鉆孔灌注樁樁頂混凝土下沉冒水泛砂原因分析

駱嘉成

(溫州浙南地質(zhì)工程有限公司，浙江 溫州 325006)

鉆孔灌注樁樁頂混凝土下沉冒水泛砂原因分析

駱嘉成

(溫州浙南地質(zhì)工程有限公司，浙江 溫州 325006)

近幾年來，在溫州地區(qū)鉆孔灌注樁的施工與驗收過程中，樁頂混凝土常出現(xiàn)3種現(xiàn)象：下沉、冒水、泛砂，嚴重影響到基樁的工程質(zhì)量。從環(huán)境因素、材料因素、工藝因素出發(fā)，結(jié)合鉆孔灌注樁的施工經(jīng)驗，分別對上述3種現(xiàn)象的形成原因進行分析研究，并作出相關(guān)解釋，同時對3種現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)也作出了相應(yīng)的說明。

鉆孔灌注樁；樁頂混凝土；混凝土下沉；冒水；泛砂；泌水效應(yīng)

0 引言

鉆孔灌注樁作為基樁的重要類型之一，被廣泛應(yīng)用于工民建、道路、橋梁的基礎(chǔ)中。近幾年來在鉆孔灌注樁的施工與驗收過程中，樁頂混凝土經(jīng)常出現(xiàn)下列3種現(xiàn)象：下沉、冒水、泛砂，這些現(xiàn)象有3個明顯特征：其一，破壞性大，樁頂一般是樁身受壓力最大且應(yīng)力集中的位置，若出現(xiàn)上述問題引起質(zhì)量缺限，將會嚴重影響上部結(jié)構(gòu)安全與使用功能；其二，隱蔽性強，若不仔細觀察可能發(fā)現(xiàn)不了上述現(xiàn)象，或者忽視上述現(xiàn)象與工程質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)；其三，欺騙性強，即使在同一工地或同一班組所成的樁，也不一定均出現(xiàn)上述現(xiàn)象，這點對上述現(xiàn)象的原因分析及理論解釋帶來很大的困難，甚至顯得說服力不夠。國內(nèi)有些文獻涉及到上述問題，只是對可能會引起上述問題的原因進行羅列或分類，缺乏針對性與指導(dǎo)性。本文將從環(huán)境因素、材料因素、工藝因素3個方面對上述現(xiàn)象進行分析論證，期望對每種現(xiàn)象能作出準確、合理解釋，對鉆孔灌注樁的施工提供參考。

1 混凝土下沉

1.1 現(xiàn)象

混凝土下沉是指樁身混凝土澆注完畢后不久樁頂混凝土突然下降，不滿足設(shè)計標高，但混凝土的質(zhì)量沒有發(fā)生變化。這種現(xiàn)象發(fā)生非常隱蔽，由于大部分鉆孔灌注樁因有地下室而不需要將混凝土澆注到地表，故在開挖后常出現(xiàn)樁頂標高不足而接樁，總被誤認為是因混凝土欠澆而引起的，圖1與圖2是典型樁頂混凝土下沉效果記錄，圖2中水面混凝土下沉消失，探測數(shù)據(jù)為1.8 m。根據(jù)我們在溫州軟土地區(qū)了解的樁頂混凝土下沉的經(jīng)驗數(shù)據(jù)：發(fā)生下沉的時間一般在樁身混凝土澆注完畢后2 h以內(nèi)，下沉深度一般在1～3 m范圍，最大下沉深度可達7.3 m。

1.2 原因分析

混凝土不會憑空消失，在排除孔壁與孔底存在孔洞的前提下，下沉的混凝土必然是使樁身擴徑變粗了。因為流態(tài)的混凝土對孔壁產(chǎn)生側(cè)壓力，孔壁在側(cè)壓力作用下必然發(fā)生徑向變形而產(chǎn)生擴徑效果，由于不同土層的變形能力不同，故產(chǎn)生擴徑效果也不相同，例如砂礫層難擴徑，淤泥層易擴徑，而且軟土變形量大，持續(xù)時間長，所以在混凝土澆注完畢后一段時間內(nèi)軟土層仍然持續(xù)擴徑，導(dǎo)致樁頂混凝土下沉。

圖1 試樁GB2剛澆注完畢效果

1.3 混凝土不下沉條件

樁頂混凝土下沉原因是樁身擴徑，擴徑的內(nèi)因是孔壁變形，外因是樁身混凝土產(chǎn)生側(cè)壓力，在樁身混凝土澆注過程中對孔壁任意點的側(cè)壓力Pi等于該點以上的泥漿側(cè)壓力Pn、混凝土側(cè)壓力Ph及導(dǎo)管搗插混凝土產(chǎn)生側(cè)壓力Pd之和(其中L為地表至任意點深度)，Pk為孔壁受擠壓后產(chǎn)生抗側(cè)壓力，其大小與土層結(jié)構(gòu)和變形量有關(guān)，其任意點的力學(xué)平衡關(guān)系式為：

Pi=Pn(L-i)+Phi+Pdi=Pki

(1)

當混凝土澆至地表時，Pi=PhL，樁頂混凝土不下沉條件為：

PhL≤Pki

(2)

由于孔壁軟土層Pk值偏小，若軟土層中任意點Pki能承受混凝土側(cè)壓力PhL，則該樁頂混凝土面不會下沉。

1.4 預(yù)防措施

由式(2)可知，預(yù)防混凝土下沉有2條途徑，一方面降低混凝土的側(cè)壓力Ph；另一方面增大孔壁抗側(cè)壓力Pk，這2個方面同時作用效果會更好。

1.4.1 降低混凝土側(cè)壓力Ph

混凝土側(cè)壓力大小與其配合比、流動性及凝結(jié)時間相關(guān)聯(lián)，故在軟基地區(qū)澆注混凝土時，在能保障可灌性的條件下，不建議使用緩凝型混凝土；混凝土坍落度取下限；澆注混凝土時間不宜太快；使用輕型混凝土等措施。

1.4.2 增大孔壁抗側(cè)壓力Pk

孔壁受到混凝土與泥漿側(cè)壓后變形，隨著變形量的增加，孔壁抗側(cè)壓力Pk亦增加，但在澆注過程中Pn(L-i)+Phi無法達到其最大值PhL，故需要導(dǎo)管搗插擠壓來補償側(cè)壓力不足，其值為Pdi，相當于在澆注過程中預(yù)先完成最大側(cè)壓力擴徑效果，將公式(1)變形即可得到Pdi值：

Pdi=(Ph-Pn)(L-i)

(3)

由式(3)可知，Pdi值大小與泥漿面埋深L-i成正比，也即是混凝土面越低，越需要插管擠壓孔壁提供側(cè)壓力。

具體措施：在軟基中，尤其在軟基深部盡量多埋管，頻繁搗插，適當放慢澆注速度，讓孔壁在插管作用下有足夠變形時間，最終通過加大變形量來提高Pk值。即使混凝土質(zhì)量大小完全相同的情況下，由于澆注時間長短、插管次數(shù)與重點部位、埋管深度等工藝因素的差別較大，也會影響樁頂混凝土下沉，這也解釋了為何同一工地不是所有的樁頂混凝土都下沉的原因，所以影響樁頂混凝土下沉的因素有材料因素與工藝因素。

2 混凝土冒水

樁頂混凝土冒水有2種表現(xiàn)形式，第一種冒水是在混凝土剛澆注完畢時至初凝前；第二種冒水是在混凝土凝固以后，一般在樁頭鑿除后待驗收才發(fā)現(xiàn)的。不管是哪種冒水形式，都必須同時具備2個條件：壓力與水流通道。另外，必須弄清楚這水是來自地層中還是混凝土中，這對分析冒水原因十分關(guān)鍵。混凝土冒水對樁身強度有不利影響，會產(chǎn)生樁頂承載力下降與樁頂沉降加大，具體預(yù)防措施要根據(jù)其形成原因而采取針對性方法，下面分別就這2種冒水形式進行原因分析。

2.1 第一種冒水原因分析

當混凝土剛澆注完畢時，從樁孔中冒出類似泥漿的液體，像“泉眼”冒水，呈褐黃色，味臭，偶伴有氣泡逸出，隨著時間延長，冒水量降低，水慢慢變清澈，直到混凝土初凝時冒水結(jié)束，整個過程一般持續(xù)8 h左右。在冒水的同時，樁頂混凝土各組分分層沉降，造成離析，但前述樁頂混凝土下沉只是標高降低，并無冒水與分層沉降現(xiàn)象。

鉆孔樁在成孔時，由于泥漿作用會在孔壁上形成泥皮，阻隔地層中的水與泥漿交換，否則，將會引起孔口泥漿面的變化。水下混凝土本身是防水的，地層中的水不可能滲透到混凝土中并從中冒出，而且從上述冒水的現(xiàn)象與過程來分析，樁頂冒水應(yīng)該與混凝土有關(guān)聯(lián)。溫州地區(qū)鉆孔樁在2006年以前是采用現(xiàn)場自拌混凝土，那時并沒有出現(xiàn)樁頂冒水現(xiàn)象，自拌混凝土與商品混凝土配比成分差異是使用外加劑。

混凝土公司在保證強度前提下，盡管減少用水量與水泥用量以節(jié)約成本，同時為保證混凝土的和易性，延長混凝土凝結(jié)時間，必然要使用減水劑與摻合料等外加劑，若外加劑使用超量，必然產(chǎn)生明顯的泌水效應(yīng)，形成上述冒水現(xiàn)象，嚴重的泌水效應(yīng)會影響混凝土的耐久性與各項力學(xué)性能。

2.2 第二種冒水原因分析

這種現(xiàn)象多發(fā)生在基樁驗收時，有清水從樁頂混凝土的裂縫、空洞、松散的砂礫間冒出，且持續(xù)時間長，冒水量一般不會變化，與第一種冒水現(xiàn)象相比，第二種冒水現(xiàn)象并不是很普遍，也不是樁頂有裂縫或空洞存在就必然發(fā)生冒水現(xiàn)象。

由于該冒水是發(fā)生在混凝土終凝后，可以排除是混凝土內(nèi)部的水，只能是地層中的水。一般在基坑開挖后，樁周土與地表土的水位存在水頭差是形成冒水的動力，由于各種原因(例如混凝土離析、氣栓)，形成樁身結(jié)構(gòu)的縫隙，且該縫隙與樁頂和樁周土是貫通的，將樁周土中的水引導(dǎo)出來形成第二種冒水現(xiàn)象。

3 混凝土泛砂

混凝土泛砂是指樁身淺部有大量的松散細骨料，基本沒有粗骨料，膠結(jié)物含量少，泛砂的位置一般在樁頂、樁側(cè)、樁中間、鋼筋周圍，泛砂截面明顯呈濕印，剖面上存在水流紋路，膠結(jié)狀態(tài)自上而下由松散變密實，強度明顯偏低，圖3～5為典型樁頂混凝土泛砂現(xiàn)象。

圖3 樁中泛砂現(xiàn)象

圖4 樁側(cè)泛砂現(xiàn)象

圖5 鋼筋周圍泛砂現(xiàn)象

混凝土的泌水效應(yīng)結(jié)果是粗細骨料分層離析，其中密度大的粗骨料下沉速度快，細骨料下沉速度慢，從混凝土中泌出的水分向上運動，水在向上運動過程攜帶出的水泥顆粒，造成細骨料中無膠結(jié)物或膠結(jié)物減少，如同被水“淋洗”過的砂子，所以混凝土泛砂是與第一種冒水情況相關(guān)聯(lián)。減水劑是混凝土產(chǎn)生泌水作用的內(nèi)因，泌水效應(yīng)是產(chǎn)生冒水的動力，并形成泌水壓力，減水劑種類與加量決定泌水能力與壓力。

泌水通道是由淺到深逐漸發(fā)展的，不同深度的水分向上運動的路徑長短與阻力不同，其攜帶水泥顆粒的能力與效率有差別，故膠結(jié)物的含量自上而下也是由少變多，泛砂層密實度和強度也有相應(yīng)變化。另外，泌水反應(yīng)時間受初凝時間控制，初凝時間受緩凝劑種類與添加量控制，故混凝土的泌水深度也是有限的，一般泛砂深度在10 m以內(nèi)。由于泌水通道不相同，所以泛砂位置與形態(tài)也各不相同，但即使發(fā)生泌水效應(yīng)，泌水通道無法形成，則混凝土只是骨料分層，并不會形成泛砂現(xiàn)象，所以不是每根樁都會發(fā)生泛砂現(xiàn)象，泌水效應(yīng)是發(fā)生泛砂現(xiàn)象的必要條件。合理地使用減水劑與緩凝劑，是有效控制樁頂混凝土泛砂的關(guān)鍵。

4 結(jié)論

(1)混凝土下沉的內(nèi)因是孔壁土軟易變形，外因是混凝土側(cè)壓力對孔壁的擠壓產(chǎn)生樁身擴徑，預(yù)防措施是通過降低混凝土流動性而減少其側(cè)壓力，在澆注混凝土過程中通過插管預(yù)先對孔壁擠壓擴徑來消除后期混凝土再下沉。

(2)混凝土冒水有2種形式：第一種冒水來自混凝土內(nèi)部，原因是混凝土產(chǎn)生泌水效應(yīng)；第二種冒水來自孔壁土層，原因是樁頂與孔壁土層之間縫隙貫通，且存在水頭差。

(3)混凝土泛砂原因與第一種冒水現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)，泌水效應(yīng)導(dǎo)致混凝土分層離析并產(chǎn)生泌水壓力，水流過程中攜帶出細骨料中的水泥顆粒，形成泛砂現(xiàn)象，泛砂現(xiàn)象與泌水效應(yīng)和泌水通道有關(guān)系。

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CausesAnalysisonConcreteSinking,WaterEmittingandSandExudingontheTopofBoredGroutingPiles

LUOJia-cheng

(Wenzhou Zhe’nan Geological Engineering Co., Ltd., Wenzhou Zhejiang 325006, China)

In recent years, concrete settlement, water emitting and sand exuding often appeared on the pile top concrete in the bored grouting piles construction and inspection processes in Wenzhou City, which seriously affected the engineering quality. From the view point of factors of environment, material and technology and combined with the bore grouting pile construction experience, the forming causes of the above mentioned phenomena are analyzed respectively and the relevant explanations are presented in this article, the correlation between these 3 phenomena is also explained.

bored grouting pile; pile top concrete; concrete settlement; water emitting; sand exuding; bleeding effect

2017-03-15；

2017-07-05

駱嘉成，男，漢族，1968年生，高級工程師，巖土工程專業(yè)，碩士，從事巖土工程施工與管理工作，浙江省溫州市站前路199號地質(zhì)大廈1705室，252735683@qq.com。

TU473.1+4

A

1672-7428(2017)09-0085-04