鉆孔灌注樁成孔工藝與質(zhì)量控制問題探討

楊 陽，汪貴臨，胡 洋，封 凱，馮 虎，于翱搏

（中建八局第三建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210046）

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)衣食住行的要求不斷提高，特別是對(duì)居住的房屋建筑的質(zhì)量提出了更高要求，而其中又以基礎(chǔ)施工的質(zhì)量要求最為突出。在實(shí)際房屋建筑工程領(lǐng)域，鉆孔灌注樁作為一種樁基礎(chǔ)形式，因其優(yōu)點(diǎn)眾多而被廣泛應(yīng)用。如何合理選擇灌注樁成孔工藝及嚴(yán)格控制成樁質(zhì)量，已成為人們?cè)絹碓疥P(guān)心的問題。為此，本文對(duì)比分析了4種常用的鉆孔灌注樁成孔工藝，并對(duì)鉆孔灌注樁工程技術(shù)中的若干問題進(jìn)行探討，為實(shí)際施工生產(chǎn)提供借鑒與參考。

1 鉆孔灌注樁成孔工藝選擇

1.1 常見的鉆孔灌注樁成孔工藝

1）旋挖鉆孔灌注樁 該成孔工藝一般適用于黏土、粉土、砂土等軟土層及10cm以下的砂礫層，樁長(zhǎng)不宜大于90m，樁徑范圍為800～1 500mm。

2）反循環(huán)鉆孔灌注樁 反循環(huán)介質(zhì)是空氣、清水、泥漿，與正循環(huán)鉆進(jìn)法相比具有能有效排除大粒徑巖渣，提高排渣效率和鉆進(jìn)效率的特點(diǎn)。對(duì)于大直徑鉆孔，反循環(huán)的優(yōu)越性更明顯。

3）正循環(huán)鉆孔灌注樁 正循環(huán)鉆成孔工藝適用于直徑400～2 500mm、長(zhǎng)度不大于50m的樁的施工，適用地質(zhì)為填土層、黏土層、淤泥層、粉土層、砂土層，也適用于部分軟質(zhì)基巖和砂卵石層。正循環(huán)設(shè)備簡(jiǎn)單易搬運(yùn)，但相比反循環(huán)具有排渣能力差、鉆進(jìn)效率低的缺點(diǎn)。

4）沖擊成孔灌注樁 該成孔工藝可以應(yīng)用于地下水位以下的回填土、黏性土、砂土、粉土、碎石土及風(fēng)化巖層，也可在情況復(fù)雜、軟硬非均質(zhì)性變化大的巖層中使用。需要注意的是，沖擊鉆鉆進(jìn)時(shí)，孔內(nèi)泥漿只起到懸浮鉆渣和穩(wěn)定孔壁的作用，一般不循環(huán)。

1.2 工藝對(duì)比分析

1）旋挖鉆 具有成孔快、效率高的特點(diǎn)，適用于工期緊的工程項(xiàng)目；但旋挖鉆機(jī)對(duì)鉆桿的要求很高且無法自主造漿，不適用于超長(zhǎng)樁施工。此外，以往工程實(shí)踐證明：旋挖鉆機(jī)在施工過程中故障頻發(fā)且維修周期較長(zhǎng)，無形中增加了施工成本。

2）反循環(huán) 具有排渣能力強(qiáng)、鉆進(jìn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，成孔質(zhì)量較高；但其施工成本較高、施工投入大，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地的要求很高，多用于大直徑嵌巖樁。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，反循環(huán)鉆進(jìn)過程中如果補(bǔ)漿不及時(shí)，可能會(huì)造成孔壁坍塌。

3）正循環(huán) 工藝成熟、操作簡(jiǎn)單，實(shí)際施工生產(chǎn)中安全性高、不易塌孔，設(shè)備較少發(fā)生故障且施工成本低；該工藝的缺點(diǎn)是排渣能力較差，鉆進(jìn)效率相對(duì)較低。正循環(huán)鉆進(jìn)成孔工藝對(duì)于容易塌孔的軟土層具有良好的適用性。

4）沖擊鉆 主要適用于地質(zhì)情況復(fù)雜的施工環(huán)境，設(shè)備簡(jiǎn)單且移動(dòng)方便，同時(shí)鉆進(jìn)參數(shù)容易掌握；但是沖擊鉆孔施工周期長(zhǎng)，易出現(xiàn)樁孔不圓的情況，擴(kuò)孔率較高且遇到不均勻地層易發(fā)生斜孔、卡錘、掉鉆等事故。相較于正循環(huán)鉆孔工藝，沖擊鉆孔費(fèi)用較高。

總之，在樁基施工時(shí)，設(shè)備選型十分重要，應(yīng)該結(jié)合地質(zhì)狀況、工期緊張程度、操作可行性、質(zhì)量要求及經(jīng)濟(jì)效益等因素綜合考慮，選擇最佳的成孔工藝。

2 鉆孔灌注樁質(zhì)量影響因素分析

在工程樁基施工時(shí)，選擇合適的成孔工藝能夠起到事半功倍的效果。同樣，做好成孔過程及成孔之后每一環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，對(duì)于最終的樁基質(zhì)量有著重要影響。以下從工程實(shí)踐的角度，分別從樁身垂直度、孔深、孔徑、泥漿質(zhì)量、沉渣與沉淤、混凝土灌注等方面入手，分析探討鉆孔灌注樁的質(zhì)量控制問題。

2.1 樁身垂直度

確保鉆孔灌注樁的垂直度是保證樁端承載力的重要一環(huán)。規(guī)范規(guī)定的孔斜率不允許超過1%，目前很多企業(yè)在樁基施工時(shí)不重視垂直度的控制與檢查，更有甚者因測(cè)孔斜率費(fèi)時(shí)費(fèi)力不愿多此一舉。這就對(duì)工程監(jiān)管單位提出了更高要求，必須對(duì)鉆進(jìn)過程進(jìn)行嚴(yán)格把控，防止孔斜率超標(biāo)。

孔斜率超標(biāo)嚴(yán)重影響鋼筋籠的安放質(zhì)量，改變樁的受力狀態(tài)。孔斜嚴(yán)重時(shí)造成樁的偏位，對(duì)上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。在砂土等軟土層中易造成塌孔且不易除盡沉渣。當(dāng)樁與樁的間距較小時(shí)，極有可能形成“連體樁”，嚴(yán)重?fù)p害工程質(zhì)量。

為防止孔斜發(fā)生，在鉆孔過程中要隨時(shí)注意校核鉆桿的垂直度，做到隨偏隨糾。施工前應(yīng)對(duì)照地質(zhì)勘查報(bào)告仔細(xì)分析鉆孔處的地層分布，做到心中有數(shù)，做好事前準(zhǔn)備：進(jìn)入不均勻硬層或斜狀巖層時(shí)，鉆速應(yīng)打慢檔；遇到大孤石和堅(jiān)硬巖石時(shí)，需采用自重大的復(fù)合式牙輪鉆。此外，眾多工程實(shí)踐表明，安裝導(dǎo)正裝置是有效防止孔斜的簡(jiǎn)單易行的方法。

2.2 孔深

在以往發(fā)生的惡性建筑工程事故中，樁基施工時(shí)孔深不到位的例子屢見不鮮。關(guān)于孔深應(yīng)注意以下問題。

1）在常規(guī)孔深測(cè)量后，測(cè)繩收縮量可高達(dá)1.5cm/m，測(cè)20m的孔就會(huì)產(chǎn)生約0.3m的誤差；而更大的誤差則來源于測(cè)繩斷裂，測(cè)繩斷裂之后再與鉛錘相接，再次測(cè)量時(shí)一經(jīng)使用，誤差往往可達(dá)數(shù)米。如果使用細(xì)鋼絲繩測(cè)孔深，則要注意數(shù)標(biāo)，防止松動(dòng)錯(cuò)位。避免孔深測(cè)量誤差的根本方法就是在施工現(xiàn)場(chǎng)地面上設(shè)置長(zhǎng)度標(biāo)記作為準(zhǔn)繩，每次測(cè)完孔深后將測(cè)繩拿去校對(duì)。

2）鉆孔深度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。這種情況更多是由于地層分布不均勻造成：巖層起伏變化幅度大或分布成傾斜狀容易造成誤判，遇到起伏變化劇烈或呈傾斜狀分布的巖層時(shí)，嵌巖深度應(yīng)當(dāng)從低處算起。

入巖深度的把控因成孔工藝不同而有所區(qū)別。采用旋挖鉆、反循環(huán)、沖擊鉆工藝成孔的樁，入巖深度可采用巖樣鑒別法結(jié)合地質(zhì)勘查報(bào)告來判定，鉆孔過程中一旦確認(rèn)到達(dá)巖層應(yīng)取樣留存，并由此標(biāo)高繼續(xù)鉆進(jìn)，達(dá)到嵌巖深度后再次取樣，當(dāng)兩次取樣結(jié)果鑒定為相同時(shí)方可終孔。正循環(huán)鉆進(jìn)所成孔的樁確定入巖深度較為困難，這是因?yàn)檎h(huán)成孔時(shí)無法取到完整的巖樣，較可靠的辦法是認(rèn)真分析地質(zhì)勘查報(bào)告和試樁鉆探資料，根據(jù)巖層分布的等高線圖確定成孔深度。由于該方法具有一定的隨機(jī)性，因此應(yīng)適當(dāng)增大安全系數(shù)。此外，基于安全控制的角度，在一些缺少鉆孔的控制區(qū)域，可考慮采用鉆機(jī)換取芯鉆頭直接鉆取巖芯的方法來判定。

2.3 孔徑

縮孔現(xiàn)象容易發(fā)生在溝谷湖塘與河漫灘等潮濕地段新近沉積的黏土和粉土地層中，鉆孔時(shí)應(yīng)特別注意液性指數(shù)IL＞0.75呈軟塑和流塑狀態(tài)的黏性土，而當(dāng)IL＞1.0時(shí)，土質(zhì)呈流塑狀淤泥質(zhì)軟土，此種情況下鉆孔不可避免地會(huì)發(fā)生縮孔現(xiàn)象。與孔徑有關(guān)的質(zhì)量問題有如下幾方面。

1）孔徑小于設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致樁的截面變小，承載能力降低，安全系數(shù)達(dá)不到既定要求；同時(shí)樁徑減小導(dǎo)致鋼筋籠無保護(hù)層，大大削弱了樁的抗彎能力。

2）一般來講，軟土層位于地層上部，而樁身內(nèi)力也是上部大，一旦上部發(fā)生縮孔現(xiàn)象，容易造成樁身上部抗壓強(qiáng)度不足而遭到破壞。

防止縮孔可以從以下方面考慮：①提高泥漿質(zhì)量，增大泥漿的黏稠度，充分發(fā)揮泥漿護(hù)壁的作用；②適當(dāng)增大鉆頭直徑，也可采用導(dǎo)正器法，在導(dǎo)正器上安裝一定數(shù)量的合金刀片，在鉆孔過程中起掃孔作用。

2.4 泥漿質(zhì)量

在鉆孔灌注樁的施工中，泥漿質(zhì)量無論對(duì)于成孔質(zhì)量還是最終樁的承載力都發(fā)揮著重要作用，而目前很多樁基作業(yè)隊(duì)伍對(duì)泥漿質(zhì)量的重視程度不足，引發(fā)嚴(yán)重后果。

1）無法形成護(hù)壁泥膜或形成的泥膜質(zhì)量差，黏附力不強(qiáng)易脫落，在砂性土地層和流塑狀黏土層分別容易塌孔和縮孔，不利于孔壁的穩(wěn)定性。

2）泥漿比重大、含砂率高，形成的泥皮厚度大、質(zhì)量差，降低了樁的側(cè)摩阻力；若泥漿沉積粘附在鋼筋籠上，則會(huì)降低混凝土與鋼筋籠之間的握裹力，成樁質(zhì)量大打折扣。

因此，對(duì)泥漿質(zhì)量的管理絕不可麻痹大意，必須嚴(yán)把泥漿質(zhì)量關(guān)，選用質(zhì)量合格的泥漿。

2.5 沉渣與沉淤

在樁基施工生產(chǎn)中，沉渣與沉淤經(jīng)常被混為一談，二者其實(shí)有本質(zhì)的區(qū)別。沉渣一般是指鉆機(jī)切削孔壁塌落的巖土，主要包含碎巖峭、砂、礫石等；沉淤主要是指孔壁上附著的劣質(zhì)泥漿掉落至孔底后沉淀形成的流塑樁混合物。沉渣與沉淤厚度過大，會(huì)在樁底形成軟弱隔離層，大大削弱樁端承載力。

控制沉淤的主要措施是嚴(yán)格把控泥漿質(zhì)量及減少空孔時(shí)間，必要時(shí)可壓入護(hù)筒，加強(qiáng)工序之間的銜接。對(duì)于容易塌孔和縮孔的軟土層一般采用正循環(huán)工藝成孔，在此基礎(chǔ)上只需增加1臺(tái)空壓機(jī)和送風(fēng)管即可完成氣舉反循環(huán)清孔，除去孔內(nèi)沉渣。該法費(fèi)用較低、工藝成熟，效果良好。

2.6 混凝土灌注

混凝土灌注是最后也是最為關(guān)鍵的一道工序，混凝土的質(zhì)量、灌注過程和方法都必須嚴(yán)格加以控制。水下混凝土灌注時(shí)，由于阻力大不容易流暢灌入，樁基施工單位常常在澆筑之前向混凝土中加水，增大混凝土的坍落度以便順利灌入，嚴(yán)重降低了混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。質(zhì)檢、監(jiān)理人員應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管控，絕不可輕易相信試塊的試驗(yàn)結(jié)果。導(dǎo)管法水下灌注混凝土的阻力可按如下公式估算：

式中，D為樁身直徑，d為灌注導(dǎo)管直徑，l1為護(hù)桶頂距灌注混凝土面的距離，γw為泥漿重度，l2為灌注混凝土面距導(dǎo)管底的距離，γh為混凝土重度。

要克服巨大的灌入阻力保證最終成樁的質(zhì)量，必須要有相當(dāng)大的沖擊力?；炷翛_擊力越大，則灌注完1斗混凝土所需的時(shí)間就越短，越有利于樁身的均勻性。樁身不均，則影響樁的穩(wěn)定性。為了增大一次灌注混凝土沖擊力，應(yīng)倡導(dǎo)使用大體積混凝土沖擊灌注法，該方法具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1）沖擊力強(qiáng) 物體的沖擊能量與自身的質(zhì)量、速度有關(guān)，當(dāng)速度一定時(shí)取決于質(zhì)量。根據(jù)動(dòng)量原理，自由落體時(shí)物體的平均沖力可按如下公式計(jì)算：

式中，m為落體質(zhì)量，t為作用時(shí)間，h為落體高度，g為重力加速度。

假設(shè)混凝土灌注時(shí)1大斗方量為1m3，，取混凝土容重為22kN/m3，則1斗混凝土的自重為22kN。假定落體高度h=25m，作用時(shí)間t=1s，可計(jì)算出灌注1斗混凝土的平均沖力F=1 566.22kN，是混凝土自重的71倍左右。根據(jù)規(guī)范，混凝土灌注時(shí)導(dǎo)管底端至孔底的距離應(yīng)為0.3～0.5m，初灌時(shí)導(dǎo)管首次埋深應(yīng)≥1m。取導(dǎo)管底距孔底的距離為0.4m，假定樁身直徑D=0.8m，導(dǎo)管直徑d=0.3m，泥漿重度γw=12kN/m3，根據(jù)計(jì)算可得l2=1.60m，l1=23m，首斗混凝土灌入阻力R=134.43kN，顯然沖力F遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于灌入阻力R，為阻力R的11.65倍。在巨大的沖力下，混凝土的向上頂升力和側(cè)向擠壓力有了保證，樁的摩阻力和密實(shí)度都得以提高。

2）首斗混凝土灌注沖力大 樁底的沉渣與沉淤被沖擊濺開，樁端與持力層能較好地結(jié)合，保證了樁端承載力的發(fā)揮。

3）灌注時(shí)間短 混凝土骨料分布均勻，樁身強(qiáng)度得到保證。

當(dāng)然，大體積混凝土沖擊灌入時(shí)務(wù)必注意排氣技術(shù)，防止形成氣堵，此外也應(yīng)注意控制混凝土的和易性，嚴(yán)防灌注過程中形成堵塞。

3 結(jié)語

鉆孔灌注樁的應(yīng)用越來越廣泛，針對(duì)不同場(chǎng)地條件、質(zhì)量要求及工期緊張程度，應(yīng)選擇合適的鉆孔成樁工藝。鉆孔灌注樁過程中嚴(yán)格把控垂直度、孔深、孔徑、泥漿質(zhì)量、沉渣與沉淤、混凝土灌注等每個(gè)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工管理，保障每道工序之間有序連接，這樣鉆孔灌注樁的質(zhì)量才能得到保障。