第４２卷第４期 ２０１５年４月 探矿工程（岩土钻掘工程） Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｒｏｃｋ＆Ｓｏｉｌ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ） Ｖｏ１．４２ Ｎｏ．４ Ａｐｒ．２０１５：６８—７１ 沿海厚吹填土地层桩基缩径的控制研究 邹 明 （赣中南地质矿产勘查研究院，江西南昌３３００２９） 摘要：根据现场桩基成孔缩径情况和成孔检测资料，并依据工程勘察报告技术参数，分析了沿海厚吹填土地层钻孔 灌注桩缩径原因，以及缩径时间与缩径量之间的对应关系，提出了解决厚层吹填土缩径的方法，一是通过添加膨润 土或添加剂，增加泥浆的密度等技术指标，以改善泥浆的固壁性能；另外扩径是另一行之有效的手段，准确控制扩 径量尤为重要。通过现场成孔试验及施工资料，比对分析缩径量与时间的对应关系，找出缩径规律，相对准确地得 出需要扩径量，为实际工程施工提供参考依据。 关键词：厚吹填土；桩基；缩径；钻孔灌注桩；孔壁稳定性 中图分类号：ＴＵ４７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—７４２８（２０１５）０４—００６８—０４ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｐｉｌｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｄｉａｍｅｔｅｒ Ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｉｎ Ｔｈｉｃｋ Ｄｒｅｄｇｅｒ Ｆｉｌｌ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏａｓｔａｌ Ｒｅｇｉｏｎ／ＺＯＵ Ｍｉｎｇ（Ｇａｎｚｈｏｎｇｎａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｄｏ￣ａｎｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，Ｎａｎｅｈａｎｇ Ｊｉａｎｇｘｉ ３３００２９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｉｌｅ ｈｏｌｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ａｎｄ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄａｔａ，ａｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒ— ｉｎｇ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｒｅｐｏｒｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｈｏｌｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｉｎ ｔｈｉｃｋ ｄｒｅｄｇｅｒ ｆｉｌｌ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏａｓｔａｌ ｒｅｇｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｖｏｌｕｍｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｏｌｖｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ，ｏｎｅ ｉｓ ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ ｏｒ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｍｕｄ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔ ｏｔｈｅｒ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｉｎｄｅｘｅｓ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｗａｌｌ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ；ａｎｏｔｈｅｒ ｉｓ ｂｙ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ．Ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ａｍｏｕｎｔ ｉｓ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｏｌｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｄａｔａ，ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ａｍｏｕｎｔ ａｎｄ ｔｉｍｅ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｏ ｆｉｎｄ ｏｕｔ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｒｕｌｅｓ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｃｏｒｒｅｃｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ａｍｏｕｎｔ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒ— ｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｕｃｔｉｒｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｉｃｋ ｄｒｅｄｇｅｒ ｆｉｌｌ；ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｄｉａｍｅｔｅｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ；ｂｏｒｅｄ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｐｉｌｅ；ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ０ 引言 解决缩径与成本适量增加的平衡点，对工程施工有 随着经济的快速发展，土地越来越受到重视，尤 其在拥挤的沿海城市，土地资源更显得弥足珍贵。 着非常现实的实际意义。 １ 孑Ｌ壁稳定性影响因素 钻孔桩孔壁失稳的根本原因是由于钻孔过程破 吹填法作为一种围海造陆的手段，在吹填陆地的同 时还可以疏浚巷道，是解决沿海城市土地资源紧缺 的一种有效经济手段，但同时吹填土的高液限、高含 水率、高压缩性，及低干密度、低强度、低渗透性即 “三高三低”的特性，对桩基的施工、使用和安全产 生很大的影响。 钻孑Ｌ灌注桩以其施工无挤土、环境噪声小、对地 层适应强及承载力高等优点目前大量用于工程 中 ｊ。但在较厚吹填土地层条件下使用钻孔灌注 坏了孔周土体原始应力平衡，孔周边形成应力集中， 孔壁土体受力超过了其强度值，致使土体屈服破坏。 １．１ 天然因素 １．１．１原始地应力 由于天体的引力，地球的自转及构造运动引起 的构造应力导致地壳不同部位出现受力不均衡。当 这些构造应力超过地壳岩石本身的强度时，便会产 生断裂而释放出其能量；反之，便会储存在地壳岩石 中，遇到合适的条件，便会表现出来。研究表明，水 平地应力的各向异性对孑Ｌ壁稳定性具有显著的影 响，当最大水平地应力与最小水平地应力的比值 （ ／Ｏｒ ）越大，孔壁发生破坏的可能性就越大 。 桩进行软基加固处理的施工过程中，由于钻孔过程 破坏了孔周土体原始应力平衡，孔周边形成应力集 中，会出现严重影响工程质量的缩径问题，由此工程 上会采取各种应对技术措施，从而又引发出基础工 程质量保证与工程工期、经济性等矛盾。如何找到 收稿日期：２０１４—１０—２７；修回日期：２０１５一Ｏ３—２３ 作者简介：邹明，男，汉族，１９６３年生，高级工程师，从事地基与基础工程施工技术工作，江西省南昌市西路６５８号，３０６６３０３８８＠ｑｑ．ｃｏｒｎ。 第４２卷第４期 邹 明：沿海厚吹填土地层桩基缩径的控制研究 ６９ １．１．２ 时间因素 艺对孔壁稳定的影响比反循环成孔工艺更有利 。 时间因素包括地层固结时间 和成孔时间。 实验表明软土地层固结的时问与土体强度成正相关 １．２．３附加荷载 主要包括静荷载和动荷载。静荷载主要包括临 近建筑物荷载、施工机械设备及桩孔附近的堆载，由 关系。固结过程即土体排出孔隙水，体积逐渐减小， 抗剪强度逐渐增加的过程。随着固结时间的增长， 上述静力平衡条件公式也可以看出荷载大小与桩孔 的距离对其都有重要影响。 工地附近有公路、铁路、工厂和桩孔附近的行走 机械设备等能对岩土层产生附加动荷，如果施工的 岩土层具有较大灵敏性，如淤泥、淤泥质粘土和粉细 固结度逐渐增加，土的蠕变变形逐渐减小，稳定性逐 渐增加。 成孔时间的长短对孔壁的稳定性有着重要影 响，根据土力学，软土土体具有蠕变特性，随时间的 延长，岩土的变形量会增加，当这种变形量达到一定 砂等地层，在有外界附加动荷情况下，这些岩土层液 程度，会产生孔内缩径甚至局部坍塌。另外，有的土 体经长时间在水中浸泡会膨胀、软化，也会对孔壁产 生较大影响。所以，孔壁稳定还必须满足时间因素 条件。 化而改变岩土原有性质，使其处于流体状或蠕变迅 速加剧，造成孔内缩径或坍塌。。 。 ２ 工程案例 ２．１ 地层概况 １．２人为因素 １．２．１ 泥浆性能 本文工程拟建场地所处地貌单元属滨海海积滩 涂，从区域地质及钻探资料来看，场地上部分布有厚 度＞８０ ｍ的第四系松散沉积物，其中上部４０ ｍ左 右为软土，属河口相和海相沉积物，为淤泥及淤泥质 孔壁稳定性基本条件——静力平衡条件 ： Ｆ＋Ｐ＋ ≥Ｐｏ＋ Ｒｏ 式中：Ｆ——岩土内应力，与岩土性质相关；ＪＰ——泥 浆水头压力，与泥浆重度相关； ——圆环应力，与 钻孔半径相关； ——孔壁岩土的侧压力，与土层参 土，成因时代为第四纪全新世（Ｑ ）；中下部为河流 相、湖泊相沉积物，为粘性土和碎砾石层，成因时代 为中更新世（Ｑ ）。缩径问题主要发生在３～９ ｍ处 数、厚度相关； ——附加压力的传递系数，与土体参 数相关；Ｒ。——地表外荷载产生的附加应力。 的吹填土层，故将以上部吹填土地层为主展开研究。 根据此平衡条件可以看出，要使得桩孔处于稳 定状态，主要通过控制泥浆的重度等参数来达到。 １．２．２施工工艺 吹填土，灰黄色，稍湿，松散状，吹填形成，主要 成分为淤泥，含少量粘性土和粉砂，为新近吹填而 成，时间＜１年，全场分布。淤泥为灰色，流塑状，高 钻孔桩成孔工艺主要有正循环和反循环，在同 等条件下，正循环由于泥浆通过泥浆泵强行压人会 对孔壁产生正压力，而反循环由于泥浆泵对孔内泥 灵敏度，高压缩性，韧性高，干强度高，摇振反应无， 切面光滑，含少量粉砂、贝壳碎片及腐殖质，局部相 变为淤泥质粘土。上部已预压排水，含水量相对较 浆的抽吸会对孔壁产生负压力。正循环钻进成孔工 小，全场分布。具体参数见表１。 表１上部土层参数 ２．２成孑Ｌ泥浆及缩径情况 本次钻进中泥浆工艺采用的是钻孔自然造浆， Ｐ＝ ｈ。附加荷载 只有钻塔和钻杆的重力，但钻 塔底部支架面积较大，附加应力与土体自重应力相 重度 ＝１１ ｋＮ／ｍ 。根据上述静力平衡条件，岩土 内应力Ｆ取土体的抗剪强度，圆环应力 与半径有 关，无具体参数，忽略圆环应力有利于增大泥浆的重 度，对稳定有利，故将其忽略不计。泥浆的水头压力 比较小可忽略不计。孔壁岩土的侧压力Ｐ 按静止 土压力计算： Ｐ０＝ＫｏＴＺ 式中： ——上覆土层重度；Ｋｏ——静止土压力系 ７０ 探矿工程（岩土钻掘工程） ２０１５年４月 数，近似的 ＝１一ｓｉｎｑ￣；ｚ——土层厚度。 为施工指导。扩径超过需要值，则会增加工期，增加 混凝土用量，从而导致工程成本的上升；扩径不够， 由静力平衡条件可知，当Ｆ＋Ｐ＋ｏｒ＝Ｐ。＋ 。 时，孔壁土体处于极限状态，此时的深度Ｚ＝１．０４ ｍ。即在深度１．０４ ｍ以深，土体将逐渐屈服，直至 则达不到预期的治理缩径的效果。故准确的判断扩 径量便显得尤为重要。本文拟根据成孔检测资料， 破坏。工程实际缩径情况见表２。 表２实际成孔缩径情况检测表 ３缩径控制措施 根据场地土层性质及参数结合工程经济性，缩 径控制主要通过３种手段：加长护筒、改善泥浆、钻 孑Ｌ扩径。 ３．１ 加长护筒 护筒控制缩径效果较好，安全可靠，但超过一定 深度，施工难度及成本将成倍增高，本工程缩径主要 在３—９ ｍ深度，下护筒显然不是一种最合适的手段。 ３．２改善泥浆 改善泥浆是一种有效而经济的方法。本项目钻 进过程使用的泥浆是钻孔自成浆，泥浆重度为１ １ ｋＮ／ 。ｍ，根据静力平衡条件计算得，在距地平面以下１．０４ ｍ处，孔壁土体即处于极限状态，向下将发生屈服，直 至破坏，且缩径将沿孔深一直产生。而实测缩径发生 在３～９ ｍ处，计算与实测数据有偏差。分析原因，一 是由于忽略了护筒支撑保护和孔壁的圆环应力，护筒 支撑和圆环应力对计算稳定性有利，导致缩径实际开 始位置与实际有偏差。二是可能由于计算时未考虑 上部淤泥层的固结时间，因为土体的固结与土体的流 变性、触变性、强度等有着密切的联系，固结时间越 长，土体流变性、触变性变小，强度增强。本次施工泥 浆重度偏小，建议可加大泥浆的重度。 ３．３钻孔扩径 钻孔扩径较经济、安全地解决了本次施工中遇 到的问题，但是扩径量的多少并无确定的理论值作 对规定时问的缩径量做出分析，为相对准确的扩径 量提供理论依据。图１、图２为本项目典型桩径变 化与时间关系图。 图１ ０６ＯＯ ｍｍ桩孔孔径变化量与时间关系 【８０ １６０ １４０ Ｉ ２０ 盏㈣ ８０ ６Ｏ ４Ｏ ２０ ０ 图２ ０８ＯＯ ｆｉｌｍ桩孔孔径变化量与时Ｊ司关系 根据上述２个曲线图可看出，缩径发生在钻进 的刚开始，且缩径量较大，最大缩径量达到２７６．５ ｍｍ。缩径曲线斜率增大，表明随时问的增长，缩径 速率在增大，这与土体的蠕变性有关。由上述曲线 可在确定时间计算出缩径大概值，为实际工作的展 开提供依据。如本次施工，从钻孔完成至灌浆结束 大约４ ｈ，在４ ｈ内，设计０６００ ｍｍ的桩孔缩径量最 大达到１６８ ｍｍ，所以可提前将孔径扩至７７０～８００ ｍｍ；设计０８００ ｍｍ的桩在４ ｈ内缩径量将达到 ８７．７ ｍｍ，故０８００ ｍｍ的桩孔可钻至０８７０～９００ ｍｍ。而在遇到意外情况，如混凝土供应不及等，也 可根据曲线将孔径扩大至需要值。由于钻孔扩径相 对其他方案最为简单有效，只要从理论上掌握有效 控制最佳扩径增量，并在实际工程得到验证的情况 下，该方案应成为解决缩径的主要技术手段。 ４结论与建议 由于吹填土的特殊性及其固结时间短，造成其 第４２卷第４期 邹明：沿海厚吹填土地层桩基缩径的控制研究 ７１ 工程性质较差，影响桩基施工质量、工期、安全及经 济性，因此建议采取以下技术措施改善吹填软土地 基地质力学性能。 （１）添加水硬性胶结材料。可在吹填过程中预 添加水泥或石灰等水硬性胶结材料以改善其土力学 性质，尽可能在施工前进行较长时间的预压固结，以 保证施工的顺利进行。 （２）掺填膨润土。掺填膨润土可增大泥浆重 度，能够有效增加泥浆的护壁压力，稳定孔壁，防止 或减少缩径现象，但此法会增加经济成本，成孔施工 中必须综合考虑质量与经济效益关系。 （３）添加外加剂。由于本文工程场地土体的特 殊性，可从理论分析计算出缩径发生的必然性，及本 工程选用的钻孑Ｌ自然造浆重度偏低，需增加泥浆的 重度，并添加一些氢氧化钠（ＮａＯＨ）或聚丙烯酰胺 等泥浆外添加剂既可增加泥浆携渣能力，又能控制 孔壁失水量，减少水分进入孔壁地层使土体软化、流 动造成的缩径现象。同样该法要综合权衡考虑质量 与成本的问题。 （４）预扩径。预扩径是一种简单行之有效的方 法，相比加长护筒及改善泥浆性能，其施工难度小， 技术上操作简单可行，但准确的扩径量，还需通过力 学计算、增加监测频率并完善拟合曲线，从而准确掌 握扩径增量，控制成本增加适量，保证桩基工程总体 取得技术和经济效益最佳平衡点。 参考文献： ［１］王芳，郭进京，郑忠成．吹填土地基处理方法的讨论［Ｊ］．岩土 工程界，２００８，１２（６）：１５一ｌ７． ［２］罗绍明，朱文鉴．大口径钻孔桩孔壁稳定分析研究［Ｊ］．探矿工 程，２０００，（１）：３５—３７． ［３］ 史燕南，俞炯奇，周剑锋，等．吹填淤泥固化室内试验研究［Ｊ］． 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