灌注桩钻孔塌孔实测及孔壁稳定性评价

灌注桩钻孔塌孔实测及孔壁稳定性评价马永峰;周丁恒;张志豪;钱明【摘要】以沿海地区某大型工程钻孔灌注桩地基处理为背景，在典型区域灌注桩成孑L质量实测的基础上，提出了一种新的孔壁稳定或坍塌程度评价参数——塌孔率，建立了塌孔孔径划分标准和坍塌体积计算模型，对塌孔体积与砂层厚度、钻孔深度的相关性进行了回归分析.对塌孔率与砂层平均标贯数、砂土不均匀系数及砂土平均粒径的相关性进行了回归分析.研究结果表明:砂土层是灌注桩钻孔时孔壁稳定的关键;用塌孔率来评价孔壁稳定和坍塌程度是可行且适用的;塌孔体积与砂层厚度、钻孑L深度密切相关;砂层平均标贯数、砂土不均匀系数及砂土平均粒径是灌注桩施工孔壁稳定性及塌孔风险评价的重要指标.【期刊名称】《人民长江》【年(卷)，期】2017(048)019【总页数】7页(P79-84,96)【关键词】灌注桩;钻孔塌孔;坍塌体积;孔壁稳定;沿海地区【作者】马永峰;周丁恒;张志豪;钱明【作者单位】青岛中油岩土工程有限公司仙东青岛266071;中铁第五勘察设计集团有限公司，北京102600清岛中油岩土工程有限公司仙东青岛266071清岛中油岩土工程有限公司仙东青岛266071【正文语种】中文【中图分类】TU443随着国家经济建设的快速发展，对能源需求急速增长，大量的重化工业开始布局沿海。大型石化工程尤其是在沿海地区兴建的大型石化工程，其关键在于地基处理［1-3］，地基处理方法多种多样，常用的有强夯法、钻孔灌注桩、CFG桩及PHC管桩等。沿海地区软土地层条件下钻孔灌注桩钻孔过程中，土体初始平衡遭到破坏，孔壁周围土体应力状态随之变化，孔壁处于不稳定状态，易缩孔、塌孔，造成资源浪费和环境问题［4］。由于软土地区钻孔灌注桩孔壁稳定性受地质条件、泥浆重度、孔隙水压力、孔径、孔深和施工方法等多种因素的影响，其力学机制非常复杂，不确定因素多，故孔壁稳定性成为钻孔灌注桩设计、施工的主要难题。此外，孔壁稳定性是钻孔灌注桩成桩质量和桩基承载力发挥的重要决定因素。因此，对钻孔灌注桩孔壁稳定性进行研究具有重要的经济价值和社会效益。近年来，针对钻孔灌注桩孔壁稳定性问题，一些学者开展了研究。王中文开展了钻孔灌注桩孔壁稳定性影响因素的数值分析研究［5］，研究认为，若无邻近桩基，孔径、孔深、泥浆相对密度、护筒深度及成孔时间是孔壁稳定的主要影响因素；在邻近桩基的影响下，护筒保护和护筒穿越土层的合理深度可将新旧桩基相互影响降到最低。龚辉等基于统一强度理论［6］，在考虑中主应力对孔周土体强度影响的基础上，推导了钻孔初始屈服深度的解析解，并分析了土体内摩擦角、钻孔深度及统一强度参数对孔壁稳定性的影响。研究认为，钻孔初始屈服深度由孔周土体强度和孔内泥浆重力密度共同决定，在实际中应根据实际地层情况和埋深适当调节泥浆重力密度。王云岗等通过Plaxis软件的强度折减法分析了土体性质、泥浆相对密度、孔深、孔径等因素对钻孔灌注桩孔壁稳定性的影响［7］，研究结论为，提高泥浆相对密度可有效地减小缩径量，砂土地基中最小泥浆相对密度应使得泥浆侧压力不小于土体静止侧压力。赵春风等开展了上海某工程钻孔灌注桩试孔的成孔测试［8］，得出了考虑成孔卸荷效应的孔径随时间及空间的变化规律，并对不同土层孔径变化进行拟合，推导出孔径变化公式和反映孔壁稳定性的公式。研究认为，实际拟合中需剔除离散较大的8.6m深度以上淤泥质黏土范围内实测数据，不同土层孔径变化量不同，文中得出的稳定性公式具有较大的实用价值。李林等基于SMP准则改进的修正剑桥模型，采用应力空间变换方法推导了柱孔卸荷收缩问题的弹塑性解答[9]，得出了孔壁临塑支护荷载和孔壁颈缩的解析表达式，并在此基础上，提出了孔壁稳定所需最小泥浆重度和孔壁稳定安全系数的计算方法，对影响钻孔稳定性的因素进行了研究。研究结论为，在泥浆支护条件下，饱和软黏土中孔壁稳定性取决于土体重度、超固结比、土体内摩擦角及泥浆重度等因素，与孔深、孔径无关；超固结比和内摩擦角越大，钻孔稳定的临界支护压力和最小泥浆重度越小，应在保证最小泥浆重度的条件下合理选取泥浆比例。目前对钻孔灌注桩稳定性的研究不多，且多以理论分析、数值计算为主要研究手段，所得出的结论尚需得到实测或试验的进一步验证。本文以该问题为研究导向，在典型区域灌注桩成孔质量实测结果的基础上，提出了一种新的孔壁稳定或坍塌程度的评价参数——塌孔率，建立了塌孔孔径划分标准和坍塌体积计算模型，对塌孔体积与砂层厚度、钻孔深度的相关性进行了回归分析，此外，对塌孔率与砂层平均标贯数、砂土不均匀系数及砂土平均粒径的相关性进行了回归分析。工程占地面积约6km2，建设周期超过4a，投资额超过500亿人民币，其中基础及地基处理费用近20亿人民币，工期1a以上。场区地貌单元为榕江三角洲平原，地形较平坦开阔。根据岩土工程勘察成果，场区地基土主要为第四系人工填土层、第四系全新统的风-水堆积层、沼泽相沉积层、海陆相交互沉积层、第四系上更新统的海陆相交互沉积层、冲、洪积层、残积层以及燕山期花岗岩组成。揭露岩层分别为全风化层、强风化层、中风化层，局部为微风化层。自上而下，场区岩土层分布及其物理力学性质指标列于表1。2.1灌注桩成孔方法及工艺钻孔灌注桩施工采用分离式套管钻机配合旋挖钻机、潜孔锤成孔+旋挖清孔施工工艺，施工设备为全套管分离式钻机（SWMD2512型）、180潜孔锤和南车360型旋挖钻机，具体施工工艺流程如图1所示。2.2塌孔现象工程建于东南沿海与江河堤岸附近，场区地基土广泛分布有海相、湖相及河相复杂沉积层，具有含水量大、强度低、压缩性高及透水性差等特点，灌注桩钻孔施工时出现了沿海复杂富水地基土常有的孔壁坍塌失稳现象（见图2）。3.1实测区域的选择工程场地被划分为5个区域（见图3），选择代表性的B、C区域为灌注桩实测对象，2个区域钻孔灌注桩测点布置如图4所示，每个区域均完成10个点的检测。3.2检测方法、仪器及精度钻孔灌注桩成孔质量采用专用检测设备JJC-1D型灌注桩孔径检测系统，该系统由笔记本电脑（打印机）、JJC-1D微机检测仪、JJY-2型（或JJY-5型）井径仪、电动绞车（JC-1B型）和各种必需的配套装备组合而成，采集对象为钻孔的孔径、孔深、垂直度、沉渣厚度，采集数据后利用函数绘图与数据分析工具对钻孔灌注桩工程施工现场所采集数据进行分析处理与评价。该系统具有测试精度高、数据准确的优点，沉渣厚度检测电阻率测量误差＜5%,垂直度检测测量误差＜±0.1%，深度指示误差＜1%。。3.3实测结果及分析B区灌注桩参数：钻孔深度40-50m,直径800mm。C区灌注桩参数：钻孔深度24m左右，直径600mm。具体实测结果如图5所示，20m以下深度结果差异不大，故图5中未绘制。B区孔径平均值797~838mm，底部沉渣厚度为49-83mm,倾斜度0.49。~0.82。，2~15m间孔径大于800mm，表明砂层至粉细砂层孔径扩大趋势显著；15-35m间孔径趋于800mm,35m以下孔径小于800mm，且孔径随深度增大而减小。C区孔径平均值为609~671mm，底部沉渣厚度49~85mm,倾斜度0.41。~0.81。，2~10m间孔径大于600mm,在10~15m间孔径趋于600mm,15m以下孔径小于600mm，且孔径随深度增大而减小。由图5可知，砂土层是灌注桩孔壁稳定的关键，由于其凝聚力低，钻孔在该类土层不能保持稳定。根据工程地质勘查报告，针对工程地层上部存在以粉细砂为主、局部夹黏土层、厚度超过10m的厚砂层，该类地层具有含砂率大、敏感度高及易塌孔等特点，对孔壁稳定性影响很大，需采取相应的技术措施。在钻进过程中及时观测、调整钻进速度。此外，由于泥浆池中砂性土含量相对较高，导致侧摩擦阻力小和泥浆护壁的黏度较低，在外界附加动荷载作用下地层性质发生改变，土体变为流塑或加速蠕变状态，对孔壁稳定性非常不利。在上述因素影响下，2~15m深度范围钻孔灌注桩出现塌孔现象，影响到成桩质量和工期。灌注桩质量检测方法有单桩静载试验、钻孔取芯法、高低应变动测法及声波透射法，上述方法均无法定量描述和评价钻孔灌注桩孔壁稳定或塌孔程度，本文提出用塌孔率来定量分析和评价单个钻孔灌注桩孔壁塌孔程度，其定义为钻孔塌孔段（见图6）坍塌体积与塌孔段设计钻孔体积之比。钻孔塌孔率计算公式为式中，国为第i处塌孔段坍塌体积；VDi为第i处塌孔段设计直径下体积。由塌孔率定义及计算式可知该参数与孔深无关，可客观反映钻孔灌注桩施工孔壁土体的坍塌程度，适用于每个钻孔。因此，适宜将塌孔率作为塌孔基准变量来定量描述钻孔灌注桩孔壁稳定性或塌孔程度。5.1塌孔孔径划分标准目前，国内外研究未给出灌注桩钻孔塌孔直径的划分标准，根据《JGJ94-2008建筑桩基技术规范》与《GB50202-2002建筑地基基础工程施工质量验收规范》中对钻孔灌注桩孔径允许偏差的规定，将实际直径Di比设计直径。0大50mm的部分划分为塌孔部分，本工程灌注桩施工方法为旋挖法+稳定液护壁，其中B区中钻孔设计直径D=800<1000mm，C区设计直径D=600<1000mm，B、C区中塌孔孔径的划分标准定义为Di>850和650mm。5.2塌孔体积计算模型图7为该工程典型钻孔剖面示意图，钻孔直径检测时沿深度方向间隔距离为125mm，将钻孔简化为N个125mm厚度的圆台(见图8)。由该模型可计算出各层圆台体积Vi和塌孔段坍塌体积AVio钻孔塌孔体积分析计算过程如下。第i层圆台体积为式中，Ah为第i层圆台厚度，Ah=125mm;Xi为第i层圆台上底面直径，mm;Xi+1第i层圆台下底面直径，mm。第i层圆台钻孔设计直径D对应钻孔体积为式中，Ah为第i层圆台厚度，Ah=125mm;D为钻孔设计直径，mm。第i层孔壁坍塌体积AVi计算公式为-nAhD2单个钻孔的塌孔总体积为-D2]式中，Ah为第i层圆台厚度，Ah=125mm;Xi为第i层圆台上底面直径，mm;Xi+1为第i层圆台下底面直径，mm;D为钻孔设计直径，mm。5.3塌孔体积计算与分析根据公式(5)对B、C区钻孔实测数据作批量处理，从而得出各钻孔的塌孔总体积(见表2)。B区实测钻孔塌孔体积为0.5~1.5m3，其中99号较为严重(2.65m3),为均值1.38m3的2倍左右；C区实测钻孔塌孔体积为0.35-0.65m3,37号较为严重(1.6m3)。B区钻孔塌孔体积普遍大于C区，这是因为B区钻孔参数(设计直径800mm，孔深为40~50m）大于C区（600mm,20-30m）。孔深和孔径增大，钻孔对孔壁土体扰动加大，对孔壁土体稳定不利。因此，大直径长灌注桩应加强孔壁土体保护，采取措施防治孔壁土体坍塌。5.4塌孔体积与砂层厚度、钻孔深度的相关性5.4.1塌孔体积与砂层厚度相关性分析以塌孔体积AV为纵坐标，砂层厚度h为横坐标，分别建立B、C区灌注桩塌孔体积与砂层厚度的函数关系（见图9）。坍塌体积与砂层厚度成多项式关系，拟合标准差S分别为0.2823,0.1626，相关系数高度相关。塌孔体积与砂层厚度之间具有显著的非线性关系，塌孔体积随着砂层厚度增加而增大。5.4.2塌孔体积与钻孔深度相关性分析在其他钻孔条件相同时，砂层厚度是钻孔灌注桩施工孔壁稳定性的关键因素。以塌孔体积AV为纵坐标，以孔深H为横坐标，塌孔孔体积与孔深关系散点图如图10所示。钻孔灌注桩孔壁稳定性受孔深影响明显，相同地质条件下，随着孔深增加，钻孔土体的带出对周围土体扰动增大，且卸荷量增大引起竖向与水平向应力差增大，土体内部剪应力增大，导致孔壁坍塌量的增大。根据塌孔率的定义及钻孔塌孔率计算式（式1）可计算出单个钻孔的塌孔率，具体结果列于表3中。除塌孔率外，B、C区砂层平均标贯数、砂土不均匀系数及平均粒径等实测参数亦列于表3中。6.1塌孔体积与砂层平均标贯数关系对塌孔率与砂层平均标贯数进行回归分析（见图11）,B、C区拟合标准差S为0.0311和0.0472，拟合度分别为高、较高，相关关系分别为显著、中度相关。因此，塌孔率与砂层平均标贯数有显著的相关关系，塌孔率随着砂层平均标贯数增大而减小，即砂土层平均标贯数越大，孔壁越稳定。砂层标贯数是反映灌注桩孔壁稳定性的重要勘察指标，且砂层标贯数与土体的物理力学性质紧密相关，将砂层标贯数作为塌孔风险评价指标是有效适用的。6.2塌孔体积与砂土不均匀系数关系对塌孔率与砂土不均匀系数进行回归分析（图12），B、C区拟合标准差S分别为0.0296和0.0473，拟合度高，相关关系分别为显著、中度相关。塌孔率随砂土不均匀系数Cu平均值增大而减小。不均匀系数Cu越小，级配越不好，孔壁稳定性越低；不均匀系数Cu越大，级配越好，粗粒间空隙越被较细粒所填充，土的密实度较好，钻孔孔壁土体强度和稳定性越好。因此，砂层不均匀系数能较为准确地反映钻孔灌注桩施工孔壁稳定性，可作为场地塌孔风险评价指标。6.3塌孔体积与砂土平均粒径关系对塌孔率与砂土平均粒径D50进行回归分析（见图13），B、C区拟合标准差S为0.0296，0.0437,拟合度高，相关关系显著。塌孔率随砂土平均粒径D50的增大而增大，即孔壁稳定性降低。钻孔灌注桩孔壁坍塌实质上是土体结构的破坏，而土体结构的稳定性与粒度成分紧密相关，土体平均粒径越大，其构成的土体骨架结构间隙越大，受扰动时越容易失稳，导致孔壁土体的坍塌破坏。因此，砂土平均粒径也是评价灌注桩施工孔壁稳定性的重要指标。（1）实测结果显示，在2~15m深度范围（砂层至粉细砂层）孔径扩大明显，表明砂土层是灌注桩孔壁稳定的关键，对孔壁稳定性影响很大，钻孔时需采取相应的技术措施，防止孔壁坍塌。（2）塌孔率可以客观反映钻孔灌注桩施工孔壁土体的坍塌成度，适用于每个钻孔，且不受钻孔深度限制，将塌孔率作为塌孔基准变量来定量描述钻孔灌注桩孔壁稳定性或塌孔程度是适用的。⑶坍塌体积与砂层厚度具有明显的二次多项式的非线性关系，坍塌体积随砂层厚度增大而增大。⑷比较B、C区实测结果可知，坍塌体积受到钻孔深度的