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混凝土灌注桩质量控制技术黄金奎（中铁十一局集团二公司 湖北.十堰 邮编442013）作者简介 黄金奎，男，1972年10月出生。1996年毕业于株洲工学院土木工程专业，毕业后一直从事专业技术工作，中级职称。通讯地址：湖北省十堰市白浪中路99号；电Email： 摘要桩基础作为建筑工程强制监督内容之一，是建筑工程质量监督的重中之重，由于桩基工程的隐蔽性，给质量监督带来一定的难度，根据多年监督桩基质量的经验，本文提出了桩基监督的一些关键技术问题。关键词灌注桩质量监督承载机理地基承载力桩身强度缺陷防治引言 混凝土灌注桩水下混凝土浇注就是用混凝土从桩孔底开始浇注.将桩孔内泥浆置换出来，形成混凝土桩钻机钻成孔后.通过提高泥浆的质量来减少塌孔发生机率及孔底沉渣数量，清孔及验孔合格后，就可以开始浇注混凝上了。目前.普遍采用的浇注方法是混凝上导管法和泵送法。泵送法是在一个封闭的系统通过压力波动供料来完成浇注，而导管法是利用混凝上的重力自流使混凝土浇注到水下部分。.有关试验资料及经验表明，导管法是浇注优质水下混凝上的最可靠方法.其突出的优点就是用导管浇注水下混凝土时能以可控制的速度且极少扰动地连续浇注，.采用导管法浇注水下混凝土，导管系统基本上是一个封闭的管道组成.管道垂直悬挂于水中.料斗就通过钻机的吊装装置固定在管道的顶端用来接漏混凝上于管道中。一、从灌注桩承载机理看质量监督的关键 端承桩的承载机理是桩把荷载传递到桩的底部，它支承在坚固的岩土层上，不难得出桩的承载力取决于桩身强度与地基承载力。 当桩身强度地基承载力，桩的承载力地基承载力；反之，桩身强度地基承载力，桩的承载力桩身强度。 前面公式在孔底没有沉渣情况下成立。对挖孔桩沉渣不是问题，而沉渣问题对于钻孔桩则是存在的，沉渣量过大，桩受荷时发生大量沉降，桩将失效。桩质量监督关键之一地基承载力的鉴定 从桩的施工程序来讲，在质量监督中，首先确保地基承载力符合设计要求，否则将使桩失效。 地基承载力取决岩层的构造情况、桩嵌入岩石的深度、岩石单轴饱和抗压强度。 如果施工地区处于断裂带，在施工中就要注意夹层的存在，如黄石电厂化学处理房，单位施工的钻孔端承桩13号桩，经抽芯检验，发现该桩的桩底座落于软土上。因为该厂区座落在地震大断裂带上，存在夹层，在孔钻至夹层上破碎岩石时，施工单位以为已到微风化岩石，而在此破碎岩石层下，由于地震构造运动破碎层下面还有一层软夹层，致使抽芯时，发现桩底座落于软土上，桩承载力达不到设计要求。由于夹层的存在与施工单位的粗心大意，致使在化学处理区许多桩经抽芯检验，桩底没有支承在岩基上。又如合肥市纺织厂人工挖孔桩工程，在监督该工程时，工程的2B桩存在一层十分坚硬但裂隙发育的新鲜岩石，用锤子敲击，锤击声音很闷，如下没有软夹层，声音应很清脆，挖15cm下去，则发现下卧松散软夹层，再挖5m方到微风化岩。该桩基工程存在不少薄坚硬基岩下卧松散软土层的现象。桩质量监督关键之二桩身强度的监督(在于施工工艺) 地基承载力符合设计要求，如桩身强度不足，桩的承载力亦得不到保证，桩身强度是桩质量监督的另一关键。 桩身质量监督主要在于监督混凝土的质量，桩身强度取决于钢筋笼的制作质量与砼质量。钢筋笼的制作检查，简单明了；而影响砼质量因素则很多，有些是可见的，有些是不可见的。在工程实践中，不少桩由于砼质量问题而使桩身强度达不到设计要求，因此桩身质量的监督主要在于监督砼的质量。 砼的缺陷往往是由于施工工艺不合理引起，因此必须对桩基工程的施工工艺、质量保证措施进行严格的监督,否则，起不到质量监督效果，工程验收时，对工程质量如何，将没有把握，检测出现的问题亦无从分析。 人工挖孔桩砼缺陷主要产生于砼浇捣工艺。成孔时，在土层设置护壁，而在岩石层，孔壁岩石自然护壁，一般不存在孔壁质量对砼产生多大的影响。主要监督砼浇捣工艺特别是有地下水的水下部分砼的浇捣，必须采用水下砼配合比与水下导管灌注等。 义乌市纺织厂剑杆车间人工挖孔桩基础2A桩，该桩砼强度等级要求采用C25，由于该桩孔水位高，出水量大，监理单位要求采用水下导管灌注，建设单位与施工单位不听劝告，抱着试一试的态度，自行采用简易串筒灌注，浇捣砼时，从孔底至上5m左右“砼”表面有很高的水位，浇捣入孔的砼遭受水的危害，砂浆稀释、骨料下沉，造成砼严重离析，经检测该桩桩身砼质量存在严重的问题。 钻孔桩砼质量不仅与浇注工艺有关，还与成孔工艺有很大的关系。要确保桩孔成孔质量与灌注工艺的合理性，操作得当。钻孔桩成孔质量在于：桩径不小于设计桩径，护壁可靠，护筒及桩孔倾斜度不大于1，孔位中心不大于50mm；关系到砼质量的灌注工艺主要是：a.控制好混凝土质量的和易性，防止出现堵管、埋管，引起断桩事故。b.控制导管埋深,控制导管埋深13m，使砼面处于垂直顶升状，不使浮浆、泥浆卷入砼，防止提漏引起断桩事故。对于钻孔灌注桩质量监督另一个关键沉渣量的检查。 对摩擦桩来说，由于其受力机理是通过桩表面和周围土壤之间的摩擦力或依附力，逐渐把荷载从桩顶传递到周围的土体中，如果在设计中端部反力不大，端部的沉渣量对桩承载力亦影响不大；而对于钻孔端承桩，如果沉渣量过大，势必造成桩受荷时发生大量沉降，同样使桩的承载力失效。如黄石电厂化学处理房单位施工的11号桩，桩设计承载力为1500kN，实施荷载试验时，当外荷载加至900kN，桩就出现大量沉降，经多方面证实是因为桩端沉渣量过多，导致该桩失效，亦影响其它桩的评定。因此钻孔灌注桩另一个监督的关键还在于沉渣量的检查。 总而言之，人工挖孔桩质量监督的关键在于桩身混凝土浇捣工艺是否合理与地基承载力是否符合设计要求；钻孔灌注桩的关键不仅在于施工工艺与地基承载力，还在于沉渣量是否符合规范要求，因此对于人工挖孔桩来说，如桩存在质量问题，不是混凝土有缺陷，就是没有挖到持力层。而钻孔灌注桩检验不合格，就可能是桩底沉渣量过大，或砼有缺陷，或没有钻到持力层，或兼而有之。二、砼灌注桩基础缺陷及防治措施人工挖孔桩：桩身砼强度不足原因：砼遭受孔内水的危害，引起砂浆稀释，砂石下沉，严重破坏砼的强度。防治措施：、对于孔内有地下水，水位低、水量小的桩孔，在浇捣时把砼拌均，水抽干，可以采用串筒迅速浇捣，但是在水位以下部分，必须调整砼配合比，适当减少用水量并增加水泥用量等；、对于水位高、出水量大的桩孔，在水位下必须采用水下砼配合比与导管灌注法灌注，在水位之上，为了避免水下导管灌注通病桩身上部砼强度低，则可采用简单串筒浇捣，但是水必须抽干，泥浆、浮浆要清除干净，两种不同方法施工的交接层，用插捣器穿过反复插捣。义乌纺织厂剑杆车间出现2B桩质量事故后，施工单位依照笔者提供的上述防治措施，既确保了质量，又不影响施工进度，经动测检验，所有桩的砼质量都很好。钻孔灌注桩：桩底地基承载力不足原因：桩端没有支承在持力层上面。防治措施：这种情况一般出现在复杂地层，这种地层一般最好取芯检验，如不能孔孔取芯，要参照邻近取芯情况、钻速、泥浆返上的岩屑及钻进情况(一般钻进至微风化岩时，钻头不蹩钻，主动钻杆振动不很厉害，钻进声音感觉较好)、工程地质资料进行综合考虑。对于入岩深度不够的桩孔，要坚决钻到设计入岩深度,否则无法满足桩基承载力要求。缩径(孔径小于设计孔径)原因：塑性土膨胀。防治措施：钻（冲）孔灌注桩穿过较厚的砂层、砾石层时，成孔速度应控制在2米/小时以内，泥浆性能主要控制其密度为1.31.4g/cm3、粘度为2030s、含砂率6，若孔内自然造浆不能满足以上要求时，可采用加粘土粉、烧碱、木质素的方法，改善泥浆的性能，通过对泥浆的除砂处理，可控制泥浆的密度和含砂率。成孔时，应加大泵量，加快成孔速度，快速通过，在成孔一段时间，孔壁形成泥皮，孔壁不会渗水，亦不会引起膨胀，如出现缩径，采用上下反复扫孔的办法，以扩大孔径。没有特殊原因，钢筋笼安装后应立即灌注砼。桩底沉渣量过大原因：孔底沉渣过厚除清孔泥浆质量差，清孔无法达到设计要求外，还有测量方法不当造成误判。防治措施：、认真检查，采用正确的测绳与测锤，要准确测量孔底沉渣厚度，首先需准确测量桩的终孔深度，桩的终孔深度应采用丈量钻杆长度的方法测定，取孔内钻杆长度钻头长度，钻头长度取至钻尖的2/3处；、一次清孔后，不符合要求，要采取措施：如改善泥浆性能，延长清孔时间等进行清孔。在下完钢筋笼后，再检查沉渣量，如沉渣量超过规范要求，应进行二次清孔。二次清孔可利用导管进行，准备一个清孔接头，一头可接导管，一头接胶管，在导管下完后，提离孔底0.4m，在胶管上接上泥浆泵直接进行泥浆循环。二次清孔优点：及时有效保证桩底干净。在含粗砂、砾砂和卵石的地层钻孔，有条件时应优先采用泵吸反循环清孔。当采用正循环清孔时，前阶段应采用高粘度浓浆清孔，并加大泥浆泵的流量，使砂石粒能顺利地浮出孔口。孔底沉渣厚度符合设计要求后，应把孔内泥浆密度降至1.11.2g/cm3。清孔整个过程应专人负责孔口捞渣和测量孔底沉渣厚度，及时对孔内泥浆含砂率和孔底沉渣厚度的变化进行分析，若出现清孔前期孔口泥浆含砂量过低，捞不到粗砂粒，或后期把孔内泥浆密度降低后，孔底沉渣厚度增大较多。则说明前期清孔时泥浆的粘度和稠度偏小，砂粒悬浮在孔内泥浆里，没有真正达到清孔的目的，施工时应特别注意这种情况。初灌时埋管深度达不到规范值原因：、在计算砼的初灌量时，个别施工单位只计算了1.3m桩长所需的砼量，漏算导管内积存的砼量，初灌量不足造成埋管深度达不到规范值；、施工单位准备的导管长度规格太少，安装导管时配管困难，有时导管低至孔底的距离偏大，而导管安装人员没有及时把实际距离通知砼灌注班，形成初灌量不足导致埋管深度达不到规范值。防治措施：、加大初灌料斗尺寸，料斗盖板下应放置一个直径小于导管直径2cm的皮球，剪球后加速砼运输车的放料速度。2、初灌砼量V应根据设计桩径、导管管径、导管安装长度、孔内泥浆密度进行计算，且VV0+V1。V0为1.3m桩长的砼量，V01.21.3D2/4（单位：m3）；1.2桩的理论充盈系数；D设计桩径（m）。V1为初灌时导管内积存的砼量，V1(hd2/4)（0.55d）/2.4 (单位：m3)；h导管安装长度（m）；d导管直径（m）；孔内泥浆密度（t /m3）; 0.55导管内壁的摩阻力系数；2.4砼的密度（t /m3）。钢筋笼上浮原因：、当混凝土灌注至钢筋笼下，若此时提升导管，导管底端距离钢筋笼仅有1m左右的距离时，由于浇注的砼自导管流出后冲击力较大，推动了钢筋笼上浮；、由于砼灌注过钢筋笼且导管埋深较大时，其上层砼因浇注时间较长，已近初凝，表面形成硬壳，砼与钢筋笼有一定握裹力，如果此时导管底端未及时提到钢筋底部以上，混凝土在导管流出后将以一定的速度向上顶升，同时也带动钢筋笼上移。防治措施：、灌注砼过程中，应随时掌握砼浇注标高及导管埋深，当砼埋过钢筋笼底端23m时，应及时将导管提至钢筋笼底端以上；、当发现钢筋笼开始上浮时，应立即停止浇注，并准确计算导管埋深和已浇砼标高，提升导管后再进行浇注，上浮现象即可消除。3、减少沉渣厚度：沉渣过厚尤其块状粘土，在和混凝土一起上升的过程中，非常容易使钢筋笼上浮。当钻进到设计孔深时，应冲孔1小时左右，并把钻头上携带的粘土块、孔底残留的粘土块搅碎，清干净。4、混凝土一定要搅拌好：当混凝土坍落度偏小或和易性差时钢筋笼易上浮，应严格控制混凝土配制、坍落度，坚决禁止使用不合格的混凝土。5、导管埋深的影响：混凝土灌注快到钢筋笼底部时，尽量减小埋深，减小对导管的冲力（有人认为导管埋深离导管越远对导管的冲力越小，但在实践施工中发现埋深越小笼子越不容易上浮）。6、尽可能减少浇注时间：减少灌注时间，挣取在最短的时间灌注完混凝土，防止混凝土表面形成硬壳带动钢筋笼上浮。7、当灌注到钢筋笼底部时，应缓慢放料：缓慢放料减少对钢筋笼的冲力，直到埋住钢筋笼并且导管口也在钢筋笼内时才可加大放料速度。8、应考虑运输距离、气温影响：在夏季或运输过程中时间较长时，应加混凝土缓凝剂，气温高、运距远，混凝土容易初凝，以至于在灌注时出现混凝土极易抱裹导管，提导管时带动笼子上浮，遇这种情况应经常活动导管，加快灌注。9、导管的配置要好：导管的配置要使混凝土灌注到钢筋笼底部时不拆导管，导管口距离钢筋笼底较远，拆除导管后导管口进入钢筋笼底部以上，不可配置成拆除导管后，导管口在钢筋笼底附近。10、法兰盘导管注意挂笼子：法兰盘导管容易挂住笼子，当导管提升有困难时，应旋转导管，不可硬提。11、采用在主筋上焊倒刺的方法，来防止钢筋笼上浮，效果很好。钢筋笼同一截面焊34个倒刺，每个笼子设两道即可。12、加大吊筋直径，并在井口加配重，并可焊在护筒上。笔者在参加甬台温铁路桩基工程施工时，其中158号桩钢筋笼就出现上浮现象，是因为搅拌机操作者与灌注平台卷扬机的操作工人，在这根桩灌注时临时换人，两个主要岗位的工人操作不熟练，所拌的砼和易性差，提管的卷扬机不灵活，出现第一斗剪球时，砼下不去经反复活动敲击导管，砼才下注，又注了好几斗，就发现在灌注中钢筋笼自然上升，将导管上提离孔底合适高度，钢筋笼才彻底止住上浮。断桩与夹泥层原因：、泥浆过稠，增加了浇注砼的阻力，如泥浆比重大且泥浆中含较大的泥块，因此，在施工中经常发生导管堵塞、流动不畅等现象，有时甚至灌满导管还是不行，最后只好提取导管上下振击，由于导管内储存大量砼，一旦流出其势甚猛，在砼流出导管后，即冲破泥浆最薄弱处急速返上，并将泥浆夹裹于桩内，造成夹泥层；、灌注砼过程中，因导管漏水或导管提漏而二次下球也是造成夹泥层和断桩的原因。导管提漏有两种原因：a.当导管堵塞时，一般采用上下振击法，使混凝土强行流出，但如此时导管埋深很少，极易提漏。b.因泥浆过稠，如果估算或测砼面难，在测量导管埋深时，对砼浇注高度判断错误，而在卸管时多提，使导管提离砼面，也就产生提漏，引起断桩；、灌注时间过长，而上部砼已接近初凝，形成硬壳，而且随时间增长，泥浆中残渣将不断沉淀，从而加厚了积聚在砼表面的沉淀物，造成砼灌注极为困难，造成堵管与导管拔不上来，引发断桩事故；、导管埋得太深，拔出时底部已接近初凝，导管拔上后砼不能及时冲填，造成泥浆填入。防治方法：、认真做好清孔，防止孔壁坍塌；、尽可能提高混凝土浇注速度：a.开始浇砼时尽量积累大量砼，产生极大的冲击力可以克服泥浆阻力。B.快速连续浇注，使砼和泥浆一直保持流动状态，可防导管堵塞；、提升导管要准确可靠，灌注砼过程中随时测量导管埋深，并严格遵守操作规程；、灌注水下砼前检查导管是否漏水、弯曲等缺陷，发现问题要及时更换。桩顶砼不密实或强度达不到设计要求原因：超灌高度不够、砼浮浆太多、孔内砼面测定不准。防治方法： 对于桩径1000mm的桩，超灌高度不小于桩长的4。对于桩径1000mm的桩，超灌高度不小于桩长的5。对于大体积砼的桩，桩顶10米内的砼应适当调整配合比，增大碎石含量，减少桩顶浮浆。在灌注最后阶段，孔内砼面测定应采用硬杆筒式取样法测定。三、砼灌注桩质量判定之探讨人孔挖孔桩强风岩承载力的判定 如果端承桩荷载要求较小(小于1000kPa)，而且地层是由全风化逐渐变到强、弱风化，这时在桩底就可能遇到残积强风化物夹硬碎石层，这种情况桩底的承载力就视风化物的结构紧密、软硬情况、硬碎块的大小及含量而来判断地基承载力，即参照碎石土的承载力；但是对于风化成砂土状者，则参照砂土的承载力。由于工程勘察的局限性，这一层的承载力在报告中往往误差很大，这是由于该类岩层标准取值的误差太大，再加上缺乏必要的荷载试验作对比，又因为工程勘察时，取土的样不全面。作为质监部门，有条件的话要尽量做荷载试验作对比，对于人工挖孔桩，要下孔全面了解桩底岩石情况，参照有关经验知识来鉴定。例如义乌市机械厂挖孔桩基础按地质勘察报告中所提供的强风化基岩，其承载力只有500kPa，而在开挖后施工人员下孔观察，发现岩石已风化至岩石结构彻底破坏，但呈坚硬状态的风化层中含有50以上26cm硬碎块岩石，其承载力可达1000KPa以上。强弱风化岩承载力判定。影响桩底承载力的因素有：结构情况、桩底嵌入岩石深度、岩石单轴抗压强度。一般承载力的判定方法是依据岩样的单轴抗压强度乘以回归系数，换算成岩石单轴饱和抗压强度标准值。fyfrk式中f岩石地基承载力的设计值(kPa)；y折减系数；frk岩石饱和单轴抗压强度标准值(kPa)。上述的式子是规范中判定地基承载力的公式，该公式只反映所取岩样水化能力与单轴饱和抗压强度，在单轴抗压强度相同的情况下，由于岩石围岩压力阻碍了桩底岩石的破坏，因此桩嵌入岩石的长度越长，桩底地基承载力越高；在岩石段，对于人工挖孔桩，桩周摩擦阻力非常大，使得岩石对桩的承载力大增强；当然构造上的问题影响更大。在桩基基底验收时，桩承载力的判定：对于人工挖孔桩应检查岩石的构造情况。如果岩石裂隙发育较少，岩石完整性好，桩承载力可以取高值；反之取低值。同时还应检查岩层下面有没有夹层，发现岩石夹层方法：、参考地质勘察报告；、用锤击孔底岩石，如声脆亮，则没夹层或夹层下卧很深；、在孔底边岩石层面高位下方，用工具挖小洞探明，如层面高位处下方有软层，根据岩石走向，说明有下卧软夹层。如发现岩石下卧软夹层，施工时应挖除软夹层。 义乌市纺织厂剑杆车间挖孔桩工程7C桩，施工人员下孔检验，桩孔已挖入岩石0.8m，但发现岩层很薄，且夹有1015cm厚薄不一的风化物软土，该桩底设计承载力2000kPa，笔者要求再往下挖，再进入1.1m左右，后入孔检查，发现风化物夹层已趋尖灭，并考虑到进入岩石1.4m，桩孔岩石段凹凸不平，桩周摩擦力可达500kPa，因此该桩如混凝土没有太大缺陷，即使下面有软夹层也属封闭体，该桩岩石承载力可达2000kPa以上(岩石单轴抗压强度标准值达8000kPa)。而该工程的1A桩，可能是处于构造断裂带上，该孔已嵌入岩层5.5m，可岩石的地基承载力按公式计算只达1500kPa，满足不了设计地基承载力2000KPa的要求，鉴于该孔已挖入岩石5.5m，考虑岩石围压作用与桩周摩擦阻力，只要求作适量孔底扩大，仍判定该桩地基承载力符合设计要求。钻孔灌注桩基底承载力判定。岩石构造只能参照工程地质勘察报告，与钻进情况(如钻进基岩时，钻杆不会异常振动，孔底钻头研磨岩石声音均匀，说明岩石层比较完整，反之，岩石裂隙比较发育)。要判断岩石承载力，必须作适量抽芯检验，对于没有取芯的桩孔，依下列几个方面进行综合考虑：、邻近孔的取芯情况；、泥浆循环返上来的岩屑；、钻进情况；、工程地质勘察报告。 对于嵌入岩石比较深的桩，与人工挖孔桩一样，同样可以考虑岩石的围压作用，但是对于桩周摩擦阻力，则不可过高计算在内。因为机械成孔大部分靠泥浆护壁，泥浆循环在孔壁岩石上形成一层坚硬润滑泥皮，由于在桩体与孔壁之间存在这层润滑泥皮，使得桩在该段岩石的摩擦阻力大大降低，甚至没有存在，因此在判定钻孔桩底地基承载力时应着重考虑取上岩样本身构造情况、力学性能、物理性能、围压作用，不宜考虑桩周摩擦力；虽然机械湿孔作业的摩擦桩主要告摩擦力承载，但由于其桩长比较大，整体桩不规则外形，使其具有较大的桩周摩擦力。桩身混凝土质量判定。 比较准确判断桩身砼质量的是静载与抽芯，但是由于静载、抽芯为损伤性检验，且费用高、时间长，所以常常采用动测法判定桩身混凝土的质量