岩溶地质岩土塑性与旋挖桩成孔研究

岩溶地质岩土塑性与旋挖桩成孔研究

朱志勇

云南建投技工学校    昆明   651701

摘要：地表水丰富的岩溶地区如何有效解决岩土塑性变形，提高钻孔施工质量及施工效率，是桩基工程施工持续研究的课题。桩基施工过程中，通过对不同岩土的特性分析、研究、试验，人为改善孔壁岩土的含水量、剪切力、稳定性，降低旋挖灌注桩成孔或钻孔过程中发生的塌孔、缩颈的概率，有效节约成本的同时提高了成孔施工质量。

关键词：岩溶地质；旋挖钻孔；岩溶解析；岩土塑性

0引言

旋挖钻机因其优良的性能、成熟的钻孔工艺，在云贵高原被广泛应用。尤其适用于钻孔施工区域非河道、农田、湖泊、沼泽或旋挖钻机不能到达的山区时。钻孔灌注桩在岩溶地区的成孔一直具有强烈的不可控因素，对岩土详勘报告的重视程度不足、钻孔工况选择不当、钻孔过程管理不善、成孔异常处理不当，必然造成钻孔作业连续性差、施工效率低下、成本增加。经实践证明介于干作业与水作业成孔之间，钻孔孔壁岩土为可塑的情况下，通过改善岩土塑性，能一定程度上抑制成孔异常，有效提高成桩的质量。

1工程概况/研究的目的

云南东部某项目，施工场地呈缓坡状，依山而建，具有典型的岩溶地质特征。桩基数量1137根，设计为嵌岩端承桩，桩径0.6m。工程采用旋挖钻孔灌注桩工艺，前期完成354根桩基施工，桩基检测结果Ⅰ类桩占比较低，项目部要求后续Ⅰ类桩占比≥90%。

2工程重难点/研究的方法

能否完成提升Ⅰ类桩占比的质量目标，项目开展了专项质量提升活动。结果表明旋挖灌注桩成孔或钻孔过程中出现的塌孔、缩颈是Ⅰ类桩占比不足的主要原因之一。钻孔周边土壤因水土流失造成的塑性变形、钻机工作带来的扰动、钻杆进尺的速度变化、钢筋笼下放过程剐蹭孔壁、成孔后至浇筑停留时间过长等情况，均能造成孔壁泥土脱落或向内挤压，由此形成塌孔、缩颈。其中土壤的扰动、钻孔进尺速度、钢筋笼剐蹭、成孔闲置时间长等，均可通过加强组织及过程管理得到解决，土壤水土流失造成的塑性变形则具有强烈的偶然性，难以控制。随即就水土流失造成土壤塑性变形的成因、提高其稳定性的方法进行了深入剖析。

3施工工艺流程/研究的过程

3.1岩溶解析

3.1.1岩土详勘信息

根据项目岩土详勘报告揭露。本地区岩溶中等发育，多为覆盖型岩溶、局部暴露。地下形态主要有峰从、孤峰、溶沟、溶斗、溶蚀洼地、溶洞等。地下水主要有潜水类型地表水、孔隙水、岩溶裂隙水、地下暗流等，地下潜水水位0.4～5.7m。土层主要有人工填土、红黏土、粉质黏土、砂土、沉积物等，含砾、碎石、黏土等，含量差异大、可塑性差，土色呈灰褐、褐、红色、灰黄及杂色，厚度0～25m。塑性指数13～33，平均含水率33.2%、平均液性指数0.23、液限平均值34.78%、平均膨胀率37.2%。

3.1.2原因分析

岩溶地区岩层、土层、土质、地下水等情况多变，是旋挖钻孔施工中的不可控因素，导致成孔异常制约了成桩质量的提升。

当钻孔深度超过地下潜水水位后因破坏暗流、岩溶裂隙，造成的积水或泉涌对孔内土层的含水量、抗剪切力、重力等发生变化，随时可能发生缩孔、塌孔、窜孔等突发状况。回填覆土层因回填年限不一，土质情况差异较大，多数较为松散，受堆载、机械振动，易引起土层扰动产生塌孔。砂土因其含砂孔隙度高、密实度差，失水极易引发塌孔。红黏土类似于膨胀土，遇水膨胀、失水收缩，受含水量波动较为敏感，易引发钻孔缩颈、塌孔。暗流及泉涌持续水流可能对成桩的完整性形成了一定威胁。

3.1.3物理特性分析

为便于研究，在可能发生缩颈、塌孔的钻孔过程中，留置土样时，辨识记录土样的类型、种类、状态、颜色等基本信息。进行土壤现场实时鉴定分析。

碎石土，土层深度范围3.9～7.6m、厚度不均，是人工填土，排列不规则、颗粒大而不均、级配不良、密度低，受振动易坍塌[1]P88。表面颜色呈灰色，用手搓捏时不宜成型，具有孔隙比大、亲水性差、透水性强、可塑性差等特点。当钻孔发生时因土粒表面静水压变化，自由水流动、土颗粒位移，造成土层抗剪切力降低而引起土块掉落。旋挖钻孔过程中不可避免的存在振动、剐蹭、失水情况，导致塌孔时有发生。

砂土，土层深度范围0～25m、厚度0.7～2.9m，是沉积物，排列规则、颗粒均匀、密度较低，含水量流失易坍塌。表面颜色呈灰黄，用手搓捏时可成型，具有孔隙比较大、透水性较强、可塑性差、韧性差等特点。当钻孔发生时因土粒自由水流失、土颗粒位移，引起土块湿陷性下沉、剥离，而发生塌孔。

黏土，土层深度范围0～25m、厚度2.5～10.3m，颗粒细密、湿润、柔软、密度高，表面颜色呈红褐、黄褐。与水接触后有溶于水的现象，且遇水膨胀隆起、失水收缩下沉[2]484；与空气接触时表面渗水，失水后收缩开裂脱落。具有亲水性好、膨胀性较强、可塑性强、受含水量波动较为敏感等特点。钻孔过程中土颗粒受地下水位变化、钻杆上下的水流冲刷、成孔后孔壁渗水影响，从而引发塌孔、缩颈。

结合碎石土、砂土、黏土物理特性分析得知，土的颗粒大小及含量、孔隙比、黏度、含水量是引发塌孔和缩颈的主要原因。相较而言同等条件下的粉土介于砂土与黏土之间，因其可塑性高于砂土、膨胀性弱于黏土，反而不宜发生塌孔、缩颈。经查阅相关文献，土颗粒的结构形式分为单粒、蜂窝、絮状三种[2]P39，沉积试验中单颗粒下沉、絮状填补蜂窝空隙吸引其它颗粒，因此土的强度、压缩性、塑性与结构形式息息相关；土的分类主要依据含砂颗粒或土颗粒大小、数量、土颗粒的塑性指标由塑限及液限确定[1]P82；岩土分析可利用塑性力学解决洞体岩土强度及稳定性，洞体介质宏观上可视为接续介质或固体材料[3]P2。综上所述，可采用物理混合的方法，调节钻孔孔壁岩土塑性，从而抑制塌孔、缩颈的发生。

3.2岩土塑性研究

3.2.1 分类及鉴别

岩土的分类和鉴别[5]P10。粒径大于 2mm 的颗粒质量超过总质量 50% 的土为碎石土；粒径大于 2mm 的颗粒质量不超过总质量的 50% ，粒径大于 0.075mm 颗粒质量超过总质量 50% 的士为砂土；粒径大于 0.075mm 的颗粒质量不超过总质量的50%，且塑性指数等于或小于 10 的土为粉土；塑性指数大于 10且小于或等于 17 的土为粉质黏土，塑性指数大于 17 的士为黏土。

为便于施工现场操作，根据岩土的野外鉴别方法[1]P88，采用手捻、挫条、韧性、摇振等方法代替实验仪器检测的塑性。手捻稍微湿润的土块，揉捏后用能捏成片状，如手感细腻、无砂、光滑则为高塑性土；将土放在手心挫条至最小直径，土条直径小于1mm为高塑性、土条直径1～3mm之间为中等塑性、土条直径大于3mm为低塑性；将土挫条至直径3mm后，能捏成团而不碎则为中等韧性、成团后的土能再次挫条不散则为高韧性；将中等塑性土块捏成土球，在手掌振动、轻巧拍打，土球表面有光泽为湿润土。

岩溶地区岩土因其发育、风化、沉积受地理环境差异影响，最终形成不同种类的岩土。根据岩土分类及鉴别，表明岩土塑性可通过改变级配、含水量进行调节，因此对不同的岩土进行混合可改变旋挖钻孔孔壁岩土塑性，从而达到提高孔壁岩土稳定性，提升钻孔质量的目的。

3.2.2 综合试验

为适应施工现场情况、节约成本、便于操作，因地制宜收集钻孔过程产生的岩石粉、砂土、粉土、黏土，按不同混合方式及比例拌制稀泥。经试验当岩石粉（本地区岩石富含石膏及黏土矿物）、砂土、粉土、黏土比例为1:3:3:3，加上适量水拌制稀泥至手抓不能成型、不流动但黏手感强时，在钻孔孔壁涂抹厚度3～5mm的稀泥，稀泥固结后依然附着于孔壁。参照“回旋钻孔工艺”，在无可见渗水的孔内利用旋挖钻机做稀泥护壁试验，取得近似于“回旋钻泥浆护壁”的效果。

将岩石粉、砂土、粉土、黏土进行筛选处理后分类存放备，按比例不加水拌制成干混土、加适量水拌制手抓能团的湿混土，分别用可降解塑料袋装袋待用。密切跟踪钻孔进度，动态观测评估塌孔、缩颈风险，伺机进行护壁试验。在可见渗水的孔内投掷湿混土、在有少量积水的孔内投掷干混土，使用旋挖钻机配合进行护壁，过程中根据实际岩土类型及含水量情况针对性添加石粉、砂土、粉土、黏土或水，直至有效护壁后继续往下钻孔。当存在风险的位置护壁不及时或塌孔、缩颈已发生时，将钻斗提至缺陷位置下部，沿钻杆缝隙投掷相应的石粉、砂土、粉土、黏土或按比例拌制的湿混土、干混土、稀泥，钻斗由下而上进行孔壁修复。试验对比结果表明，经处理的孔壁一定程度上抑制塌孔、缩颈的发生。

3.2.3 结果分析

旋挖钻孔过程中不可避免的破坏土层结构、地下水系统，且孔壁表面不规则。孔壁岩土因重力、水土流失而打破土的固相、液相、气相三相平衡[2]P42，即土中水流失被气填充、土颗粒向空隙移动，而土颗粒的级配与含水率影响土的塑性变化。因此在孔壁表面增加黏性物质含量较多的混合土层，可一定程度的隔离、缓解渗水，起到支撑孔壁岩土作用。

经处理的护壁层混合土相对细腻，对钻孔形成的不规则、粗糙的孔壁有一定的修复作用，使得孔壁更加圆润、光滑，桩基浇筑的充盈系数趋于标准值，因此成桩的完整性必然有很大提高。

4结语

项目通过对当地岩溶岩土塑性的深入研究，对部分旋挖钻孔过程中有塌孔、缩颈的桩孔进行混合土护壁的方法有效改善了成孔质量。最重要的是岩土塑性的研究为桩基施工提出了指导性意见，在作业过程中规避了很多不必要的风险。项目后续施工的783根桩基，检测结果Ⅰ类桩占比90.7%，圆满完成桩基质量提升任务。岩溶地质岩土千变万化，旋挖成孔困难的有效处理方法也有很多。旋挖钻孔混合土护壁混合方法在非首创，也并非万能的，但岩土塑性的研究在岩溶地区地基基础施工就有着至关重要的意义！

参考文献：

[1] 张 勤  陈志坚 主编，岩土工程地质学，  黄河水利出版社  2000.07

[2] 陈希哲 编著，土力学地基基础(第4版)，清华大学出版社 2004.04

[3] 张学言 闫澍旺 主编，岩土塑性力学基础(第1版)，人民交通出版社 2004.09

[4] 中华人民共和国建设部，《岩土工程勘察规范》GB 50021-2001(2009年版)，中国建筑工业出版社 2009.05