鉆孔灌注樁事故防范與樁基質量控制
2008-08-13 00:00
摘要：在鉆孔灌注樁施工過程中，對經常發(fā)生的工程事故，介紹了幾種防范措施和鉆孔灌注樁施工中的重要指標樁底回淤量的控制方法。通過防范工程事故、控制回淤量，從而達到提高樁基質量的目的。
關鍵詞：鉆孔灌注樁；縮徑；塌孔；浮籠；卡管；混凝土澆筑
一、概述
在橋梁樁基礎工程中廣泛應用的鉆孔灌注樁因在地下、水下灌注成樁，隱蔽性強，不便監(jiān)測，故從場地準備、鉆孔、清孔、到水下混凝土的灌注，各環(huán)節(jié)均易發(fā)生各類事故，以至造成嚴重損失。因此，根據現場地質、水文地質條件，采取科學、合理的預防措施，對于保證樁基質量，有著重要的意義。而鉆孔灌注樁樁底回淤量的大小，直接影響到樁基承載力的大小。只有控制和減小樁底回淤量，才能有效保證和提高樁基質量。
二、鉆孔灌注樁的事故防范
鉆孔灌注樁施工事故主要有塌孔、縮徑、浮籠、卡管、混凝土澆筑事故等。
1．防止孔壁的坍塌。產生孔壁坍塌的主要原因有：（1）孔口表層土松軟，護筒長度不足；（2）孔內水頭壓力不夠；（3）土層中地下水壓力較高；（4）在礫石層有滲流水或者沒水，孔內出現跑水現象；（5）泥漿比重不足；（6）不科學地使用護壁材料；（7）成孔速度太快，孔壁來不及形成泥膜等。因此，應該認真掌握地質柱狀圖等水文地質、工程地質資料，操作必須適合地質條件。塌孔后應迅速將塌孔以粘土摻加片石或卵石填死，防止地表產生塌陷，放置幾天再開鉆。
2．防止縮徑的發(fā)生。在軟土層施工鉆孔灌注樁，清孔后，灌注前，鉆進時形成的孔內地層壓力平衡狀態(tài)被打破，孔壁四周軟土向孔內擠壓占位，即形成縮徑。這就需要在成孔作業(yè)時從鉆壓和鉆速、施工操作等方面進行控制，鉆壓不宜過大，鉆進過程中要嚴格控制進尺速度，以保證護壁效果。在鉆進時經常升降鉆頭，以達到擠壓孔壁的目的，實現孔壁軟土排水固結，并同泥漿作用形成較厚的泥皮，以求加強孔壁軟土的穩(wěn)定性，實現降低軟土塑變影響的目的。另外，清孔后泥漿比重不宜與鉆進時的泥漿比重相差太大。
3．防止施工機具掉入、卡在孔中。在鉆進過程中，由于錐頭磨損，補焊不及時，導致成孔孔徑偏小，補焊后再鉆容易發(fā)生卡錐現象。因此，在補焊后應逐步邊擴孔邊向下放錐，嚴禁一次把錐放到孔底。
4．防止浮籠。在灌注過程中由于混凝土對鋼筋籠的浮力導致鋼筋籠升高。鋼筋籠的上升是不可逆轉的，尤其對于摩擦樁，其鋼筋籠底部通常設置在距孔底4米處。因此，灌注前應把鋼筋籠用點焊等方法固定在護筒上。在灌注過程中，混凝土澆筑至鋼筋籠底部1m左右時，降低灌注速度，防止沖力過大。當混凝土面超過籠底4米以上時，提升導管到籠底上部2m以上，方可恢復正常灌注速度。
5．防止卡管。在灌注過程中，除會發(fā)生導管卡在鋼筋籠內的現象外,還會出現混凝土卡在管中導致澆筑無法進行，其原因大致有：（1）混凝土中碎石粒徑偏大；（2）導管某些部位變形，混凝土沖擊壓力降低；（3）混凝土和易性不好，混凝土有離析現象。另外，首盤混凝土的坍落度應取高限，否則，將導致后來灌注混凝土頂升困難。在卡管發(fā)生后，通常采用提升、抖動導管或用大儲量料斗增加混凝土的壓力并提管的處理方法。因此，需要對骨料粒徑、混凝土的塌落度、和易性、攪拌時間等內容進行經常檢測和控制。當發(fā)現混凝土有離析現象時，要經二次拌和后方可使用。另外，在灌注過程中埋管不宜太小，否則，在卡管后將無法提升導管。
6．避免混凝土澆筑事故。在灌注過程中，由于混凝土表面深度量測不準確或導管拆管長度計算錯誤，導致埋管深度不足，以至樁中出現薄弱混凝土夾層，甚至導管拔出混凝土表面，導管進水,形成斷樁。因此，在灌注過程中，應認真量測、記錄混凝土深度與導管長度，并及時復核數據。施工事故的發(fā)生，有其規(guī)律性。因此，首先要做到防患于未然，當發(fā)生事故時，能做出及時、果斷、合理的處理措施，在保證樁基質量的情況下，把損失控制在最小的范圍內。
三、樁底回淤量的控制
樁底回淤量的大小是影響樁基承載力的重要因素之一?；赜倭康拇笮Q定了清底系數m0值的大小，而清底系數m0值的大小，決定到樁尖處土的極限承載力的大小(清底系數m0與樁底回淤量關系見表1。因此，把回淤厚度控制在設計范圍內，尤為必要。
1．回淤的產生。在成孔施工作業(yè)過程中，需經常向孔中添加粘土，以用來形成泥膜護壁及用來懸浮鉆渣。當終孔以后，為利于混凝土的灌注，需減小孔中泥漿的比重，向孔中注入清水置換稀釋泥漿。由于泥漿的稀釋，對孔壁的壓力將減小。鉆進的形成的平衡狀態(tài)被打破，導致部分松散結構的孔壁不穩(wěn)定。因此，如果孔壁的土質條件不太好而且護壁效果不佳，易導致孔壁土向孔中塌陷。同時由于泥漿的粘度將降低，泥漿夾裹鉆渣及泥沙的能力也隨之降低?？妆谕僚c鉆渣等沉積在樁底就形成了回淤。
2．控制回淤的意義。由于樁底回淤厚度的大小，直接決定了承載力的大小。因此，在鉆孔灌樁的施工中樁底回淤厚度成為檢測控制的重要指標。在《公路橋涵施工技術規(guī)范JTJ041—89中要求回淤厚度:摩擦樁不大于0.4d～0.6d(其中d為設計樁徑)，柱樁不大于設計值。在新頒布的《公路橋涵施工技術規(guī)范》JTJ041—2000對回淤厚度有了更嚴格的要求，對于摩擦樁，樁徑≤1.5m，回淤≤300mm；柱樁不大于設計值。以設計樁徑為1.3m樁基為例，在地質土層最不利的情況，對于摩擦樁m0提高0.1，承載力將提高1／(10mo+28.7) ；對于嵌巖樁清孔良好比清孔一般，承載力將提高11.3%。設計文件要求清孔系數m0不小于0.7，即回淤厚度t不大于390mm。鉆孔施工過程中，為保證有效樁長，需在達到設計孔深后，再預留出可能出現最大回淤厚度所占有的那部分長度。實際鉆孔深度要達到設計孔深加上0.39m。而在鉆孔進入到堅硬巖層后，由于巖石堅硬，鉆機進尺較慢，減小回淤厚度，不僅可以提高樁基承載力，而且還可以縮短工期、減小工程造價。
3．樁底回淤量的控制。回淤量是清孔到灌注前這一段時間內，所沉積回游的厚度。有時需要進行二次清孔才能達到要求，這樣一來不僅增加了工作難度，而且增加了工作風險，因為二次清孔很容易造成孔壁的塌陷。因此，在實際清孔過程中，就需要具體分析對待每個工程中樁基的地質土層條件，區(qū)別對待。當地質條件較好時，消孔后泥漿比重取低值；當地質條件較差時，清孔后泥漿比重取高值。如果泥漿比重降低太大，易引發(fā)塌孔等工程事故，而如果泥漿比重降低不到1.10以下，在灌注過程中，由于泥漿壓力較大在灌注到樁的上部后，混凝土壓力不足，導致灌注困難，甚至引發(fā)斷樁等工程事故的發(fā)生。根據施工經驗，以于地質條件較差的情況，當把鉆渣、泥沙清到一定程度，泥漿比重較小后，向孔中及時填加粘土，重新造漿、清孔。即可以避免由于清孔后泥漿比重降低，對孔壁壓力減小引發(fā)的孔壁塌陷的可能性，又可起到增加裹夾泥沙、鉆渣的能力，從而有效控制回淤量。另外，在灌注前應確認導管懸管高度，如導管懸管過高，易使首盤混凝土中水泥被水清洗流失，相當于增加了樁底薄弱層厚度，使樁基承載力降低。
四、工程實例
京秦高速公路青龍連接線工程沙河特大橋基礎采用雙樁柱形式。全橋共有樁86棵，其中嵌巖樁26棵，摩擦樁60棵。樁基的設計樁徑為1.3m。根據設計單位提供的地質資料，自上而下依次劃分為六個工程地質層。第一層為耕植土，主要成分為粉砂土，層厚0.2m～0.5m。第二層為砂礫，結構松散到中密，含卵石，層厚2.4m～5.0m。第三層為卵石，主要有變質巖、巖漿巖碎塊構成，一般粒徑4cm～8cm，填充物為砂礫。含漂石，由稍密到中密，層厚1.9m～8.3m。第四層為強風化花崗巖，局部有斷裂破碎帶通過，巖石破碎，厚度變化較大，該層分布連接。第五層為弱花崗巖，受構造破碎帶影響局部巖石破碎，分布不連續(xù)，厚度變化較大。第六層為微風化花崗巖，粗粒結構、塊狀構造,局部有斷裂帶通過。
沙河特大橋橫跨沙河，沙河附近地下水位較淺，僅為0.1m～1.4m。樁基采用鉆孔灌注樁。護筒高1.5m左右，到砂礫底層最大深度為5.5m，到卵石層底層最大深度為13.8m。砂礫層、卵石層需在鉆孔時特別注意泥漿護壁。在鉆進過程中，注意控制了進尺速度，確保了泥膜的護壁質量。另外，因砂礫層有滲透水作用，孔內水頭保持在一定高度，防止了滲透水的侵入。鉆進時泥漿比重為1.3～1.4。達到要求孔深后，進行成孔檢測，然后開始掏渣清孔。清孔時，當泥漿比重降到1.2左右的時候，向孔中添加粘土造漿。再清孔，把泥漿比重降低到1.05左右，順利地完成了灌樁。經檢測，樁基質量均合格。
五、小結
樁基作為承載橋梁靜載和動載的主要載體，其質量的好壞，影響甚至決定了橋梁的使用壽命。樁基的不均勻沉降，往往導致橋梁上部連續(xù)結構的破壞，而產生不均勻沉降的直接原因就是樁基承載力不足。由于現有條件的限制，還不能對所有工程的橋樁進行高應變試驗，來檢測樁基承載力大小。因此防范事故的發(fā)生，嚴格控制樁底回淤量，對于保證樁基承載力，提高樁基質量，進而提高結構的整體質量，有著極為重要的意義。
參考文獻：
[1]JGJ94-94建筑樁基技術規(guī)范[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995．
[2]劉金礪．樁基礎設計與計算[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996．
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關鍵詞：鉆孔灌注樁；縮徑；塌孔；浮籠；卡管；混凝土澆筑
一、概述
在橋梁樁基礎工程中廣泛應用的鉆孔灌注樁因在地下、水下灌注成樁，隱蔽性強，不便監(jiān)測，故從場地準備、鉆孔、清孔、到水下混凝土的灌注，各環(huán)節(jié)均易發(fā)生各類事故，以至造成嚴重損失。因此，根據現場地質、水文地質條件，采取科學、合理的預防措施，對于保證樁基質量，有著重要的意義。而鉆孔灌注樁樁底回淤量的大小，直接影響到樁基承載力的大小。只有控制和減小樁底回淤量，才能有效保證和提高樁基質量。
二、鉆孔灌注樁的事故防范
鉆孔灌注樁施工事故主要有塌孔、縮徑、浮籠、卡管、混凝土澆筑事故等。
1．防止孔壁的坍塌。產生孔壁坍塌的主要原因有：（1）孔口表層土松軟，護筒長度不足；（2）孔內水頭壓力不夠；（3）土層中地下水壓力較高；（4）在礫石層有滲流水或者沒水，孔內出現跑水現象；（5）泥漿比重不足；（6）不科學地使用護壁材料；（7）成孔速度太快，孔壁來不及形成泥膜等。因此，應該認真掌握地質柱狀圖等水文地質、工程地質資料，操作必須適合地質條件。塌孔后應迅速將塌孔以粘土摻加片石或卵石填死，防止地表產生塌陷，放置幾天再開鉆。
2．防止縮徑的發(fā)生。在軟土層施工鉆孔灌注樁，清孔后，灌注前，鉆進時形成的孔內地層壓力平衡狀態(tài)被打破，孔壁四周軟土向孔內擠壓占位，即形成縮徑。這就需要在成孔作業(yè)時從鉆壓和鉆速、施工操作等方面進行控制，鉆壓不宜過大，鉆進過程中要嚴格控制進尺速度，以保證護壁效果。在鉆進時經常升降鉆頭，以達到擠壓孔壁的目的，實現孔壁軟土排水固結，并同泥漿作用形成較厚的泥皮，以求加強孔壁軟土的穩(wěn)定性，實現降低軟土塑變影響的目的。另外，清孔后泥漿比重不宜與鉆進時的泥漿比重相差太大。
3．防止施工機具掉入、卡在孔中。在鉆進過程中，由于錐頭磨損，補焊不及時，導致成孔孔徑偏小，補焊后再鉆容易發(fā)生卡錐現象。因此，在補焊后應逐步邊擴孔邊向下放錐，嚴禁一次把錐放到孔底。
4．防止浮籠。在灌注過程中由于混凝土對鋼筋籠的浮力導致鋼筋籠升高。鋼筋籠的上升是不可逆轉的，尤其對于摩擦樁，其鋼筋籠底部通常設置在距孔底4米處。因此，灌注前應把鋼筋籠用點焊等方法固定在護筒上。在灌注過程中，混凝土澆筑至鋼筋籠底部1m左右時，降低灌注速度，防止沖力過大。當混凝土面超過籠底4米以上時，提升導管到籠底上部2m以上，方可恢復正常灌注速度。
5．防止卡管。在灌注過程中，除會發(fā)生導管卡在鋼筋籠內的現象外,還會出現混凝土卡在管中導致澆筑無法進行，其原因大致有：（1）混凝土中碎石粒徑偏大；（2）導管某些部位變形，混凝土沖擊壓力降低；（3）混凝土和易性不好，混凝土有離析現象。另外，首盤混凝土的坍落度應取高限，否則，將導致后來灌注混凝土頂升困難。在卡管發(fā)生后，通常采用提升、抖動導管或用大儲量料斗增加混凝土的壓力并提管的處理方法。因此，需要對骨料粒徑、混凝土的塌落度、和易性、攪拌時間等內容進行經常檢測和控制。當發(fā)現混凝土有離析現象時，要經二次拌和后方可使用。另外，在灌注過程中埋管不宜太小，否則，在卡管后將無法提升導管。
6．避免混凝土澆筑事故。在灌注過程中，由于混凝土表面深度量測不準確或導管拆管長度計算錯誤，導致埋管深度不足，以至樁中出現薄弱混凝土夾層，甚至導管拔出混凝土表面，導管進水,形成斷樁。因此，在灌注過程中，應認真量測、記錄混凝土深度與導管長度，并及時復核數據。施工事故的發(fā)生，有其規(guī)律性。因此，首先要做到防患于未然，當發(fā)生事故時，能做出及時、果斷、合理的處理措施，在保證樁基質量的情況下，把損失控制在最小的范圍內。
三、樁底回淤量的控制
樁底回淤量的大小是影響樁基承載力的重要因素之一?；赜倭康拇笮Q定了清底系數m0值的大小，而清底系數m0值的大小，決定到樁尖處土的極限承載力的大小(清底系數m0與樁底回淤量關系見表1。因此，把回淤厚度控制在設計范圍內，尤為必要。
1．回淤的產生。在成孔施工作業(yè)過程中，需經常向孔中添加粘土，以用來形成泥膜護壁及用來懸浮鉆渣。當終孔以后，為利于混凝土的灌注，需減小孔中泥漿的比重，向孔中注入清水置換稀釋泥漿。由于泥漿的稀釋，對孔壁的壓力將減小。鉆進的形成的平衡狀態(tài)被打破，導致部分松散結構的孔壁不穩(wěn)定。因此，如果孔壁的土質條件不太好而且護壁效果不佳，易導致孔壁土向孔中塌陷。同時由于泥漿的粘度將降低，泥漿夾裹鉆渣及泥沙的能力也隨之降低?？妆谕僚c鉆渣等沉積在樁底就形成了回淤。
2．控制回淤的意義。由于樁底回淤厚度的大小，直接決定了承載力的大小。因此，在鉆孔灌樁的施工中樁底回淤厚度成為檢測控制的重要指標。在《公路橋涵施工技術規(guī)范JTJ041—89中要求回淤厚度:摩擦樁不大于0.4d～0.6d(其中d為設計樁徑)，柱樁不大于設計值。在新頒布的《公路橋涵施工技術規(guī)范》JTJ041—2000對回淤厚度有了更嚴格的要求，對于摩擦樁，樁徑≤1.5m，回淤≤300mm；柱樁不大于設計值。以設計樁徑為1.3m樁基為例，在地質土層最不利的情況，對于摩擦樁m0提高0.1，承載力將提高1／(10mo+28.7) ；對于嵌巖樁清孔良好比清孔一般，承載力將提高11.3%。設計文件要求清孔系數m0不小于0.7，即回淤厚度t不大于390mm。鉆孔施工過程中，為保證有效樁長，需在達到設計孔深后，再預留出可能出現最大回淤厚度所占有的那部分長度。實際鉆孔深度要達到設計孔深加上0.39m。而在鉆孔進入到堅硬巖層后，由于巖石堅硬，鉆機進尺較慢，減小回淤厚度，不僅可以提高樁基承載力，而且還可以縮短工期、減小工程造價。
3．樁底回淤量的控制。回淤量是清孔到灌注前這一段時間內，所沉積回游的厚度。有時需要進行二次清孔才能達到要求，這樣一來不僅增加了工作難度，而且增加了工作風險，因為二次清孔很容易造成孔壁的塌陷。因此，在實際清孔過程中，就需要具體分析對待每個工程中樁基的地質土層條件，區(qū)別對待。當地質條件較好時，消孔后泥漿比重取低值；當地質條件較差時，清孔后泥漿比重取高值。如果泥漿比重降低太大，易引發(fā)塌孔等工程事故，而如果泥漿比重降低不到1.10以下，在灌注過程中，由于泥漿壓力較大在灌注到樁的上部后，混凝土壓力不足，導致灌注困難，甚至引發(fā)斷樁等工程事故的發(fā)生。根據施工經驗，以于地質條件較差的情況，當把鉆渣、泥沙清到一定程度，泥漿比重較小后，向孔中及時填加粘土，重新造漿、清孔。即可以避免由于清孔后泥漿比重降低，對孔壁壓力減小引發(fā)的孔壁塌陷的可能性，又可起到增加裹夾泥沙、鉆渣的能力，從而有效控制回淤量。另外，在灌注前應確認導管懸管高度，如導管懸管過高，易使首盤混凝土中水泥被水清洗流失，相當于增加了樁底薄弱層厚度，使樁基承載力降低。
四、工程實例
京秦高速公路青龍連接線工程沙河特大橋基礎采用雙樁柱形式。全橋共有樁86棵，其中嵌巖樁26棵，摩擦樁60棵。樁基的設計樁徑為1.3m。根據設計單位提供的地質資料，自上而下依次劃分為六個工程地質層。第一層為耕植土，主要成分為粉砂土，層厚0.2m～0.5m。第二層為砂礫，結構松散到中密，含卵石，層厚2.4m～5.0m。第三層為卵石，主要有變質巖、巖漿巖碎塊構成，一般粒徑4cm～8cm，填充物為砂礫。含漂石，由稍密到中密，層厚1.9m～8.3m。第四層為強風化花崗巖，局部有斷裂破碎帶通過，巖石破碎，厚度變化較大，該層分布連接。第五層為弱花崗巖，受構造破碎帶影響局部巖石破碎，分布不連續(xù)，厚度變化較大。第六層為微風化花崗巖，粗粒結構、塊狀構造,局部有斷裂帶通過。
沙河特大橋橫跨沙河，沙河附近地下水位較淺，僅為0.1m～1.4m。樁基采用鉆孔灌注樁。護筒高1.5m左右，到砂礫底層最大深度為5.5m，到卵石層底層最大深度為13.8m。砂礫層、卵石層需在鉆孔時特別注意泥漿護壁。在鉆進過程中，注意控制了進尺速度，確保了泥膜的護壁質量。另外，因砂礫層有滲透水作用，孔內水頭保持在一定高度，防止了滲透水的侵入。鉆進時泥漿比重為1.3～1.4。達到要求孔深后，進行成孔檢測，然后開始掏渣清孔。清孔時，當泥漿比重降到1.2左右的時候，向孔中添加粘土造漿。再清孔，把泥漿比重降低到1.05左右，順利地完成了灌樁。經檢測，樁基質量均合格。
五、小結
樁基作為承載橋梁靜載和動載的主要載體，其質量的好壞，影響甚至決定了橋梁的使用壽命。樁基的不均勻沉降，往往導致橋梁上部連續(xù)結構的破壞，而產生不均勻沉降的直接原因就是樁基承載力不足。由于現有條件的限制，還不能對所有工程的橋樁進行高應變試驗，來檢測樁基承載力大小。因此防范事故的發(fā)生，嚴格控制樁底回淤量，對于保證樁基承載力，提高樁基質量，進而提高結構的整體質量，有著極為重要的意義。
參考文獻：
[1]JGJ94-94建筑樁基技術規(guī)范[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995．
[2]劉金礪．樁基礎設計與計算[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996．
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