深基坑地下水對鉆孔灌注樁施工的影響及對策

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(jì)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(jià)，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(shí)，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(shí)，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(yùn)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)可能對周邊土體產(chǎn)生一定的影響。如支護(hù)體系設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，隨著基坑暴露時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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)榱悖涌拥诇\部土體由于上部卸荷而產(chǎn)生應(yīng)力釋放。同時(shí)，由于土體具有一定的滲透性，如排水不暢時(shí)，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(shí)的孔壁穩(wěn)定性明顯降低，樁基施工時(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(gè)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(shí)將形成樁身局部夾泥，嚴(yán)重時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)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(diǎn):

(1)避免泥漿池等開挖時(shí)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(shí)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(shí)鋪筑磚渣、碎石等，并碾壓密實(shí)，形成濾水層，條件許可時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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?？刹扇《喾N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(shí)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(jiān)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)。

(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(shí)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(shí)。

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(shí)，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(bǔ)強(qiáng)、補(bǔ)樁等針對性措施進(jìn)行處理。

2.6 通過試驗(yàn)核定單樁承載力

基坑底部土層以粘性土為主時(shí)，對于摩擦樁或端承摩擦樁，在樁基設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)間越長、樁越短，樁周摩阻力下降越明顯，在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起高度重視。

對于長時(shí)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(yàn)等方法進(jìn)行單樁承載力檢驗(yàn)，以核定其實(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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。

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