钻孔灌注桩在不良地层中的施工问题及解决措施

吕凯

0 引言

随着城市建筑规模的不断扩大，桩基工程在施工中遇到地质条件复杂、工程施工困难的情况越发常见。为了保证桩基工程顺利进行，可通过提前查看工程地质勘察报告获取项目地质情况，针对复杂地质条件提出相应解决措施。本文通过具体工程项目，分析如何有效解决桩基工程中遇到的各种地质问题。

1 工程概况

该项目位于上虞区城北，其东南侧为江广路，西南侧为峰山北路，西北侧为中富钢构，东北侧为金城照明电器有限公司，该区域属萧绍甬平原海相淤（冲）积平原地貌。工程总占地面积为7 692m，总建筑面积为35 255.50m。本项目主要包括1幢12 层办公楼及1 幢1～3 层裙楼，用地范围下设一层地下室，建筑面积约5 241.60m，场地地面绝对标高平均为5.800m，项目主体为框架剪力墙结构，最大单柱荷载约16 000 kN。

本工程±0.000m 相当于绝对标高+6.000m，施工前地面标高平整至+5.800m，即相对标高-0.200mm。地下室承台垫层底设计绝对标高为-2.530m，筏板垫层底设计绝对标高为-1.780m；电梯井承台垫层底设计绝对标高为-3.750m（基坑东北侧）和-4.050m（基坑西北侧）。基坑地下室区域开挖深度按地下室承台垫层底考虑，基坑东北侧开挖深度为7.430m（其中电梯井区域开挖深度8.650m）；基坑其余侧开挖深度为8.330m（其中西北侧电梯井区域开挖深度9.850m）。

在施工工艺上，本工程桩基采用GF-300C 型钻机反循环成孔，桩径为600mm 和800mm 两种规格，600mm 工程桩桩数为222 根，800mm 工程桩桩数为182 根，共计404 根工程桩，桩端持力层为6～2 中等风化玄武岩，由于场地6～2 层地层分布不均，造成场地内桩长各不相同，需及时查看场地地质勘查报告来确定，同时桩长度按照进入持力层深度为主，最小有效桩长为辅标准控制。

本工程围护则分为电梯基坑边支护及其它位置支护。电梯基坑边支护采用钻孔灌注桩+高压喷射扩大头预应力锚杆+混凝土内支撑的形式，其它位置支护均采用SMW 工法桩+高压喷射扩大头预应力锚杆+混凝土内支撑的形式；围护体顶标高至地面采用喷锚护坡；坑中坑支护采用三轴搅拌桩+25a 槽钢，汽车坡道放坡大于2.5m 时采用拉森钢板桩与喷锚护坡。

2 地质及水文概况

根据地勘报告可以发现，该区域地质条件复杂，淤泥质粉质粘土、砂质粉土、砾砂等不良地层较多，桩基施工难度大。结合土层性质，可将施工场地内的地基土层划分为6 个工程地质大层，细分为11 个工程地质亚层，主要为1 层杂填土、2-1层粘质粉土、2-2 层粘质粉土、3-1 层淤泥质粉质粘土、3-2 层淤泥质粉质粘土、4-1 层砂质粉土、4-2 层粉质粘土、4-3 层中砂、5 层砾砂、6-1 层强风化玄武岩、6-2 层中风化玄武岩，其性质自上而下分述如下：

1 层、杂填土：杂色，松散，主要由碎石及建筑废弃物组成，其中硬质物含量约70%，含少量的粘性土及植物根系。地表大部分覆盖有混凝土地坪。均匀性一般。本层全场地分布，层厚0.30～1.90m。

2-1 层、粘质粉土：灰黄色，很湿，稍密状，中压缩性，摇震反应迅速，无光泽反应，干强度及韧性低，含少量云母碎屑。平均垂直渗透系数为5.70×10～5cm/s，平均水平渗透系数为7.33×10～5cm/s。本层全场地分布，层厚0.80～2.30m。

2-2 层、粘质粉土：灰色，很湿，松散状，中压缩性，摇震反应迅速，无光泽反应，干强度及韧性低，含少量云母碎屑。平均垂直渗透系数为7.04×10～5cm/s，平均水平渗透系数为8.56×10～5cm/s。本层全场地分布，层厚4.50～6.30m。

3-1 层、淤泥质粉质粘土：灰色，流塑状，高压缩性，含少量腐殖质及有机质，切面稍有光泽，无摇震反应，干强度及韧性中等。本层全场分布，层厚8.60～14.60m。

3-2 层、淤泥质粉质粘土：灰色，流塑状，高压缩性，含少量腐殖质及有机质，切面稍有光泽，无摇震反应，干强度及韧性中等，夹粉土微层，层厚1～5mm。本层全场分布，层厚6.70～11.20m。

4-1 层、砂质粉土：灰色，很湿，稍密状，中压缩性，摇震反应迅速，无光泽反应，干强度及韧性低，含少量云母碎屑。局部相变为粉砂。本层全场分布，层厚2.20～5.00m。

4-2 层、粉质粘土：灰褐色，软塑～流塑状，中压缩性，含少量腐殖质，切面稍有光泽，干强度及韧性中等，无摇震反应，含铁锰等金属氧化物斑点。局部夹薄层状砂，层厚10～20cm。本层全场分布，层厚3.90～7.80m。

4-3 层、中砂：灰色，很湿，中密状，低压缩性，砂粒岩性复杂，成分主要为石英砂岩、火山岩类，分选性差，多呈圆形或次圆形，粒径大于0.25mm 的含量约为50%～58%，粘粒含量约为17%。局部夹薄层状粘性土，层厚10～30cm。本层全场分布，层厚3.40～7.50m。

5 层、砾砂：灰色，中密状，低压缩性，砾石岩性复杂，成分主要为石英砂岩、火山岩类，分选性差，多呈圆形或次圆形，砾径大于2mm 含量约为49.5%，局部相变为卵石；砂质充填，砂以中粗砂为主，含量约21%，粘粒含量约16.6%。本层全场分布，层厚6.00～10.10m。

6-1 层、强风化玄武岩：灰色～灰黑色，岩石呈碎块状，属软岩，岩体基本质量等级为V 级，RQD 值小于25%。本层仅在Z1、Z2 有发现，层厚0.00～0.80m。

6-2 层、中风化玄武岩：灰色～灰黑色，基质结构，岩芯呈短柱状、柱状，岩质坚硬，气孔状、块状构造，合金钻钻进困难，局部风化蚀变，蚀变后的岩石强度较差。岩石质量指标RQD 为75%以上，为较好的，属较软岩。按岩体完整程度分类为较完整岩，岩石基本质量等级为Ⅳ级。勘探深度内，预计桩端下无洞穴、临空面不良地质。

本场地地下水埋深小，浅部主要为受大气降水和河流水补排影响的孔隙潜水，含水层主要为2-1 层粘质粉土及2-2 层粘质粉土，埋藏较浅，水量较小，并易受污染，水位变化受气候影响较大，年变化幅度约1.50m；场地内各粘性土层隔水性好，4-1 层砂质粉土、4-3 层中砂及5 层砾砂系深部微承压水含水层，承压水头、水量不大，承压水位深度约为9m。附近无三废污染源，根据本场地Z1、Z20 号孔内所取地下水的水质分析成果报告，地下水类型为重碳酸·硫酸盐-钙·钠型淡水，场地内地下水对混凝土结构具微腐蚀性，在干湿交替条件下对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性，在长期浸水条件下对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

3 施工前工程难点分析

3.1 钻孔塌孔

1 层为杂填土层，状松散，且硬质物含量约70%，层厚在0.30～1.90m 之间，在工程施工前，桩位放样后进行护筒埋设时，若出现护筒长度选择不当、埋设过浅、护筒位置未固定等情况，造成护筒底部未越过原状土层，周围封闭不密实等。在钻孔过程中，泥浆的往复运动可能会造成护筒外壁与土体产生间隙，发生局部扰动，造成杂填土中硬质物发生坠落，易造成塌孔以及孔位偏移等现象的发生。

3-1 和3-2 层为淤泥质粉质粘土层：流塑状，高压缩性，属于高灵敏土，自稳性差。在桩基施工过程中，钻机钻孔进尺过快，泥浆未能起到护壁作用或护壁效果不佳，造成泥皮不能及时形成，而进尺已越过该层，泥皮局部发生缺失等情况。在泥浆的循环作用下，循环的泥浆将泥皮未能及时形成的薄弱处土粒带入孔内，形成该层的水土流失通道，造成土体结构的失稳而发生坍塌。

4-1 层、砂质粉土：此类土层，呈松散蜂窝状，渗透性较好，内聚力小，对外力反应灵敏，在微弱动水或外力作用下都会发生移动，丧失稳定性。在桩基施工过程中，若不采取有效的施工措施，进尺过程势必引起土体的扰动，造成孔壁周围的应力失去平衡，周围土体临空面应力瞬间被释放。在合力作用下，土颗粒向孔内蠕动，进而带动大范围的土体流动,发生塌孔现象。

3.2 钻孔漏浆原因分析

5 层、砾砂：砾砂层中砾石岩性复杂，成分主要为石英砂岩、火山岩类,分选性差，多呈圆形或次圆形，砾径大于2mm 含量约为49.5 %，局部相变为卵石；砂质充填，砂以中粗砂为主。在桩基施工过程中，泥浆把砾砂层中中粗砂带出，砾石间缝隙较大，且孔内水头压大于孔外，地下水压力远小于护筒内泥浆压力，导致泥浆沿着砾石间的缝隙流出孔外，引起水头下降。

3.3 孔底成渣厚原因分析

泥浆在钻孔过程中主要有两个作用，一个是钻孔过程中泥浆起到护壁作用，另一个是泥浆在循环过程中可以携带、排除大量因钻孔而产生的钻渣。

一般地层采用自然造浆的方式进行钻孔，在钻进过程中钻头破碎土层，形成桩径大小的孔洞，泥浆中的自由水在压力差的作用下会向孔壁中空隙渗透，使得泥浆失水，部分固相颗粒附着在孔壁上，随着失水作用进一步发生，固相颗粒不断附着在孔壁上，泥皮的厚度不断增加，直到泥皮厚度增加的速度与泥皮被冲刷的速度达到平衡后，孔壁泥皮达到稳定状态，即泥皮厚度不再增加。

自然条件下所配置的泥浆在形成稳定的泥皮后，泥浆中仍含有大量的原始土层中的粗颗粒及无用固体物质，从而造成泥浆塑性粘度高而结构粘度较低，结构粘度低会降低泥浆携带钻渣的能力。

对于本工程所面临复杂地层，显然上述自然泥浆造浆方式的黏度和稠度均无法满足钻孔周围的护壁作用及携渣、排渣能力。泥浆的黏度和稠度偏小，砾砂颗粒悬浮在孔内泥浆里，较大粒径砾石仍难以大量排出，没有真正达到清孔的目的。在清孔完成后，静置状态下，大量砾砂下沉速度快，造成孔底成渣不符合要求。

4 解决措施

4.1 钻进塌孔解决措施

（1）埋设长护筒

根据地勘报告可知，1 层杂填土层厚为0.30～1.90m，在施工前，根据原状土土层深度选择1～3m 长的护筒，以此来达到护筒底部穿过杂填土层，进入原状土层且护筒底部和周围用粘土换填并夯填密实。以防成孔时护筒下部塌孔，同时固定好护筒位置，防止孔位的偏移。

（2）提高泥浆性能指标，加大泥浆密度和粘度

3-1、3-2 层淤泥质粉质粘土，4-1 层砂质粉土的塌孔可以归因于在钻进过程中钻杆进尺过快，泥浆质量不良，护壁效果不佳。

在正式施工前，在现场划定两个对施工影响较小的位置，设置两个泥浆池，一个作为循环池使用，一个作为沉淀池使用。前期泥浆选用膨润土为主料，并加入黏土、纯碱和羧甲基纤维素（CMC）等外加剂混合而成。考虑到地层4-1 层砂质粉土的不良特性，泥浆相对密度、粘度均采用较大值配比，并加大了CMC 的用量，比例定为水∶膨润土∶黏土∶Na OH∶CMC=1000 ∶100∶60 ∶1.5 ∶3。经过上述制备的泥浆性能最终膨胀可达到10～30 倍。

在饱水情况下，由于砂质粉土的力学特性，以膨润土为主的泥浆具有高膨胀性，同时拥有强烈的自我修复能力，形成泥皮速度快，从而可以形成连续性、稳定性和抗破坏性均较好的泥皮，给泥浆与土体之间提供了良好的受力介质，从而保证了进尺的稳定进行。同时，泥浆在循环后经沉淀池流入循环池以便泥浆中的砂粒沉淀，并经过泥沙分离器分离后，形成可用泥浆，保证进入钻孔中的泥浆有较好的性能。

4.2 钻孔漏浆解决措施

漏浆的主要因素为泥浆粘度和稠度不够，无法形成致密的泥皮，造成泥浆沿着孔隙流出。因此要解决漏浆应该提高泥浆粘度和稠度与封堵卵石间缝隙相结合的办法。根据现场施工经验漏浆主要发生在砾石层前期，一旦卵石缝隙被黏土颗粒充填漏浆量会越来越少甚至全部消失，故在进尺到砾石层前期时，钻进速度和进尺状况必须高度重视。

在实际钻进中，本工程在进尺到绝对标高-38.00m 左右时，发现护筒内水头出现下降，排浆口带出大量砾砂（图1）。查看该区位的勘察报告发现，此时孔底位于5 层砾砂层顶部位置。该砾砂层中砾径大于2mm 含量约为49.5%，局部相变为卵石，砂质充填，层土不均匀，砂以中粗砂为主。另外，反观孔内泥浆缓缓流出，水头并未突然下降。因此，怀疑是卵石层缝隙较大，地下水压力远小于护筒内泥浆压力，导致泥浆流出孔外，引起的水头下降。

图1 孔内排出卵石

分析原因发现，前期以膨润土为主料的泥浆护壁保证了周围土体的稳定，满足了上部土层钻孔的需要，虽经过沉淀除砂等处理但在经过几次循环后其粘度，稠度均变差。在进入5 层砾砂层时，砾砂层因地层本身无法自然造浆，加之前期泥浆性能变差，护壁效果不佳，泥浆沿孔隙流出，造成漏浆。

先停止钻进进尺，置换成优质膨润土泥浆进行钻进，然后观察、记录漏浆情况，若无明显变化，则按照此优质泥浆进行进尺，且保证及时置换直至进尺穿过5 层砾砂层。若出现明显的漏浆情况，结合现场实际情况，利用现场三轴水泥土搅拌桩返土带上来的部分水泥浆，与制备好的泥浆进行搅拌，加大泥浆比重至1.4，粘度至25，搅拌均匀后，再次进行钻进工作，观察护筒内水头变化，适当时机进行补浆，保持孔内的水头位置，经过一段时间的观察发现，护筒内水头保持稳定，漏浆现象得到解决，同时大量的卵石随着泥浆被带出。

4.3 钻孔沉渣解决措施

埋设长护筒以及性能良好的泥浆对于控制孔底沉渣至关重要，长护筒的埋设减少了上部杂填土中硬质物的掉落，性能良好的泥浆保证中下层易液化坍塌砂质层的成孔质量，同时性能良好的泥浆在长期停钻的情况下还能保持较好的泥沙悬浮能力，孔底沉积物较少，此外，优质的泥浆可使孔壁形成一层粘性好、密度大、渗透性差的泥皮，这层泥皮可防止孔内泥浆外渗大大减缓孔内水头降低的速度这也是使孔壁稳定的有效措施，大大增加了泥浆的携带、排除钻渣的能力，最终能将孔底清理干净。

5 结论

随着社会发展，工程建设的日益增加，在桩基础施工过程中，遇到的不良地质条件的现象显著增加，在施工过程中认真执行设计要求和施工技术要求是非常重要的，针对施工中可能遇到的潜在问题认真分析原因，提前制定出针对性的处理措施，再结合现场出现的其它问题，进一步优化措施，能较好地避免各类质量事故。同时实际施工中，要结合潜在问题和现场实际遇到的问题进行比较分析，归纳总结出一系列处理类似问题的有效经验。