花岗岩地区某项目冲孔灌注桩质量事故分析与处置及生态保护作用

许岩剑， 熊 恩， 万 强

(1.江西省勘察设计研究院 厦门分院，江西 南昌330000;2.南华大学 城市建设学院，湖南 衡阳421001)

大跨度场馆建筑、高层建筑等具有较大水平荷载的建筑物，基础类型有时选择冲(钻)孔灌注桩.其具有桩长、桩径不受限制，不需接桩、水平承载力大于预制管桩的优点，但易发生质量事故. 该文详细介绍厦门市某重点工程冲孔灌注桩质量事故分析及处理过程，给类似质量事故处理提供参考.

1 工程概况

厦门市某重点工程，主场馆为1 椭圆形建筑，高度15 m，网架结构，对差异沉降敏感，最大单柱荷载3 000 kN.拟建物承受较大水平荷载，基础需提供较大的水平承载力.在中轴环线基础类型为冲孔灌注桩，其余地段为预制管桩.在桩基施工完成后，桩身小应变动测成果显示，所有灌注桩桩身质量合格，不存在缩颈、断桩现象，桩身质量为Ⅱ类.但在进行载荷试验时，所有试验桩均不合格，与设计值相差甚远.与此同时，分布在灌注桩四周的预制管桩桩长控制与勘察资料基本吻合，检测全部合格.项目工期非常紧张.

2 工程地质条件

拟建场地原始地貌类型为残坡积地貌单元和冲洪积地貌单元交接部位，后因建设需要进行了回填整平处理.场地内的岩土层从上至下:

2.1 素填土①

褐红色、褐黄色，松散～稍密状，未经专门性压实处理，具一定湿陷性. 成份主要为粘性土，局部含碎石10 ～15%，粒径2 ～5 cm 不等. 厚度0. 40 ～7.20 m，平均厚度2.49 m.回填时间约5年，尚未完成自重固结.工程性能差，密实度及均匀性差.

2.2 粉质粘土②

灰黄色为主，可塑状. 成分以粉、粘粒为主，含少量中砂，干强度中等，韧性中等，切面光滑，无摇振反应，具中等压缩性. 该层揭露于冲洪积地貌单元钻孔所在地段，层厚1. 10 ～4. 30 m，平均厚度2.69 m，层顶埋深0.50 ～5.20 m，层顶标高5.60 ～12.51 m.

2.3 粉质粘土③

褐红色、紫色、褐黄色，可塑～硬塑状. 成分以粉、粘粒为主，含石英颗粒5 ～10%，切面光滑，粘性及韧性中等，干强度中等，无摇振反应. 该层揭露于残坡积地貌单元中，层厚0.60 ～5.50 m，平均厚度2.79 m，层顶埋深0.40 ～7.20 m，层顶标高5.84 ～12.64 m.

2.4 残积砂质粘性土④(Qel)

紫色、褐黄、灰白色，上部以可塑状为主，下部多呈硬塑状.该层为场地中粗粒花岗岩风化成土并残留原地的产物，原岩结构可辨，主要由长石等风化形成的次生粘土矿物及石英颗粒组成，大于2 mm颗粒一般占10.3 ～17.3%，粘性及韧性中等，干强度中等，无摇振反应，切面稍有光泽. 该层全场分布，厚度3.20 ～15.80 m，平均厚度10.18 m，层顶埋深0.60 ～9.60 m，层顶标高3.44 ～12.58 m.该层属中等压缩性土，天然状态下工程性能中等，但该层属特殊性土，具浸水易软化、强度降低的特性.

2.5 全风化花岗岩⑤

呈褐黄、灰白色，坚硬土状，原岩结构较清晰.岩石矿物组织结构已基本破坏，绝大部分长石等易风化矿物已风化成次生粘土矿物. 岩石坚硬程度属极软岩，岩体完整程度属极破碎，岩石基本质量等级为Ⅴ级.该层全场分布，厚度2.15 ～11.1 m，平均6.85 m，层顶埋深8.00 ～17.80 m，层顶标高－7.50～3.56 m.该层属中-低压缩性土，天然状态下工程性能中等，但该层属特殊性土，具浸水易软化、强度降低的特性.

2.6 砂砾状强风化花岗岩⑥

灰黄～灰白色，散体状. 成分以长石、石英、云母为主，其中长石大部分高岭土化，岩石强烈风化，岩芯呈砂砾状，原岩结构清晰. 岩体坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为极破碎，RQD=0，岩体基本质量等级为Ⅴ类. 该层全场揭露，揭露厚度10.65 ～20.8 m，层顶埋深14. 10 ～26. 90 m，层顶标高－15.88 ～－2.24 m.该层工程性能良好.但该层属特殊性土，具浸水易软化、强度降低的特性.

3 水文地质条件

场地地下水主要有赋存运移于素填土①层孔隙中(冲洪积地貌单元隔水层粉质粘土②层之上为上层滞水)、③～⑥层孔隙、网状裂隙中的潜水(冲洪积地貌单元隔水层粉质粘土②层之下具承压性质).素填土①层其渗透性随密实度及堆填料的不同呈明显的不均匀性，但总体属弱透水层，水量不大，受季节影响明显;粉质粘土②层属微透水层或相对隔水层;③～⑥层呈渐变过渡关系，其间无明显的物理界限，透水性具自上向下增强的趋势，但总体均属弱透水层，水量不大;地下水主要接受地下侧向径流补给，以及大气降雨下渗补给，通过蒸发及自南向北迳流排泄.

不同地貌单元，地下水的动态有一定差异. 在残坡积地貌单元，地下水主要受大气降水及相临含水层侧向渗透补给，向地势较低的冲洪积地貌单元排泄. 冲洪积地貌单元地下水主要受大气降水及相临含水层侧向渗透补给，大致由北西向南东排泄.

勘察期间属丰水期，测得场地初见水位埋深0.80 ～3.80 m，水位标高7.76 ～11.98 m.测得场地地下水混合稳定水位埋深2.90 ～6.00 m，水位标高为6.67 ～9.15 m. 场地承压水位埋深3.10 ～5.50 m，水位标高7.28 ～7.48 m.根据区域水文地质资料及场地地形、地貌特征，预计该场地范围内全年地下水位变化幅度2 ～3 m. 根据场地地形地貌特征、地区气候特点及场区规划，考虑到场地整平后地，地下水动态会有较大变化，场地最高设计水位按室外地坪设计标高以下0.5 m 考虑.

4 桩基设计及施工情况

拟建物基础采用冲孔灌注桩和预制管桩. 冲孔灌注桩分布的中轴环线位置，桩径为φ800 mm，桩长22 ～28 m，单桩设计竖向抗压承载力特征值为2 600 kN，水平承载力特征值为90 kN，以砂砾状强风化花岗岩⑥层为桩端持力层. 灌注桩属端承摩擦桩，端阻力约占竖向承载力设计值的1/4，施工工艺为冲孔，采用泥浆护壁处理. 桩长主要按勘察资料及现场岩芯鉴定控制，每根桩均进行成孔验收，相关记录完善，于2014年9月完成.

其余地段采用预制管桩，桩径为φ500 mm，桩长18 ～25 m，单桩设计竖向抗压承载力特征值为2 200 kN，以砂砾状强风化花岗岩⑥层为桩端持力层.预制管桩采用静压桩基施工，沉桩加载值为设计特征值的2.1 倍，整个施工过程顺利，桩长控制与勘察资料基本吻合，于2014年10月完成沉桩.岩土设计参数如表1.

表1 岩土设计参数Tab.1 Geotechnical design parameters

5 桩基检测情况

施工完毕后，检测单位对灌注桩及预制桩进行小应变及载荷试验检测. 经检测，预制桩的桩身完整性及载荷试验全部合格，灌注桩桩身完整性检测及水平向载荷试验合格，但竖向抗压载荷试验不合格.在按桩基检测规范加大检测数量后，灌注桩竖向抗压载荷试验均不合格.

灌注桩竖向抗压载荷试验表现出:①载荷试验均不合格，且与单桩承载力设计值相差较大，竖向加载值最大仅达3 120 kN;②单桩竖向抗压极限承载力变异性很大，无规律性;③部分桩基在载荷值不大时，出现沉降量达500 mm 的情况，且未稳定，导致试验终止.灌注桩代表性竖向抗压载荷试验成果图如图1、图2，其荷载—沉降曲线上出现陡降段，桩顶总沉降量超过40 mm，荷载试验终止［1］.

图1 载荷试验成果Fig.1 The load test results

图2 载荷试验成果Fig.2 The load test results

6 事故原因分析

出现问题后，建设单位组织施工单位、设计单位、勘察单位及检测单位进行质量事故分析. 各参建单位对施工过程进行了调查，并对成桩记录文件进行了检查，未发现明显问题. 施工单位提出沉降量如此大，应是桩端持力层问题，地质勘察资料不准确，持力层未到强风化岩导致的.

业主单位要求进行持力层复核. 各单位商定，检测单位对桩基抽芯检测到桩底后，进行原位测试标准贯入试验. 经试验，标准贯入试验击数呈现出第一阵击较小，第二阵击较大，第三阵击最大，三次击数合计大于50 击的规律，有代表性的三组为:11、18、25;14、22、26;12、18、27.

各参建单位根据上述情况分析，桩端位置由于地层受扰动及泡水软化的影响，地质变软，但下部力学强度较高. 根据标准贯入试验成果，三阵击数合计大于50，每阵击进尺10 cm，地层为强风化岩［2］，勘察资料基本准确，但持力层泡水软化现象明显.此外，根据分布在灌注桩附近的预制管桩沉桩情况，预制桩桩端持力层与灌注桩桩端持力层均为砂砾状强风化岩⑥，两种桩基桩长基本一致，而预制桩载荷试验全部合格. 综合分析，桩端持力层属强风化岩无疑.

项目灌注桩属端承摩擦桩，端阻力约站竖向承载力设计值的1/4. 岩土体对桩身提供的阻力应是侧摩阻力先从上至下优先发挥，再发挥端阻力，即使端阻力不计，载荷试验值应至少达到3 600 kN，故主要问题应是侧阻力未正常发挥作用导致的.

桩侧地层上部为少量填土层，填土之下为粉质粘土层，再其下为花岗岩风化层. 桩长大部分位于风化层中，摩阻力未有效发挥作用，分析其原因:①主要是桩周泥皮过厚;②其次是花岗岩风化层具有泡水软化、崩解的作用，桩侧地层出现软化.

7 处理措施

各参建单位根据现场情况提出了3 种处理方案，第一种方案为在桩侧及桩底进行高压注浆，第二种方案为对桩基进行复压方案，第三种方案为补打灌注桩方案.但经分析，均存在缺点.

7.1 桩侧及桩底进行高压注浆

方案原理是在桩周及桩底通过注浆管高压注射水泥浆，对松软地层进行挤密、固结［3］，从而提高桩基承载力. 注浆处理是一种常见方案，但项目由于未预先埋置注浆管，需钻机在桩边成孔，再注浆.此方案存在的缺点是灌注桩桩身垂直度参差不齐，且桩径较小，注浆孔难以保证紧靠桩壁，也难以准确到达桩底位置.同时由于桩基承载力与设计值相差较大，注浆方案难以确保成功. 此外，注浆处理后的各桩基承载力变异性大，需加大检测量. 当方案不成功时，影响工期.

7.2 桩基进行复压

对现有灌注桩采用静力压桩机以设计载荷值的2.1 倍进行复压，以载荷值及沉降为控制标准.此方案的缺点是:①根据类似工程经验，由于目前桩身侧阻力很小，桩基能承受的荷载值很小，在2.1 倍设计荷载的压力下，桩基向下沉降，侧阻力遭到进一步破坏，桩周土体呈现残余强度，侧阻力下降，而桩端阻力有限，从而导致桩基可能出现刺入破坏［4］，大幅度下沉，有的可能出现2 ～3 m 的沉降量，需考虑接桩的问题. 为此，还需开挖基坑;②由于灌注桩侧壁呈现不规则凸起状，在复压的过程中，凸起部分将被剪切破坏，从而对桩身造成破坏，影响桩身质量;③复压前需要对灌注桩桩头进行处理，工序麻烦.

7.3 补打灌注桩

既在现有桩基的基础上补打桩基，加大承台.此方案的缺点是:①补打灌注桩，同样成桩质量难以保证;②由于载荷试验结果大小不一，变异性大，现有桩基承载力难以确定，从而变更设计难以进行;③需加大承台;④工程造价高.

由于各方案均存在缺点，业主单位于是提议由市土木协会组织专家论证，以确定最优化方案. 专家组在详细查阅资料、询问情况后，提出了既需100%解决质量问题，又需满足规范要求的指导方针.经充分讨论，专家组否定了上述三种方案，同时提出了补打预制桩的方案. 方案原理为:①竖向荷载由预制管桩全部承担，灌注桩竖向承载力作为安全储备;②水平向荷载由灌注桩和预制桩共同承担.同时灌注桩和预制桩单桩水平承载力特征值以地面处水平位移6 mm 控制［5］，从而起到变形协调共同受力的作用;③桩基布置时，桩基间距不需考虑既有灌注桩;④加大承台尺寸.

补打预制桩的方案既保证了质量，又具有经济性，同时工期有保证，各参建单位均同意该方案.

8 结 论

花岗岩风化层残积土、全风化岩及强风化岩在自然状态下工程性能较高，具有中等～较高强度，但具有遇水崩解、软化、工程性能降低的特性. 此外，施工控制不到位时易发生泥皮过厚的问题. 花岗岩地区冲孔灌注桩作为常用桩基类型，易发生质量事故，往往造成承载力与设计值相差甚远的情况.采用冲孔灌注桩时，应加强过程管理，控制泥浆浓度、加强清孔，聘请施工经验丰富的施工队伍. 必要时可预先在桩侧及桩端埋设后注浆管，对地基土进行固结及挤密.

常规的处理手段有高压后注浆、复压、补打灌注桩等，但都存在缺点和不确定性. 工程通过补打预制管桩的处理方案，确保了工程质量，具有较强的经济性，工期可控，这一处理方法对类似问题的处理具有参考价值.

冲孔灌注桩排放的大量泥浆将对环境造成污染，施工噪音对周边居民影响较大. 注浆方案亦将对地下水形成污染. 该次质量事故采取补打预制管桩的处理方案，较好的处理了质量事故，同时，预制管桩系工厂内预制，可有效避免泥浆排放及污染地下水，保护了生态环境，避免了污染. 工程施工应加强对花岗岩风化层残积土、全风化岩及强风化岩地区的生态保护作用，避免环境污染.

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