滨海地区淤泥质地层软土钻孔灌注桩质量控制研究

王雪燕

（中铁十二局集团第三工程有限公司，山西 太原 030000）

随着国家环保意识的增强，淤泥质地层软土基坑开挖的难度也逐渐变大。因软弱土区地质结构特殊，基坑支护结构设计不合理，容易导致支护结构水平位移变大、周围地表沉降和基坑底部隆起，对基坑稳定性、周围设施的安全和正常运行造成严重影响[1]。针对软土基坑开挖过程中的问题，为避免单一支护结构难以满足工程需求，现有的围护结构多采用深层搅拌桩、钢板桩、地下连续墙和钻孔灌注桩等，由此进一步提高淤泥质地层建设工程在技术层面的合理性、安全性和经济性[2]。该文以滨海地区为例，从淤泥质地层软土区域着手，进行钻孔灌注桩的施工研究，通过该方式，保证基坑整体结构的稳定性，使建设项目在投入使用后更经济、合理。

1 工程概况与土层分段成孔划分方案

该工程项目位于A市滨海地区，根据建设用地划分范围，结合工程施工要求，该工程项目在施工中的用房设计为钻孔灌注桩施工，设计施工条件见表1。

表1 钻孔灌注桩设计施工条件

与其他项目相比，该项目所在地的地下水位较高，对应的基坑持力层位于淤泥质地层，地层中分布大量软土，非常不利于施工[3]。同时，该工程项目的工期较短、设计总桩数较多、桩位相对密集且业主方对工程的质量要求较高，因此，在综合分析后发现，该项目的施工难度较大[4]。

为提高施工中钻孔灌注桩的一次成孔率，保证成桩质量，正式施工前需要进行试成桩，并分析工程项目所在地的土层对成桩质量是否存在影响及影响程度[5]。根据现场勘察和调研，将工程项目所在地的土层划分为5个区段，内容见表2。

表2 土层分段成孔划分

对土层进行划分后，发现距离地表5m～12m处存在不利土层，包括淤泥质土层和粉质黏土层。当钻孔灌注桩通过不利土层时，出现孔壁塌陷、直径减少等问题[6]。粉土层分布在距地表17.5m～25.3m处。当钻孔灌注桩桩身穿过时，由于钻进速度缓慢，需要花费很长的时间，因此很容易出现塌孔等问题。

在进一步分析项目所在地综合地质情况的过程中发现，该工程对应的部分长桩端部结构位于最不利的土层（砂层），当钻孔施工作业时，由于地质结构较为特殊，因此会出现因塌孔的情况，从而导致底部沉渣过厚。为解决该问题，施工准备完毕后，在正式施工前，需要对成孔质量进行试钻孔，通过该方式采集相关数据以便及时处理后续施工中出现的多种不良地质问题。当项目施工现场进行试成孔时，应根据具体情况，对工程桩进行合理选型，根据该工程的实际需求，所选的工程桩桩径为600mm，桩长为40m。当现场准备时，所使用的泥浆须为原土造浆，将浆液的含砂率控制在小于 8%，确保施工前的准备工作符合技术规范。

2 稳定性分析

2.1 基坑稳定性分析

淤泥质地层软土基坑发生失稳现象的特征如下：边墙和护墙整体滑动，护墙的上半部分向外倾，下半部分向内倾，地面向上抬升、地表下陷。针对该现象，必须对工程的整体稳定性进行分析和计算，因此，引进圆弧滑动面简单条分法，计算淤泥质地层软土基坑整体稳定性的安全系数，如公式（1）所示。

式中：K代表淤泥质地层软土基坑整体稳定性安全系数；c代表土体黏聚力；Li代表土条底面面积；i代表第i个土条；q0代表地面均布荷载；b代表土条宽度；W代表土条重力；θ代表土条底面倾角；φ代表内摩察角。

公式（1）对应的计算模式如图1所示。

图1 淤泥质地层软土基坑整体稳定性计算模型

2.2 支护结构踢脚稳定性分析

在单轴体系中，踢脚失效的主要原因是以该体系为中心的旋转不稳定，如果体系为多轴体系，就有围绕该体系底部的旋转发生踢脚失效的可能性。计算踢脚安全系数，如公式（2）所示。

式中：K1代表踢脚安全系数；Mp代表图中对应的内侧B点力矩；Ma代表外侧BD区段中，主压力条件下B点力矩；Ep代表被动土压力；ht代表下层支点与底部的距离；hd代表支护结构嵌入深度；ea，b代表B点主动土压力；ea，d代表D点主动土压力。

公式（2）对应的计算模式如图2所示。

图2 踢脚稳定计算模型

3 滨海地区淤泥质地层软土钻孔灌注桩施工

3.1 钻孔、清孔和钢筋笼施工

在钻探过程中，须科学控制钻探速度，从坚硬的岩层向松散的岩层钻进，可以适当提高钻探速度。在软岩向硬岩转化的过程中，应采用低压、低速钻井的方法。孔底所受的钻井压力不能超过钻杆、钻头和压块总质量的60%，可减少或避免打斜、打弯等情况。钻探开始阶段，钻孔的速度不能过快，在钻孔深度4.0m内，应该达到2m/h。后续应该达到3m/h。在覆土层中，必须随时进行降压钻井，根据钻井液中的钻井液含量，定期检测钻井液中的钻井液参数，并及时调节其浓度。当钻到设计深度后，可以让钻机空钻不进，然后使其喷出稀薄的泥浆，这样可以使更浓的泥浆从孔内排出，当泥浆密度降至1.15～1.20时，可以开始提钻，并用测绳测量孔深。当出现特殊情况时，必须将钻头向上提起，以免被埋没。对出现的井眼塌陷和进尺异常等问题，要认真地观察和分析，找出原因及出现问题的位置，采取相应的措施。

清孔的重点是清理残渣和淤泥。残渣是当钻头切割时，孔壁上掉落的砂砾、碎石等。沉积物是密度大、稠度大的劣质泥浆，经过长期的空洞沉降，会形成流塑状混合物，沉积会在桩的底部形成一种软弱的夹层，会破坏其端承力。可以采用下循环成孔，气举反循环成孔的方法清理沉淀物。采用换浆的方式，将钻头提起20～30cm，再进行循环，使钻头的泥浆表面保持距地下水1.5～2.0m以上，避免出现塌孔现象。当清井作业时，要注意控制水头，定期检查泥浆参数，参数符合要求后，立刻施工。在此基础上再放入钢筋笼，尽量减少混凝土浇筑过程的施工时间和沉降量。

分段完成钢筋笼的施工，分段长度参考钢筋笼整体刚度和钢筋长度等。为保证保护层的厚度符合需求，钢筋笼上应设置保护层垫块，设置数量不少于2组，当长度大于12m时，应在中间增设1组。每组配筋不少于3组且应均匀布置在同一截面主筋上。在钢筋笼的吊装、运输和安装过程中，必须采取有效的措施，避免钢筋笼产生变形，因此起吊点应设置在加固筋的位置。

3.2 水下混凝土施工

按照建设部的规范设计混凝土配合比。在施工前，必须进行试配，在施工过程中，试配后的混凝土强度要比设计桩高15%～20%。坍落度为16～20cm，砂率为40%～45%，水泥的用量为380kg/m³，最大用量为500kg/m³，须保证其良好的和易性和流动性。坍落度损失要符合灌浆的需要。在该基础上，混凝土的初凝固时间应该超过常规浇筑时间的2倍。

水下浇筑是保证成桩质量的重要环节，浇筑前必须做好各项准备工作以保证浇筑过程的连续性和紧密性。单桩灌浆时间不应＞8h。浇筑时，其填充系数不应小于1，也不应大于1.3。浇注混凝土管道的内径应该根据桩的直径和每小时的灌注量决定的，通常来说，管道的直径为200～250mm，管道的壁厚度为3mm。第一段底部管道的长度应该大于4.0m，标准段的长度为3m。当水下浇筑时，可采用混凝土浇筑，其强度在C20以上。外部形状应该均匀平滑且要用橡皮垫起来。

在浇筑混凝土的过程中，所有管道都要安放在孔洞的中央。管道底部与孔底的距离以能放掉隔水塞和混凝土为准，通常约50mm[7]。在管道中应该用金属丝连接防水塞。在浇筑前，必须用0.1mm³～0.2m³的水泥浆，按1∶1.5的比例浇筑后才能浇筑混凝土。当初始浇筑足量的混凝土时，可以切断隔水塞上的绑扎钢丝，将其浇筑到孔底。当混凝土浇筑完成后，管道的初始灌注量应该能确保管道的埋深在0.8～1.3m，管道内外的水泥柱压力相同。

4 施工质量控制

4.1 施工前准备阶段的质量控制

施工前，须对设计图纸、施工计划进行逐层交底，并检查原材料的质量。在旱地或筑岛的位置，将护管与坑壁间压实，护管与桩身中心线的偏差不能超过40mm，倾角不能超过1%，高度应该高于地面0.3m或水面1.0～2.0m。根据设计需要和水文地质条件确定护筒的埋深，在干地和筑岛的位置，一般要高于杂填土的埋深0.2m，在黏粒土壤中不能低于1m，在沙粒土壤中不能低于1.5m，并使钻孔中的泥水平面高于地下水1m。受冲刷作用的河道，其下陷深度应＞1.0～1.5m。

4.2 施工中的质量控制

在施工中，从轴心控制点开始测量桩的位置，并核对桩的对中，选择多个角度核对砂轮的平整度。在钻探的过程中，要经常检查钢轨的垂直度和砂轮的平面度，如果有偏差，要及时修正。

根据试成孔技术参数进行钻井，并针对不同的地层条件，进行泥浆密度试验。在浇筑混凝土前，必须检测混凝土的塌落度确保其符合要求。检查井中管道的长度和到井底的距离。漏斗填满混凝土后，切断漏斗中的钢丝，并将防水栓塞进地面混凝土中[8]。必须降低浇筑速度，并减少管道埋设深度。施工中土体的竖向应力计算如公式（3）所示。

式中：σcz代表土体在竖直方向上的应力；z代表基坑的深度；γc代表坑壁上方土体的等效容重。当σcz的增量接近或达到软土的天然地基承载力特征值时，支护结构会因持续增加的沉降量而出现失稳情况。结合地基沉降的理论依据计算总沉降量，如公式（4）所示。

式中：S（t）代表地基的总沉降量；Sd代表地基瞬时产生的沉降量；Sc（t）代表地基排水固结沉降量；Ss（t）代表地基欠固结沉降量。当土体沉降从最初的弹性变形转变为塑性变形时，坑壁支护结构会不均匀沉降，进而产生破坏性问题。结合上述计算结果，在施工过程中，控制沉降和控制定位放线的精度可以有效提高施工质量。当定位放线时，先计算各桩位的坐标点，再通过测绘提供的三个控制点定位各桩结构。在桩位点上插入短的钢筋棍进行定位，同时在点位上明确标记。每个点位的桩机就位后，还需要用全站仪复核，使用不同的控制点可以避免一个点出现误差或重复操作的问题，保证施工质量。当护筒埋设施工时，护筒中心与桩位中心的偏差不能超过50mm，护筒应与地面成90°，周围需要用黏土回填并夯实。完成扩孔工作后，还需要拆除扩孔器，再进行成孔施工。

4.3 施工后的质量控制

质量检验可以检查成桩后的承载力是否满足设计要求。用钻芯法、动测法、声波透射法、射线法和静载试验等方法检验桩的结构完整性和承载力。与其他方法相比，静态加载法更直观，得到的数据也更有说服力。而动态测量方法可以利用声波速度来测量桩体的完整性和桩长，测量结果的误差通常为±3000mm。

5 结语

随着建设项目覆盖范围逐渐扩大，越来越多的人开始重视开发地下空间。随着工程建设与改造的不断深入和建设项目的复杂程度不断增加，基坑工程也呈现逐年增多的趋势。尤其在软土地层施工中，由于地类地层的土体剪切强度较小、渗透系数较小、含水率高和压缩系数较大，导致软土所在地的建设工程难度变大。我国属于沿海国家，在沿海、长江、湖泊、河流等地区，有大量淤泥质软土地层。随着城市用地日益紧缺，施工方对淤泥质地层的地下空间进行大量开发与利用。由于淤泥质地层的周边环境十分复杂，因此，施工中的安全问题就显得尤为重要。

针对此问题，该文进行研究，希望为淤泥质地质环境或特殊地质环境的桩基施工积累经验。