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        深基坑地下水對鉆孔灌注樁施工的影響及對策

        2013-12-04 11:14:42王文明丁力生梁旭黎王自強(qiáng)
        鉆探工程 2013年4期
        關(guān)鍵詞:承壓水孔壁滲流

        王文明,丁力生,梁旭黎,王自強(qiáng)

        (1.上海廣聯(lián)建設(shè)發(fā)展有限公司,上海200438;2.中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司,湖北 武漢430040;3.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院,河北 石家莊050031)

        為更好地利用地下空間,城市高層及超高層建筑通常設(shè)計多層地下室,而基礎(chǔ)普遍采用樁基。在一些工程建設(shè)中,為了減少鉆孔工程量、降低工程造價,準(zhǔn)確控制樁頂標(biāo)高及平面位置,通常會選擇在基坑開挖后再進(jìn)行鉆孔灌注樁的施工。但對于原地下水位高于基坑底面或樁長范圍內(nèi)遇有承壓水層時,將對鉆孔灌注樁的施工產(chǎn)生極為不利的影響,甚至將嚴(yán)重影響樁基質(zhì)量和施工安全,應(yīng)引起高度重視。

        1 深基坑地下水對鉆孔灌注樁施工的不利影響

        在深基坑內(nèi)進(jìn)行鉆孔灌注樁施工,不僅施工場地受到限制,而且由于地下水的影響導(dǎo)致施工環(huán)境惡化、鉆孔易于坍塌、樁身混凝土質(zhì)量缺陷、樁側(cè)摩阻力降低等。

        1.1 施工場地局限性大、積水和污泥較多,施工環(huán)境惡劣

        深基坑開挖后進(jìn)行鉆孔灌注樁施工時,由于基坑周邊不允許大量堆載,因此基坑內(nèi)不僅要布置鋼筋籠加工場、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、渣土堆場、施工道路等,而且鉆孔、起重、運輸設(shè)備等絕大多數(shù)作業(yè)均需在基坑內(nèi)進(jìn)行。如果基坑面積較小時,基坑內(nèi)的平面布置將相當(dāng)困難,且交叉作業(yè)頻繁,施工條件嚴(yán)格受限。

        同時,基坑內(nèi)排水需鋪設(shè)專門管道,利用水泵排至基坑外。由于深基坑內(nèi)水源較為豐富,如不能及時疏導(dǎo)排除,不僅導(dǎo)致場地泥濘,施工條件惡化,影響安全和文明生產(chǎn),而且長時間積水將導(dǎo)致基坑表面土體軟化,強(qiáng)度降低,鉆孔孔壁易于坍塌,同時也危及基坑安全。

        基坑內(nèi)的水流主要來源于以下方面:

        (1)原地下水位高于基坑開挖面時,基坑外地下水在壓差作用下從支護(hù)體系底端滲透或從坑側(cè)滲漏涌入基坑;

        (2)短時的強(qiáng)降雨導(dǎo)致基坑內(nèi)迅速積水;

        (3)鉆孔施工過程中泥漿池、泥漿循環(huán)管道及鉆孔內(nèi)的泥漿外溢;

        (4)地層中承壓水通過鉆孔、勘探孔、樁身抽心孔等渠道涌出;

        (5)基坑降水排出的地下水流入基坑或通過基坑內(nèi)廢棄井管涌出的承壓水;

        (6)鉆孔施工過程形成的鉆渣在堆放過程中泥漿中水的滲流。

        1.2 土體的原有結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)受到破壞,孔壁易于失穩(wěn)

        由于基坑支護(hù)體系施工、土方開挖、地下水的滲流及突涌等對基坑內(nèi)土體的原有結(jié)構(gòu)造成破壞,土體內(nèi)的應(yīng)力重新分布,鉆孔灌注樁施工時,孔壁易于失穩(wěn)坍塌。

        1.2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)施工的影響

        深基坑支護(hù)體系施工時可能對周邊土體產(chǎn)生一定的影響。如支護(hù)體系設(shè)計為灌注樁或地下連續(xù)墻,且在施工過程中基坑開挖面以下發(fā)生孔壁坍塌,則坍塌范圍內(nèi)土體結(jié)構(gòu)被破壞,回填后的土體松散,在此范圍內(nèi)進(jìn)行工程樁施工鉆孔極易坍塌。

        1.2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及位移的影響

        無論基坑采取何種支護(hù)結(jié)構(gòu),土方開挖在基坑內(nèi)側(cè)卸去原有的土壓力時,在支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)則受到主動土壓力,而在坑底的支護(hù)內(nèi)側(cè)則受到全部或部分的被動土壓力(如圖1)。由于支護(hù)體系的變形使基坑外側(cè)主動壓力區(qū)的土體向坑內(nèi)水平位移,使背后土體水平應(yīng)力減小,以致剪力增大,出現(xiàn)塑性區(qū)。而在基坑開挖面以下的基坑內(nèi)側(cè)被動壓力區(qū)的土體向坑內(nèi)水平位移,使坑底土體水平向應(yīng)力加大,以致坑底土體剪應(yīng)力增大而發(fā)生水平向擠壓和向上隆起的位移,在坑底處形成局部塑性區(qū)。

        圖1 不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力分布

        如基坑底表面以粘性土為主時,隨著基坑暴露時間的延長,由于粘性土的流變性將增大基坑內(nèi)被動壓力區(qū)的土體位移和基坑外土體向坑內(nèi)的位移,而且距離坑邊越近,位移和變形就越明顯?;釉缴?、暴露時間越長,變形速率就越大。

        在臨近支護(hù)體系的塑性影響區(qū)內(nèi)進(jìn)行鉆孔灌注樁施工時孔壁將極易失穩(wěn)坍塌。

        1.2.3 土方開挖的影響

        基坑開挖時,隨著基坑內(nèi)土重的卸除,作用在基坑底面的豎直應(yīng)力變?yōu)榱?,基坑坑底淺部土體由于上部卸荷而產(chǎn)生應(yīng)力釋放。同時,由于土體具有一定的滲透性,如排水不暢時,水會滲入土體內(nèi)部。隨著土中含水量的增加,土的粘聚力將逐漸減小,而水產(chǎn)生的浮托力又降低了土的有效強(qiáng)度,土的內(nèi)摩擦角也隨著降低,導(dǎo)致土體的強(qiáng)度指標(biāo)明顯降低。此時的孔壁穩(wěn)定性明顯降低,樁基施工時易于坍塌。

        1.2.4 地下水滲流的影響

        原地下水位高于基坑底面時,在基坑內(nèi)外水頭差作用下地下水形成滲流。如果基坑支護(hù)體系止水效果良好,滲流將由基坑外側(cè)穿過支護(hù)體系底部進(jìn)入基坑內(nèi)側(cè),滲流方向向上,滲流對土體產(chǎn)生向上的浮托力(如圖2),滲流的作用增加了基坑外側(cè)的豎向有效應(yīng)力,減小了基坑內(nèi)側(cè)的豎向有效應(yīng)力[1]。而且滲流將土體中的微小顆粒攜帶流失,降低了土體的重度,長時間的滲流作用將導(dǎo)致土體粘聚力和強(qiáng)度降低、結(jié)構(gòu)破壞。同時滲流使基坑內(nèi)部和外部的水平位移都有所增大,和滲流方向相同,水平位移也由基坑外部指向基坑內(nèi)部,離支護(hù)結(jié)構(gòu)越近,水平位移值越大。

        圖2 地下水滲流示意圖

        暴雨、長時間的降雨、地下水管的滲漏等是造成滲流的主要條件[3]。滲流導(dǎo)致的基坑內(nèi)土體應(yīng)力集中、土體結(jié)構(gòu)破壞和水平位移的增加都將導(dǎo)致孔壁穩(wěn)定性下降,鉆孔易于坍塌。研究表明,在距離支護(hù)結(jié)構(gòu)H2/2范圍內(nèi)(H2為支護(hù)體系插入土體的深度)滲流的影響最為顯著[4]。

        1.2.5 突涌的影響

        突涌的形成有2種情況,一種是潛水形成的突涌,另一種是承壓水形成的突涌。

        1.2.5.1 潛水突涌

        由于支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷,基坑止水帷幕出現(xiàn)裂縫。如果缺陷部位位于基坑開挖面以下,且上覆土體的自重大于支護(hù)外側(cè)的水壓,則不會發(fā)生突涌,土體處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果在臨近區(qū)域進(jìn)行樁基施工,隨著鉆孔深度的增加,上覆土體的自重將逐漸減小,當(dāng)小于基坑外側(cè)水壓時,潛水滲流形成“短路”,從基坑支護(hù)側(cè)突然涌入鉆孔,導(dǎo)致孔壁坍塌。

        1.2.5.2 承壓水突涌

        如果地層中承壓水水頭高于基坑底面,在樁孔位置,隨著鉆孔深度的增加,承壓水層上覆土體的壓力將逐漸減小,當(dāng)減小到臨界值時,承壓水的水頭壓力沖毀鉆孔底部土層,在鉆孔底部形成突涌,通過鉆孔涌出(如水量較小時,表現(xiàn)為孔內(nèi)泥漿面緩慢上升),導(dǎo)致鉆孔內(nèi)軟弱層坍塌。

        由于突涌具有突發(fā)性和不可預(yù)見性,因此對鉆孔的危害極大,甚至將導(dǎo)致鉆孔的大面積坍塌,嚴(yán)重威脅到機(jī)械和施工人員的安全,也會對基坑支護(hù)安全產(chǎn)生重大影響。

        1.3 樁身混凝土缺陷

        在深基坑內(nèi)施工鉆孔灌注樁,不僅鉆孔難度大,而且對樁身混凝土質(zhì)量也會產(chǎn)生較大影響,甚至發(fā)生斷樁等嚴(yán)重事故。

        1.3.1 地下水滲流的影響

        地下水不僅影響到鉆孔施工,而且對樁身質(zhì)量也將產(chǎn)生不利影響。

        在灌注混凝土?xí)r,當(dāng)混凝土面高于承壓水層后,承壓水在混凝土未凝固前,在樁身或樁周形成滲流通道。承壓水上升時,不斷將滲流通道周圍混凝土中的水泥砂漿沖刷,最后導(dǎo)致樁身周圍或樁心處出現(xiàn)混凝土嚴(yán)重離析、蜂窩等嚴(yán)重缺陷,并存在著往外返水等現(xiàn)象。此滲流通道通常為樁周混凝土與地層的接觸面、或?qū)Ч苤睆接绊懛秶鷥?nèi)、或鋼筋籠主筋周圍等。

        如在承壓水頭高度范圍內(nèi)存在著強(qiáng)透水層,在灌注混凝土過程中,承壓水沖刷混凝土中的水泥砂漿滲透入強(qiáng)透水層中,在樁身或樁心形成混凝土離析、蜂窩、甚至斷樁等嚴(yán)重缺陷,但在樁頂部位樁身混凝土依然完整,對整個建(構(gòu))筑物安全形成極大的隱患[5]。

        潛水滲流同樣對樁身混凝土質(zhì)量存在著影響,但其影響主要是臨近基坑支護(hù)體系的樁基上段。

        1.3.2 孔壁坍塌的影響

        如果在混凝土灌注過程中發(fā)生孔壁坍塌,坍塌程度較小時將形成樁身局部夾泥,嚴(yán)重時將形成斷樁。

        1.3.3 混凝土灌注壓力不足的影響

        當(dāng)混凝土灌注至接近樁頂標(biāo)高時,由于減少了空孔段長度,導(dǎo)管內(nèi)外混凝土的高差變小,且孔內(nèi)泥漿密度較大,因此混凝土灌注壓力不足,導(dǎo)致灌注困難。這時,往往需要采取措施提高導(dǎo)管內(nèi)混凝土高度,利用混凝土的自重將其壓入孔內(nèi),不僅增大了施工難度,而且樁頂混凝土密實度較差,形成氣孔、蜂窩狀缺陷。

        1.4 樁側(cè)摩阻力降低,單樁承載力下降

        在深基坑內(nèi)進(jìn)行鉆孔灌注樁施工時,由于支護(hù)體系施工、土方開挖、地下水滲流、突涌、鉆孔的坍塌等,都將導(dǎo)致樁周土體的松馳、土體粘聚力和強(qiáng)度降低、土體結(jié)構(gòu)破壞,成樁后使樁側(cè)摩阻力降低,單樁承載力下降。

        2 深基坑內(nèi)鉆孔灌注樁施工需采取的措施

        2.1 基坑開挖時預(yù)留一定深度

        基坑在樁基施工前不宜一次開挖到底,而應(yīng)預(yù)留3~4 m,待樁基施工完成后開挖,其目的主要有以下幾點:

        (1)避免泥漿池等開挖時對地下室底板以下土層的擾動;

        (2)增加鉆孔內(nèi)液柱高度和壓力,有利于孔壁穩(wěn)定;

        (3)增加空孔段長度,灌注樁頂混凝土?xí)r導(dǎo)管內(nèi)外壓差增大,混凝土易于灌注,樁頂混凝土密實度較好。

        2.2 合理布置場地

        (1)基坑頂部地面應(yīng)進(jìn)行硬化處理,并在四周設(shè)置排水溝,合理組織地表水的疏導(dǎo)和排放,防止地表水滲入或涌入基坑。

        (2)基坑開挖后沿基坑開挖面周邊砌筑排水溝和集水井,基坑底部應(yīng)及時鋪筑磚渣、碎石等,并碾壓密實,形成濾水層,條件許可時應(yīng)對場地進(jìn)行整體硬化處理,避免基坑底表土體長期浸水軟化。

        (3)泥漿池應(yīng)遠(yuǎn)離支護(hù)體系布置,且必須砌筑后用水泥砂漿抹面,防止泥漿中的水分滲入地層導(dǎo)致土體軟化,影響基坑的穩(wěn)定性。

        (4)基坑內(nèi)施工道路應(yīng)遠(yuǎn)離施工樁位,避免施工設(shè)備行走時產(chǎn)生的振動及附加應(yīng)力對孔壁穩(wěn)定的不利影響。

        (5)大型鉆孔設(shè)備就位時,其底部應(yīng)鋪設(shè)鋼板、型鋼或方木等,以減小設(shè)備的接地比壓。

        2.3 采取有效措施維持孔壁穩(wěn)定

        2.3.1 采取降水措施

        如果條件許可,可通過基坑降水使基坑內(nèi)的地下水位低于基坑底面2 m以深,以保證鉆探時孔內(nèi)泥漿樁的壓力大于地下水壓力20 kPa以上,維持孔壁穩(wěn)定。同時通過降水可降低土體中的含水量,使周圍土體中的孔隙水壓力降低,有效應(yīng)力增大,提高土體強(qiáng)度,維持孔壁穩(wěn)定。

        基坑降水分為基坑外降水、基坑內(nèi)降水、坑內(nèi)-坑外聯(lián)合降水3種方式??紤]到基坑內(nèi)樁基施工的方便性,應(yīng)優(yōu)先考慮基坑外降水。如基坑外降水受到限制,不得不采取基坑內(nèi)降水時,應(yīng)充分考慮到樁基施工的影響,降水井應(yīng)避開樁位,并盡量靠近基坑周邊布置,做好保護(hù)措施,避免樁基施工時對降水井造成破壞。

        2.3.2 增加孔口護(hù)筒長度

        深基坑開挖后,由于基坑外地下水位高于基坑底面,因此基坑外地下水繞過止水帷幕底部進(jìn)入基坑形成滲流,同時支護(hù)樁深度范圍內(nèi)土應(yīng)力發(fā)生了變化,形成了局部塑性區(qū)。為了避免滲流及土應(yīng)力變化對孔壁產(chǎn)生的不利影響,鋼護(hù)筒的埋設(shè)深度應(yīng)超過基坑支護(hù)樁底1 m以上。鋼護(hù)筒應(yīng)采取振動或錘擊方法沉入,不得采用挖埋方法。

        2.3.3 優(yōu)化鉆探工藝

        一方面縮短成孔時間,避免土體蠕變坍塌;另一方面對孔壁土體進(jìn)行擠密,以穩(wěn)固孔壁。可采取多種工藝相結(jié)合的施工方法,如在上部易坍塌段采取沖擊擠密孔壁,對于穩(wěn)定性較好的粘性土或粉質(zhì)粘土采用旋挖鉆進(jìn)以縮短成孔時間等。

        2.3.4 選用優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁

        配備優(yōu)質(zhì)泥漿,在孔壁形成薄而堅韌的泥皮,阻止泥漿中的水分向孔壁中滲透,避免風(fēng)化地層膨脹崩解。同時適當(dāng)增加泥漿的密度和粘度,以提高孔內(nèi)液柱的壓力。采用正循環(huán)鉆探作業(yè)時,泥漿的密度為1.25~1.40 g/cm3,粘度≮25 s。采用反循環(huán)鉆探作業(yè)時,泥漿的密度控制在1.20~1.30 g/cm3,粘度≮20 s。

        2.4 優(yōu)化灌注工藝,提高混凝土的密實度

        (1)混凝土灌注前,必須進(jìn)行二次清孔,以將孔底沉渣清除干凈,避免灌注過程中沉渣與混凝土混合形成樁身缺陷。

        (2)確?;炷恋臄嚢栀|(zhì)量,不得灌注離析或和易性較差的混凝土。

        (3)混凝土的初灌量應(yīng)保證導(dǎo)管底口在混凝土中的埋深≮1 m,以保證樁端混凝土密實。

        (4)混凝土的灌注必須連續(xù)進(jìn)行,盡可能加快混凝土的灌注速度,避免混凝土灌注過程時間過長。

        (5)導(dǎo)管提拔速度不宜太快,拔導(dǎo)管過程中應(yīng)進(jìn)行多次反插,以將導(dǎo)管部位混凝土插搗密實。

        2.5 提高樁基檢測比例,對嚴(yán)重缺陷樁進(jìn)行處理

        樁基完工后,應(yīng)通過低應(yīng)變、超聲波、抽心等方法對樁身混凝土完整性進(jìn)行檢測。當(dāng)?shù)叵滤桓?、承壓水壓力較大、水量豐富時,建議對所有樁基進(jìn)行樁身完整性檢測,并對Ⅲ、Ⅳ類樁采取樁身補強(qiáng)、補樁等針對性措施進(jìn)行處理。

        2.6 通過試驗核定單樁承載力

        基坑底部土層以粘性土為主時,對于摩擦樁或端承摩擦樁,在樁基設(shè)計時應(yīng)充分考慮基坑開挖后由于土體松馳、地下水的滲透和浸泡導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低,樁周摩阻力下降對單樁承載力的影響?;勇懵都氨凰輹r間越長、樁越短,樁周摩阻力下降越明顯,在設(shè)計中應(yīng)引起高度重視。

        對于長時間裸露及被水浸泡的基坑,如果是以摩擦為主的鉆孔樁,應(yīng)優(yōu)先選用沖擊鉆進(jìn)方式,以擠密樁周土體,提高樁周摩阻力。并通過靜載試驗等方法進(jìn)行單樁承載力檢驗,以核定其實際承載力。

        3 結(jié)語

        (1)在地下水位較高或地層中含有承壓水層時,應(yīng)優(yōu)先選擇先施工樁基后開挖基坑的方案。

        (2)在深基坑內(nèi)進(jìn)行鉆孔灌注樁施工時,應(yīng)探明地下水的賦存條件及水量。當(dāng)?shù)叵滤桓哂诨娱_挖面或地層中含有承壓水層時,應(yīng)采取有效措施降低地下水位,避免地下水對鉆孔灌注樁施工的不利影響。

        (3)可通過加長孔口護(hù)筒、縮短成孔時間、擠密孔壁、優(yōu)化泥漿指標(biāo)等措施防止孔壁坍塌,保證鉆孔灌注樁施工的順利進(jìn)行。

        (4)灌注混凝土?xí)r應(yīng)謹(jǐn)慎操作,提高樁身密實度。成樁后應(yīng)提高樁基檢測比例,判斷樁身混凝土完整性,對于嚴(yán)重缺陷樁進(jìn)行處理。

        (5)對于基坑裸露時間長、以摩擦為主的鉆孔灌注樁,應(yīng)優(yōu)先考慮沖擊等方法施工,成樁后通過靜載等方法確定單樁承載力。

        [1]張飛,李鏡培.考慮流-固耦合效應(yīng)的基坑水土壓力計算[J].工程勘察,2011,(2):1 -6.

        [2]許蘭蘭,周深鑫.南京悅慶大廈深基坑支護(hù)設(shè)計與施工[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2011,38(1):55 -58.

        [3]王洋,湯連生,杜贏中.地下水滲流對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上水土壓力的影響分析[J].中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,42(2):107-110.

        [4]龔曉南,高有潮.深基坑工程設(shè)計施工手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.

        [5]寧晉生,郭建國,習(xí)勝強(qiáng).承壓水地層鉆孔灌注樁施工工藝淺析[J].探礦工程,2003,(6):8 -12.

        [6]劉國彬,王衛(wèi)東,等.基坑工程手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

        [7]周紅軍.旋挖鉆進(jìn)技術(shù)適用性的初步研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(8):39 -45.

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