钻孔灌注桩事故防范与桩基质量控制
2008-08-13 00:00
摘要：在钻孔灌注桩施工过程中，对经常发生的工程事故，介绍了几种防范措施和钻孔灌注桩施工中的重要指标桩底回淤量的控制方法。通过防范工程事故、控制回淤量，从而达到提高桩基质量的目的。
关键词：钻孔灌注桩；缩径；塌孔；浮笼；卡管；混凝土浇筑
一、概述
在桥梁桩基础工程中广泛应用的钻孔灌注桩因在地下、水下灌注成桩，隐蔽性强，不便监测，故从场地准备、钻孔、清孔、到水下混凝土的灌注，各环节均易发生各类事故，以至造成严重损失。因此，根据现场地质、水文地质条件，采取科学、合理的预防措施，对于保证桩基质量，有着重要的意义。而钻孔灌注桩桩底回淤量的大小，直接影响到桩基承载力的大小。只有控制和减小桩底回淤量，才能有效保证和提高桩基质量。
二、钻孔灌注桩的事故防范
钻孔灌注桩施工事故主要有塌孔、缩径、浮笼、卡管、混凝土浇筑事故等。
1．防止孔壁的坍塌。产生孔壁坍塌的主要原因有：（1）孔口表层土松软，护筒长度不足；（2）孔内水头压力不够；（3）土层中地下水压力较高；（4）在砾石层有渗流水或者没水，孔内出现跑水现象；（5）泥浆比重不足；（6）不科学地使用护壁材料；（7）成孔速度太快，孔壁来不及形成泥膜等。因此，应该认真掌握地质柱状图等水文地质、工程地质资料，操作必须适合地质条件。塌孔后应迅速将塌孔以粘土掺加片石或卵石填死，防止地表产生塌陷，放置几天再开钻。
2．防止缩径的发生。在软土层施工钻孔灌注桩，清孔后，灌注前，钻进时形成的孔内地层压力平衡状态被打破，孔壁四周软土向孔内挤压占位，即形成缩径。这就需要在成孔作业时从钻压和钻速、施工操作等方面进行控制，钻压不宜过大，钻进过程中要严格控制进尺速度，以保证护壁效果。在钻进时经常升降钻头，以达到挤压孔壁的目的，实现孔壁软土排水固结，并同泥浆作用形成较厚的泥皮，以求加强孔壁软土的稳定性，实现降低软土塑变影响的目的。另外，清孔后泥浆比重不宜与钻进时的泥浆比重相差太大。
3．防止施工机具掉入、卡在孔中。在钻进过程中，由于锥头磨损，补焊不及时，导致成孔孔径偏小，补焊后再钻容易发生卡锥现象。因此，在补焊后应逐步边扩孔边向下放锥，严禁一次把锥放到孔底。
4．防止浮笼。在灌注过程中由于混凝土对钢筋笼的浮力导致钢筋笼升高。钢筋笼的上升是不可逆转的，尤其对于摩擦桩，其钢筋笼底部通常设置在距孔底4米处。因此，灌注前应把钢筋笼用点焊等方法固定在护筒上。在灌注过程中，混凝土浇筑至钢筋笼底部1m左右时，降低灌注速度，防止冲力过大。当混凝土面超过笼底4米以上时，提升导管到笼底上部2m以上，方可恢复正常灌注速度。
5．防止卡管。在灌注过程中，除会发生导管卡在钢筋笼内的现象外,还会出现混凝土卡在管中导致浇筑无法进行，其原因大致有：（1）混凝土中碎石粒径偏大；（2）导管某些部位变形，混凝土冲击压力降低；（3）混凝土和易性不好，混凝土有离析现象。另外，首盘混凝土的坍落度应取高限，否则，将导致后来灌注混凝土顶升困难。在卡管发生后，通常采用提升、抖动导管或用大储量料斗增加混凝土的压力并提管的处理方法。因此，需要对骨料粒径、混凝土的塌落度、和易性、搅拌时间等内容进行经常检测和控制。当发现混凝土有离析现象时，要经二次拌和后方可使用。另外，在灌注过程中埋管不宜太小，否则，在卡管后将无法提升导管。
6．避免混凝土浇筑事故。在灌注过程中，由于混凝土表面深度量测不准确或导管拆管长度计算错误，导致埋管深度不足，以至桩中出现薄弱混凝土夹层，甚至导管拔出混凝土表面，导管进水,形成断桩。因此，在灌注过程中，应认真量测、记录混凝土深度与导管长度，并及时复核数据。施工事故的发生，有其规律性。因此，首先要做到防患于未然，当发生事故时，能做出及时、果断、合理的处理措施，在保证桩基质量的情况下，把损失控制在最小的范围内。
三、桩底回淤量的控制
桩底回淤量的大小是影响桩基承载力的重要因素之一。回淤量的大小决定了清底系数m0值的大小，而清底系数m0值的大小，决定到桩尖处土的极限承载力的大小(清底系数m0与桩底回淤量关系见表1。因此，把回淤厚度控制在设计范围内，尤为必要。
1．回淤的产生。在成孔施工作业过程中，需经常向孔中添加粘土，以用来形成泥膜护壁及用来悬浮钻渣。当终孔以后，为利于混凝土的灌注，需减小孔中泥浆的比重，向孔中注入清水置换稀释泥浆。由于泥浆的稀释，对孔壁的压力将减小。钻进的形成的平衡状态被打破，导致部分松散结构的孔壁不稳定。因此，如果孔壁的土质条件不太好而且护壁效果不佳，易导致孔壁土向孔中塌陷。同时由于泥浆的粘度将降低，泥浆夹裹钻渣及泥沙的能力也随之降低。孔壁土与钻渣等沉积在桩底就形成了回淤。
2．控制回淤的意义。由于桩底回淤厚度的大小，直接决定了承载力的大小。因此，在钻孔灌桩的施工中桩底回淤厚度成为检测控制的重要指标。在《公路桥涵施工技术规范JTJ041—89中要求回淤厚度:摩擦桩不大于0.4d～0.6d(其中d为设计桩径)，柱桩不大于设计值。在新颁布的《公路桥涵施工技术规范》JTJ041—2000对回淤厚度有了更严格的要求，对于摩擦桩，桩径≤1.5m，回淤≤300mm；柱桩不大于设计值。以设计桩径为1.3m桩基为例，在地质土层最不利的情况，对于摩擦桩m0提高0.1，承载力将提高1／(10mo+28.7) ；对于嵌岩桩清孔良好比清孔一般，承载力将提高11.3%。设计文件要求清孔系数m0不小于0.7，即回淤厚度t不大于390mm。钻孔施工过程中，为保证有效桩长，需在达到设计孔深后，再预留出可能出现最大回淤厚度所占有的那部分长度。实际钻孔深度要达到设计孔深加上0.39m。而在钻孔进入到坚硬岩层后，由于岩石坚硬，钻机进尺较慢，减小回淤厚度，不仅可以提高桩基承载力，而且还可以缩短工期、减小工程造价。
3．桩底回淤量的控制。回淤量是清孔到灌注前这一段时间内，所沉积回游的厚度。有时需要进行二次清孔才能达到要求，这样一来不仅增加了工作难度，而且增加了工作风险，因为二次清孔很容易造成孔壁的塌陷。因此，在实际清孔过程中，就需要具体分析对待每个工程中桩基的地质土层条件，区别对待。当地质条件较好时，消孔后泥浆比重取低值；当地质条件较差时，清孔后泥浆比重取高值。如果泥浆比重降低太大，易引发塌孔等工程事故，而如果泥浆比重降低不到1.10以下，在灌注过程中，由于泥浆压力较大在灌注到桩的上部后，混凝土压力不足，导致灌注困难，甚至引发断桩等工程事故的发生。根据施工经验，以于地质条件较差的情况，当把钻渣、泥沙清到一定程度，泥浆比重较小后，向孔中及时填加粘土，重新造浆、清孔。即可以避免由于清孔后泥浆比重降低，对孔壁压力减小引发的孔壁塌陷的可能性，又可起到增加裹夹泥沙、钻渣的能力，从而有效控制回淤量。另外，在灌注前应确认导管悬管高度，如导管悬管过高，易使首盘混凝土中水泥被水清洗流失，相当于增加了桩底薄弱层厚度，使桩基承载力降低。
四、工程实例
京秦高速公路青龙连接线工程沙河特大桥基础采用双桩柱形式。全桥共有桩86棵，其中嵌岩桩26棵，摩擦桩60棵。桩基的设计桩径为1.3m。根据设计单位提供的地质资料，自上而下依次划分为六个工程地质层。第一层为耕植土，主要成分为粉砂土，层厚0.2m～0.5m。第二层为砂砾，结构松散到中密，含卵石，层厚2.4m～5.0m。第三层为卵石，主要有变质岩、岩浆岩碎块构成，一般粒径4cm～8cm，填充物为砂砾。含漂石，由稍密到中密，层厚1.9m～8.3m。第四层为强风化花岗岩，局部有断裂破碎带通过，岩石破碎，厚度变化较大，该层分布连接。第五层为弱花岗岩，受构造破碎带影响局部岩石破碎，分布不连续，厚度变化较大。第六层为微风化花岗岩，粗粒结构、块状构造,局部有断裂带通过。
沙河特大桥横跨沙河，沙河附近地下水位较浅，仅为0.1m～1.4m。桩基采用钻孔灌注桩。护筒高1.5m左右，到砂砾底层最大深度为5.5m，到卵石层底层最大深度为13.8m。砂砾层、卵石层需在钻孔时特别注意泥浆护壁。在钻进过程中，注意控制了进尺速度，确保了泥膜的护壁质量。另外，因砂砾层有渗透水作用，孔内水头保持在一定高度，防止了渗透水的侵入。钻进时泥浆比重为1.3～1.4。达到要求孔深后，进行成孔检测，然后开始掏渣清孔。清孔时，当泥浆比重降到1.2左右的时候，向孔中添加粘土造浆。再清孔，把泥浆比重降低到1.05左右，顺利地完成了灌桩。经检测，桩基质量均合格。
五、小结
桩基作为承载桥梁静载和动载的主要载体，其质量的好坏，影响甚至决定了桥梁的使用寿命。桩基的不均匀沉降，往往导致桥梁上部连续结构的破坏，而产生不均匀沉降的直接原因就是桩基承载力不足。由于现有条件的限制，还不能对所有工程的桥桩进行高应变试验，来检测桩基承载力大小。因此防范事故的发生，严格控制桩底回淤量，对于保证桩基承载力，提高桩基质量，进而提高结构的整体质量，有着极为重要的意义。
参考文献：
[1]JGJ94-94建筑桩基技术规范[M]．北京：中国建筑工业出版社，1995．
[2]刘金砺．桩基础设计与计算[M]．北京：中国建筑工业出版社，1996．
（中国混凝土与水泥制品网 转载请注明出处）
关键词：钻孔灌注桩；缩径；塌孔；浮笼；卡管；混凝土浇筑
一、概述
在桥梁桩基础工程中广泛应用的钻孔灌注桩因在地下、水下灌注成桩，隐蔽性强，不便监测，故从场地准备、钻孔、清孔、到水下混凝土的灌注，各环节均易发生各类事故，以至造成严重损失。因此，根据现场地质、水文地质条件，采取科学、合理的预防措施，对于保证桩基质量，有着重要的意义。而钻孔灌注桩桩底回淤量的大小，直接影响到桩基承载力的大小。只有控制和减小桩底回淤量，才能有效保证和提高桩基质量。
二、钻孔灌注桩的事故防范
钻孔灌注桩施工事故主要有塌孔、缩径、浮笼、卡管、混凝土浇筑事故等。
1．防止孔壁的坍塌。产生孔壁坍塌的主要原因有：（1）孔口表层土松软，护筒长度不足；（2）孔内水头压力不够；（3）土层中地下水压力较高；（4）在砾石层有渗流水或者没水，孔内出现跑水现象；（5）泥浆比重不足；（6）不科学地使用护壁材料；（7）成孔速度太快，孔壁来不及形成泥膜等。因此，应该认真掌握地质柱状图等水文地质、工程地质资料，操作必须适合地质条件。塌孔后应迅速将塌孔以粘土掺加片石或卵石填死，防止地表产生塌陷，放置几天再开钻。
2．防止缩径的发生。在软土层施工钻孔灌注桩，清孔后，灌注前，钻进时形成的孔内地层压力平衡状态被打破，孔壁四周软土向孔内挤压占位，即形成缩径。这就需要在成孔作业时从钻压和钻速、施工操作等方面进行控制，钻压不宜过大，钻进过程中要严格控制进尺速度，以保证护壁效果。在钻进时经常升降钻头，以达到挤压孔壁的目的，实现孔壁软土排水固结，并同泥浆作用形成较厚的泥皮，以求加强孔壁软土的稳定性，实现降低软土塑变影响的目的。另外，清孔后泥浆比重不宜与钻进时的泥浆比重相差太大。
3．防止施工机具掉入、卡在孔中。在钻进过程中，由于锥头磨损，补焊不及时，导致成孔孔径偏小，补焊后再钻容易发生卡锥现象。因此，在补焊后应逐步边扩孔边向下放锥，严禁一次把锥放到孔底。
4．防止浮笼。在灌注过程中由于混凝土对钢筋笼的浮力导致钢筋笼升高。钢筋笼的上升是不可逆转的，尤其对于摩擦桩，其钢筋笼底部通常设置在距孔底4米处。因此，灌注前应把钢筋笼用点焊等方法固定在护筒上。在灌注过程中，混凝土浇筑至钢筋笼底部1m左右时，降低灌注速度，防止冲力过大。当混凝土面超过笼底4米以上时，提升导管到笼底上部2m以上，方可恢复正常灌注速度。
5．防止卡管。在灌注过程中，除会发生导管卡在钢筋笼内的现象外,还会出现混凝土卡在管中导致浇筑无法进行，其原因大致有：（1）混凝土中碎石粒径偏大；（2）导管某些部位变形，混凝土冲击压力降低；（3）混凝土和易性不好，混凝土有离析现象。另外，首盘混凝土的坍落度应取高限，否则，将导致后来灌注混凝土顶升困难。在卡管发生后，通常采用提升、抖动导管或用大储量料斗增加混凝土的压力并提管的处理方法。因此，需要对骨料粒径、混凝土的塌落度、和易性、搅拌时间等内容进行经常检测和控制。当发现混凝土有离析现象时，要经二次拌和后方可使用。另外，在灌注过程中埋管不宜太小，否则，在卡管后将无法提升导管。
6．避免混凝土浇筑事故。在灌注过程中，由于混凝土表面深度量测不准确或导管拆管长度计算错误，导致埋管深度不足，以至桩中出现薄弱混凝土夹层，甚至导管拔出混凝土表面，导管进水,形成断桩。因此，在灌注过程中，应认真量测、记录混凝土深度与导管长度，并及时复核数据。施工事故的发生，有其规律性。因此，首先要做到防患于未然，当发生事故时，能做出及时、果断、合理的处理措施，在保证桩基质量的情况下，把损失控制在最小的范围内。
三、桩底回淤量的控制
桩底回淤量的大小是影响桩基承载力的重要因素之一。回淤量的大小决定了清底系数m0值的大小，而清底系数m0值的大小，决定到桩尖处土的极限承载力的大小(清底系数m0与桩底回淤量关系见表1。因此，把回淤厚度控制在设计范围内，尤为必要。
1．回淤的产生。在成孔施工作业过程中，需经常向孔中添加粘土，以用来形成泥膜护壁及用来悬浮钻渣。当终孔以后，为利于混凝土的灌注，需减小孔中泥浆的比重，向孔中注入清水置换稀释泥浆。由于泥浆的稀释，对孔壁的压力将减小。钻进的形成的平衡状态被打破，导致部分松散结构的孔壁不稳定。因此，如果孔壁的土质条件不太好而且护壁效果不佳，易导致孔壁土向孔中塌陷。同时由于泥浆的粘度将降低，泥浆夹裹钻渣及泥沙的能力也随之降低。孔壁土与钻渣等沉积在桩底就形成了回淤。
2．控制回淤的意义。由于桩底回淤厚度的大小，直接决定了承载力的大小。因此，在钻孔灌桩的施工中桩底回淤厚度成为检测控制的重要指标。在《公路桥涵施工技术规范JTJ041—89中要求回淤厚度:摩擦桩不大于0.4d～0.6d(其中d为设计桩径)，柱桩不大于设计值。在新颁布的《公路桥涵施工技术规范》JTJ041—2000对回淤厚度有了更严格的要求，对于摩擦桩，桩径≤1.5m，回淤≤300mm；柱桩不大于设计值。以设计桩径为1.3m桩基为例，在地质土层最不利的情况，对于摩擦桩m0提高0.1，承载力将提高1／(10mo+28.7) ；对于嵌岩桩清孔良好比清孔一般，承载力将提高11.3%。设计文件要求清孔系数m0不小于0.7，即回淤厚度t不大于390mm。钻孔施工过程中，为保证有效桩长，需在达到设计孔深后，再预留出可能出现最大回淤厚度所占有的那部分长度。实际钻孔深度要达到设计孔深加上0.39m。而在钻孔进入到坚硬岩层后，由于岩石坚硬，钻机进尺较慢，减小回淤厚度，不仅可以提高桩基承载力，而且还可以缩短工期、减小工程造价。
3．桩底回淤量的控制。回淤量是清孔到灌注前这一段时间内，所沉积回游的厚度。有时需要进行二次清孔才能达到要求，这样一来不仅增加了工作难度，而且增加了工作风险，因为二次清孔很容易造成孔壁的塌陷。因此，在实际清孔过程中，就需要具体分析对待每个工程中桩基的地质土层条件，区别对待。当地质条件较好时，消孔后泥浆比重取低值；当地质条件较差时，清孔后泥浆比重取高值。如果泥浆比重降低太大，易引发塌孔等工程事故，而如果泥浆比重降低不到1.10以下，在灌注过程中，由于泥浆压力较大在灌注到桩的上部后，混凝土压力不足，导致灌注困难，甚至引发断桩等工程事故的发生。根据施工经验，以于地质条件较差的情况，当把钻渣、泥沙清到一定程度，泥浆比重较小后，向孔中及时填加粘土，重新造浆、清孔。即可以避免由于清孔后泥浆比重降低，对孔壁压力减小引发的孔壁塌陷的可能性，又可起到增加裹夹泥沙、钻渣的能力，从而有效控制回淤量。另外，在灌注前应确认导管悬管高度，如导管悬管过高，易使首盘混凝土中水泥被水清洗流失，相当于增加了桩底薄弱层厚度，使桩基承载力降低。
四、工程实例
京秦高速公路青龙连接线工程沙河特大桥基础采用双桩柱形式。全桥共有桩86棵，其中嵌岩桩26棵，摩擦桩60棵。桩基的设计桩径为1.3m。根据设计单位提供的地质资料，自上而下依次划分为六个工程地质层。第一层为耕植土，主要成分为粉砂土，层厚0.2m～0.5m。第二层为砂砾，结构松散到中密，含卵石，层厚2.4m～5.0m。第三层为卵石，主要有变质岩、岩浆岩碎块构成，一般粒径4cm～8cm，填充物为砂砾。含漂石，由稍密到中密，层厚1.9m～8.3m。第四层为强风化花岗岩，局部有断裂破碎带通过，岩石破碎，厚度变化较大，该层分布连接。第五层为弱花岗岩，受构造破碎带影响局部岩石破碎，分布不连续，厚度变化较大。第六层为微风化花岗岩，粗粒结构、块状构造,局部有断裂带通过。
沙河特大桥横跨沙河，沙河附近地下水位较浅，仅为0.1m～1.4m。桩基采用钻孔灌注桩。护筒高1.5m左右，到砂砾底层最大深度为5.5m，到卵石层底层最大深度为13.8m。砂砾层、卵石层需在钻孔时特别注意泥浆护壁。在钻进过程中，注意控制了进尺速度，确保了泥膜的护壁质量。另外，因砂砾层有渗透水作用，孔内水头保持在一定高度，防止了渗透水的侵入。钻进时泥浆比重为1.3～1.4。达到要求孔深后，进行成孔检测，然后开始掏渣清孔。清孔时，当泥浆比重降到1.2左右的时候，向孔中添加粘土造浆。再清孔，把泥浆比重降低到1.05左右，顺利地完成了灌桩。经检测，桩基质量均合格。
五、小结
桩基作为承载桥梁静载和动载的主要载体，其质量的好坏，影响甚至决定了桥梁的使用寿命。桩基的不均匀沉降，往往导致桥梁上部连续结构的破坏，而产生不均匀沉降的直接原因就是桩基承载力不足。由于现有条件的限制，还不能对所有工程的桥桩进行高应变试验，来检测桩基承载力大小。因此防范事故的发生，严格控制桩底回淤量，对于保证桩基承载力，提高桩基质量，进而提高结构的整体质量，有着极为重要的意义。
参考文献：
[1]JGJ94-94建筑桩基技术规范[M]．北京：中国建筑工业出版社，1995．
[2]刘金砺．桩基础设计与计算[M]．北京：中国建筑工业出版社，1996．
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