桩基础常见事故原因分析及处理方法

张贵明

随着工程建设的不断发展,钻孔灌注桩已广泛用于工程实践中,并取得了良好的效果。郑州铁道陇海家园位于陇海路南,京广路西,地质复杂,其地质条件主要为亚粘土层,其中表层为 2.6m左右的亚砂土,其下约为 19 m为流塑 ～软塑、软塑 ～硬塑状亚粘土,再下均为软塑 ～硬塑状亚粘土中夹带厚薄不均的亚粘土、粉、细砂层、姜石层。

1 施工中常见的事故及原因分析

钻孔灌注桩桩基础在施工中因受诸多因素的影响,诸如水文、地质、钻孔机械设备的选择、采取的施工工艺等条件制约,并在一定程序上受一些人为主观因素的影响而造成在混凝土灌注桩桩基的施工过程中必然会产生一些施工事故,这些都是不可避免的,同时也是不可预测的。现介绍郑州铁道陇海家园桩基础施工过程中曾出现的事故,并对事故产生原因进行分析。

混凝土灌注桩桩基础(钻孔灌注桩基础)在施工过程中出现的施工事故可分为在钻孔过程中和在混凝土灌注过程中两大类,下面进行分类讲述。

1.1 钻孔过程中出现的事故

在郑州铁道陇海家园钻孔过程中出现的事故主要有:坍孔、钻孔偏移、流砂、不进尺、钻孔漏浆、掉钻落物、糊钻、扩孔和缩径、钻杆折断。下面将对以上钻孔施工出现的施工事故进行原因分析。

1.1.1 坍孔

在用任何一种钻孔方法对桩基础进行施工都可能会发生坍孔事故,坍孔的表征是孔内水头突然下降,孔口冒出细密的水泡,出渣量显著增加而不见进尺,钻机负荷显著增加。坍孔产生的原因有以下几点:

1)钻孔时,由于护壁泥浆比重达不到规范要求或其他泥浆性能指标不符合要求,使孔壁不能形成坚实泥皮,对孔身不能起到护壁的作用,这使在砂卵层较厚且不很密实的情况更易产生坍孔,但对岩层不会产生坍孔事故。2)在采用冲击钻成孔的施工工艺,用掏渣法进行排渣时,由于在掏渣时没有及时补充水或合格的泥浆致使孔内泥浆比重变小或孔内水头降低,造成孔内水头高度不够,孔内出现承压水降低了静压水而造成坍塌或孔口坍陷。3)孔口周围堆积荷载过大,孔口土层受压超过了孔口周围土层的承压能力而导致坍孔。4)在开孔时,护筒埋置太浅,护筒底口与下端接触处因接触不密实未用粘土填封紧密而导致此处漏水、坍塌或孔口附近地面受水长期浸湿泡软而发生坍塌。5)在不密实的砂卵层中,没有控制钻机进尺,使钻机进尺过快,孔身泥浆护壁不能形成坚实的泥皮,起不到护壁作用而造成坍孔。6)由于护筒埋置较低,地下水位高于护筒上口或因涨水时使外水头高于孔内水头,使孔壁渗浆或在护筒底形成反穿孔。7)在吊放钢筋骨架时因不能保证垂直上下而使其碰撞孔壁,同样也可能会造成坍孔。

1.1.2 钻孔偏斜

1)钻孔过程中,在遇到较大的孤石或探头石时,钻锤都会向较软地层偏移,而造成孔身偏斜。2)在有倾斜面的软硬地层交界处,岩面倾斜处钻进或者在粒径大小悬殊的砂卵石层中钻进,因钻头受阻力不均匀,而使钻头钻进方向偏向受阻力小的地层,造成孔身偏斜。3)钻机就位时,钻机底座未安置水平或承载钻机的地层产生均匀沉降,导致钻杆或钻绳与水平面形成一倾角,使钻头钻进方向偏斜。4)在用循环钻成孔时,由于钻杆接头不正或钻杆不在同一竖直面上,亦或主动钻杆发生弯曲,钻杆旋转时钻杆中心轴线形成一个螺旋体面造成钻头方向偏移。

1.1.3 流砂

造成流砂的主要原因是由孔位地质情况决定的。同样在钻孔过程中,由于对孔内外水头的处理不慎,都会造成流砂现象。

1)孔外水头压力大于孔内的水压力,加上孔壁松散而使大量流砂涌塞桩底。2)钻进过程中,遇到粉砂层,泥浆密度不够,进尺又太快,孔壁不能形成泥皮。

1.1.4 不进尺

钻进过程中,应排除由于坍孔或未给钻头施加压力等情况而造成不进尺的现象,按经验分析,同时考虑地质情况,主要有以下几点原因:1)在钻入粘土层时,钻头粘满土块(糊钻头),使钻头在钻进过程中不能接触到土层而不能进尺。2)在正常钻进时,未能及时排渣或排渣不畅,使钻头周围堆满渣土,同时使钻头不能与新鲜地层相接触而不能进尺。3)钻头合金刀片安装角度不当,刀具切土过浅,刀具合金含量低,孔内掉有铁件,泥浆比重过大,钻头配锤过轻等都会造成钻进不进尺。

1.1.5 钻孔漏浆

在钻孔过程中或成孔后,泥浆向外漏失而造成钻孔漏浆。引起此施工事故的原因主要有:1)遇到透水性强或有地下水流动的土层,稀泥浆会向孔外漏失。2)护筒埋置过浅,回填土不密实或护筒接缝不严密,在护筒刃脚或接缝处漏浆。3)孔内水头过高,静水压力过大,而使泥浆沿孔壁向外漏失。

1.1.6 掉钻落物

在进行桩基础施工过程中,采用任何施工工艺,均可能会发生掉钻落物事故,引发掉钻落物的原因主要有:

1)卡钻时,强提强扭,操作不当使钻杆疲劳裂断。2)钻杆接头不良或滑丝,马达接线错误,使用时不得反转的钻机反转而使钻杆脱落。3)钻机班组人员因操作不慎,而落入扳手撬根等物。

1.1.7 糊钻

糊钻(吸锤)常出现于正反循环回转钻进过程中,其引起的主要原因与不进尺的引发原因相似。主要是:在软塑粘土层回转钻进时,进尺快,钻渣量大,出浆口堵塞而造成糊钻。

1.1.8 扩孔与缩径

扩孔在任何钻孔方法施工中都会发生。主要原因是由于孔壁坍塌所引起的。缩径引起的原因主要有两种:

1)钻孔时,钻锥补焊不及时,严重磨耗的钻锥钻出的孔径比设计的孔径要小而形成缩孔。2)在钻进时,由于遇到土层中有软塑土(橡皮土)遇水膨胀后会使孔径缩小形成缩径。

1.1.9 钻杆折断

钻杆折断的施工事故主要发生在人力,机动推钻和正反循环回转钻进时,其主要引发的原因有:

1)选用的钻机型号不对,用地质或水文地质钻探小孔径钻孔的钻杆来作桥梁大孔径钻孔桩用,因其强度、刚度太小而折断。2)在钻进过程中,由于选用转速不当,使钻杆扭转或弯曲折断。3)钻杆使用过久,连接处有损伤或接头磨损过甚。4)地层坚硬,进尺太快,超负荷运转钻进而发生事故。

1.2 混凝土灌注过程中出现的事故

钻孔桩混凝土基础是一个连续的作业过程,钻孔完成后,下一步工序将是进行混凝土灌注,在混凝土灌注过程中,郑州铁道陇海家园出现的施工事故主要有:卡管。

在灌注过程中,混凝土在导管中不能下落,称之为卡(堵)管。引发卡(堵)管的主要原因有:1)初灌时,隔水栓卡管,或由于混凝土本身的原因,如坍落度过小,混凝土和易性差,混凝土夹有大卵石,拌和不均匀或在运输过程中因混凝土坍落度过大而产生离析,粗骨料集中而导致卡管。2)导管接缝处漏水,雨天运送混凝土未加遮盖,使混凝土中的水泥浆被冲走,粗骨料过于集中而导致卡(堵)管。3)在灌注过程中,由于机械发生故障或由于其他原因使混凝土在导管内停留时间过长或因为安排不当,混凝土灌注持续时间过久,初灌的已初凝,增大了导管内混凝土下落的阻力,致使混凝土堵塞在导管内造成卡管。4)在灌注过程中由于对混凝土质量控制不当,坍落度时大时小,和易性时好时坏,混凝土对导管的阻力不同,以致于卡管。

2 施工中常见事故的处理方法

在桩基施工中,只有对发生的钻孔事故和灌注事故做出正确的判断,采用合理的技术措施,才能使工程质量不留隐患,工程进度不受太大的影响,同时也可避免在经济上造成更大的损失,如处理不当,将更会对工程形象方面造成难以挽回的损失,所以,我们必须认真对待,认真处理。

2.1 坍孔

1)钻进过程中发生孔口坍塌时,可立即拆除护筒回填钻孔,重新埋设护筒再钻。若护筒底发生坍孔时,可用袋子装粘土(粘土装为袋子的 1/3)沿护筒外回填,直到没有明显的下沉,然后在袋子上层再用粘土(水泥∶粘土 =1∶3)回填至与护筒顶平,静置4 h～5 h后再钻。2)发生孔内坍塌,先判明坍孔位置,回填片石、砂、砂砾和黄土等混合物,到坍孔处以上 1m～2m。如果发生的坍孔情况较重则应全部回填,直到回填物沉积密实后再进行钻进。

2.2 钻孔偏斜

1)采用循环钻进,若坍塌不严重时可将钻头吊住在偏斜处上下反复扫孔使钻孔正直。比较严重时,采取回填砂粘土到偏斜处,待沉积密实后再继续钻进。

2)在钻孔偏斜特别严重时,可在开始偏斜处设置少量炸药爆破,然后用砂土和砂砾土回填至该位置以上 1m左右,重新冲钻。

2.3 流砂

在钻进过程中,若遇到流砂,可根据具体情况适当减小孔内外的水位压力,增大孔内泥浆的密度和粘土,使孔壁形成厚实的泥皮。

2.4 不进尺(糊钻)

遇到此种施工现象,可视具体情况而定。如若是钻头粘满粘土块,则要提出钻头,清理干净钻头上的糊钻物;若是孔内沉渣未及时排出,应加大循环力度,提升钻头,将大部分沉渣排出后即可,或因为钻头合金刀片安装角度不对时,则应提出钻头,对钻头上的合金刀片进行调整即可处理,或采用二次成孔(先用小钻头成孔再用满足孔径的大钻头成孔)。

2.5 钻孔漏浆

若在穿过透水性强或有流动地下水的土层时发生钻孔漏浆,则可改善漏浆性能,增加泥浆比重和粘度基本上可以处理;若是护筒埋置所引起的则可视情况处理,重新夯实护筒四周的土层,或由潜水员用棉絮堵塞,封闭底缝。亦可重新外套或内套一符合直径要求的护筒进行处理;若是因为孔内外水头差太大引起,则可采取措施减小内外水头位差,以处理钻孔漏浆。

2.6 掉钻落物

掉钻落物后,应及时查明情况,若钻锥被沉淀物或坍孔土石埋住,应首先清孔,使打捞工具能接触到钻锥,才能实施打捞工作。若是落入一般物件,可选用适当的打捞工具进行打捞,如用打捞环、打捞钩。

2.7 扩孔与缩径

扩孔:若是扩孔后,孔壁不继续坍塌,不影响钻进,则可不进行处理。若扩孔后继续坍塌,影响正常钻进,则应按照坍孔事故进行处理。缩径:若出现缩径情况,则可采用吊住钻头保持不进尺上下反复扫孔的方法,以扩大孔径,直到达设计要求为止。

2.8 钻杆折断

若发生钻杆折断事故,可先采用打捞法将掉落的钻杆捞出,再换用新钻杆或大钻杆继续钻进。

2.9 卡(堵)管

在灌注混凝土过程中,出现卡(堵)管事故,如有小型附着式振动器,则装上振动器振松导管内混凝土,使混凝土下落。若无现成的设备则可采取钻机配合,用主动卷扬机对导管进行高频率的串动,靠混凝土的自重和导管上下串动的冲击力,迫使导管内混凝土下落。如果是因为首批混凝土已初凝,可试用加大灌注混凝土的每斗方量,增大对导管内混凝土的压力,冲破已初凝混凝土面,使其恢复正常灌注。出现卡(堵)管,若卡管位置较深时,不宜采用长捣杆冲捣。因为长捣杆冲捣,其原理同用插入式振动器进行振动,冲捣后粗骨料肯定会有一部分沉入导管下部而水泥浆在上面仍起不到冲散导管内混凝土的作用。卡管位置在跑导管上口的距离不是很大时,则可选用此种方法进行处理。

总之,混凝土灌注桩桩基础在施工中,由于有着各种不确定、不可预测的因素,造成各种施工事故。在对这些事故处理时,我们不能千篇一律,生搬硬套。要因时制宜、因地制宜,针对实际发生的情况,查明确切引发的原因,再结合施工现场所具备的施工条件,选用和采取合理和符合实际的处理方法,以确保对各施工事故做出正确的处理。

[1] 吴 坤,纪宁玲.关于桩基设计的一些看法[J].山西建筑, 2010,36(2):126-127.