临近河道高填方下钻孔灌注桩泥浆稳定液比重控制.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER67第 40卷第 1期0 引言钻孔灌注桩使用的护壁泥浆稳定液一般由水、黏土（膨润土）和外加剂按比例掺配组成，常用的添加剂主要有碳酸钠、石棉、羧甲基纤维素（CMC）、干锯末、聚丙烯酰胺絮凝剂等一些纤维质物质，泥浆的比重是在 4时同体积水与泥浆的重量之比1。钻孔灌注桩在进行钻孔施工的时候，由于需要钻孔的土层比较松散（或者打孔时扰动了钻孔周围的土体，又或者土体的自稳能力比较弱），造成桩周土层在土压力的作用下，向孔内塌孔，若不采用泥浆护壁，桩孔周围的土体就会跌入钻孔内，造成堵塞，无法成孔2。泥浆对孔壁的静压力以及在孔壁上形成的泥皮可以有效地防止孔壁坍塌或剥落，并维护成形的孔壁3。泥浆护壁的原理：对泥浆护壁受力分析可得，在水平的方向上，护壁受两个力：桩周土体对护壁施加的土压力（向内）；孔内泥浆对护壁临近河道高填方下钻孔灌注桩泥浆稳定液比重控制张峻宾，陈官正，罗光能（中国水利水电第十四工程局有限公司贵州二堡路项目经理部，贵州 贵阳 550000）摘要：在贵州地区河道地基土中广泛分布着复杂的沉积层，此类土层通常有含水量高、强度低的特点，在此类土层中施工灌注桩基础时孔壁失稳坍塌问题较为突出，一般来说钻孔灌注桩孔壁的稳定性与成桩质量有直接关系，在施工中一般采取控制泥浆比重的办法来平衡地层中的水土压力，维持钻孔灌注桩孔壁稳定。以贵州双龙航空港经济区二堡路特大桥临近河道高填方下的桩基施工为例，分析在该地质条件下泥浆比重控制的要点。关键词：钻孔灌注桩；孔壁稳定性；泥浆；比重控制中图分类号：U443.15+4文献标识码：B文章编号：1006-3951(2024)01-0067-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.01.017Control of Mud Stabilized Liquid Density for Drilling and Grouting Piles under High Fill Areas near RiverZHANG Junbin,CHEN Guanzheng,LUO Guangneng(POWERCHINA SINOHYDRO ENGINEERING BUREAU 14 CO.,LTD.,Guizhou Erbao Road Project Management Department,Guiyang 550000,China)Abstract:Complex sedimentary layers are widely distributed in the foundation soil of river channels in Guizhou region,which usually have the characteristics of high water content and low strength.The problem of hole wall instability and collapse is more prominent when constructing cast-in-place pile foundations in such soil layers.Generally speaking,the stability of the borehole wall of a bored pile is directly related to the quality of the pile.In construction,the method of controlling the mud density is generally adopted to balance the water and soil pressure in the formation and maintain the stability of the borehole wall of the bored pile.Taking the pile foundation construction of the Erbao Road Extra Large Bridge in the economic zone of Shuanglong Airport in Guizhou as an example,this paper analyzes the key points of controlling the mud density under this geological condition near the high fill of the river channel.Keywords:bored pile;hole wall stability;mud收稿日期：2023-11-09作者简介：张峻宾（1999-），男，白族，云南大理人，技术员，主要从事市政施工管理工作。*68云南水力发电2024 年第 1 期的压力（向外），只有当=的时候，护壁才会稳定4；由于向钻孔内部的力在固定的深度，受地质情况及水压等不一，但大小是基本可以确定的，所以泥浆护壁的重点，就是调制护壁泥浆的密度，从而使泥浆产生的向钻孔外部的力大于等于。1 工程概况贵州贵阳双龙航空港经济区二堡路道路建设工程二堡路西段规划为城市主干路，主要功能为贵阳龙洞堡机场货运通道，同时兼顾周边地块服务。线路与二堡路南段及建设大道相交，为减小货运车辆与社会车辆的交通交织影响，西段主线设置高架桥（二堡路特大桥），保证直行快速通过，并与下沉式设计的建设大道主线形成三层菱形立交。大龙滩河原河道位于建设大道左侧，因地块规划原因改移河道至建设大道右侧，原河道上方因西路辅道填筑形成高填方区，二堡路特大桥第 16-24 号承台桩基位于大龙滩河河道高填方区内，桩基穿过高填方区，进入河道软弱地层结构，桩基桩径为 1.8 2 m。大龙滩河原河道高填方区填方高度在 13 30 m，该场区内地质条件复杂，属于云贵高原溶蚀-侵蚀型低中山和高原溶丘洼地地貌区，场地地貌起伏较大，自然坡度在10 29之间，地表受溶蚀侵蚀作用较强烈；桥区内根据地勘资料显示，在施工的123个钻孔中，有 22 个钻孔见溶洞，钻孔遇溶洞率为 17.5%，部分钻孔揭露溶槽，溶洞、裂隙呈串珠状、廊道状，洞高约 0.5 6.1 m，洞内无充填粘土充填，埋深在 0 10 m 的溶洞有 6 个，10 20 m 的溶洞有 11 个，20 30 m 的溶洞有 5 个。二堡路特大桥桩基采用冲击钻施工，泥浆护壁工艺。在施工期间，由于高填方区沉降固结时间短，且无有效的加固补强措施，高填方区桩基容易出现漏浆和塌孔，在桩基穿越高填方区进入河道软弱地层后，软弱土层通常具有不均匀性，且存在较多溶洞，桩基成孔困难。同时施工场区河网密布，地下水较浅，对孔壁产生的静水压力较大，在施工进程中冲击钻也会对桩周地层产生强烈的扰动，因此在二堡路特大桥第 16 24 号承台桩基钻孔时更加容易出现塌孔、漏浆等问题，寻求合理泥浆比重改善桩基成孔时的孔壁稳定性问题成了二堡路特大桥的施工关键。2 钻孔灌注桩孔壁稳定性原理2.1 建立孔壁稳定性的力学分析模型根据相关研究表明孔壁稳定性与成孔后灌注的桩基的竖向承载力紧密相关，而且会直接关系到施工能否正常进行，如果孔壁稳定性出现问题，有可能会威胁到施工人员的安全。但是孔壁的稳定性和多种因素有关，主要从孔径、孔深、地下水位及泥浆容重等客观因素出发，通过有限元数值分析软件分析上述因素对孔壁稳定性的影响，模拟泥浆护壁，确定泥浆防塌孔的合理参数，为二堡路特大桥桩基施工提出指导。2.1.1 参数选择模拟钻孔灌注桩钻孔受到的主要荷载土体自身重力及地下水的孔隙水压力，不考虑施工机械等因素的影响，设土体的各层均为均质各向同性的弾塑性体，这样就可以反映出钻孔灌注桩孔壁稳定性的一些普遍性规律。根据二堡路特大桥的地勘报告，得到土体材料属性见表 1。表 1 土体模型参数表土层密度/（g/cm）压缩模量/MPa泊松比粘聚力/kPa内摩擦角/粉质黏土1.95.360.3010.822.6淤泥质粉质黏土1.823.720.3410.620粉砂1.928.700.32.630.9淤泥质粉质黏土1.753.780.3611.017.3粉质黏土与粉土互层1.855.290.34.423.6淤泥质粉质黏土1.804.070.3410.419.4粉质黏土1.824.430.3612.322.3粉质黏土混粉土1.805.060.316.024.5粉土1.878.200.292.728.8细粉砂1.9513.180.262.331.92.1.2 模型建立在土木工程中有限元仿真软件应用广泛，由于模型的复杂程度和软件的功能不同，各个软件张峻宾，陈官正，罗光能 临近河道高填方下钻孔灌注桩泥浆稳定液比重控制69都有自己的侧重点，根据综合考虑本次研究使用ABAQUS 有限元分析软件对钻孔灌注桩孔壁稳定进行仿真分析。采用自动平衡法，利用单元生死的方法分段的移除来模拟钻孔灌注桩成孔进程，同时施加静水压力，模拟不同泥浆比重护壁的效果。有限元模型如图 1 所示。式中：土层竖向应力；r土层径向应力；z土层环向应力；c土的粘聚力；内摩擦角；水的重度；m泥浆重度；l地下水位埋深；z钻孔深度。根据上述应力状态式可知，保持钻孔时内部土层不发生坍塌破坏要满足上述式中的要求，所以就得到了钻孔时所需要的泥浆容重范围要求6。2.3 泥浆比重对孔壁稳定性的影响规律分析研究泥浆比重对孔壁稳定性影响的相关规律主要采用数值模拟分析法，即控制钻孔直径为1 800 mm，钻孔深度为 20 m，其他施工条件不变，以 1.10、1.12、1.14 的泥浆比重进行钻孔模拟分析，结果如图 2 所示。由图 2 及泥浆护壁原理分析可知，泥浆比重图 1 孔壁稳定性有限元模型图2.2 土层应力平衡分析根据土层极限平衡条件，结合开挖时孔壁内部土层环向应力、径向应力、竖向应力三者之间的关系，可以知道钻孔时土层发生坍塌破坏的应力条件。按莫尔一库仑破坏准则来判别，当存在一定厚度的泥浆护壁时，地层应力的极限状态分以下 3 种情况5。1）当 z r时，则孔壁内部土层的极限应力平衡状态式为：（1）2）当 r z时，则孔壁内部土层的极限应力平衡状态式为：（2）3）当 z r时，则孔壁内部土层的极限应力平衡状态式为：（3）?图 2 不同比重的泥浆对孔壁影响的横向位移变形曲线图对孔壁稳定性影响较大，当稳定液的比重减小时，对孔壁的径向液体压强会减小，对孔壁土体起到的支撑作用也会随之减小，进而导致孔壁稳定性降低7。2.4 地下水埋深对孔壁稳定性的影响规律分析由于该工程场地位于临河，地下水位埋深较浅，这样就导致地下水对孔壁的净水压力作用较大。本次模拟为了更好地分析地下水位埋深对孔壁稳定性的影响规律，根据单一变量原则选取不同地下水位埋深进行模拟钻孔并分析其孔壁的稳定性。首先建立土体模型，设置重力荷载并且设置 3 种不同的地下水位埋深条件分别为 1 m、70云南水力发电2024 年第 1 期2 m、3 m。分别在这 3 个模型中开挖 1 800 mm 直径的钻孔，设计钻孔深度为 20 m，分别计算出地下水位埋深为 1 m、2 m、3 m 的工况下钻孔孔壁横向位移变形曲线，如图 3 所示。?图 3 不同地下水位埋深影响下孔壁横向位移变形曲线图从图 3 可以看出，随着地下水埋深的增加，孔壁位移变形呈现下降的趋势，但当孔深较深时，地下水的静水压力对孔壁的影响较小。2.5 孔壁稳定性的力学分析模型结论孔壁的土体受到的作用力有土体开挖卸荷产生的应力重分布和地下水产生的静水压力，还有孔内的泥浆或稳定液提供的静水压力8-9。卸荷产生重分布的应力和地下水的静水压力等会导致孔壁坍塌，泥浆或稳定液提供的孔壁侧向压力会与导致孔壁坍塌的力平衡，来提供孔壁的稳定性。钻孔灌注桩孔壁受力分析模型如图 4 所示。根据弹塑性力学的基本原理，结合二堡路特大桥钻孔灌注桩施工场区内地质条件，建立了孔壁稳定性的力学分析与评价模型，作为确定孔壁稳定性的弹塑性力学平衡条件与失稳评判依据。分析结果表明，当孔径一定，孔深越大，桩孔横向变形也越大，特别是桩孔底部土层；当钻孔深度在 15 20 m 时，孔壁的横向位移较为明显，根据二堡路特大桥地勘钻孔资料显示在此深度范围内多为淤泥质粉土或粉土，抗剪强度差，在上部填方荷载压力影响下，土层横向变形大，这一深度范围为钻孔施工重点控制层；当孔深一定时，增大泥浆比重，则孔壁的横向位移变小，说明泥浆比重加大能稳定孔壁；当孔深较深时，地下水的静水压力对孔壁的影响较小。3 泥浆制作根据上面的分析结果开始泥浆制作，在不同的地层中应控制不同的泥浆比重：黏性土中，可以使用原土造浆形成护壁，并控制泥浆比重在1.1 1.3 范围，达到设计高程后，钻头保持空转不进尺，循环换浆，控制泥浆比重在 1.1 左右；砂土或夹砂层（较厚时）中，控制泥浆比重在1.2 1.3，清孔后保持泥浆比重在 1.15 1.25；砂卵石层或易坍塌的地层中（填筑层），泥浆比重加大至 1.3 1.5，清孔后同样保持泥浆比重在 1.15 1.25；泥浆的质量控制指标：粘度 18 22s、含砂率不大于 8%、胶体率不大于90%；清孔后泥浆比重保持在 1.15 1.25，粘度 28s，含砂率 10%。在桩基清孔完成后灌注水下混凝土前要再次检测孔底沉淀厚度，二堡路特大桥承台桩基为端承桩，沉渣厚度不得大于50 mm，清孔后检测不合格要重新清孔。总之在钻孔灌注桩施工过程中合理的选用与调节稳定液的比重极为重要，合适的泥浆稳定液比重可维护孔壁的稳定，但过大的泥浆比重就会形成较厚的泥皮，泥皮韧性又较低，反而会引起孔内缩径、坍塌，泥皮的存在也将影响桩基土侧摩擦阻力发挥作用。?图 4 钻孔灌注桩孔壁受力模型图张峻宾，陈官正，罗光能 临近河道高填方下钻孔灌注桩泥浆稳定液比重控制714 结束语综上所述，二堡路特大桥承台桩基成孔过程中，根据路基高填方土及河道沉积层的不同性质来选择合适的泥浆稳定液比重，并随施工进程持续控制，维持了钻孔孔壁土体力的平衡，减少了塌孔、漏浆等事件的发生，保证了施工质量及进度，顺利完成了施工任务。在这个过程中形成一套完整的施工技术和管理经验，从而掌握该领域的核心技术。参考文献：1张嘉鑫，贺可强，丰占海，等.沿海地区大孔径钻孔灌注桩施工孔壁稳定性数值模拟研究J.工程建设，2016,（5）:04-12.2 周哲泰，季超，温德康.冲击型钻机在特高.基础施工中的应用 J.电力与能源，2017,（3）:156-158.3李岩.钻孔灌注桩常见施工质量问题及防治措施J.中小企业管理与科技（上旬刊），2012,（3）:149-150.4崔壮壮.长三角近前缘地区钻孔灌注桩孔壁稳定与竖向承载性能研究D.徐州：中国矿业大学，2020.5杨超，王晓龙，商博明，等.非匀质砂层钻孔桩孔壁稳定性和施工工艺优化研究J.市政技术，2023,（6）:75-81.6刘明继，吕映碧.钻孔灌注桩质量控制J.云南水力发电，2022,38（10）:151-154.7张嘉鑫.复杂富水地基土大型钻孔灌注桩孔壁稳定性评价及加固方法研究D.青岛：青岛理工大学，2015.8杨德兵.大孔径孔灌注桩孔壁致塌影响因素分析与稳定性评价研究D.青岛：青岛理工大学，2014.9 张桂林.浅谈泉州市区应急备用水源扩蓄工程灌注桩施工组织 J.科技信息，2011,（4）:356-358（转）.