泥巖條件下的人工挖孔樁施工關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

顧申申

摘要：本文主要討論了一種泥巖地質(zhì)條件下的人工挖孔樁的施工關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)理論分析，試樁實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)總結(jié)，對(duì)泥巖條件下樁基施工的間歇期、降水情況等多種擾動(dòng)因素進(jìn)行探討，形成了一套泥巖條件下樁基施工的控制措施。

關(guān)鍵詞：泥巖;人工挖孔樁;擾動(dòng)

一、引言

膨脹性泥巖是經(jīng)過(guò)巖石礦物風(fēng)化，自然搬運(yùn)，最后沉積作用而成，屬于泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，由面層構(gòu)造而成，它的強(qiáng)度和透水性在不同的方向上有不同的變化。泥巖地質(zhì)條件在我國(guó)分布較廣，具有吸水急劇膨脹，產(chǎn)生泥化、軟化及脫水開(kāi)裂、收縮變形等特性，是極軟巖的一種。泥巖的膨脹特性對(duì)工程的潛在危害是巨大的，在樁基施工過(guò)程種，因泥巖的特性發(fā)生改變、軟化，會(huì)引發(fā)樁基承載力不能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)。

為了解決上述問(wèn)題，通過(guò)以合肥離子醫(yī)學(xué)中心工程項(xiàng)目為載體，利用試驗(yàn)深入研究不同因素下泥巖條件樁基施工的影響，總結(jié)泥巖條件下的人工挖孔樁施工技術(shù)，為后續(xù)同類(lèi)工程提供借鑒與思路。

二、工程背景

（一）項(xiàng)目背景

合肥離子醫(yī)學(xué)中心項(xiàng)目占地面積46214平方米，總建筑面積約33687平方米，地下一層，地上三層，建筑高度為23.2米，其中質(zhì)子裝置區(qū)約4200平方米（3個(gè)旋轉(zhuǎn)治療艙、1個(gè)固定束治療艙、1個(gè)科學(xué)研發(fā)室），是項(xiàng)目施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

質(zhì)子區(qū)精密設(shè)備運(yùn)行對(duì)所處建筑環(huán)境極為嚴(yán)苛，不僅需保證施工完成后建筑完成精度達(dá)到指標(biāo)要求，同時(shí)還需確保建筑沉降在可控范圍內(nèi)，避免隨著時(shí)間流逝導(dǎo)致的精度降低。BID文件中對(duì)建筑沉降控制要求如下：

1）安裝有回旋加速器、ESS、BTS和所有治療室的建筑部分必須被建成為一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)。不接受伸縮接縫或者單獨(dú)的樓板。所有治療室地面和混凝土墻體結(jié)構(gòu)必須是一個(gè)整體部分。這是為了保證建筑沉降不會(huì)導(dǎo)致單獨(dú)PTE建筑部分之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng);

2）在對(duì)PTE進(jìn)行安裝和對(duì)齊以后，對(duì)于操作PTE產(chǎn)生的建筑最大差別沉降應(yīng)使用特殊規(guī)定，在建筑外殼建筑過(guò)程中就必須開(kāi)始檢查沉降特征;

3）超過(guò)10m的長(zhǎng)度上差別沉降必須<0.2mm（0.008）/年;

4）BDCT有責(zé)任按照沉降規(guī)定設(shè)計(jì)建筑物，且在PTE交付之前監(jiān)控建筑物沉降率。

（二） 施工背景

擬建場(chǎng)地屬于江淮波狀平原地貌單元，微地貌場(chǎng)地西部為崗地，東部為坳溝，根據(jù)勘察報(bào)告顯示場(chǎng)地地基土構(gòu)成層序自上而下依次為：雜填土、粉質(zhì)粘土、粘土、粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖和中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。如下圖所示

本工程樁基采用人工挖孔樁的形式，項(xiàng)目共施工人工挖孔樁299根。為了滿(mǎn)足沉降要求，人工挖孔樁需進(jìn)入持力層即⑦中分化層3米，有效樁長(zhǎng)≮22m，樁身直徑1.2m，擴(kuò)大頭2.4m。

三、泥巖條件人工挖孔樁施工分析

（1）泥巖物理性能分析

泥巖廣泛分布于全國(guó)各地，強(qiáng)度介于巖與土之間，按工程分類(lèi)歸屬于軟質(zhì)巖石。具有質(zhì)軟，節(jié)理發(fā)育，巖芯多呈碎塊狀，遇水浸泡后極易風(fēng)化軟化，暴曬后開(kāi)裂等特征。在建筑物荷載作用下，表現(xiàn)出承載力低、變形大、復(fù)雜易變等工程特性。

泥巖本身的巖性因成巖礦物受到當(dāng)時(shí)環(huán)境影響，所表現(xiàn)出的性質(zhì)不同。有黏土質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖，不同類(lèi)型的泥巖。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)連接、顆粒與顆粒之間接觸方式、排列特征、膠結(jié)物及膠結(jié)狀態(tài)、粒間孔隙大小與形狀是不同的，從而致使泥巖力學(xué)性質(zhì)不同。

1）風(fēng)化損傷作用：泥巖所處的環(huán)境不斷變化，影響著其物理狀態(tài)和化學(xué)成分，并改變著泥巖的賦存狀態(tài)。物理風(fēng)化作用、化學(xué)風(fēng)化作用、生物分化作用間接擾動(dòng)著泥巖的形態(tài)和力學(xué)性能;

2）卸荷作用：卸荷引起回彈、拉張、裂隙增大甚至連接貫通，產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形及應(yīng)力差，巖體處于剪應(yīng)力環(huán)境并形成剪切裂隙。瓦解了巖體內(nèi)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度;

3）水巖相互作用：水與泥巖相互作用通過(guò)水巖的力學(xué)作用、物理作用、化學(xué)作用來(lái)改變著泥巖性質(zhì)。力學(xué)作用通過(guò)滲透作用對(duì)土骨架產(chǎn)生拖拽力，導(dǎo)致土體中的應(yīng)力與變形發(fā)生變化。物理作用表現(xiàn)在水對(duì)泥巖的軟化與泥化、失水干縮與崩解。化學(xué)作用表現(xiàn)在泥巖吸水膨脹、層間吸力變化、PH值變化引起離子濃度的變化、水巖化學(xué)作用引起的結(jié)構(gòu)變化;

4）施工工藝：施工工藝不同，如沖擊成孔、回轉(zhuǎn)成孔、人工挖孔等，其擾動(dòng)程度也不一樣;

5）時(shí)間效應(yīng)作用：經(jīng)歷了機(jī)械擾動(dòng)、水作用卸荷的擾動(dòng)，泥巖出現(xiàn)結(jié)構(gòu)再造前的瞬時(shí)結(jié)構(gòu)損傷。隨時(shí)間流逝，結(jié)構(gòu)將逐漸發(fā)生次結(jié)構(gòu)損傷。

（2）泥巖條件下人工挖孔灌注樁施工分析

針對(duì)泥巖巖性多變、承載力低、遇水易風(fēng)化軟化、暴曬后開(kāi)裂等特點(diǎn)，制定以下措施降低泥巖條件對(duì)樁基質(zhì)量的損傷。

1）地勘階段詳細(xì)對(duì)擬建現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)情況進(jìn)行勘測(cè)，盡量詳盡準(zhǔn)確的對(duì)場(chǎng)地地下情況進(jìn)行描述，給設(shè)計(jì)院提供一個(gè)較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考;

2）正式樁基施工前進(jìn)行試樁，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)開(kāi)挖留樣檢測(cè)，與地勘進(jìn)行對(duì)比，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確;

3）試樁完成對(duì)樁基進(jìn)行靜載試驗(yàn)，確保承載力及沉降要求滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;

4）樁基施工完畢后需盡快清孔驗(yàn)收澆筑，避免樁底長(zhǎng)期暴露改變巖土性能;

5）人工挖孔樁施工至樁底時(shí)盡量減少對(duì)巖土的侵?jǐn)_;

6）人工挖孔樁施工時(shí)需考慮場(chǎng)地降水，保證巖土性能及施工作業(yè)人員安全。

四、人工挖孔樁試驗(yàn)實(shí)施

（1）基巖試驗(yàn)過(guò)程

原計(jì)劃在樁孔擴(kuò)大頭完成后進(jìn)行巖基試驗(yàn)，考慮到1.8m長(zhǎng)的擴(kuò)大端在試驗(yàn)過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間無(wú)護(hù)筒支護(hù)，存在較大安全隱患，故改為先進(jìn)行巖基試驗(yàn)再進(jìn)行擴(kuò)大頭施工。為研究地下水對(duì)持力層地基承載力的影響，試驗(yàn)過(guò)程中3根試樁孔內(nèi)采取不同程度抽水。

Z1孔開(kāi)挖至中風(fēng)化泥巖，具備巖基試驗(yàn)條件。試驗(yàn)裝置安裝調(diào)試完成后，于兩日后20：00開(kāi)始進(jìn)行巖基加載，第三日23：10開(kāi)始巖基卸載，第四日1：50完成試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中孔內(nèi)不抽水。

Z2孔開(kāi)挖至中風(fēng)化泥巖，具備巖基試驗(yàn)條件。試驗(yàn)裝置安裝調(diào)試完成后，于3日后2：30開(kāi)始進(jìn)行巖基加載，第4日8：30開(kāi)始巖基卸載，第五日11：40完成試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中孔內(nèi)連續(xù)抽水。

（2） 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

Z1孔實(shí)測(cè)基巖最大沉降量為11.175mm，最大回彈量9.317mm，巖基承載力特征值為1885kPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。Z1孔的U-δ（荷載-位移）、δ-lgt（位移-時(shí)間對(duì)數(shù)）曲線見(jiàn)下圖。

Z2孔實(shí)測(cè)基巖最大沉降量為19.531mm，最大回彈量8.296mm，巖基承載力特征值為1885kPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。Z1、Z2孔的U-δ（荷載-位移）、δ-lgt（位移-時(shí)間對(duì)數(shù)）曲線見(jiàn)下圖。

Z1孔、Z2孔的荷載-位移曲線對(duì)比見(jiàn)下圖。從圖中可以看出，加壓荷載達(dá)到280kN前，Z1、Z2孔巖層沉降值相差不大。加壓超過(guò)280kN后，Z2孔沉降量顯著增大，地基變形呈現(xiàn)明顯塑性，最終沉降量較Z1孔增加明顯。

五、結(jié)論

Z2孔實(shí)測(cè)巖基沉降較Z1孔顯著增大，由以下原因造成：

（1）Z1孔于2017年3月18日開(kāi)挖到位準(zhǔn)備試驗(yàn)，3月20日開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)，基巖暴露時(shí)間為2天，而Z2孔3月21日開(kāi)挖到位至3月24日開(kāi)始試驗(yàn)，基巖曝露時(shí)間為3天?；鶐r曝露時(shí)間越長(zhǎng)，基巖強(qiáng)度損失越大。

（2）Z2孔雖然在試驗(yàn)過(guò)程中保持連續(xù)降水，但在開(kāi)挖到位至試驗(yàn)前的3天內(nèi)未能連續(xù)抽水，加之3月22日的大氣降水，Z2孔泥巖不可避免地發(fā)生軟化。

（3）由于人挖樁直徑僅1.2m，Z2樁孔內(nèi)設(shè)置的集水坑距荷載板較近。寬度300mm集水坑的存在減小了周邊地層對(duì)基巖的側(cè)向約束，加大了基巖的沉降變形。

（4）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論，在人挖樁正式施工部署中，擴(kuò)大頭開(kāi)挖完畢后12小時(shí)內(nèi)應(yīng)進(jìn)行一樁一驗(yàn)和混凝土澆筑，即使不滿(mǎn)足條件也應(yīng)該進(jìn)行混凝土封底或者土方回填覆蓋。同時(shí)樁基布置應(yīng)避開(kāi)集水坑等因素影響。

參考文獻(xiàn)：

（1） 李杭州 膨脹性泥巖應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2007，1（1）：107-110.

（作者單位：上海市工程建設(shè)咨詢(xún)監(jiān)理有限公司）