钻孔灌注桩穿孔或塌孔的原因分析及处置

尧在雨 黄 磊

(江西省地质工程(集团)公司，江西 南昌 330030)

泥浆护壁钻孔灌注桩工程中的水头是一个相对概念，是孔内泥浆液面与孔内某一考察点(如钢护筒底端)的压强值，假设孔内某一考察点(如钢护筒底端)与泥浆液面标高差值为h，那么钢护筒底端的泥浆压强即水头值为ρh(ρ为泥浆比重)。钻孔灌注桩穿孔或塌孔的根本原因是该钢护筒底端孔内外压强差大于孔壁土的抗剪强度，也就是钢护筒底端的水头值与土应力差大于孔壁土的抗剪强度。

1 工程案例

华润苍南电厂综合码头位于浙江省温州市苍南，为一个3 000 t的散货码头。码头桩基础为钻孔灌注桩，桩径1 200 mm。地层由上而下为中密状砂土、中部高压缩性淤泥质、亚粘土、中风化火山熔灰岩，桩进入中风化火山熔灰岩不少于2 400 mm。海底泥面标高-3.0 m，施工平台标高+7.0 m，桩顶标高+3 m。施工平台距离泥面10 m，平潮位在平台下5 m左右，施工期内最大潮差5 m。亚砂土密度r=1.6，泥浆比重r泥=1.2。实际施工中要准确地确定钢护筒长度情况，才能保障既不出现穿孔或塌孔又最大限度地节约钢护筒。根据钢护筒底端内外压强差小于孔壁土的抗剪强度理论计算得出钢护筒的理论长度12 m，在实际施工中选择13 m护筒未出现穿孔或塌孔现象，施工顺利。同时水头调节器设置在平潮位下1.5 m即平台下6.5 m左右钢护筒上调节孔内水头，保证了在潮汐工况环境下施工顺利进行。

2 泥浆护壁钻孔灌注桩钢护筒底端下部穿孔或塌孔原因分析

土的剪应力是否达到抗剪强度(τ=τf)作为土破坏标准:当荷载大到一定程度时，荷载边缘土中的剪应力首先达到土的抗剪强度，产生小范围的塑性变形区，当荷载达到一定程度后，就会形成连续塑性变形的滑动面，从而地基失稳性被破坏。孔壁土荷载由水头荷载和土应力荷载组成，两者对孔壁土荷载是对冲关系。钻孔灌注桩穿孔或塌孔的根本原因是钢护筒底端孔内外压强差大于孔壁土的抗剪强度，使孔壁土失稳。

2.1 孔壁土的抗剪强度计算

从库仑公式τf=σtgφ+c可以得出孔壁土抗剪强度。

其中，τf为土的抗剪强度，kPa；φ为内摩擦角，(°)；c为粘聚强度，kPa；σ为法向应力，kPa。

一般情况下土的抗剪强度取值10 kPa～20 kPa。在工程实践中为保险起见取小值10 kPa。

2.2 孔壁土荷载之一：水头计算

泥浆护壁钻孔灌注桩钢护筒底端由于泥浆压力而产生的压强即水头P泥：

P泥=r泥h泥。

其中，P泥为计算点水头，kPa；h泥为钢护筒底端到泥浆面距离，m；r泥为泥浆密度，kg/m3。

2.3 孔壁土荷载之二：土应力计算

地层应力是由地层本身的颗粒与颗粒之间相互支撑承担从而产生的应力，地层应力的大小与地层的容重和层厚有关。钻孔灌注桩中地层应力属于侧限应力状态，也就是侧向应变为零的一种应力状态，它是自重状态下的应力。由于把地层视为半无限弹性体，因此同一深处h的土单元受力条件相同，土体不可能侧向变形，而且只能发生竖直向变形。又由于任何竖直面都是对称面，故在任何竖直面和水平面上都不会有剪应力存在。

若地层由几个不同容重的土层组成时，则任意深度h处的土体应力：

其中，rihi为深度hi处土体应力；ri为深度hi处土的天然容重。

2.4 钢护筒底端孔壁土荷载(压强度差)计算

p差=水头-土应力=P泥-P应。

当p差>τf拟下沉钢护筒底端水头压强与土体应力压强差大于孔壁土的抗剪强度，易发生穿孔；p差<τf拟下沉钢护筒底端水头压强与土体应力压强差小于孔壁土的抗剪强度，易发生塌孔。

2.5 依据钢护筒底端内外压强差小于孔壁土的抗剪强度理论验算

华润苍南电厂综合码头钢护筒最佳长度：

由已知条件得出:h1=4-(-3)=7,d=1.2,r=1.6，h水=1.0。

因此,P孔=d(h1+h2)=1.2×(7+h2)=8.4+1.2h2。

P土=σsh+рh2+1= 1.6h2+1.07h2+1=2.67h2+1。

经计算：h2≥5 m。

所以,H=h1+h2≥12 m≈13 m,即钢护筒最佳长度13 m。

3 水头控制的因素及方法

拟下沉钢护筒底端的水头值由h泥值和泥浆密度r泥之积组成。因此h泥和r泥的变化必将影响水头值。值得注意的是在泥浆护浆钻孔灌注桩施工过程中h泥和r泥的数值是经常变化的。

3.1 引起h泥数值变化的主要原因

1)潮汐作用对水头的影响。潮汐作用引起泥浆面上升或下降，在海上施工时天文小潮造成的潮差有2 m～3 m，而天文大潮造成的潮差达6 m～8 m；在大江大河潮差也有1 m～2 m。如不对钢护筒内泥浆面位置不依潮流时间进行调整，则极易造成穿孔或塌孔。

2)钻头对钻孔的激荡力量。钻头快速下放或提起容易引起泥浆液面位置上抬，尤其是对滚刀钻头而言这种影响更大。有时泥浆面位置可以抬高1 m。因此无论什么钻头下放或提取都要慢速匀速进行。

3.2 引起r泥数值变化的原因

1)清孔过程中泥浆置换引起泥浆稀设。泥浆置换过程是清除钻渣和泥浆性能指标优化的过程，泥浆比重r泥从成孔时的2.0左右降到1.15左右。

2)混凝土灌注过程中引起泥浆浓度加重。灌注混凝土时，水泥砂浆大量聚积引起泥浆浓度加重。

4 水头原因引起的穿孔或塌孔的现象、危害性及处理措施

4.1 水头原因引起的穿孔或塌孔的现象

1)孔内泥浆面突然下降；2)泥面钢护筒附近冒出大量污水；3)孔内发出闷雷一样的声音;4)出现穿孔时泥面护筒附近出现旋窝，水流湍急流入护筒底部进入孔里。

4.2 穿孔或塌孔的危害性

1)钻孔报废，回填合适的材料后需要密实1个月以上才能重新施工，严重影响工期，增加了施工成本。2)极易发生安全生产事故，无论是塌孔还是穿孔都会造成钻孔附近围土涌入已成孔内，降低泥面标高，从而造成施工平台或施工栈桥的钢管桩失稳，危害机械设备、材料、人员安全。

4.3 水头原因引起的穿孔或塌孔处理措施

由于水头原因引起塌孔的现象发生塌孔之后，应该首先査明原因，视情况采取如下措施：

1)对少量垮孔，如不继续垮孔，可恢复正常钻进。2)塌孔不严重，可以回填土到塌孔位以上，并采取改善泥浆性能、加高水头、深埋护筒等措施，继续钻进。3)塌孔严重时，应立即将钻孔全部用砂类土或砾石土回填，也可采用粘质土并掺入5%～8%的水泥砂浆，应等待数日待回填土沉实后，重新钻孔。4)塌孔部位不深时，可采取深埋护筒法，将护筒填土夯实，重新钻孔。这样进行相应处理之后，对桩的质量不会有太大的影响。

5 水上施工工况条件下水头控制方法

5.1 潜水泵调节法

是用潜水泵抬高或降低泥浆液面位置，切忌用大泵量设备，大泵量潜水泵容易造成泥浆液面很快抬高或降低，从而造成穿孔或垮孔。潜水泵要有备用设备。停工或停电前泥浆液面位置要控制在合适的位置。另外要密切注意液面位置的变化，随时观察孔内异常情况，相关人员要有负责心，不得随意离岗。

5.2 钢护筒开口法

是离最低潮位线上1.5 m～2 m位置的钢护筒上切割一个5 cm×5 cm的小洞，这个小洞可以起泥浆面位置调节作用。这个洞口不宜太大或太小，太大影响清孔效果，太小起不到调节作用。同时也不要太高或者太低，否则起不到平衡钢护筒内外压强(应力)作用。

5.3 调节泥浆浓度法

对于出现轻微穿孔或塌孔的钻孔桩，可以调节泥浆浓度的办法调节水头。

6 结语

水上钻孔灌注桩的水头控制是非常容易被忽视但又是很重要的施工关键节点，它决定了如何合理、经济有效地确定钢护筒的长度和厚度，对施工工期和施工成本及质量都有重大影响。影响钻孔灌注桩水头因素很多，尤其在潮汐环境下。因此钻孔灌注桩的水头控制需要引起施工人员的高度重视。