浅析人工挖孔桩在中分化泥岩中的应用.pdf

主要围绕少量层间水对中分化泥岩中人工挖孔灌注桩的影响，通过现场试验和最后的桩基静载效果，充分说明了结果的可靠性，对以后此类地质情况下的施工指明了方向并提供了可靠的成果资料。1工程概述某单位业务用房，主要建筑一栋，共 3 层，局部 4 层，长 25 m，宽 11.8 m，框架结构。西面、北面紧临已建建筑，两侧建筑基础形式不同，均为浅基础，其中北面建筑 4 层，根据调查地基处理厚度约为 5 m，东临国道。2地质概况根据勘察报告，场区地层在勘探深度内主要为第四系全新统冲洪积沉积，根据工程地质特征，将勘探深度内地层划分为 5 层，自地面向下各层分别为：杂填土层、粉质黏土、卵石、强风化泥岩、中风化泥岩。各层土体描述如下。杂填填土层。普遍分布，该层揭露厚度 2.80 3.80 m，平均厚度 3.23 m；杂色，人工回填形成，主要以原宅基地土及碎石颗粒为主，夹有砂土、砾石，含少量建筑垃圾，均匀一般，无层理，稍湿，稍密。粉质黏土。普遍分布，该层揭露厚度 2.40 4.20 m，平均厚度 2.95 m；灰褐色，褐黄色，无明显层理，切面稍有光泽感，以粘粒及粉粒为主，含少量钙质结核，esearch&Explore研究探索R2023年第41卷第7期-47-第7 期有粘滞感，干强度低，韧性中等，均匀性中等；局部夹有一层厚度约 30 cm 左右泥，整层呈软塑状态。卵石。普遍分布，该层揭露厚度 1.102.0 m，平均厚度 1.80 m；青灰褐红色，主要成分为花岗岩、砂岩及少量长石石英砂岩组成，磨圆度较好，以圆状、次圆状为主，粒径一般为 240 mm，约占总重的 65%左右，偶见40 mm 的卵石颗粒，充填物为混砂，层间多加有 2030 cm 砂、土薄层或透镜体，未胶结，稍湿，中密。强风化泥岩。风化色为暗红色，多呈粉末状；该岩土层钻孔揭露的一般厚度 1.903.80 m，平均厚度3.10 m；由于泥岩的特性，透水性差，遇水易膨胀湿化崩解，失水则收缩开裂，上层粉质黏土为透水层，使粉质黏土中的水渗向本层导致该层上部呈泥状，工程性质极差。中风化泥岩。普遍分布，未揭穿，揭露的一般厚度 4.9010.00 m，平均厚度 6.83 m；红褐色，砖红色，碎屑结构，薄层状至块状构造，主要成份为黏土矿物，石英、赤铁矿等，含少量砂质，断口较粗糙，手搓有砂质感，透水性差，无明显层理。3地下水的影响分析众所周知，地下水是桩基础施工中的一大难题，尤其给人工挖孔桩带来了逐多的困难。在桩孔开挖时破坏了含水层中原来处于平衡状态的地下水，含水层中的地下水逐步进入桩孔内，对施工顺序有着较大影响。当存在动态水压时，对桩孔和护壁混凝土浇筑也有较大的影响，使得混凝土强度难以达到要求，引发桩身质量问题甚至施工安全问题。如遇到了粉细砂地层，在水压力下易引发流砂和井漏现象。因此，施工时做好对地下水的保护是极其重要的，地下水处理合适，不仅保障了成桩质量，而且保障了挖孔人员的安全。拟建场地勘察期间，在卵石层有出水，出水量较小，根据现场分析，该层水为层间渗水，受当地季节性和降雨影响较大，因为施工期间正值雨季，设计和施工时需考虑地下水对工程成桩的影响。4设计参数验算根据拟建建筑周边情况，该建筑不宜采用换填等的地基处理方式，经综合考虑周边建筑和场地，选用人工挖孔桩作为该建筑的基础形式，其中桩长为10.512.5 m 不等，桩径为 0.85 m，扩大端直径为 1 m，以中风化泥岩为桩端持力层，桩端嵌入岩石的深度为1 m，根据现场泥岩的物理力学试验指标，天然单轴抗压强度为 fr=0.85 MPa，为极软岩，岩芯为短柱状，为较完整，岩体基本质量等级为V级。因为本工程为嵌岩桩，故不需考虑承台的尺寸效应，桩间距为 3.3 m，4.8 m，6.7 m 等，共布桩 20 根，为一柱一桩，由于该桩为端承桩，配筋为直径 14 mm 的 HRB400 的通长配筋，护壁为使用 C30 混凝土和 RHB400 钢筋。拟建工程干作业成孔时桩基参数如表 1 所示。根据 JGJ 942008建筑桩基技术规范嵌岩桩的计算知，单桩竖向极限承载力Quk=Qsk+Qrk=uqsikli+r frkAp 计算，因为该工程为干作业成桩，桩底清理干净，嵌岩桩端阻综合系数 r 取值为泥浆护壁成孔 桩的 1.2 倍，且嵌岩深径比=hrd11=1，所以嵌岩桩端阻综 合系数 r=0.951.2=1.14，单桩竖向极限承载力 Quk=Qsk+Qrk=uqsikli+r frkAp=3.140.85（153+303+1601.5+803）+1.148503.141.0214=2 402.1 kN，满足工程要求 1。5中分化泥岩的渗透性分析众所周知，泥岩渗透性差，为很好的隔水层，但泥岩遇水易软化，根据现场人工开挖孔的出水与渗透试验，采用 7 d 的出水量和中分化泥岩的渗透成泥深度如图 1 所示，该工程区域 24 h 渗透成泥深度50 mm，因为端承桩对桩端成泥厚度较敏感，故成桩施工时需考虑桩端成泥软弱层的影响，防止后期产生不均匀沉降。如图 1 所示。表 1干作业成孔时桩基参数表kPa地层名称极限侧阻力标准值 qsik极限端阻力标准值 qpk杂填土层15粉质黏土层30卵石层160强风化泥岩层80中风化泥岩层1502 600韩喜斌：浅析人工挖孔桩在中分化泥岩中的应用-48-esearch&Explore研究探索R工程质量第41卷6桩的受力变形特点及荷载传递分析对于抗压桩，当持力层为强度较高的地层，如砂砾石、卵石及中风化岩等时且基础埋置较浅时，为获得较大的桩端承载力，可考虑使用扩底桩。扩底桩端施工时，在桩身和周围土的自重作用下，扩底桩端及以变截面以上 2 d（d 为桩身直径）范围内孔壁土体存在松弛效应，应不计侧阻力；且当桩下沉时，扩底上部倾斜面易形成容隙，严重影响侧阻力的发挥。以上两种情况均会使得扩底桩的扩大头至变截面以上一定范围侧阻力消减。虽然设计成扩底桩使得总桩端阻力大幅增加，但因为扩大头至变截面以上一定范围侧阻力消减使得单桩承载力增幅范围有限，且施工时的人料机投入相应增加，所以说是有利有弊，为了做到利大于弊，应根据地质条件及其他情况具体分析判定扩底桩的合理性。首先考虑桩周地层，当桩周地层性质较差，且无法提供较大的桩侧阻力时，则应优先选用扩底桩；若桩周地层性质较好时，且能提供合理的桩侧阻力，或桩周土层厚度较大时，总的桩侧阻力也是很大，此时应综合分析后确定是否采取扩底。根据实际工程经验，通过注浆技术对侧阻力和端阻力增加，在时效性和安全上都是客观的。综合分析本建筑场地的地层情况，使用扩底桩是合理的。嵌岩桩极限承载力由三部分组成，分别为桩周土总侧力、嵌岩段总侧阻力和总端阻力，桩的长径比及嵌岩深度等因素影响着桩荷载的传递。通过工程试验和实例，嵌岩桩端阻力并不随嵌岩深度单调递增而持续增加，当嵌岩深度达到某一值时，端阻力就会减小。所以通过一味强调增加嵌岩深度来提高嵌岩桩的端阻力是不科学的，反而会引起人料机的浪费。故对嵌岩桩嵌岩段荷载传递机理的正确认识和桩端基岩的承载力合理取值问题是嵌岩桩承载力计算的主要问题。对所有嵌岩桩均只计端承阻力而不计侧阻力是不合理的。通过荷载传递试验结合桩端岩层、桩的几何尺寸和成桩工艺，桩端在新鲜或微风化基岩且长径比很小时，桩周地层提供的桩侧阻力是很小的，其他情况均是可以发挥的。对嵌岩桩通过工程实例，当桩周地层好，1ld（长径比）时，嵌岩桩荷载传递与摩擦型桩的相似；当40ld（长径比）时，相对好的地层桩端阻力发挥较小，以强风化或中风化岩层为桩端持力层较好，当地层相对较差时，以端阻力为主，宜与微风化或新鲜岩层为桩端持力层。对于扩底灌注桩，在拉拔荷载作用下，其轴向拉力向下传递，逐渐将拉拔荷载扩散到桩周地层。因为扩大头有土体的压力作用，扩大头作用范围内破坏面处的抗拔侧阻力也逐步提高；因上拔作用，也使扩大头以上临空区土体的松动范围扩大，使得侧阻力降低，这对短桩是极其不利的。但因为扩大头范围土体的压力作用，逐步使得荷载-位移曲线变得平缓。对于大直径嵌岩桩是否应考虑尺寸效应，目前还没有明确的结论，结合工程实例和 20022021 年注册岩土工程考试均未考虑。7施工技术要求分析因工程受所在区域、场地等的限制，无法进行机械成桩，且机械成桩对层间渗水处理较困难，人工挖孔桩成为选择之一，由于人工挖孔桩安全性较差，人工挖孔时的安全防护成为重中之重，随着技术的发展和西北各地区的施工经验，本工法无需投入大型运输、施工设备，且设备无需频繁调运，护壁是最好的方法之一。钢护筒模板护壁。需机械吊装，受场地限制安拆难度大，场外焊接，整体性较好，抗压能力大，造价高，对层间渗水的防堵能力差。木模板护壁。无需机械吊装，随用随装，安拆较容易，造价低，施工快，对层间渗水的封堵性好，使每节护壁之间的搭接性较好，但整体性差。经过对比分析，该工程选用木模板护壁，施工时木模板要高出地面 20 cm，护壁混凝土选用为 C30，护壁厚度为 15 cm，采取分节挖土、分节支护的施作方法，每节护壁的搭接宽度为50 mm，为防止施工过程中护壁图 1时间与成泥深度关系图-49-第7 期脱落，护壁的结构形式采用内八字搭接，每开挖 1 m 浇筑一节。护壁模板的拆除时间24 h，必须时混凝土达到一定强度后再拆除，具体时间要根据现场养护和气温等确定。钢筋笼现场分节制作，选用直径为14m m的HRB400 的通长配筋，箍筋为直径 8 mm 间距为 200 mm 的光圆螺旋箍筋，因钢筋笼长度4 m，故每隔 2 m 设置一道直径为 14 mm 焊接加筋箍筋。护壁施工时需注意卵石层的层间渗水，该处施工不能按常规施工方法施工，采取短模板施工法，并需做好层间渗水的堵漏措施，通过护壁混凝土的隔水封堵，减少层间渗水对泥岩的影响。人工挖孔桩采取随挖随浇，使用商品混凝土，在验孔合格后，下钢筋笼，马上二次清渣，且混凝土罐车要现场等待，一次浇筑完成，减少混凝土的层间处理。混凝土浇筑不能离浇筑面过高，防止产生离析，根据浇筑需要，选择溜槽浇筑，溜槽高度距离浇筑面2 m，在距离桩顶 3 m 左右时加大碎石含量，加强振捣。整根桩的施工顺序应遵循场地整平测量定位挖第一节桩孔土方支模浇筑第一节护壁混凝土第二次测量标高及桩位安装起重电动葫芦及排水、通风设施等第二节桩身挖土清理桩孔、校核桩孔垂直度和直径拆上节模板、支第二节模板（间隔24 h），对第二节护壁混凝土浇筑重复第二节护壁混凝土的施工工序（挖土、支模、浇筑），循环作业直至设计深度检查持力层后进行扩底清理虚土、排除积水、检查尺寸和持力层吊放钢筋笼就位（要有固定筋固定，防止发生偏移）浇筑桩身混凝土。扩底桩的使用应避免以下情况，首先在桩周地层较好，桩长较长、桩端持力层好时扩底会使扩底端及变截面以上一定范围内的侧阻力消减，不但增加施工难度，而且增加人料机的投入；其次桩端以下软弱下卧层厚度较大时采用扩底桩，不仅会增加桩身沉降，而且增加了下卧层本身的沉降；再次当多承台下的独立桩基采取扩底桩，使得桩间距扩大，同样使人料机的投入增加。对于基桩承受拔力的情况，实施扩底是提高抗拔承载力的方法之一，其技术经济效果可与桩侧后注浆进行比较优选，一般说来，当桩侧有砂、粉土层时，桩侧注浆增强效果明显；当桩端以上一定范围土层强度较高时，实施扩底，可为扩底部分提供较大抗拔阻力2。8常见人工挖孔桩的适用条件及优缺点8.1常见的适用地层主要适用于地下水位以上的黄土、黏土、膨胀土、粉土、冻土、砂土、碎石土及分化岩层等，适用性较强；当地下水位较深，且桩端持力层以上无软弱土的地质情况，或能采用井点降水的地下水位较浅情况；对厚度较大极软弱土层、或地下水难以控制地层及有毒气、流砂等的地层等不适用。8.2人孔挖孔桩的优缺点优点：无需大型机械，以人工作业为主，施工对周边环境及建筑物影响小；可以多班组施工，加快施工进度，缩短周期；便于清除底部残渣，便于检查孔底和孔壁，可核实地层持力层，质量可控性好；桩径和桩深可随承载力的变化而变化，桩身混凝土浇筑时，可人工振捣；采用扩大时，以获得较大的承载力，满足一桩一柱的要求。缺点：桩孔内空间狭小，劳动强度大，工作环境差，防护不当时安全事故多。9施工时的注意事项根据拟建建筑物的类别、桩周地层及桩端地层、成桩环境及地下水的分布决定桩基类型和施工工艺；根据桩的直径要求，确定是否考虑承台的尺寸效应和桩周土的折减要求；根据土类和成桩工艺及桩数，确定成桩间距，当挖到设计标高后，应清除干净护壁和孔底残渣等，并应进行隐蔽工程验收合格后再立即灌注混凝土；常见嵌岩桩，嵌入岩石深度不仅要考虑上部所有荷载及持力层岩石，而且还要考虑桩径和桩长的因素，对于端部倾斜的嵌岩桩，当桩端基岩为完整和较完整时（即 Kv0.5），桩端嵌入的全断面深度不宜小于扩大端直径的 0.4 倍（0.4 d）且0.5 m，对于桩端基岩倾斜度较大（超过 30%）的中分化岩石，可适当加大嵌岩深度（具体根据基岩的完整性和倾斜度决定），实际嵌入基岩的深度以倾斜度的下端计算为主；当嵌入坚硬岩和较硬岩且无倾斜时，桩端嵌入基岩的深度不宜0.2 倍扩大端直径，且0.2 m；人工挖孔桩扩大头直径与桩身直径的比值应3；桩顶以下一定范围内的箍筋是否应加密，由桩顶承受的水平荷载值决定；人工挖孔韩喜斌：浅析人工挖孔桩在中分化泥岩中的应用-50-esearch&Explore研究探索R工程质量第41卷成桩施工时要保持孔内空气流通，在孔口要有送风设施（如鼓风机等），人员下孔施工前要对有害气体进行检测，防止有害气体使人员中毒；当人员上下孔内时，应配有爬梯，电葫芦使用前应检查是否安全可靠，自动卡扣及保险装置是否正常；当孔中地下水出水较大时，应采取有效防水、堵水措施（如降水和截水），严禁带水作业，不得同时对相邻桩的混凝土浇筑；孔口附近不得堆放土方（至少 1 m 以外），且孔口周边不得有动荷载。10成桩质量分析随着建筑工程的逐步扩大，单桩静载试验日趋成熟，高低应变检测方法的应用也更加广泛，大量的桩基试验资料为桩基质量提供了可靠的保障，也为工程质量奠定了质量保证。通过第三方检测机构对桩基检测，检测结果满足设计和规范要求。具体检测结果如下，选取 5 号、13号桩进行单桩竖向抗压静载试验，静载试验结果汇总如表 2、表 3 所示，Q-s 曲线图如图 2 及图 3 所示。表 25 号桩竖向抗压静载试验表荷载/kN本级沉降/mm累计沉降/mm0.000.000.007660.700.701 1500.461.161 5330.611.771 9170.852.622 3000.993.612 6830.974.583 0671.265.843 4501.387.223 8341.458.67图 25 号桩竖向抗压静载试验 Q-s 曲线图表 313 号桩竖向抗压静载试验表荷载/kN本级沉降/mm累计沉降/mm0.000.000.007660.480.481 1500.500.981 5330.651.631 9170.832.462 3000.883.342 6831.004.343 0671.215.553 4501.126.673 8341.227.89图 313 号桩竖向抗压静载试验 Q-s 曲线图变应力波时域信号的特征曲线，结合施工工艺、场地地质条件，判断桩身缺陷及其位置综合判定，桩身完整无缺陷，为 类桩，低应变时域信号特征图如图 4 所示。（下转第 59 页）图 4低应变时域信号特征图-59-第7 期上述单体燃烧试验中，模塑聚苯板 EPS 在点燃后发生熔化、收缩，并伴随大量滴落物；聚氨酯泡沫塑料保温板燃烧过程中有极具刺激性的气味产生，其与保温橡塑板在试验过程中均有大量烟气产生。上述可燃性试验中，模塑聚苯板 EPS 和挤塑聚苯板 XPS 由于燃烧受热发生了材料熔化、收缩现象，而聚氨酯泡沫塑料保温板和保温橡塑板则由于高温条件下热分解出现了较为严重的炭化现象。综合表 3 的单体燃烧和表 4 的可燃性试验结果，可知选取的 4 组有机保温材料燃烧性能均达到了 B1 级。4结果分析综合以上试验数据，对照 GB 86242012建筑材料及制品燃烧性能分级 中规定的各燃烧等级的分级判据，得到试验过程中 7 组典型样品的燃烧性能等级，如表 5 所示。5结语通过对 7 组典型有机和无机保温材料的燃烧性能试验及数据分析，可以得出以下结论。几种无机保温材料的燃烧性能等级均能达到 A1 级，几种有机保温材料的燃烧性能等级均为 B1 级，就燃烧性能而言，无机保温材料优于有机保温材料。在实际工程应用中，影响建筑保温材料燃烧性能等级的因素较多，对于一些有机保温材料，除考虑其燃烧性能等级之外，还应全面了解其它燃烧情况。如聚氨酯泡沫塑料保温板，对其燃烧产生的刺激性气味也应给予充分重视；如模塑聚苯板 EPS，燃烧时产生的大量滴落物可能会被再次引燃，必须做好防护工作。建筑保温材料的燃烧性能固然重要，但在实际应用中，不能一味只强调其防火性能，而忽略了其他节能参数，这就会导致建筑节能的初衷本末倒置，还应考虑热工效果、整体效益等综合因素的影响。Q参考文献 1 张孝明.建筑外墙保温材料燃烧性能研究J.信息记录材料，2021，22（4）：627.2陈现景，李红菊，刘建志，等.外墙保温材料的燃烧性能研究J.山东工业技术，2019，38（3）：120，163.3刘文逸.建筑保温材料燃烧性能等级研究及分级试验J.建筑技术开发，2018，45（19）：117119.4张飞，潘艳，周杨，等.外墙保温材料的研究进展及存在问题J.建筑节能，2019，47（11）：8385.5公安部四川消防研究所.建筑材料及制品燃烧性能分级：GB 86242012S.北京：中国标准出版社，2012.表 5燃烧性能等级样品名称燃烧性能等级模塑聚苯板 EPS难燃 B1（C）挤塑聚苯板 XPS难燃 B1（C）聚氨酯泡沫塑料保温板难燃 B1（C）保温橡塑板难燃 B1（C）泡沫玻璃保温板不燃 A（A1）水泥发泡板不燃 A（A1）岩棉建筑保温板不燃 A（A1）11结语随着科学技术的进步，人工挖孔桩在工程中的使用技术逐渐成熟，这种技术具有操作简单，应用范围广，安全性高，造价合理的优势，受到建筑行业的青睐。本文通过实例剖析人工挖孔桩在中分化泥岩中的应用，通过第三方检测证明，人工挖孔桩的质量可靠有保障，使得整个建筑工程质量有保障，这既促进了建筑业的迅速（上接第 50 页）发展，又取得了较好的经济效益。Q参考文献 1 中国建筑科学研究院.建筑桩基技术规范：JGJ 942008S.北京：中国建筑工业出版社，2008.2刘金励，高文生，邱明兵.建筑桩基技术规范应用手册M.北京：中国建筑工业出版社，2010.江宏玲：建筑保温材料燃烧性能分级试验研究