高水位粉砂性土地層中的預降水對圍護樁施工影響探討

杭州經濟技術開發(fā)區(qū)建設工程質量安全監(jiān)督站 杭州 310018

1 概述

杭州下沙及濱江等區(qū)域，屬錢塘江沖海積平原，地表及深層土體具有明顯的粉砂性地質特征。經筆者調查了解，杭州下沙及濱江地區(qū)的絕大部分工程地質，至少地表以下20 m以內，除厚0.3～3 m的地表雜填土層外，基本上都是砂質粉土；地表20 m以下，除局部的黏質粉土、淤泥質黏土、粉質黏土層外，基本上也都是粉砂、礫砂土層，巖層埋深普遍較深。不僅如此，這些區(qū)域的地下水也非常豐富，地下水位高，一般在地表以下2～3 m。

盡管如此，當?shù)毓こ添椖康膰o樁采用鉆孔灌注樁的情況依然普遍存在。經筆者對近2 年下沙及濱江地區(qū)在建工程實際施工情況的了解，高水位粉砂性土層中的鉆孔灌注圍護樁施工普遍存在成孔難度高、易坍孔、樁身縮頸等成樁質量問題：

（a）成孔難度高[1]。鉆孔灌注樁大都采用泥漿護壁施工工藝，但由于表層的砂性土質（尤其砂質粉土）顆粒粒徑小、地下水位高，土地穩(wěn)定性較差，加之不可避免的施工振動，即便采用膨潤土進行泥漿護壁，仍不時發(fā)生坍孔、埋鉆等現(xiàn)象，大大增加了成孔的難度[2,3]。

（b）坍孔現(xiàn)象明顯，影響實際樁身長度。對于已成孔的灌注樁，下鋼筋籠后的清孔階段，隨著泥漿相對密度的降低，砂性土質在飽和水狀態(tài)下破壞了泥漿護壁所形成的張力平衡，導致普遍的坍孔現(xiàn)象[4]。不少工程項目都在基坑開挖后發(fā)現(xiàn)圍護樁普遍存在局部樁身變大等問題，就是后期坍孔所造成的。

（c）縮孔現(xiàn)象普遍、鋼筋籠外露較為普遍。對于已成孔的灌注樁，下鋼筋籠后的清孔階段，隨著泥漿相對密度的降低，若孔內壓力小于孔洞周邊水壓力時，受地下水壓影響，孔洞明顯收縮，最終導致成樁縮頸現(xiàn)象[5]。近2 年內，筆者遇到十多個項目的圍護樁普遍在基坑開挖時發(fā)現(xiàn)圍護樁鋼筋因縮頸而被土體包裹。

而圍護樁的樁身質量問題則直接關系到基坑安全，尤其隨著城市建設的不斷發(fā)展，多層地下室日趨普遍[6-8]。因此，如何提高高水位粉砂性土層中的圍護樁成樁質量，具有十分重要的工程意義。

2 粉砂性土層的特點分析

按照國內現(xiàn)行標準規(guī)范規(guī)定，工程上一般將粒徑大于0.075 mm的顆粒質量超過總質量50%的土定義為“砂土”，其中，又將粒徑小于0.005 mm的顆粒質量不超過總質量10% 的粉土定名為“砂質粉土”。砂性土質，尤其砂質粉土主要為江河湖海相沖積而成，廣泛分布于華東沖洪積平原、河流三角洲、沿海平原等地區(qū)。粉砂性土層主要有以下特征：

（a）滲透性強，易于液化。粉砂性土質中的黏性顆粒含量一般較少，砂粒含量高，由于砂性顆粒的存在，因此土層滲透性遠高于黏性土質。而且在飽和水狀態(tài)下，富有大量自由水，由于砂粒之間的粘結力小，因此強度較低且易散化（相對固結狀態(tài)下），搖振反應迅速、易液化，在外力或水頭壓力下具有明顯的流砂、液化管涌等傾向。

（b）固結特性明顯。粉砂性土層在工程上表現(xiàn)出很好的排水固結性能。從當?shù)卮罅康墓こ虒嵺`情況來看，砂性土質尤其砂質粉土，在降排水后，土體能夠很快固結而且固結強度高、后期沉降變形量小，自立高度可達2～4 m；如無降雨等外部因素的影響，排水固結后的砂性土，自立時間也比較長。

（c）力學性能受含水量的影響比較明顯。飽和水狀態(tài)下，砂性土質的力學性能大為降低（相對固結狀態(tài)情況而言），在水頭壓力下，砂性土質不僅在水的作用下大大降低土體力學性能，而且砂性微細顆粒也在水頭壓力作用下被水流帶走，情況嚴重時造成流砂、管涌、土體坍塌等工程質量問題。

正是由于粉砂性土層具有上述幾個特征，導致該地質條件下（尤其高水位情況下）鉆孔灌注圍護樁施工存在前述若干問題，為基坑安全增加了不少隱患。

3 預降水對提高圍護樁施工質量的機理分析

高水位粉砂性土層中的地下水對粉砂性土體的力學性能有著較大影響，因此該地質條件下，要提高鉆孔灌注圍護樁施工質量，關鍵在于如何降低地下水位。工程預降水，是一項先通過降水手段降低地下水位后再進行鉆孔施工的質量保證措施。工程預降水對提高圍護樁成樁質量的原因，主要在于預降水后，成孔孔洞周邊的水位大為降低，而孔內水位基本沒有變化，加之泥漿護壁的作用，孔洞周邊的砂粒能夠保持平衡而不再坍落。以孔洞周邊的顆粒為受力單元（圖1）分析如下：

圖1 孔洞周邊砂粒受力示意

孔洞周邊的砂質粉土顆粒主要受三種力：一是孔洞內水壓力，二是孔洞外地下水所造成的壓力，三是顆粒自重。當孔洞內外水壓力比較接近時，砂質粉土顆粒主要為自重發(fā)揮作用，考慮到施工振動不可避免以及飽和水作用下，顆粒散化明顯，施工所造成的孔內水波動很容易帶動顆粒而突破泥漿護壁層的包裹作用，從而造成縮孔、坍孔等問題。

反之，若孔洞內水壓力明顯大于周邊的地下水壓力，在孔洞內水壓力差（無論孔壁顆粒是否在降水范圍內）的作用下，孔壁顆粒則受到向外的水平壓力，并在自重及周邊土體顆粒的共同擠壓下，而不至于向孔內收縮。這種情況下，泥漿護壁不僅像一道屏障一樣防止孔洞內水向孔外擴散，而且在孔洞內外水壓力的左右下，泥漿護壁層更加牢靠；此外，孔外預降水范圍內的土體，因砂性土固有的排水固結特性，孔壁周邊土體的力學性能和土體穩(wěn)定性大幅增加。因此從理論上講，不再容易發(fā)生縮孔、坍孔等現(xiàn)象。

通過以上分析，不難看出，高水位粉砂性土層中，提高鉆孔灌注樁的成孔質量，關鍵在于如何控制樁孔內外的水壓差，這也是工程預降水措施能夠產生較好效果的根本原因。受篇幅限制，本文不再從理論上推導孔內外水壓差值。當然由于每一工程地質情況的差異性，不同項目的理論水壓差或多或少有所差異。但就工程實踐情況而言，筆者認為，杭州下沙及濱江區(qū)域內的工程，若能保持孔洞內外水位高差10 m左右，則基本上能滿足鉆孔樁成孔質量的要求。

4 工程實踐效果

杭州下沙某工程2 層地下室（局部3 層），圍護樁采用鉆孔灌注樁。起初部分圍護樁在施工時存在著打樁速度上不去、成孔質量低等問題。后在筆者的建議下，由建設單位組織勘察、設計、施工等單位主要人員，專題研討如何確保高水位粉砂土層中圍護樁成樁質量，并一致認為：

第一，該工程地表以下25 m范圍內均是粉砂性土（雜填層除外）且地下水位較高；在飽和水作用下，砂性顆粒趨于散化而大為降低其力學性能。鉆孔樁施工難度以及此前存在的施工質量問題，根源在于工程地質為高水位粉砂性土層，難以發(fā)揮泥漿護壁的作用。

第二，根據工程勘察報告，粉砂性土層具有很好的排水固結性能；因此只要能減少鉆孔樁孔洞周邊土地的含水率，并保持孔內水位穩(wěn)定，就可使周圍土體中的孔隙水壓力降低，有效應力增大，從而提高土體強度、維持孔壁穩(wěn)定。

基于以上兩點，該工程最后確定采用預降水鉆孔施工措施，施工單位在圍護樁施工之前，按圍護施工圖紙的要求對基坑周邊先行布置井點降水，預降水3 d后再進行圍護樁施工。采用降水措施后，圍護樁施工進展順利、成樁速度基本穩(wěn)定在每天2 根樁；土方開挖階段發(fā)現(xiàn)，凡采用降水措施進行施工的圍護樁，樁身質量大為提高，除個別樁身截面略有縮小外，均能保證樁身質量，效果較為明顯。

5 結語

從該工程實踐情況來看，預降水除有利于提高鉆孔灌注樁樁身質量外，還可利用地下水輔助鉆孔作業(yè)，在實現(xiàn)合理循環(huán)利用地下水資源的同時降低了施工成本。同時工程實踐情況也表面，保證打樁期間孔內外水壓差的穩(wěn)定性也十分關鍵；筆者認為孔洞內水位高差變化應控制在0.5 m以內。

當然除采取預降水措施外，為了保證成孔質量和打樁效率，采用黏性較高的膨潤土進行泥漿護壁仍然十分必要。此方法對其他類似項目也具有一定可借鑒的意義。