硅藻土地質(zhì)的灌注樁成孔技術(shù)研究與分析

匡朝暉 周希泯

摘 要：硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，有細膩、松散、質(zhì)輕、多孔、吸水性、滲透性強及吸附性強的物性。納米比亞集裝箱碼頭工程是世界上首例在此土質(zhì)上建設(shè)碼頭的案例，結(jié)合本工程的經(jīng)驗，詳細闡述灌注樁在硅藻土中的成孔技術(shù)，為以后在該土質(zhì)中灌注樁施工提供經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：硅藻土 成孔技術(shù)

1.研究背景

硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，有細膩、松散、質(zhì)輕、多孔、吸水性、滲透性強及吸附性強的物性。其化學成份主要是SiO2，通常占80%以上，最高可達94%，另含有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5和有機質(zhì)；松散密度為0.3-0.5g/cm3，莫氏硬度為1-1.5（硅藻骨骼微粒為4.5-5mm），孔隙率達80-90%，能吸收其本身重量1.5-4倍的水；化學穩(wěn)定性高，除溶于氫氟酸以外，不溶于任何強酸，但能溶于強堿溶液中。

由于硅藻土具有吸附性強的物性特性，遇水會迅速發(fā)生膨脹，并分解成小顆粒，此顆粒會吸附在物體上面，當灌注樁成孔時，硅藻土一方面容易吸附在泥漿壁上，當澆筑砼時，砼對泥漿壁的擠壓，使硅藻土脫離泥漿壁隨砼的上升，在鋼筋籠與泥漿壁比較窄的地方遇堵后堆積成塊，極易引起鋼筋籠的保護層不足，同時，泥漿中的硅藻土也容易附著到砼中，導(dǎo)致砼出現(xiàn)孔洞。所以研究在硅藻土中的灌注樁成孔技術(shù)具有重要意義。

納米比亞集裝箱碼頭工程是世界上極少數(shù)在此土質(zhì)上建設(shè)碼頭的案例，本工程采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，樁基采用直徑1.3m的灌注樁，鋼筋保護層厚度75mm，樁底標高為-53m～-6 3 m，地質(zhì)情況從上到下為：+2.20m～-17.11m為第一層砂層；-17.11m～-21.8m為第一層硅藻土層，厚度為4.7m；-21.8m～-26.11m為第二層砂層，厚度為4.3m；-26.11m～-45.91m為第二層硅藻土層，厚度為19.8m；-45.91m～-52.51m為第三層密實砂層，厚度為6.6m，-52.51m～-5 6 m為強膠膠結(jié)砂層，厚度為3.5m，-56m以下為巖層。

2.在硅藻土土質(zhì)中成孔需要重點解決的問題

由于硅藻土土質(zhì)的特殊性，在硅藻土土質(zhì)中成孔，重點需解決以下問題：

（1）在開孔過程中減少了泥漿中的硅藻土含量，使硅藻土層和砂層孔壁形成相對密水的泥皮，進而形成相對穩(wěn)定的孔壁。

（2）由于硅藻土吸水膨脹的特性，容易造成附著在泥漿壁上，應(yīng)避免出現(xiàn)由于硅藻土附著在成孔的泥漿壁上，從而造成的灌注樁孔內(nèi)縮徑現(xiàn)象。

（3）增大鋼筋籠和孔壁之間的空間增大，使孔內(nèi)殘留硅藻土在混凝土灌注過程中不容易滯留在鋼筋籠與孔壁之間。

（4）盡量縮短清孔時間，減少硅藻土附著在泥漿壁的時間，同時減少含砂率，減少硅藻土附著在泥漿中砂的數(shù)量，避免在澆筑混凝土至孔中上部時沉積過多的砂和泥漿的混合而使混凝土的頂升力減弱。

3.采取解決問題的重要方法

（1）由于硅藻土化學穩(wěn)定性高，可以采取常規(guī)使用膨潤土作為泥漿開孔，在鉆進至硅藻土層后，由于硅藻土的吸附性，膨潤土和硅藻土結(jié)合，因為硅藻土是無粘性的，從而造成混合物會降低泥漿的護壁性能，所以在穿過硅藻土后需要重新造漿，將孔內(nèi)混有硅藻土的泥漿置換出來，減少了泥漿中的硅藻土含量，重新再次形成膨潤土護壁，在硅藻土層和砂層孔壁形成相對密水的泥皮，減少硅藻土吸水膨脹的特性從而形成相對穩(wěn)定的孔壁。

（2）采用內(nèi)徑為1.5米的鋼護筒，護筒跟進至第一層砂層底標高，混凝土澆筑后護筒不拔出，通過加長護筒和使用直徑為1.4m的探籠掃孔措施，避免出現(xiàn)由于泥皮增厚原因造成的灌注樁孔內(nèi)縮徑現(xiàn)象。

（3）為防止孔內(nèi)殘留硅藻土在混凝土灌注過程中滯留在鋼筋籠與孔壁之間從而造成灌注樁保護層不夠，增大成孔樁徑是必要措施，成孔采用直徑1.44m的回旋鉆頭和沖錘成孔，以確保設(shè)計有效樁徑1.3m，保持原設(shè)計1.15m鋼筋籠外徑不變。

4.灌注樁在硅藻土土質(zhì)中成孔施工流程

如圖1。

5.樁基在硅藻土土質(zhì)中成孔的注意事項

5.1鋼護筒安裝

為降低在鉆進至硅藻土層時，硅藻土對泥漿的污染，從而造成在砂層時，對已形成的泥漿壁破壞，根據(jù)土質(zhì)情況，鋼護筒應(yīng)進入到第一層硅藻土層，即鋼護筒需埋設(shè)至-18m?？紤]到其護筒入土深度較長，與砂層的摩擦阻力大，擬采用先引孔再安裝鋼護筒的方法施工。具體過程如下：首先埋設(shè)一條長度2米、外徑1.6m的鋼護筒作為引孔護筒，回旋鉆機1.55米直徑鉆頭鉆至-15m，進行簡單清孔后移開回旋鉆機，接著在1.6m鋼護筒中心按設(shè)計樁位施打1.5m外徑鋼護筒至-18m， 施打完1.5m鋼護筒后往兩護筒的空隙處回填滿砂，最后拔除1.6m的引孔護筒。

5.2泥漿制備

泥漿使用膨潤土在專門的造漿池中拌制，為提高泥漿的性能，鉆孔過程中需控制泥漿中含砂率不超過8%，主要通過泥漿池循環(huán)和濾沙機除砂兩種方式?？刂瞥煽走^程中泥漿比重不大于1.2g/cm3，澆筑前泥漿比重不大于1.1g/cm3。由于鉆進到硅藻土層時，硅藻土對泥漿形成污染，造成泥漿壁破壞，所以開孔和終孔時需用新鮮的膨潤土泥漿替換掉硅藻土層自身產(chǎn)生的泥漿。泥漿指標詳見表1。

5.3鉆孔

本工程樁基施工采用沖擊鉆和回旋鉆組合成孔工藝，標高-54m以上主要為中砂層及硅藻土層，此段采用回旋鉆鉆孔，標高-54m以下的膠結(jié)砂層需采用沖擊鉆成孔。采用組合工藝成孔，具有成孔速度快，功效較高的特點。

5.3.1回旋鉆鉆進

（1）回旋鉆在中砂層鉆進情況

在中砂層和硅藻土層，采用回旋鉆成孔工藝，回旋鉆頭直徑1.36m，控制鉆孔速率1.5m/h，在砂層成孔過程中，使用濾砂機濾砂。

（2）回旋鉆在硅藻土層的鉆進情況

在回旋鉆進入硅藻土層時，要嚴格控制在硅藻土層進尺速度不大于1.5m/h。為了驗證硅藻土層鉆進速度和硅藻土塊狀大小的關(guān)系，現(xiàn)場進行了試驗，當把鉆進速度調(diào)至2.5m/h，結(jié)果仍未發(fā)現(xiàn)大塊硅藻土浮出。出現(xiàn)的硅藻土塊狀出現(xiàn)增大的情況，塊狀平均直徑2～3cm，當將鉆進速度調(diào)整成不大于1.5m/h時，經(jīng)過多次打撈渣樣未發(fā)現(xiàn)大塊硅藻土塊返出，出現(xiàn)的硅藻土塊狀為1cm～2cm（不同鉆進速度的硅藻土渣樣見圖2、3）。所以控制硅藻土層的鉆進速度極為重要，通過減緩鉆進速度，鉆頭可以對原狀硅藻土層進行了切碎，一部分溶進泥漿，另一部分形成直徑不大于2cm的硅藻土塊隨泥漿排除，可以有效避免了泥漿中存在較大的硅藻土塊，有效規(guī)避后期灌樁產(chǎn)生夾泥現(xiàn)象。

5.4泥漿置換

自從鉆進硅藻土后，孔內(nèi)泥漿的性能降低，濾失量很大，泥皮厚度增長很快。且孔內(nèi)停止循環(huán)時液面減低較快，達到了每小時25cm～30cm，從而說明開孔泥漿在鉆進砂層及硅藻土層的過程中不足以形成有效的護壁。造成硅藻土吸水膨脹及孔內(nèi)護壁增長過快。所以鉆機穿過硅藻土層后，為防止被硅藻土污染的泥漿繼續(xù)對已成孔的泥漿壁產(chǎn)生破壞，必須對泥漿進行置換，置換泥漿采用比重差置換法方法，把新造的比重比較大的膨潤土泥漿從孔底緩緩注入，把稀釋過的比重比較輕的硅藻土泥漿慢慢頂出孔口。置換完成后，孔口會出現(xiàn)非常明顯的硅藻土泥漿與新鮮泥漿的分界線，將界面刮除后孔口出現(xiàn)干凈的新鮮泥漿，達到了置換的目的。

5.5沖擊鉆鉆進

根據(jù)土質(zhì)，-47.78m至-56.14m為密實砂層和強膠結(jié)砂層，該層施工使用沖擊鉆鉆進，沖錘直徑為1.36m。平均鉆孔速率為0.153m/h，砂層鉆進過程全程施工濾砂機濾砂。

5.6終孔檢測

在沖孔到位后，需要對成孔進行檢測，由于硅藻土土質(zhì)的特殊性，施工時務(wù)必要高度重視終孔檢測，以清晰測量孔徑和終孔高程，建議采用超聲波孔徑測量和探籠探孔的測試方法。

5.7清孔及澆筑砼

第一次清孔采用氣舉反循環(huán)法，一方面可以將孔底沉渣清除，另一方面提高清孔效率，減少硅藻土層遇水膨脹破壞新形成的泥漿壁時間。第一次清孔完成后，安裝鋼筋籠歷，再進行二次清孔，可采用正循環(huán)清孔，清完后澆筑砼。

5.8檢測

由于硅藻土土質(zhì)的特殊性，極易造成鋼筋保護層不足的情況，而小應(yīng)變和超聲波檢測具有局限性，難以檢測到保護層的缺陷，可以采用熱異常檢測儀檢測樁基完整性，也可以切開水面以上部分護筒檢查樁頭的混凝土平整，完全與泥漿分離，沒有夾泥的現(xiàn)象，從視覺上驗證上部樁身完整性好。筆者建議采用熱異常檢測儀檢測樁基完整性。

6.結(jié)語

（1）硅藻土土質(zhì)的灌注樁成孔工藝與常規(guī)土質(zhì)的灌注樁成孔存在顯著不同，遇到該土質(zhì)進行灌注樁施工必須高度重視，其中控制鉆進速度、置換泥漿、氣舉反循環(huán)清孔控制措施是保證成孔質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。

（2）控制鉆進速度能有效的避免大的硅藻土塊的形成，從而更容易被泥漿排出，從而減少塊狀硅藻土殘留在孔中。

（3）通過超聲波測孔圖像和探籠掃孔出現(xiàn)的卡籠現(xiàn)象來看，在鉆進至硅藻土過程中，開孔的膨潤土泥漿在孔內(nèi)并不能形成有效泥皮，孔壁硅藻土有吸水膨脹的現(xiàn)象，孔內(nèi)泥漿混合的硅藻土有失水吸附在孔壁的可能，從而導(dǎo)致縮徑現(xiàn)象。

（4）在鉆進硅藻土進入底層土質(zhì)后進行泥漿置換，能有效的把孔內(nèi)的硅藻土排出且重新形成穩(wěn)定的膨潤土泥漿護壁，避免了由于硅藻土的特性產(chǎn)生的縮徑現(xiàn)象。

（5）第一次清孔采用氣舉反循環(huán)法，能很快把孔內(nèi)沉渣及比重較大的泥漿清除與排出，大大減少了清孔的時間，從而縮短了終孔后到混凝土澆筑的時間，減少發(fā)生縮徑的可能。

（6）采用小應(yīng)變和超聲波檢測樁的完整性在硅藻土土質(zhì)中具有局限性，難以檢測到保護層的缺陷，應(yīng)增加熱異常檢測儀檢測樁基完整性。