深厚中砂层钻孔灌注桩施工技术研究

柯元清

（福建建工集团有限责任公司，福建 福州 350000）

0 引言

钻孔灌注桩具有工艺简单、适用范围广、振动小和单桩承载力高等优点，被广泛应用于各类建筑和桥梁工程的桩基工程。钻孔灌注桩施工过程具有较高的隐蔽性，成孔过程无法直观地展示在施工人员面前，尤其是遇到砂层深厚，地下水埋深较浅时，由于砂层的黏聚力较小，在成孔过程中砂层在钻头的扰动下很容易出现流砂现象，砂层的抗剪强度就会显著下降，孔壁的稳定性将受到较大影响，甚至可能出现孔壁坍塌现象。砂粒在成孔过程中容易沉入孔底，导致桩孔内沉渣厚度过大，甚至出现埋钻事故，清孔时孔底的砂粒也难以清理干净，清孔时间过长容易导致孔壁坍塌。因此，制定一套行之有效的钻孔灌注桩施工方案成为摆在施工管理人员面前的重要任务。本文结合案例工程就深厚中砂层钻孔灌注桩施工技术进行研究，其结论以供参考。

1 桩基施工难点

1.1 工程概况

建瓯市中西医结合医院医养结合项目位于建瓯市中山西路，属于公共建筑，新建医养康复养生综合楼为地上16层，地下1层，结构形式为框剪结构。地上建筑主要使用功能为康复门诊、医养病房、住院大厅、老人活动中心、中医馆、医护办公、专家门诊、康复门诊、会议室和治未病中心等，地下室主要使用功能为停车场和设备用房。该工程桩基采用桩径为1000mm的钻孔灌注桩，桩长为55～62m，桩端岩层为强风化硅质岩，设计要求桩端进入持力层深度≥3m，单桩承载力为6200kN，桩身混凝土强度为C35。

1.2 地质情况分析

桩基所在地方的岩土层特征从上到下如表1所示，地质揭露中未见破碎灰岩，无溶洞或者土洞或者软弱夹层等不良地质。根据地下水埋藏情况可知，地下水的补给主要来自岩层孔隙水和大气降水，水位埋深约为4.50～6.3m。

表1 建瓯市中西医结合医院医养结合项目岩土层地质情况

1.3 桩基施工难点分析

根据工程概况和地质情况，该工程桩基施工存在以下难点：

（1）该工程桩长为55～62m，成孔深度较大，桩径为1000mm，直径大，成孔垂直度偏差控制较难。

（2）中砂层厚度较大，地质情况十分复杂，成孔时容易出现漏浆、缩颈和塌孔等现象。桩基类型为摩擦桩，桩端岩土层为强风化硅质岩，钻头容易在该岩层出现卡钻现象。

（3）由于岩土层中存在深厚中砂层，砂粒容易沉淀到孔底，使得泥浆中含砂率较大，清孔时间较长，对孔壁安全影响较大，应采取一定措施降低泥浆的含砂率。

（4）该工程成孔工艺拟采用泥浆护壁技术方案，由于地质情况复杂，对泥浆的性能提出更高的要求。

2 桩基施工方案

在大面积开展桩基施工之前，按照设计要求进行试桩，该工程一共试桩3根，有效桩长为56m、58m和62m，最大成孔深度为68m，桩身混凝土强度为C35，桩径为1000mm，严格按照钻孔灌注桩施工工艺流程进行试桩，钻孔灌注桩施工完成后按照规定进行静载、取芯和动测试验，试验结果均满足设计要求。根据试桩情况和类似项目桩基施工经验，确定该工程桩基施工方案：

（1）钻机选用GPS20 型钻孔设备，并配套反循环砂石泵；

（2）泥浆的主要材料为优质膨润土+CMC+Na2CO3，泥浆搅拌应均匀；

（3）采用正反循环结合的成孔方法，全风化泥质粉砂岩以上采用正循环成孔，全风化泥质粉砂岩及以下岩层均采用反循环成孔；

（4）泥浆中含砂率处理采用专用的泥浆净化装置；

（5）钢筋笼接头采用墩粗直螺纹套筒连接，增强钢筋连接强度；

（6）采用气举反循环的清孔工艺，加快清孔速度；

（7）桩身混凝土采用导管法进行灌注；

（8）在钢筋笼内侧预埋注浆管，管底加装多孔单向阀，桩基施工完成后采用高压注浆法来完成桩端后注浆作业。

3 深厚中砂层钻孔灌注桩施工技术

3.1 施工工艺

钻孔灌注桩施工工艺如图1所示。

图1 钻孔灌注桩施工工艺图

3.2 选用合理的钻机

结合类似桩基施工经验和试桩情况，该工程钻机型号选用GPS20，该钻机配备的钻头形状为三翼双腰箍，这种钻头的导向性能良好，能够有效地控制孔洞的垂直度[1]。钻机配套的反循环砂石泵的型号为6BS，钻头的直径为1020mm，该直径略大于设计桩径1000mm，能够有效地防止软土层出现缩颈质量缺陷[2]。由于地质中存在中砂层，该岩土层对钻具的磨损较大，因此，将钻头上常规翼片更换成优质合金刀齿。为了不影响工程施工进度，确保桩基成孔的连续性，在每台钻机预备1个钻头。

3.3 泥浆制备

由于地质中存在深厚中砂层，为了防止出现塌孔现象，制备的泥浆应具有较高的黏度，以便成孔过程中能够形成黏度较高的泥皮，从而保证孔壁的安全。泥浆制备为人工造浆，根据以往的泥浆制备经验，在膨润土掺入适量的Na2CO3和CMC（羧甲基纤维素）[3]，其中CMC的掺量为0.1%，Na2CO3的掺量为0.03%～0.05%，膨润土掺量为3.5%，并根据泥浆比重掺入适量的自来水。泥浆搅拌为机械搅拌，泥浆的黏度为26～30s，泥浆比重为1.15～1.4。按照循环池、沉淀池和新浆池等设置泥浆循环系统，由于桩基成孔深度较深，每台钻机配置的泥浆池容量应不小于110m3。

3.4 钻进成孔

埋设钢护筒后，复核桩位的轴线偏差，复核合格后开启泥浆循环系统，轻压慢转，待钻头全部进入杂填土后调整钻压与钻速，以正常值正循环钻进，钻进过程中应时常扫孔，防止出现缩颈现象。在黏土层钻进时，应将泥浆比重调整为1.3，泥浆的黏度为26s，确保孔壁稳定与安全。钻至中砂层时，调整泥浆比重为1.4，黏度为30s，将型号为ZX-250 的泥浆净化装置安装在出浆口处，分离出泥浆的中砂，使得泥浆的含砂率降低[4]。待钻至全风化泥质粉砂岩时，应以反循环钻进方式进行成孔。待钻头入土深度≥45m 时，控制钻进速度≤20cm/min，根据岩层性质调整钻压。成孔过程中应时刻关注孔内泥浆情况和钻杆的垂直度，如果钢护筒内的水头高度出现下降现象，应立即补充泥浆，以维持护筒内的水头压力[5]。钻杆垂直度偏差较大应及时进行纠偏，确保桩孔垂直度偏差≤0.5%。成孔至设计高程后，持力层性质和进入持力层深度经监理工程师确定后即可终孔，孔径、垂直度偏差及孔深等指标采用电子探孔仪进行量测，相关指标符合设计及施工规范要求即可进行清孔。

3.5 清孔

由于孔深较深，为了加快清孔速度，采用气举反循环清孔工艺，清孔之前应对风压值进行计算，送风压力计算如式（1）所示。

式中：ΔP——管道压力损失，取值为0.1MPa；

Rh——泥浆密度，取值为1.18g/cm3；

H——气液混合器布设深度，取值为0.6×孔深；

P——送风压力，单位为MPa。

以有效桩长62m，孔深68m 为例，将各个数值代入式（1），计算得到送风压力P=0.6×68×1.18/100+0.1=0.58MPa。

在气举反循环清孔过程中应严格控制风压值，确保孔壁的稳定性。该工程最后一次清孔后对孔底沉渣厚度进行量测，实测值为45mm，符合≤100mm的设计要求。

3.6 钢筋笼制作与安装

钻孔灌注桩的钢筋笼由主筋与螺旋箍筋组成，箍筋为直径8mm 的圆钢，主筋为直径16mm 螺纹钢筋，主筋数量为16根，加劲箍为直径14mm螺纹钢筋，间隔2m设置1 道加劲箍。为了防止钢筋笼在运输过程中出现变形，按照规定设置十字型支撑，支撑钢筋为直径16mm螺纹钢筋，十字型支撑间隔4m设置1道。主筋与箍筋之间连接采用点焊方式，主筋的接长采用墩粗直螺纹套筒连接，套筒紧固采用扭矩扳手[6]。在主筋上设置3个耳形定位环，使得钢筋笼保护层厚度满足50mm 的设计要求。注浆管预埋2根，材质为无缝钢管，直径为50mm，壁厚为3.5mm，注浆管底部距离孔底0.5m，顶部露出地面0.2m，两节注浆管接长采用套管进行焊接，注浆管与主筋应绑扎牢固。钢筋笼统一在钢筋制作厂进行加工，采用专用的板车运输到桩孔边，钢筋笼采用75T汽车吊进行分节安装，钢筋笼主筋接长应牢固可靠，钢筋笼下放完成后应及时复核轴线偏差与标高，复核无误后将吊筋挂设在工字钢上[7]。

3.7 水下混凝土灌注

导管规格为300mm×5mm（直径×壁厚），钢导管采用螺纹连接，导管应按照规定做密封性试验和抗拉拔试验，试验合格方可投入使用。导管底端与孔底的距离为0.5m，经过计算可知首灌的方量为4.7m3，因此，选用料斗的容量为5m3，隔水钢板拔起的同时应将第一车混凝土卸料到料斗内，确保将孔底沉渣冲起。水下混凝土的坍落度为180～220mm，混凝土灌注过程中要求导管埋入混凝土深度为2～6m，混凝土灌注应连续，根据混凝土面上升高程对导管进行拆除[8]。混凝土卸放到料斗时应注意不得漏出斗外进入桩孔内，这容易导致测绳量测时碰到凝结的水泥块而出现测探数据不准的情况。在等待混凝土过程中，应时不时地小幅插拔导管，防止管内混凝土凝结出现堵管现象。待混凝土浇筑数量接近理论数量时，由于泥皮不断顶出，使得孔内泥浆过于黏稠，根据实际情况将清水注入孔内，适当地稀释泥浆，减小导管内外的压力差。由于桩基的混凝土充盈系数较大，基本处于1.1～1.3的范畴，应根据混凝土实际灌注量来调度混凝土的供应。为了确保桩顶混凝土的质量，该工程设计要求超灌2m。

3.8 桩端后注浆

桩基施工完成后约8h即可采用高压水对注浆管进行开塞，压力为2MPa，约7d后开始桩端后注浆作业，注浆之前采用压力为3MPa的清水注入注浆管约1～2min来疏通注浆通道。注浆浆液采用纯水泥浆，水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥，设计单桩注浆量为4t，水灰比为0.55，注浆时间约为1～1.5h。注浆时采取双控标准，当注浆量达到4t时即可终止注浆，当注浆压力大于3MPa且持续注浆3min即可终止注浆。

3.9 效果验证

成桩28d后按照设计要求做单桩承载力和桩身完整性检测，检测结果均满足设计要求。实践表明，存在深厚中砂层的复杂地质情况下，采取上述一系列的钻孔灌注桩施工技术是可行，取得了良好的施工效果。

4 结束语

本文结合建瓯市中西医结合医院医养结合项目工程实例，剖析了桩基的施工难点，根据试桩结果确定钻孔灌注桩的施工方案，从各个施工环节详细地阐述了钻孔灌注桩施工技术，桩基的质量检测结果均合格。事实证明，该技术能够有效地解决深厚中砂层的塌孔、缩颈、漏浆及含砂率高等施工难题，确保桩基的施工质量。