旋挖鉆孔灌注樁的混凝土充盈系數(shù)影響因素分析

譚松娥 趙 江

（1.中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430071；2.廣東省珠海工程勘察院，廣東 珠海 519002）

隨著建設(shè)步伐的快速邁進(jìn)，旋挖成孔工藝因其快速便捷、成孔效率高得以在基礎(chǔ)工程施工中廣泛應(yīng)用?；炷潦枪嘧兜囊豁?xiàng)重要材料，其費(fèi)用占灌注樁工程總費(fèi)用的20～25%，因此混凝土用量的控制直接關(guān)系到旋挖成孔灌注樁施工成本。從而控制單樁混凝土用量對降低工程成本，提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

鉆孔灌注樁的混凝土充盈系數(shù)是指灌注樁成樁過程中的實(shí)際混凝土用量與設(shè)計(jì)混凝土用量的比值，是施工過程中混凝土用量的參考指標(biāo)。在施工過程中，既要求充盈系數(shù)大于設(shè)計(jì)值，以保證灌注樁成樁質(zhì)量，又要求充盈系數(shù)無限趨于設(shè)計(jì)值，以降低工程施工成本。根據(jù)規(guī)范 《JGJ4-80》，灌注樁的充盈系數(shù)不得小于1；一般土質(zhì)為1.1；軟土為1.2-1.3。在保證設(shè)計(jì)樁長與樁身直徑的情況下，充盈系數(shù)控制越小，混凝土浪費(fèi)越少，經(jīng)濟(jì)效益也就越高。因此，在施工過程中要控制好充盈系數(shù)，既不能過小也不能過大，過小則造成樁身缺陷，過大則造成成本浪費(fèi)，同時也影響樁身承載力。

1 充盈系數(shù)影響因素

在施工現(xiàn)場，有許多因素會造成充盈系數(shù)的增大或減小，有人為原因、施工設(shè)備原因、鉆具匹配問題、鉆進(jìn)參數(shù)的選擇、泥漿性能以及數(shù)據(jù)收集計(jì)算誤差等，常見影響因素如下：

1.1 旋挖鉆頭尺寸與類型

鉆頭外徑尺寸是決定樁孔直徑的關(guān)鍵因素，制作鉆頭的外徑不規(guī)范，誤差較大，直接影響到樁徑的大小。并且混凝土的比重大于土體的比重，在混凝土灌注的時候，會對周圍的土體產(chǎn)生擠土效應(yīng)，使得樁徑發(fā)生少許擴(kuò)大，所以在選用旋挖鉆頭時，鉆頭比設(shè)計(jì)樁徑小，例如樁徑1000mm工程樁鉆頭選用950mm，樁徑800mm工程樁鉆頭選用760mm，以此來控制充盈系數(shù)的大小。因此選用合適的鉆頭直徑，避免成孔孔徑超過設(shè)計(jì)樁徑，是控制充盈系數(shù)的一個重要方面。但同時，在施工過程中要定期測量旋挖鉆頭尺寸，防止因?yàn)殂@頭磨損使得鉆頭直徑過小，造成樁身小于設(shè)計(jì)要求，樁的承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求。盡管地層性質(zhì)對樁徑也有一定的影響，有的甚至很大，但只要掌握地層的特點(diǎn)后，同樣可通過適當(dāng)加大或縮小鉆頭外徑達(dá)到控制樁孔直徑的目的。

鉆頭類型的選擇也十分重要。鉆頭類型選擇不當(dāng)，則不僅鉆進(jìn)效率低，鉆頭不進(jìn)尺，而且勢必增加鉆桿擾動孔壁的概率，導(dǎo)致孔壁坍塌、樁孔超徑。旋挖鉆斗在施工中扮演著鉆進(jìn)和取渣的重要角色，市場上常見的鉆斗有雙鍋底撈砂斗（土層、嵌巖）、螺旋鉆斗 （土層、嵌巖）、旋挖鉆斗、體開式鉆斗等。因此，對于不同的地層，我們應(yīng)該選用適宜該地層的鉆頭。所以選擇合適的鉆頭的外形也是控制充盈系數(shù)的一個方面。

1.2 導(dǎo)正器

導(dǎo)正器是保證鉆頭在鉆進(jìn)過程中沿著鉆桿軸線方向前運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)裝置 （起導(dǎo)向作用），可減少鉆機(jī)主動鉆桿的晃動、搖擺，增加導(dǎo)正性能，使鉆頭平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。如果不用或選擇不當(dāng)，就會形成孔壁不規(guī)則的彎曲樁孔，造成孔斜，以至鋼筋籠下不去，或者鋼筋籠下去后刮擦孔壁，造成孔壁擴(kuò)徑甚至塌孔。為保證工程質(zhì)量必須重新進(jìn)行掃孔或糾斜。凡進(jìn)行掃孔或糾斜的樁孔往往嚴(yán)重超徑，甚至有的樁孔充盈系數(shù)高達(dá)2.0以上，所以應(yīng)該在鉆進(jìn)過程中合理利用導(dǎo)正器。

當(dāng)然，并不是每個地層所用的導(dǎo)正器都一樣，而是應(yīng)該在什么地層中鉆進(jìn)選用適合該地層鉆進(jìn)的導(dǎo)正器。例如在粘土層中使用寬度超過7cm的導(dǎo)正器，容易造成導(dǎo)正圈處包泥，包泥后會使鉆具的回轉(zhuǎn)失去穩(wěn)定性，引起樁孔口徑擴(kuò)大，造成充盈系數(shù)加大。

1.3 鉆桿直徑

鉆桿直徑小也會影響混凝土充盈系數(shù)。一是鉆桿直徑小會導(dǎo)致樁孔環(huán)狀間隙大，級配差；二是鉆桿直徑小會使得鉆桿強(qiáng)度低，容易引起彎曲。這兩種原因在鉆進(jìn)過程中都會引起鉆頭晃動，鉆桿敲打孔壁。在同一地層中，使用直徑89mm鉆桿所成樁孔的平均充盈系數(shù)達(dá)到1.41，而選用直徑大于150mm鉆桿施工的樁孔充盈系數(shù)卻在1.0-1.2之間。因此，應(yīng)該根據(jù)打樁孔徑的大小來選擇合適的鉆桿，鉆桿直徑不宜過小。否則會增大充盈系數(shù)，而且還會影響最后成樁的質(zhì)量。

1.4 鉆壓

在大直徑樁孔鉆進(jìn)過程中，如果不能吊直鉆桿而采取加壓鉆進(jìn)，就會使鉆具失去穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的條件。因?yàn)殂@壓過大會使鉆頭吃入地層越深，在旋轉(zhuǎn)中受到的阻力越大，所消耗的功率也就越大，容易造成鉆桿的彎曲，其結(jié)果是容易造成斜孔，嚴(yán)重的話還可能會引發(fā)孔內(nèi)事故。為了糾斜必然會加大混凝土的灌注量，增加充盈系數(shù)。因此在鉆進(jìn)過程中應(yīng)該合理控制鉆進(jìn)時的壓力，不要一味地為了追求速度，而盲目加壓。

選擇合理的鉆進(jìn)壓力能夠保證鉆具有效切削巖土、提高效率、減少損耗。所以，鉆進(jìn)過程中要達(dá)到最優(yōu)的鉆進(jìn)經(jīng)濟(jì)性，需要結(jié)合具體的施工條件。旋挖擴(kuò)孔鉆具的鉆進(jìn)壓力需要克服外部套管的推進(jìn)阻力并且要留有足夠的富余量，可以認(rèn)為該擴(kuò)孔鉆具工作過程中鉆進(jìn)的壓力主要用于切削段克服土體的硬度把切削刀具壓入與管壁摩擦力產(chǎn)生的推進(jìn)阻力。

1.5 鉆進(jìn)速度

鉆速過快會造成孔底泥漿渦動過大，對孔壁造成沖刷，并且還會使鉆機(jī)鉆桿擺動過大從而對孔壁造成破壞，結(jié)果都會使混凝土的用量增加，充盈系數(shù)增大。在松軟地層鉆孔時，過高的鉆進(jìn)速度會導(dǎo)致鉆孔偏斜。在堅(jiān)實(shí)地層鉆孔時，鉆進(jìn)速度過大，鉆頭對孔底的壓力太大，會使鉆機(jī)超負(fù)荷，加大鉆桿的擺動和鉆頭的偏斜，情況嚴(yán)重甚至?xí)箘恿︻^停止轉(zhuǎn)動，發(fā)生卡鉆現(xiàn)象。因此不能只顧鉆進(jìn)速度，而不考慮由于該鉆速鉆進(jìn)時所帶來的影響，我們應(yīng)該具體情況具體分析。對于不同的地層而言，粘土夾砂地層要放慢鉆進(jìn)速度，延長泥漿造壁時間。在易坍塌的砂質(zhì)地層中，要減小鉆斗的升降速度，防止因鉆斗升降速度過大而使鉆斗上下面產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊流沖動，還有由此產(chǎn)生的抽吸作用，引起孔壁坍塌。并且應(yīng)該及時用裝載機(jī)運(yùn)走樁孔周邊的渣土，以免渣土堆積過多擠偏護(hù)筒和壓塌井壁。

1.6 泥漿性能

旋挖鉆進(jìn)中的擴(kuò)徑問題很大程度上和護(hù)壁不利有關(guān)。泥漿比重小于1.1，在正常進(jìn)尺速度下，泥漿比重偏小有可能導(dǎo)致塌孔；泥漿黏度在16s以內(nèi)，泥漿粘度偏稀，使泥漿護(hù)壁厚度偏薄，成孔孔徑相對加大；泥漿含砂率大于6%，含砂率偏大，也會影響泥漿的護(hù)壁效果，可導(dǎo)致塌孔。以上原因都可導(dǎo)致混凝土澆筑量增加，從而引起鉆孔超擴(kuò)徑現(xiàn)象，進(jìn)而使得充盈系數(shù)增大。因而控制好泥漿性能也是非常重要的。

鉆孔灌注樁成孔周期一般都較短，只有幾小時或十幾小時，多則幾十小時，因而泥漿性能往往不被施工單位重視。在松散、易坍塌地層，用比重小、粘度低的稀泥漿成孔往往會造成孔壁剝落、坍塌，而在粘土地層中鉆進(jìn)，泥漿的粘度會不斷上升，引起鉆頭、導(dǎo)正器包泥造成擴(kuò)孔，增大充盈系數(shù)。所以鉆進(jìn)施工中必須重視泥漿管理，現(xiàn)場應(yīng)設(shè)有足夠大的泥漿池、沉淀池，及時拌制、排除泥漿，確保送入孔內(nèi)泥漿的性能。在鉆孔灌注樁施工的全過程中，泥漿性能需要隨時進(jìn)行檢測，并視地層情況及時調(diào)整泥漿性能，控制好膨潤土和添加劑的加量，從而有效降低充盈系數(shù)。

1.7 樁頂標(biāo)高和超灌高度控制

為保證有效樁長，去除樁頂浮漿的影響，一般灌注樁設(shè)計(jì)中均會規(guī)定樁頂允許超灌長度。在灌注完成時，要求對空孔進(jìn)行實(shí)測，超灌高度控制不到位，或高或低，都將給后期驗(yàn)收帶來相當(dāng)麻煩，要投入相當(dāng)?shù)娜肆?、?cái)力，甚至組織機(jī)械設(shè)備進(jìn)場處理。

超灌高度過高，會造成混凝土的浪費(fèi)及增加后期驗(yàn)收時破除樁頭的工作量和費(fèi)用。如超灌高度比設(shè)計(jì)要求高出許多，則要耗費(fèi)人工進(jìn)行破除樁頭，這樣不但增加了混凝土的用量又耗費(fèi)了人工，大大增加了工程成本。超灌高度沒達(dá)到設(shè)計(jì)要求，會造成后期驗(yàn)收時補(bǔ)灌接樁。如工程樁樁頂比設(shè)計(jì)樁樁頂標(biāo)高低，則需要采取措施補(bǔ)救，做鍋底支模進(jìn)行補(bǔ)灌，這樣不但增加了混凝土的用量，而且又延誤工期，最后也大大增加工程成本。因此控制好超灌高度對混凝土充盈系數(shù)有很大的影響。

2 結(jié)語

對充盈系數(shù)的分析，實(shí)際上就是對控制灌注混凝土用量的分析，而歸根結(jié)底都取決于樁孔質(zhì)量的好壞。施工現(xiàn)場的充盈系數(shù)過大或過小一般都是由多種因素同時導(dǎo)致，因此單獨(dú)對某一個因素進(jìn)行改進(jìn)很難取得明顯的控制效果。為此，需要針對具體工程實(shí)例，分析充盈系數(shù)過大或過小的主要原因，然后針對性的對其進(jìn)行綜合改進(jìn)，從而將充盈系數(shù)控制在合理范圍內(nèi)，節(jié)約施工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。