随着社会的不断发展, 人们对衣食住行的要求不断提高, 特别是对居住的房屋建筑的质量提出了更高要求, 而其中又以基础施工的质量要求最为突出。在实际房屋建筑工程领域, 钻孔灌注桩作为一种桩基础形式, 因其优点众多而被广泛应用。如何合理选择灌注桩成孔工艺及严格控制成桩质量, 已成为人们越来越关心的问题。为此, 本文对比分析了4种常用的钻孔灌注桩成孔工艺, 并对钻孔灌注桩工程技术中的若干问题进行探讨, 为实际施工生产提供借鉴与参考。

1) 旋挖钻孔灌注桩该成孔工艺一般适用于黏土、粉土、砂土等软土层及10cm以下的砂砾层, 桩长不宜大于90m, 桩径范围为800～1 500mm。

2) 反循环钻孔灌注桩反循环介质是空气、清水、泥浆, 与正循环钻进法相比具有能有效排除大粒径岩渣, 提高排渣效率和钻进效率的特点。对于大直径钻孔, 反循环的优越性更明显。

3) 正循环钻孔灌注桩正循环钻成孔工艺适用于直径400～2 500mm、长度不大于50m的桩的施工, 适用地质为填土层、黏土层、淤泥层、粉土层、砂土层, 也适用于部分软质基岩和砂卵石层。正循环设备简单易搬运, 但相比反循环具有排渣能力差、钻进效率低的缺点。

4) 冲击成孔灌注桩该成孔工艺可以应用于地下水位以下的回填土、黏性土、砂土、粉土、碎石土及风化岩层, 也可在情况复杂、软硬非均质性变化大的岩层中使用。需要注意的是, 冲击钻钻进时, 孔内泥浆只起到悬浮钻渣和稳定孔壁的作用, 一般不循环。

1) 旋挖钻具有成孔快、效率高的特点, 适用于工期紧的工程项目;但旋挖钻机对钻杆的要求很高且无法自主造浆, 不适用于超长桩施工。此外, 以往工程实践证明:旋挖钻机在施工过程中故障频发且维修周期较长, 无形中增加了施工成本。

2) 反循环具有排渣能力强、钻进效率高等优点, 成孔质量较高;但其施工成本较高、施工投入大, 对现场施工场地的要求很高, 多用于大直径嵌岩桩。根据以往施工经验, 反循环钻进过程中如果补浆不及时, 可能会造成孔壁坍塌。

3) 正循环工艺成熟、操作简单, 实际施工生产中安全性高、不易塌孔, 设备较少发生故障且施工成本低;该工艺的缺点是排渣能力较差, 钻进效率相对较低。正循环钻进成孔工艺对于容易塌孔的软土层具有良好的适用性。

4) 冲击钻主要适用于地质情况复杂的施工环境, 设备简单且移动方便, 同时钻进参数容易掌握;但是冲击钻孔施工周期长, 易出现桩孔不圆的情况, 扩孔率较高且遇到不均匀地层易发生斜孔、卡锤、掉钻等事故。相较于正循环钻孔工艺, 冲击钻孔费用较高。

总之, 在桩基施工时, 设备选型十分重要, 应该结合地质状况、工期紧张程度、操作可行性、质量要求及经济效益等因素综合考虑, 选择最佳的成孔工艺。

在工程桩基施工时, 选择合适的成孔工艺能够起到事半功倍的效果。同样, 做好成孔过程及成孔之后每一环节的质量控制, 对于最终的桩基质量有着重要影响。以下从工程实践的角度, 分别从桩身垂直度、孔深、孔径、泥浆质量、沉渣与沉淤、混凝土灌注等方面入手, 分析探讨钻孔灌注桩的质量控制问题。

确保钻孔灌注桩的垂直度是保证桩端承载力的重要一环。规范规定的孔斜率不允许超过1%, 目前很多企业在桩基施工时不重视垂直度的控制与检查, 更有甚者因测孔斜率费时费力不愿多此一举。这就对工程监管单位提出了更高要求, 必须对钻进过程进行严格把控, 防止孔斜率超标。

孔斜率超标严重影响钢筋笼的安放质量, 改变桩的受力状态。孔斜严重时造成桩的偏位, 对上部结构质量产生不利影响。在砂土等软土层中易造成塌孔且不易除尽沉渣。当桩与桩的间距较小时, 极有可能形成“连体桩”, 严重损害工程质量。

为防止孔斜发生, 在钻孔过程中要随时注意校核钻杆的垂直度, 做到随偏随纠。施工前应对照地质勘查报告仔细分析钻孔处的地层分布, 做到心中有数, 做好事前准备:进入不均匀硬层或斜状岩层时, 钻速应打慢档;遇到大孤石和坚硬岩石时, 需采用自重大的复合式牙轮钻。此外, 众多工程实践表明, 安装导正装置是有效防止孔斜的简单易行的方法。

在以往发生的恶性建筑工程事故中, 桩基施工时孔深不到位的例子屡见不鲜。关于孔深应注意以下问题。

1) 在常规孔深测量后, 测绳收缩量可高达1.5cm/m, 测20m的孔就会产生约0.3m的误差;而更大的误差则来源于测绳断裂, 测绳断裂之后再与铅锤相接, 再次测量时一经使用, 误差往往可达数米。如果使用细钢丝绳测孔深, 则要注意数标, 防止松动错位。避免孔深测量误差的根本方法就是在施工现场地面上设置长度标记作为准绳, 每次测完孔深后将测绳拿去校对。

2) 钻孔深度达不到设计要求。这种情况更多是由于地层分布不均匀造成:岩层起伏变化幅度大或分布成倾斜状容易造成误判, 遇到起伏变化剧烈或呈倾斜状分布的岩层时, 嵌岩深度应当从低处算起。

入岩深度的把控因成孔工艺不同而有所区别。采用旋挖钻、反循环、冲击钻工艺成孔的桩, 入岩深度可采用岩样鉴别法结合地质勘查报告来判定, 钻孔过程中一旦确认到达岩层应取样留存, 并由此标高继续钻进, 达到嵌岩深度后再次取样, 当两次取样结果鉴定为相同时方可终孔。正循环钻进所成孔的桩确定入岩深度较为困难, 这是因为正循环成孔时无法取到完整的岩样, 较可靠的办法是认真分析地质勘查报告和试桩钻探资料, 根据岩层分布的等高线图确定成孔深度。由于该方法具有一定的随机性, 因此应适当增大安全系数。此外, 基于安全控制的角度, 在一些缺少钻孔的控制区域, 可考虑采用钻机换取芯钻头直接钻取岩芯的方法来判定。

缩孔现象容易发生在沟谷湖塘与河漫滩等潮湿地段新近沉积的黏土和粉土地层中, 钻孔时应特别注意液性指数I_L>0.75呈软塑和流塑状态的黏性土, 而当I_L>1.0时, 土质呈流塑状淤泥质软土, 此种情况下钻孔不可避免地会发生缩孔现象。与孔径有关的质量问题有如下几方面。

1) 孔径小于设计要求, 导致桩的截面变小, 承载能力降低, 安全系数达不到既定要求;同时桩径减小导致钢筋笼无保护层, 大大削弱了桩的抗弯能力。

2) 一般来讲, 软土层位于地层上部, 而桩身内力也是上部大, 一旦上部发生缩孔现象, 容易造成桩身上部抗压强度不足而遭到破坏。

防止缩孔可以从以下方面考虑: (1) 提高泥浆质量, 增大泥浆的黏稠度, 充分发挥泥浆护壁的作用; (2) 适当增大钻头直径, 也可采用导正器法, 在导正器上安装一定数量的合金刀片, 在钻孔过程中起扫孔作用。

在钻孔灌注桩的施工中, 泥浆质量无论对于成孔质量还是最终桩的承载力都发挥着重要作用, 而目前很多桩基作业队伍对泥浆质量的重视程度不足, 引发严重后果。

1) 无法形成护壁泥膜或形成的泥膜质量差, 黏附力不强易脱落, 在砂性土地层和流塑状黏土层分别容易塌孔和缩孔, 不利于孔壁的稳定性。

2) 泥浆比重大、含砂率高, 形成的泥皮厚度大、质量差, 降低了桩的侧摩阻力;若泥浆沉积粘附在钢筋笼上, 则会降低混凝土与钢筋笼之间的握裹力, 成桩质量大打折扣。

因此, 对泥浆质量的管理绝不可麻痹大意, 必须严把泥浆质量关, 选用质量合格的泥浆。

在桩基施工生产中, 沉渣与沉淤经常被混为一谈, 二者其实有本质的区别。沉渣一般是指钻机切削孔壁塌落的岩土, 主要包含碎岩峭、砂、砾石等;沉淤主要是指孔壁上附着的劣质泥浆掉落至孔底后沉淀形成的流塑桩混合物。沉渣与沉淤厚度过大, 会在桩底形成软弱隔离层, 大大削弱桩端承载力。

控制沉淤的主要措施是严格把控泥浆质量及减少空孔时间, 必要时可压入护筒, 加强工序之间的衔接。对于容易塌孔和缩孔的软土层一般采用正循环工艺成孔, 在此基础上只需增加1台空压机和送风管即可完成气举反循环清孔, 除去孔内沉渣。该法费用较低、工艺成熟, 效果良好。

混凝土灌注是最后也是最为关键的一道工序, 混凝土的质量、灌注过程和方法都必须严格加以控制。水下混凝土灌注时, 由于阻力大不容易流畅灌入, 桩基施工单位常常在浇筑之前向混凝土中加水, 增大混凝土的坍落度以便顺利灌入, 严重降低了混凝土的强度等级。质检、监理人员应加强现场管控, 绝不可轻易相信试块的试验结果。导管法水下灌注混凝土的阻力可按如下公式估算:

式中, D为桩身直径, d为灌注导管直径, l₁为护桶顶距灌注混凝土面的距离, γ_w为泥浆重度, l₂为灌注混凝土面距导管底的距离, γ_h为混凝土重度。

要克服巨大的灌入阻力保证最终成桩的质量, 必须要有相当大的冲击力。混凝土冲击力越大, 则灌注完1斗混凝土所需的时间就越短, 越有利于桩身的均匀性。桩身不均, 则影响桩的稳定性。为了增大一次灌注混凝土冲击力, 应倡导使用大体积混凝土冲击灌注法, 该方法具有如下优点。

1) 冲击力强物体的冲击能量与自身的质量、速度有关, 当速度一定时取决于质量。根据动量原理, 自由落体时物体的平均冲力可按如下公式计算:

式中, m为落体质量, t为作用时间, h为落体高度, g为重力加速度。

假设混凝土灌注时1大斗方量为1m³, , 取混凝土容重为22kN/m³, 则1斗混凝土的自重为22kN。假定落体高度h=25m, 作用时间t=1s, 可计算出灌注1斗混凝土的平均冲力F=1 566.22kN, 是混凝土自重的71倍左右。根据规范, 混凝土灌注时导管底端至孔底的距离应为0.3～0.5m, 初灌时导管首次埋深应≥1m。取导管底距孔底的距离为0.4m, 假定桩身直径D=0.8m, 导管直径d=0.3m, 泥浆重度γ_w=12kN/m³, 根据计算可得l₂=1.60m, l₁=23m, 首斗混凝土灌入阻力R=134.43kN, 显然冲力F远远大于灌入阻力R, 为阻力R的11.65倍。在巨大的冲力下, 混凝土的向上顶升力和侧向挤压力有了保证, 桩的摩阻力和密实度都得以提高。

2) 首斗混凝土灌注冲力大桩底的沉渣与沉淤被冲击溅开, 桩端与持力层能较好地结合, 保证了桩端承载力的发挥。

3) 灌注时间短混凝土骨料分布均匀, 桩身强度得到保证。

当然, 大体积混凝土冲击灌入时务必注意排气技术, 防止形成气堵, 此外也应注意控制混凝土的和易性, 严防灌注过程中形成堵塞。

钻孔灌注桩的应用越来越广泛, 针对不同场地条件、质量要求及工期紧张程度, 应选择合适的钻孔成桩工艺。钻孔灌注桩过程中严格把控垂直度、孔深、孔径、泥浆质量、沉渣与沉淤、混凝土灌注等每个环节, 加强现场施工管理, 保障每道工序之间有序连接, 这样钻孔灌注桩的质量才能得到保障。