杂填土条件下混凝土灌注桩塌孔的预防措施

司 云

1 概述

丽泽花苑住宅小区工程项目场地位于山西省太原市汾河西岸，场地地貌单元属汾河西岸河漫滩。上部地层的砂层厚，颗粒粗，离河床远的颗粒细，粉质粘土、粉土层厚。根据勘察结果，该场地地基土层最上层为杂填土，主要由混凝土块、炉渣、砖块、塑料袋、白灰等建筑垃圾和生活垃圾组成，不均匀，松散，层厚 0.5m～9.5m。在冲击钻孔过程中常常出现塌孔现象。我们结合施工现场的具体情况，对塌孔原因进行了分析，依据对红土的化学反应和力学效应试验结果及分析的理论研究，提出了改变工程钻孔泥浆的比重及固相含量和采用加红土孔内造浆护壁的尝试措施。经过工程实践证明，措施可靠有效且经济成本低。改用新的施工方法后，塌孔现象大幅度减少，提高了成孔率。本工程钢筋混凝土灌注桩采用封闭式桩端侧后压浆技术注浆，基桩设计直径 800，工程桩桩长为40.1m，锚桩和试桩为46.6m，基桩须作单桩竖向抗压静载试验以确定单桩竖向抗压承载力特征值大于 5 500 kN。护筒按设计和规范要求埋设，采用冲击钻机钻孔，自备泥浆护壁和掏渣法排渣。钻进过程中发现桩基普遍存在塌孔现象，钻孔深度在 8m～10m时出现塌孔，位置约在护筒底下 2m范围。经测护筒底部2m左右泥浆相对密度在1.02～1.05之间，8m～10m泥浆相对密度为 1.2～1.4。护筒内水位高于地下水位 2m以上，设计和施工中均无承压水。塌孔严重地困扰着工程进度，项目部专门聘请了包括设计院、岩土工程技术专家等组成的专家组到工地现场研究解决办法。但是，出于经济成本的考虑，最后我们还是自力更生，充分依靠广大的现场施工人员、技术人员的集体经验和智慧，经过多方尝试，终于克服这一施工难题。但是，基于国内外相关的研究进展和成果资料的不足，在理论上仍然存在验证不足的问题，有待进一步深入研究。

2 塌孔原因分析

常规来说，冲击钻孔塌孔原因主要有提升、下落冲锤、掏渣筒带动浆液冲击扰动孔壁或相邻近机组作业振动影响和放钢筋骨架时碰撞护壁;护筒底漏水使护筒底悬空或护筒长度太短;未及时向孔内加泥浆，孔内泥浆面低于孔外水位;泥浆密度不合理;孔内有承压水;清孔排渣没有保持孔内水头、泥浆泵注浆朝向孔壁;钻孔进尺太快等。经过深入分析和研究丽泽花苑高层住宅楼桩基工程中的塌孔，主要原因归纳有以下三点:

1)本工程自然地坪以下 0.5m～9.5m层厚范围内以生活及建筑垃圾为主的杂填土层，钻孔时的振动使护筒周围和底部土层坍塌、漏水。2)在杂填土层中，对较大块的建筑混凝土垃圾，下落冲锤的冲击力小打不碎混凝土垃圾块，也不能把它挤到孔壁处，而冲击力大就造成塌孔。3)投泥造浆过程中因钻头主要在钻孔桩底部运动，所以底部泥浆密度大，而孔顶部泥浆密度过小，造成上下段泥浆护壁不均，不能对孔壁形成上下一致的保护作用。

3 塌孔预防及处理措施

1)避免群机近距离作业，采用分散跳打的施工方法和措施，把邻机作业相互振动影响的因素降低到最低点。

2)调整钻孔泥浆的比重。

a.钻孔泥浆组成及作用。钻孔泥浆由水、膨润土和添加剂组成。具有悬浮钻渣、冷却钻头、润滑钻具、增大静水压力，并在孔壁形成泥皮，隔断孔内外渗流，防止塌孔的作用。调制的钻孔泥浆及经过循环净化的泥浆，应根据钻孔方法和地层情况来确定泥浆稠度，泥浆稠度应视地层变化或操作要求机动掌握，泥浆太稀，排渣能力小、护壁效果差;泥浆太稠，会削弱钻头冲击功能，降低钻进速度。b.钻孔泥浆比重及固相含量对成孔的影响。工程钻孔泥浆的主要性能有:泥浆的比重和固相含量，泥浆的流变特性(泥浆粘度和切力)，泥浆的滤失性能(泥浆的失水量和泥皮厚度)以及泥浆的含砂量、润滑性、胶体率和pH值等。每一个性能的变化都直接影响着机械钻速、孔壁稳定、孔内净化、钻头寿命等一系列的成孔工艺问题。工程钻孔泥浆的最大特点是:循环过程中在压差作用下能在孔壁上形成泥皮而加固孔壁，在循环停止时，泥浆能很快转为溶胶状而悬浮岩屑，防止岩屑过多的沉淀而引起塌孔。在成孔过程中防止漏失、涌水和维护孔壁的稳定，重要的一点是要维持钻孔—地层间的力的平衡。而孔内静液柱压力的大小和孔内液柱的比重以及垂直高度有关。即:Ps(静液柱压力)= 0.1r(比重)×H(液柱垂直高度);从公式中可以看出在孔深H一定时，液柱压力值决定于比重r。所以，比重的大小直接影响着孔壁稳定、机械钻速和水下混凝土的灌注。根据工程地质条件的不同，当工程钻泥浆的比重r＜1.15时，不能维持钻孔和地层间力的平衡，不能起到护壁作用，导致塌孔。当工程钻泥浆的比重 r＞(1.25～1.30)时，虽然能维护钻孔和地层间力的平衡，但是泥浆比重大时所带来的对施工不良影响却不少，而工程钻孔泥浆比重大(r＞1.25)的主要因素是泥浆中的无用固相(即岩屑)含量高所致。所以，根据本工程的特殊地质条件，适当调整泥浆比重对成孔起着非常关键的作用。c.改善泥浆的性能，实时监测泥浆各项指标。冲击钻进时泥浆的调制是采用钻锥上下搅动而产生的，泥浆的性能指标主要有相对密度、粘度、静切力、含砂率、胶体率、酸碱度。泥浆各指标的测定时间为开始制浆和每班开始工作时，测定一次全套泥浆指标，以后每隔 2h测定钻孔口和孔底(用钻具取出)的相对密度、粘度和含砂率。钻进过程中，如果出现泥浆含砂量太高以致相对密度过大的情况，采用掏渣筒放入孔内，不进尺只将钻渣掏出，待含砂率和相对密度符合要求后，再补充合格的泥浆。

3)增加护筒长度。

丽泽花苑工地的杂填土层厚为0.5m～9.5m，先下入6m护筒开孔，待孔深达到适宜的深度时，再在护筒内侧加入 10m护筒，将杂填土护住，为避免塌孔起到了关键作用。

4)改进钻孔工艺。

开孔及整个钻进过程中，始终保持孔内水位高出地下水位1.5m～2.0m。护筒底脚以下 2m～4m范围内比较松散，采用浓泥浆、小冲程、高频率反复冲砸，使孔壁坚实不塌不漏。

及时掏渣。在开孔阶段为使钻渣挤入孔壁，钻进 4m～5 m后再掏渣，正常钻进每进尺0.5m～1.0m时掏渣一次，掏至泥浆内含渣显著减少、无粗颗粒、相对密度恢复正常为止。掏渣后及时向孔内添加泥浆以维护水头高度。平稳起吊冲击锥，防止冲撞护筒和孔壁。

5)加干红土在孔内造浆护壁提高成孔率效果显著。实践中，我们尝试在杂填土(多为生活和建筑垃圾)和砂石地层上钻孔时，添加干红土并在孔内造浆护壁的工艺。具体用量是桩孔深为 45m时，加填 50装载机的一铲红土，一铲容量约为3.5m3(50装载机的铲斗标准容量是 3m3)。施工人员使用铁锹一边随着钻孔泥浆流入桩孔中一边撒干红土，直到成孔结束。

4 加干红土提高成孔率的理论依据

4.1 红土的化学成分

红土是母岩经历不同程度的红土风化作用形成的。研究结果表明，红土的化学成分都是以SiO2，Fe2O3和Al2O3为主，随着SiO2含量的减少，Fe2O3，Al2O3和R2O3的含量增大，而红土的pH值、烧矢量随着 R2O3含量的增大而增大。红土是一种富含铁、铝氧化物，粘粒含量较高、几乎不含盐基成分的红色粘性土，具有特殊工程地质性质。红土处于酸性环境，颗粒之间主要靠胶结连接、结合水连接为主。

4.2 pH值对铁离子化学力学效应的影响

不同pH值、循环流动的(Na，Fe)(OH)Cl3水溶液浸泡后的红土试件在饱和状态下的抗剪强度和压缩性试验结果如图 1，图 2所示。

由此可知，含铁离子物质与水作用后的化学反应对红土体确实存在正反两方面的双向性力学效应。含铁离子物质对土体的双向性力学效应受环境水溶液的pH值和化学成分的控制。酸性水溶液使含铁离子物质胶结作用增强，使红土强度提高，形成正方向的力学效应;碱性水溶液使含铁离子物质的胶结作用降低，形成负方向的力学效应。

5 结语

通过尽量避免群机近距离作业，采用分散跳打的施工方法、改善泥浆的性能，定时监测泥浆各项指标、增加护筒长度和优化护筒埋设方法、改进钻孔工艺和加干红土孔内造浆护壁等一系列措施，在工程实践中证实在杂填土层上塌孔的现象确实大幅度减少了，提高了成孔率。同时，注意掏渣法排渣时应采取措施，使泥浆沉淀后及时循环;加强对护筒底周围泥浆密度的检测，吊入钢筋骨架时对准钻孔中心竖直插入，钢筋笼入孔时必须扶正，严防笼子触及孔壁，以保证钻孔和灌注混凝土的顺利进行。另外，成孔后及时下笼焊接，尽量减少下笼焊接和下导管的时间，适时正确灌注混凝土，也是保证不塌孔的重要一环。

[1] 史佩栋.实用桩基工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1999.

[2] 高大钊，赵春风.桩基础的设计方案与施工技术[M].北京:机械工业出版社，2002.

[3] 王 清，陈剑平，马丽英.中国红土的研究与地基承载力的评价[J].探矿工程，1995(4):15-17.