度、孔徑、泥膜抗剪強度等都有關系。隨著鉆孔深度H加深，泥膜穩定性增加。當孔徑d增加，泥膜穩定性降低。護壁泥漿的抗剪性能提高，泥膜穩定性也隨之提高。考慮泥漿凝膠作用，泥漿對孔壁穩定性的水平抗力的計算過程[]如公式（8）所示。

（8）

當τm=0時，則得到公式（4）的靜水壓力；a為鉆孔半徑。泥漿對孔壁地質的抑制作用主要依靠泥漿的膠凝性能，泥漿形成的膠凝物質會填充孔壁土體中的縫隙，使松散地層中的巖土體組分間不易發生相互錯動，且泥漿的膠凝作用對巖土體中即將松散脫離的組分具有一定的阻礙作用，從而提高了孔壁巖土體的穩定性。

2.1.2 泥漿護壁質量控制措施研究

混合固相聚合物泥漿的主要組成成分選用黏土和膨潤土，并添加羧甲基纖維素（CMC）來優化泥漿性能[]。通過設置不同固相材料摻入量進行對比試驗，得到如圖1固相材料含量對泥漿特性的影響曲線。當混合固相聚合物泥漿中黏土或膨潤土含量增加時，混合泥漿密度均增加，但兩種固相材料對泥漿密度增幅影響區別不大，且增幅均保持在0.8g/cm-3以內，增幅較為顯著。混合泥漿黏度也隨固相材料含量增加而提升，黏土對混合泥漿黏度增幅的影響比膨潤土更加顯著，最大約為22s。綜合考慮，兩種固相材料對泥漿密度的影響較一致，對黏度影響差別較大，但在泥漿配制過程中還會添加CMC對泥漿黏度進行調節，因此從經濟性的方面考慮，初步選定泥漿配制比例為黏土∶膨潤土=1∶0.81。

基于上述對比試驗結果，在黏土-膨潤土混合泥漿中摻入CMC來調節混合固相聚合物泥漿的黏度。通過設置不同CMC摻入量進行對比試驗，得到CMC對泥漿特性的影響曲線，如圖2所示。CMC摻量對混合泥漿密度幾乎沒影響，基本維持在1.15g/cm3左右，通過黏土或膨潤土的摻量調節泥漿密度。但CMC對泥漿黏度的影響極大，當摻量在3.5g以下時，泥漿黏度保持在20s～30s，當摻量超過3.5g后，基本呈現正相關線性增長。因此在實際工程應用中，將CMC摻入量控制在3g以內，并根據地質情況進行現場微調，即可滿足絕大多數樁基成孔要求。綜上分析在黏土和膨潤土的使用比例基礎上，添加CMC進行泥漿配制比例優化，得到混合固相聚合物泥漿配置比例為黏土∶膨潤土∶CMC≈1∶0.81∶0.18。

2.2 樁底沉渣控制分析

2.2.1 沉渣對樁基承載能力的影響分析

樁底沉渣厚度對樁端承載力和樁側摩阻力都存在影響，通過對比試驗分析不同樁底沉渣厚度對樁端承載力及樁側摩阻力的影響，得到沉渣厚度對樁基承載性能的影響曲線，如圖3所示[]。由圖3（a）可知，在不同沉渣厚度下，樁基樁側摩阻力沿樁深方向的變化規律基本一致，均在14～16m左右達到最大。但隨著沉渣厚度增加，樁側摩阻力明顯變小，由其是當沉渣厚度由0cm增至5cm，再增至10cm時，樁側摩阻力最大值變化趨勢為159.8kPa～142.1kPa～123.6kPa，這個階段中的樁側摩阻力兩次下降幅度達到了11.07%、13.02%。當沉渣厚度達到15cm時，樁側摩阻力的下降幅度明顯降低，約在5.2%左右。由圖3（b）可知，通過單樁承載試驗發現，在不同沉渣厚度下，樁基Q-S曲線變化規律基本一致，當沉渣厚度增加時，樁基的極限承載能力明顯降低。當受到同一強度荷載時，樁底沉渣厚度大的樁基，沉降發生得更快，樁頂沉降量更大，且與0cm→5cm→10cm這個階段相同，變化更加明顯。

沉渣厚度對樁基承載能力的影響并不是單一的，由上述分析可知，沉渣對樁端承載力和樁側摩阻力均存在影響，而樁側摩阻力和樁端承載力均是樁土間相對位移的函數。樁基樁側摩阻力和樁端阻力在荷載傳遞過程中存在互相增強作用，樁端承載力和樁側摩阻力間存在耦合關系，使兩者互相影響、互相促進，在樁底沉積的沉渣厚度超過規范允許值后，將大幅削減樁端承載力，同時也制約樁側摩阻力發揮，進而降低樁基整體的承載能力，同時受沉渣的影響，樁基的沉降也會變大。

2.2.2 沉渣控制及處理措施研究

護壁泥漿配比不當、樁基清孔不到位、首盤混凝土封底不到位都可能導致樁底沉渣厚度增加，為控制沉渣厚度，施工中通常針對這3個工序進行施工控制。①優化護壁泥漿性能：在旋挖濕孔法成孔過程中，優化護壁泥漿配比，提高護壁泥漿懸浮凝絮沉渣的能力，在提高泥漿護壁穩定性的同時，降低泥漿密度，提高泥漿攜渣能力。②嚴控清孔程度：在成孔后及時進行清孔，在混凝土澆筑前，根據沉渣情況進行二次清孔，縮短成孔到混凝土澆筑的等待時間。③采沉渣補強：對沉渣較厚，且清孔難以達到效果的樁基來說，利用壓力后注漿或高壓旋噴法向沉渣中注入膠凝材料，將沉渣填充、凝固、壓實，使松散沉渣凝固形成具有一定彈性模量的整體[8]。

3 結論

本文對中風化巖層中旋挖鉆成樁機理進行分析，并對旋挖成樁過程中兩道關鍵工序（泥漿護壁質量控制、樁底沉渣控制）進行試驗分析，得到以下結論。1）優化旋挖鉆頭布齒形式，優化旋挖鉆頭靜壓荷載及鉆頭旋轉動載的加載時間節點，可大幅提高鉆頭碎巖效率、巖石破碎程度，提高成孔速率。2）在中風化巖層中采用混合固相聚合物泥漿作為護壁泥漿，并添加CMC調節泥漿黏度，可提高護壁泥漿質量，最終確定泥漿配置比例為黏土∶膨潤土∶CMC≈1∶0.81∶0.18。3）樁底沉渣對樁基樁端承載力和樁側摩阻力均存在影響，極易導致樁基沉降增加。通過試驗分析得知，對端承樁來說，應將沉渣厚度控制在5cm以內，對摩擦樁來說，應將沉渣厚度控制在10cm以內，與規范要求相符。

參考文獻

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