冲击成孔灌注桩的扩径原因分析及预防措施

常聚友，王亚民

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

目前我国在建的中部某客运专线以及在建的南方某客运专线，其路基、桥梁基桩的施工大部分采用冲击成孔C30混凝土灌注桩，且所处地域多为冲洪积扇、古河道等低洼地，地下水丰富，以及地层中夹有砂层、灰岩顶面的松散土、溶洞内的充填物等软弱层。在冲击成孔的冲击作用下，软弱层受到较大振动的水平水浪冲刷力，尤其在地下水位处水浪冲刷力更大，使软弱层随着冲刷力的作用，落入孔内被泥浆返孔带出孔口，使其周围形成大于施工桩径的地下空间。灌注混凝土时地下空间处出现大的扩径，此扩径不仅浪费了混凝土，当采用反射波法检测桩身完整性时，由于严重扩径不规则原因，使反射波曲线桩底不明显，还会误判为缺陷桩。为此提出要结合地质条件综合分析形成扩径的原因，判断扩径的存在，并确定扩径的深度;以及要设法预防扩径的出现，达到不浪费混凝土的目的。

1 地质特征及冲击成孔施工

1.1 地质条件

基桩所处地层由上而下为:①黏土层;②砂层;③卵石层;④黏土层;⑤灰岩。其中黏土层不含水，砂层、卵石层、灰岩含水。虽然黏土层不含水，但黏土层在与含水砂层、卵石层、灰岩的接触带处，黏土层受地下水的渗透作用，也含水呈软塑状态。

1.2 冲击成孔施工

基桩采用冲击成孔施工，在冲锤冲击力的作用下，使地下水位处、砂层处、与灰岩顶面接触的松散土处、溶洞内的充填物处均产生一个较大的振动水平冲刷力，使其周围的松散软弱层落入孔内被泥浆返孔带出孔口，使其周围形成大于施工桩径的地下空间。

1.3 冲击成孔混凝土灌注

在上述冲锤冲击力的作用下，使地下水位处、砂层处、与灰岩顶面接触的松散土处、溶洞内的充填物处形成大于施工桩径的地下空间;灌注混凝土时易形成大于施工桩径的扩径桩，此扩径桩浪费大量混凝土(有一个桩超灌混凝土300 m3);并采用反射波法检测桩身完整性，有时反射波曲线桩底不明显，还会误判为缺陷桩。因此要结合地质条件综合分析形成扩径的原因，判断扩径的存在和位置;做好预防措施，预防扩径出现，达到不浪费混凝土目的。

1.4 冲击成孔的预防扩径桩施工措施

常规冲击成孔施工时重锤提升高度1～2 m，泥浆护壁厚度为2～3 cm，称为常规冲击成孔施工法。为避免冲击成孔灌注桩扩径，达到不浪费混凝土目的，在冲击成孔过程中应采取相应的措施。

1)对于各软弱层地基承载力fk＜80 kPa的软塑黏土、粉细砂、与灰岩顶面接触处的松散土，冲击成孔施工到位时，其深度填入二倍软弱层高度的颗粒较大块石、硬塑黏土等，并重锤轻击，重锤提升高度0.5 m，泥浆护壁厚度达到3～8 cm，称为重锤轻击加块石护壁加厚施工法。

2)对于上述各软弱层地基承载力fk≥80 kPa的软塑黏土、粉细砂、与灰岩顶面接触处的松散土，冲击成孔施工到位时，其深度不填入颗粒较大块石、硬塑黏土等，但要重锤轻击，重锤提升高度0.5 m，泥浆护壁厚度达到3～8 cm，称为重锤轻击护壁加厚施工法。

3)对于灰岩溶洞冲击成孔施工难度最大，施工时遇到溶洞泥浆全部漏完，此时在溶洞处首先填入三倍溶洞高度的颗粒较大块石、硬塑黏土等，并用黏土填至孔口，重新冲击成孔施工(有时可能还要进行第二、第三次重复施工)并重锤轻击，重锤提升高度0.5 m，泥浆护壁厚度达到3～8 cm，称为重锤轻击加块石溶洞护壁加厚施工法。

4)上述施工也可不加(少加)颗粒较大块石、硬塑黏土等，且放入钢护筒护壁，称为钢护筒护壁施工法。

2 反射波法对扩径桩完整性检测

2.1 反射波法对地下水位处的扩径桩完整性检测

以目前我国在建的中部某客运专线七工区，路基60-7#冲击成孔灌注桩为例进行分析。该桩长10 m，桩径1 m;其地层0～2 m为黏土，2～4 m为软塑黑色黏土(fk=80 kPa)，4～10 m为含水卵石层，地下水位4 m;按常规冲击成孔施工法施工。其桩身完整性检测反射波曲线见图1。

图1 60-7#扩径桩反射波曲线

图1可见桩深4 m处扩径，波速4 250 m/s，应灌注混凝土9.4 m3(充盈系数1.2)，而实际灌注混凝土14.4 m3，超灌注混凝土5.0 m3，分析桩深2～4 m处软塑黑色黏土扩径，经开挖验证为扩径，见图2。

图2 60-7#桩深2～4 m扩径

鉴于上述，在软塑黏土(fk=80 kPa)、砂层(fk=80～100 kPa)地层的冲击成孔施工中，采用了重锤轻击护壁加厚施工法施工，并选取50-5#桩为例进行分析。该桩长15 m，桩径1 m;其地层0～1.5 m为黏土，1.5～2.5 m为软塑黏土，2.5～3.5 m为砂层(含水)，3.5～15.0 m为卵石层(含水)，地下水位2.5 m。其桩身完整性反射波曲线见图3。

分析图3反射波曲线，波速为3 903 m/s，桩深1.5～3.5 m软塑黏土、砂层无扩径，应灌注混凝土14.2 m3(充盈系数1.2)，而实际灌注混凝土13.4 m3，无超灌注混凝土，经开挖验证无扩径，见图4。

图3 50-5#无扩径桩反射波曲线

图4 50-5#桩深2～4 m处无扩径

2.2 反射波法对含水砂层处的扩径桩完整性检测

以目前我国在建的中部某客运专线三工区，路基2-23#冲击成孔灌注桩为例进行分析。该桩长50.5 m，桩径1 m;其地层0～6 m为粉质黏土，6～12 m为细砂层(含水)(fk=100 kPa)，12～34 m为粉质黏土，34～50 m为灰岩(含水);按常规冲击成孔施工法施工，其桩身完整性检测反射波曲线见图5。

图5 2-23#扩径桩反射波曲线

分析图5反射波曲线，波速为3 709 m/s，桩深7～10 m处扩径，15 m处是扩径后陡缩反应，且呈多次反射，有桩底反应，属完整桩;应灌注混凝土47.6 m3(充盈系数1.2)，而实际灌注混凝土60 m3，超灌注混凝土为12.4 m3;由此对2-23#扩径桩进行钻探深度20 m取芯验证。

此后，在砂层(fk=100 kPa)的冲击成孔施工中，采用了重锤轻击护壁加厚施工法施工，并选取2-3#桩为例进行分析。该桩长34 m，桩径1 m;其地层0～8 m为粉质黏土，8～14 m为细砂层(含水)(fk=100 kPa)，14～24 m为粉质黏土，24～34 m为灰岩(含水)。其桩身完整性反射波曲线见图6。

分析图6反射波曲线，波速为3 827 m/s，桩深8～14 m砂层(含水)无扩径，应灌注混凝土32 m3(充盈系数1.2)，而实际灌注混凝土30.5 m3，无超灌注混凝土。

图6 2-3#桩反射波曲线

把图5，图6曲线放在同一坐标、同一放大倍数状态下进行分析，2-23#扩径桩反射波曲线桩深2～12 m坐标的负包络面积设为S2、桩深12～17 m坐标的正包络面积设为S1;2-3#无扩径桩反射波曲线桩深2～12 m坐标的负包络面积设为 S0，S2－S0=ΔS，ΔS越大，说明扩径越大;S1面积越大，说明扩径后陡缩程度越大，称为扩径包络面积分析法。

2.3 反射波法对黏土与灰岩接触处的扩径桩完整性检测

以目前我国在建的中部某客运专线八工区，桥梁45-1#冲击成孔灌注桩为例进行分析。该桩长26 m，桩径1 m;其地层0～13 m为粉质黏土，13～26 m为灰岩(含水);按常规冲击成孔施工法施工，其桩身完整性检测反射波曲线见图7。

图7 45-1#扩径桩反射波曲线

分析图7反射波曲线，波速为3 850 m/s，桩深13 m处扩径，应灌注混凝土25 m3(充盈系数1.2)，而实际灌注混凝土38 m3，超灌注混凝土13 m3，分析桩深13 m处与灰岩(含水)接触处的软塑松散土扩径。

为避免扩径的发生，在与含水灰岩接触处有软塑松散土层的冲击成孔施工中，采用了重锤轻击护壁加厚施工法施工(填入5～7 m3小块石)，并选取13-10#桩反射波曲线进行分析，见图8。

该桩长43.7 m，桩径1 m;其地层0～25 m为粉质黏土，25～43.7 m为灰岩(含水);分析图8反射波曲线，波速为3 517 m/s，桩深25 m与灰岩接触处无扩径特征，应灌注混凝土41 m3(充盈系数1.2)，而实际灌注混凝土39 m3，无超灌注混凝土。

图8 13-10#桩反射波曲线

反射波法对溶洞的扩径桩和钢护筒护壁的灌注桩的完整性检测，不在此论述。

3 结论

1)认真研究地质资料，确定能够形成冲击成孔施工扩径的地下水位、软塑黏土、粉细砂，还有与灰岩顶面接触处的松散土以及灰岩溶洞内的充填物等软弱层的位置、深度和规模，并选择相应有效的施工方法，阻止上述软弱层落入孔内被泥浆返孔带出孔口，使其周围不形成大于施工桩径的地下空间，达到灌注桩不浪费混凝土的目的。

2)采用重锤轻击加块石护壁加厚施工法，对于地基承载力fk＜80 kPa的软塑黏土、粉细砂、与灰岩顶面接触处的松散土，冲击成孔施工到位时，其深度填入二倍软弱层高度的颗粒较大块石、硬塑黏土等，并重锤轻击，重锤提升高度0.5 m，泥浆护壁厚度达到3～8 cm。

3)采用重锤轻击护壁加厚施工法，对于地基承载力fk≥80 kPa的软塑黏土、粉细砂、与灰岩顶面接触处的松散土，冲击成孔施工到位时，其深度不填入颗粒较大块石、硬塑黏土等，但要重锤轻击，重锤提升高度0.5 m，泥浆护壁厚度达到3～8 cm。

4)上述各冲击成孔的重锤轻击护壁加厚施工灌注桩，均采用反射波法进行完整性检测。

［1］中华人民共和国建设部．JGJ 106—2003 建筑基桩检测技术规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2003．

［2］中华人民共和国铁道部．TB 10218—2008 铁路基桩检测技术规程［S］．北京:中国铁道出版社，2008．

［3］中华人民共和国建设部．JGJ 79—2002 建筑地基处理技术规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002．

［4］中华人民共和国铁道部．GB 50021—2001 岩土工程勘察规范［S］．北京:中国铁道出版社，2004．

［5］中华人民共和国铁道部．TB 10013—2004 铁路工程物理勘探规程［S］．北京:中国铁道出版社，2004．

［6］常聚友，刘志军，周其祥．路基端承灌注桩完整性及承载力研究［J］．铁道工程学报，2008，113(2):35-39．