旋挖钻机钻孔灌注桩的孔壁稳定分析

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摘要: 根据土层的物理力学性质，地下水位及护壁泥浆等进行钻孔灌注桩孔壁稳定性分析，并提出相应的护壁措施，防止孔壁的坍塌。

关键词：钻孔灌注桩 孔壁稳定性 分析

中图分类号： U443 文献标识码： A

1前言

钻孔灌注桩是一项工序多, 技术要求高并需要在短时间内连续完成的地下和水下隐蔽工程。在施工过程中, 保证桩基孔壁的稳定是施工技术人员面临的施工难题之一。在我国不少地区桥梁工程的钻孔灌注桩基础桥址地质条件自上而下依次为: 粘土及粉质粘土、粉砂、细砂。由于地层土压力、孔隙水压力、地下水位、土体的蠕变及旋挖钻机成孔工艺的影响, 在钻孔灌注桩成孔过程中及混凝土浇筑之前的时段内, 孔壁常处于不稳定状态, 随时会出现坍塌或缩径事故。针对钻孔灌注桩工程, 根据现场的工程地质、水文地质、桩孔设计参数及施工工艺等因素进行桩孔孔壁稳定性分析, 分析泥浆的稳定护壁作用及功能, 找出相应的护壁措施, 防止孔壁的坍塌和缩径。

2分析原因

2.1钻孔桩孔壁稳定的条件

钻孔之前, 孔壁土层处于原始力学平衡和相对稳定状态。钻头钻穿土层后, 改变了孔壁周围土层所承受的原始应力, 失去了原始平衡的稳定条件而发生应力集中, 在上部地层压力作用下迫使孔壁土向孔内移动, 造成孔壁失稳破坏而坍塌或缩径。在钻孔过程中, 钻孔孔壁径向受力除了主动土压力和圆拱支撑力外, 还受以下几种力的作用:孔内水压力或泥浆压力 、地层水压力 、地下水向孔内渗流时产生的渗透力、孔内水向孔壁渗流时产生的渗透力、孔口地面超载产生的侧压力。此外，施工中对孔壁产生的一些附加作用力，如钻头破土时对孔壁产生的激振力；因操作不当产生的孔内液体压力激动而造成的抽吸力。这些作用力可以通过改进施工工艺或采取相应的技术措施，消去或减小对孔壁稳定性的影响。要使孔壁稳定,孔内泥浆液面必须高出地下水位1.5～ 2.5m，才能保证孔壁稳定。因此，孔口需埋设一定深度视地质条件而定的护筒，既可以抬高泥浆液面，保持水头压力，又可增大圆拱支撑力，减少部分主动土压力。

2.2泥浆的稳定护壁作用

泥浆具有稳定护壁作用，首先表现为泥浆静水压力作用，对地下水产生超压力，起稳定平衡作用。相对于地下水位，泥浆液面愈高，重度愈大。护壁作用愈强，孔壁越稳定，所以泥浆被称为“稳定液”。其次表现为泥皮作用，泥浆在孔壁上形成不透水泥皮薄膜，阻止泥浆渗透至周围土中或者地下水侵入孔内与泥浆混合，促进孔壁的稳定。泥浆具有抑制地层的作用，主要表现为泥浆的凝胶作用。泥浆侵入土中孔隙成为静止的凝胶，凝胶化的泥浆固定了土颗粒的相对位置，在孔壁附近形成稳定的土层。而当壁面上土颗粒脱落进入泥浆时，凝胶状态泥浆有微弱的抵抗作用，阻止土颗粒的脱落，从而提高钻孔孔壁的稳定性。

(1)泥浆静水压力作用

泥浆具有一定的重度，泥浆在孔内将对孔壁产生一定的静水压力，可抵抗作用在孔壁上的侧土压力和水压力，相当于一种液体支撑，可防止孔壁坍塌和剥落。现场施工经验证明，泥浆容重愈大，孔壁稳定性愈好，泥浆容重减小。会使泥浆对地下水的超压力减小，孔壁失稳的可能性增大。

因此，成孔过程中要重视地下水的影响，施工中除尽量抬高泥浆液面高于地下水位1.0～2.0m或增加泥浆比重外，必要时可部分或全部降低地下水位，减轻地下水对孔壁稳定的影响，确保孔壁稳定。

(2)泥浆抑制地层的作用

泥浆抑制地层主要表现为泥浆的凝胶作用。凝胶作用，一方面是指泥浆侵入孔壁附近一定范围的土体孔隙中形成凝胶，固定土体颗粒的相对位置，在孔壁附近形成稳定的土层。泥浆侵入周围土体至少是几厘米，多则数米，凝胶泥浆侵入范围愈大，孔壁愈稳定。由于凝胶作用和颗粒的沉淀, 在泥浆和孔壁界面处形成一层泥皮或“泥饼”，减小地下水的侵入而造成孔壁坍塌和缩径的可能性。另一方面，凝胶泥浆具有微弱的抗剪强度，当孔壁上土颗粒脱落进入孔内，泥浆对此有微弱的抵抗作用，从而增大孔壁的稳定性。

因此在成孔施工过程中，应采用优质的膨润土造泥浆或高分子聚合物造泥浆， 增大膨润土稠度，使泥浆具备一定的抗剪强度，增加凝胶作用，从而增大孔壁的稳定性。

3结论与建议

由于地层条件和施工工艺等因素的影响，在成孔过程中和桩体浇筑之前，孔壁处于不稳定态，随时会出现滑裂或坍塌的危险。

采用泥浆进行护壁施工，可保证孔壁的稳定。但作为成孔对象的地层的性状， 对于不同工程现场变化很大，其壁面的稳定性、地层土颗粒的悬浮的性质、造浆性以及地下水性状也各不相同，所以不同的地质条件对泥浆性能的要求也不相同。因此，施工时应事先且必须根据现场的工程地质、水文地质、桩孔设计参数及施工工艺等因素进行孔壁稳定性分析，做好各项准备工作，采取护壁措施，保证孔壁的稳定。

a.采用优质膨润土造泥浆或高分子聚合物造泥浆，使泥浆具有凝胶作用和一定的抗剪强度，来提高泥浆的护壁作用，增加孔壁的稳定性。

b.实际施工中，在一些不稳定地层如：易坍塌、漏失地层中，为确保孔壁稳定，可采用加大剂量以增大泥浆比重，增加抵抗作用在孔壁上的侧土压力和水压力。

c.提高泥浆液面或降低地下水位，使泥浆液面与地下水位保持一定的高差，以确保孔壁稳定，防止坍塌事故发生。

d.在施工过程中随时根据泥浆性能的变化，对泥浆加以调整或决定弃用。必要时可掺加一些外加剂，如CMC（羧甲基纤维素）类增粘剂、Na2CO3及铁铬木质素磺酸盐类分散剂、锯末及化纤短料类防漏材料等，以改善泥浆性能。

参考文献

1、罗大庆.公路桥梁钻孔灌注桩施工质量控制.西部探矿工程,2004.

2、 交通部公路司.公路工程质量通病防治指南[M].北京:人民交通出版社,2001.

3、 刘元炜.桥梁钻孔桩施工技术要点[M].北京:人民交通出版社,2003.

4、 罗荣辉. 钻孔灌注桩桩基涌水病害分析，广东公路交通,2001.

作者简介:

闵成辉，男，1972年出生，2007年毕业于石家庄铁道学院、大专，2013年毕业于西安科技大学（函授）本科，工程师，长期从事铁路、铁路站房、公路、房建施工管理。