鉆孔灌注樁的施工及監(jiān)理

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一、引言   
    近幾年，隨著大批高層建筑及高等級公路的建設，作為基礎承力普遍采用的一種形式——鉆孔灌注樁，在現(xiàn)階段的施工中得到了廣泛應用。但在施工過程中因工藝落后、地下施工，情況不明確等原因仍存在較多問題，本文著重從工程實踐及監(jiān)理的角度，對鉆孔灌注樁的主要問題進行探討。
    二、施工監(jiān)理與工程管理
    按照國家現(xiàn)行有關規(guī)范施工并不存在什么困難，然而施工質量卻常常達不到要求，如施工單位在施工中能對最薄弱的環(huán)節(jié)予以關注，予以加強，就能收到事半功倍的效果。下面對鉆孔灌注樁施工中影響承載力及的施工監(jiān)理的要點作一剖析。
    （一）施工監(jiān)理要點
    1、孔的垂直度
    鉆孔灌注樁的垂直度是保證承載能力的重要一環(huán)，目前絕大多數(shù)的施工現(xiàn)場不檢查垂直度，有的單位沒有檢查設備或根本不知道如何檢測，有的單位則因測孔斜費時費力不愿多此一舉。斜率超標，樁的受力狀態(tài)被改變，樁頭偏位，影響上部結構質量，嚴重影響鋼筋籠的安置；在砂土類地層中孔壁極易塌孔，沉渣不宜清除。     為避免鉆孔傾斜，在鉆機就位和鉆孔過程中，要隨時注意校核鉆桿的垂直度，發(fā)現(xiàn)傾斜及時糾正。對于地基不均勻、土層呈斜狀分布和土層中夾有大的孤石或其它硬物的情形，施工前必須作好準備。在不均勻地層中鉆孔時，鉆機自重大、鉆桿剛度大較為有利。進入不均勻硬層、斜狀巖層和碰到孤石時，鉆速要打慢檔。處理大孤石和堅硬巖石，采用自重大的復合式牙輪鉆或換用沖擊鉆都是有效的方法。  導正裝置經(jīng)工程實踐表明，也是防止孔斜的簡單有效的方法。終孔后再發(fā)現(xiàn)孔斜糾正起來費時費力，且修孔常使樁的充盈系數(shù)增大，最大達1.6以上。
    2、孔深
    在惡性工程事故的樁基工程中，孔深不到位的例子很多，對于孔深的量測應是監(jiān)理工作的重點，實際操作中應注意的問題有：
    （1）測量有誤達不到設計深度。一般施工隊常用的測繩一經(jīng)水泡就會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，有的收縮量可達 lcm／lm左右，測50m的孔就會產(chǎn)生0.5m左右的誤差。更大的測量誤差是由于測繩易斷引起的，斷了以后不知道的人仍以斷處為起點繼續(xù)使用，往往可差數(shù)米。采用細鋼絲測繩要當心數(shù)標松動錯位。徹底避免誤測的辦法是在施工現(xiàn)場或附近地面上設置長度標記作為準繩，每次終孔一定把測繩拿去核實。
    （2）鉆孔入巖深度達不到設計要求，更多的是由于地層分布不均勻，如巖層分布成傾斜狀或起伏變化劇烈導致判斷失誤。因此入巖深度的控制應引起設計、施工和質檢部門的共同重視。入巖深度的控制因鉆孔工藝不同而有所區(qū)別。反循環(huán)工藝和沖擊鉆成孔的樁，可采用巖樣鑒別法。此外，還需注意每個樁的入巖和終孔的巖樣最好留樣備案，直至工程使用正常，沉降穩(wěn)定。正循環(huán)工藝成孔的樁由于取不到完整巖樣確定嵌巖深度很困難。較可靠的辦法是認真分析鉆探資料，根據(jù)各鉆孔土層分布情況綜合評判場地地質概況，然后做出巖層分布的等高線圖，按等高線圖確定成孔深度。因本法有一定的隨機性，應適當加大安全系數(shù)，有時尚需適當補充鉆探孔，在某些缺少鉆孔的控制區(qū)域，也可用鉆機換取芯鉆頭直接取巖芯判定。正循環(huán)工藝采用的方法難度大。
    3、孔徑
    在湖、塘、溝、谷與河漫灘地段新近沉積的粘性土和粉士中鉆孔容易出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象。尤其要重視液性指數(shù) IL＞0.75呈軟塑狀態(tài)和流塑狀態(tài)的粘性土而在 IL＞1.0 呈流塑狀態(tài)的淤泥質軟土層成孔縮孔現(xiàn)象更不可避免。與孔徑有關的質量問題有：
    （1）由于孔徑小于規(guī)范要求，樁的截面縮小，承載能力降低，實際上降低了樁的安全系數(shù)。
    （2）軟弱土層一般都在地層上部，縮頸現(xiàn)象也發(fā)生在此段，而樁的內(nèi)力也是上段大，容易造成樁身抗壓強度不夠而破壞。
    （3）由于孔徑達不到要求，導致鋼筋籠無保護層，樁的抗壓彎能力削弱或喪失。防治的主要措施是加強對孔徑的檢測與控制，提高泥漿質量，增大泥漿比重和粘性及稠度。鉆頭直徑應適當加大，也可采用處理孔斜的導正器法，在導正器上焊一定數(shù)量的合金刀片，在鉆進或起鉆的過程中起掃孔作用。此外在易于產(chǎn)生縮孔的土層中施工，減少空孔時間也是非常重要和有效的措施。
    4、泥漿
    在鉆孔灌注樁的施工中，無論對于成孔質量還是最終對樁的承載能力的發(fā)揮，泥漿質量都是相當重要的因素。目前樁基施工隊伍絕大多數(shù)缺乏對泥漿質量和泥漿管理的重視，泥漿質量差，其后果是：
    （1）形成不了護壁泥膜或形成的泥皮粘附力差，易于脫落，導致孔壁穩(wěn)定性差，在砂性土地層易于塌壁，在流塑狀粘土層則易于縮孔。
    （2）泥漿稠度大、比重大，含砂率高，形成的泥皮質量差、厚度大，大大降低樁的側摩阻力。
    （3）稠漿在鋼筋籠鋼筋上沉積粘附，導數(shù)鋼筋與砼握裹力降低。泥漿比重過大，使得砼水下灌注阻力增大，降低砼的流動半徑，使砼骨料大部分堆積在樁芯部位，而鋼筋籠外幾乎無骨料，不僅樁身質量不好而且樁的側摩阻力也難以發(fā)揮。有的工程計算承載力為14000kN以上，而靜載試驗不到5000kN就破壞，其中就有泥漿的影響。在空氣中坍落度為21cm、擴散直徑為38cm的砼，在水中坍落度下降為16.5cm、擴散直徑為30.5cm，而在比重為1.2的泥漿中，坍落度則為14cm，擴散直徑只有27cm。因此，對泥漿質量的管理決不是個小問題，監(jiān)理一定要嚴格要求施工單位按規(guī)范要求嚴格控制。
    5、沉渣與沉淤
    一般把沉渣與沉淤混為一談，凡是孔底的沉積物統(tǒng)稱沉渣，實際上是有區(qū)別的。沉渣是鉆孔過程中鉆機切削和孔壁塌落的巖士，主要是砂、礫石和碎巖硝等，而沉淤則是比重大、稠度大的劣質泥漿由于空孔時間過長沉淀而成的流塑狀混合物，沉淤的厚度往往大于沉渣，沉渣與沉淤均在樁底形成軟弱隔層，能導致端承力喪失殆盡。沉淤的控制主要是提高泥漿質量和減少空孔時間。沉渣的清除采用反循環(huán)成孔工藝能達到較好的效果速度能達到2~3m／s．是正循環(huán)的40倍以上，故攜渣能力強。為此，可采用正循環(huán)成孔，氣舉反循環(huán)清孔的工藝。此法現(xiàn)場只需增加一臺6m3的空壓機即可，費用不大，簡便易行，效果良好。采用該法，關鍵是控制好孔內(nèi)泥漿面的落降，落降快、落差大則易塌孔，因此補漿要跟上，而且抽渣時間要短。實踐證明，應用得當，樁的承載力能大幅度提高。
    無論采用反循環(huán)還是正循環(huán)成孔工藝，都應重視砼灌注前的清孔。灌注前抽吸二分鐘左右，一方面抽出一定的沉渣，另一方面泥漿的抽吸作用導致一部分沉渣、沉淤上浮，而且短時間內(nèi)不會沉淀。  此時灌注砼，砼墜落的巨大沖擊力還能濺除最后殘余的部分沉渣與沉淤，可基本上將孔底沉渣清除干凈。
    6、砼灌注
    砼灌注是最后一道也是最關鍵的一道工序。首先必須嚴格按設計強度配制砼。許多施工單位都是現(xiàn)場攪拌砼，其常見問題是：1)砂石的含泥量偏大；2)配料的計量不準確；3)水泥保管不善受潮。
    水下砼灌注由于阻力大不易流暢灌入，于是施工單位常隨意加大水灰比，增大塌落度便于砼灌注，結果砼的強度等級嚴重降低。質檢和設計人員應加強現(xiàn)場質量監(jiān)理，決不能輕易相信試塊的試驗結果。
    在保證砼質量合格的前提下，導管法水下灌注砼質量難以控制的主要原因是：1)不能象上部結構施工那樣逐層振搗；2)由于導管埋在泥漿和砼中，砼的灌入阻力是相當大的， 灌入阻力可按下式估算：
    R=π(D2—d2)(l1rw+l2rh)/4  (l)式中， D為樁直徑；d為導管直徑； rww為泥漿重度；rh為砼重度； 
    要克服很大的灌入阻力保證砼樁身質量，必須有相當大的沖擊力，沖擊力越大，完成每一斗砼灌注的時間越短，砼樁身越均勻。由于砼是由水泥、砂、石子配制的混合料，不同材料、不同粒徑則摩擦系數(shù)不一樣，因此僅靠靜力平衡產(chǎn)生的超壓力緩慢流淌，則易造成砼粗骨料在樁芯堆積，隨半徑增大而遞減。樁身不勻，則影響樁的抗壓強度。
    目前最常見的水下砼灌注法的缺點是：
    （1） 在向大斗投料過程中，砼的絕大多數(shù)勢能在撞擊大斗壁的碰撞中損耗掉，砼料落人導管中不連續(xù)，形不成較大的沖擊能量，使砼沒有足夠的力量向四周擠壓、擴散，樁的摩阻力嚴重降低。此外，還容易使樁身不均勻。
    （2） 砼料絕大多數(shù)要經(jīng)過反彈再落入導管，容易造成砼離析和堵管。
    （3） 吊臂上下移動速度慢，產(chǎn)生不了大的加速度，因此砼料的下落沒有足夠的超壓，造成砼料在導管附近堆積成鐘形斷面。  由于不能將隔漿層水平頂升，在鐘形斷面塌落時容易裹入泥漿，造成夾泥芯。
    （4）由于導管上下移動次數(shù)過于頻繁，使得泥漿不斷沿導管壁滲入砼中，影響樁身砼質量。
    鑒于以上缺點，監(jiān)理應倡導施工單位使用大體積砼沖擊灌注法，如樁的初斗砼灌注一樣，每一斗灌注都是將2至3方砼在大斗中積蓄夠量，出料口直接插入導管，然后打開活門一次連續(xù)沖擊下去，其優(yōu)點是：
    （1）功能大，沖擊力強。物體的沖擊能量與質量和速度有關，在速度相同的情況下就取決于質量。根據(jù)動量原理可得自由落體的平均沖力公式如—下：
    F=mg[(2h/gt2)0.5+1]  (2)式中， m為落體質量；t為作用時間；h為落體高度；g為重力加速度。
    假設大斗方量為2.5m3；，砼容重為22KN／m3    則m約為5.5t，假設h=30m， t=1.0s，由式(2)求得F=1872.679kN。  平均沖力是砼自重的34倍，與前面根據(jù)式(l)計算的砼灌入阻力相比大6倍。  實際瞬時沖力的峰值比平均沖力高達一倍以上。在巨大沖力的作用下，砼的向上頂升力和側向擠壓力就有了保證，樁的摩阻力和樁身砼密實性都得以提高。
    （2）首斗砼灌注沖力大，沉渣、沉淤被濺開，樁端與持力層能較好地結合，確保了端承力的發(fā)揮。
    （3）灌注時間短，樁身段骨料分布均勻，樁身段強度能得到保證。但用大體積砼沖擊灌入法應注意以下幾個問題：
    1）必須注意排氣技術，防止形成氣堵，使砼料灌不下去。大斗出料口與導管不可用螺扣聯(lián)接成一體，會形成氣堵。應改為插入式聯(lián)接方式，大斗出料口外徑比導管內(nèi)徑小2至3cm。另外，還要在出料管活門的下方焊上比導管外徑大2~3cm的法蘭盤。
    2）砼料最好通過網(wǎng)篩(網(wǎng)眼8~10cm左右)進入料斗，防止夾雜大直徑塊石、水泥塊等造成卡管。
    3）砼和易性要好，如砼離析，則容易在料斗下部和出料口處形成堆積，導致出料困難，同時也容易堵塞導管。
    4）砼灌注時，吊車司機的配合也至關重要。當打開活門砼料下落時，必須隨砼料的下落不斷向上提動導管，提動量要小，注意掌握時機。實踐證明，有經(jīng)驗的吊車司機對縮短砼的灌注時間，防止卡管、堵管事故，起相當大的作用。
    5）當砼灌注到樁頂部位時，為了保持足夠的沖力，必須注意導管要留有一定的長度，一般為10m左右，灌注時及時上撥，保證高度產(chǎn)生沖力，使樁頭部分的砼質量不至降低。此外，不可忽視大斗和導管的保養(yǎng)，內(nèi)壁光滑可大大減小摩擦阻力，同時也減少堵管的發(fā)生率。
    當施工單位機械化程度低時，現(xiàn)場攪拌砼可采用臥式大斗，在地面裝滿料，再用吊車吊起與導管連接進行灌注。在保證上述砼材料質量合格的前提下，如每一斗砼灌注下去孔口返漿激如泉涌，則灌注質量一定好，如孔口返漿弱如滲流，甚至反復升降導管不見泥漿返流，則灌注質量必定欠佳。
    （二）工程管理
　　鉆孔灌注樁質量控制按地面作業(yè)和隱蔽作業(yè)兩部分劃分。 隱蔽作業(yè)的質量控制關鍵是檢測的準確性和檢測與施工作業(yè)配合的適時性?？删幹朴沙蓸哆^程的不同時段表示的動態(tài)控制表，無論對進度還是質量的動態(tài)控制都十分有效。
    必須指出的是：在市場經(jīng)濟的沖擊下，施工中各種弄虛作假、偷工減料現(xiàn)象造成工程隱患時有發(fā)生，這應引起監(jiān)理的高度重視。
    三、技術問題
    （一）嵌巖深度
    1、巖石力學性狀
    在確定嵌巖深度之前，應對巖石的力學性狀有所了解，尤其是抗壓強度。微風化軟質巖如粘土巖，其飽和單軸極限抗壓強度一般在10~12MPa之間， 當于 C15~C20砼。硬質巖如微風化砂巖，其飽和單軸極限抗壓強度一般在50~60Mpa之間。高于C60砼。這是根據(jù)鉆探取芯試驗的結果得來的，實際上未擾動巖層的抗壓強度比這還要高。事實上，當嵌巖深度設計的很深時，把強度高于或相當于砼強度的巖層鉆空，然后灌入砼顯然是不值得的。
    工程中還常把強風化巖層視為軟弱下臥層，即使在強風化上有很厚的卵石層也不敢將樁端置于其上；此外，不論強風化層有多厚也非得鉆穿，直到中微風化為止。實際上強風化巖層本身就是低壓縮堅硬層，其承載力q能達1000~1500kPa，側摩阻力qs能達40~ 50kPa，不亞于較硬的卵石層.只要樁的施工水平達到要求，其承載力相當可觀，我個人意見設計時應具體情況具體分析。  
    2、施工工藝水平
    加大樁的嵌巖深度，主要目的是增加側摩阻力。要使入巖段樁的側摩阻力能充分發(fā)揮，必須使砼與巖石孔壁很密實地結合為一體，這就需要清除泥皮，目前國內(nèi)施工水平還解決不了這個問題（日本在導管端部外周圍安裝一環(huán)狀管，可噴射高壓水，噴射力能達2000N／cm2以上，在比重1.2左右的泥漿中，射程達1.5m以上，此法可用來清渣、清淤和清洗孔壁），因此片面強調(diào)增加嵌巖深度有時效果適得其反。
    3、上覆土層力學性狀
    上覆土層能提供的側摩阻力qs越大，樁尾段承載力發(fā)揮的比例就越小，增加入巖深度也就更無意義?？傊?，增加嵌巖深度并不能保證承載力提高，有時適得其反。樁的承載力與成樁用時關系極大，空孔時間長，孔壁浸泡時間就長，不但泥皮增厚，孔壁一定范圍的土質也會泡得松軟，無疑降低了摩阻力，使質量事故的發(fā)生率提高。
    隨嵌巖深度的增加，樁的造價也增加。粗略統(tǒng)計表明，入巖深度占樁長比例增加10%，每米樁長平均造價約增40%。
    （二）極限承載力
    確定樁的極限承載力主要是依據(jù)規(guī)范GBJ7~89和 JGJ94~94，由于這個問題至今還未圓滿解決，所以在規(guī)范中都未作嚴格的規(guī)定。在實際工程中，對于 Q-s曲線在s≤40mm時即出現(xiàn)陡降的情況，以上兩規(guī)范結果一致；而對于s＞40mm的緩變形曲線，則因設計人員對規(guī)范的不同理解，有的取s=40mm，有的取s=60mm，所對應的荷載作為極限承載力，這20mm之差，其經(jīng)濟效益可達數(shù)百萬元的差距。如某高層建筑，設計樁數(shù)600多根，φ1000mm，60多 m長嵌巖樁，單樁造價5萬元左右。　　當s=40mm時， Q：13500kN；當 s=60mm時， Q=16250kN。這是根據(jù)五組試樁結果的較保守取值，如取 Q=16250kN作極限荷載，可減少100多根樁，節(jié)省造價500多萬元，工期也可縮短幾個月。
    按規(guī)范無論取s=40mm還是s=60mm，都是很籠統(tǒng)的，不分長樁、短樁，不分預制樁還是現(xiàn)場灌注樁，不分摩擦樁還是摩擦端承樁，也不考慮施工工藝、地基土層和荷載量級，這反映了至今對樁的承載力的研究還不夠深入，應盡早研究和解決這個問題。
    按目前的取值標準，對承載力量級大的大直徑中長樁偏于保守且不夠經(jīng)濟。  如對 φ1000mm，長55m的樁。當 Q=15000kN時，砼樁身的彈性壓縮就達20mm以上；如按s=40mm或s=60mm取值則樁土之間的相對位移就更加微小，樁的承載力尤其是樁下部和端部的承載力就得不到充分發(fā)揮，結果是安全系數(shù)增大，經(jīng)濟效益降低。在確定樁的極限承載力時，大直徑中長樁Q-s曲線常常是緩變形，這時的取值以變形控制為主。
    四、結語
    綜上所述，為了不斷提高建設工程鉆孔灌注樁的質量，監(jiān)理單位應從以下幾個方面進行嚴格控制并不斷進行研究、改進和提高：
    （1）對施工單位鉆孔設備鉆頭的切削性能、泥漿的處理設備等與施工效率和質量有關的機具、儀器等都應進行檢查。
    （2）不同的施工方法其效率和質量有很大差異，監(jiān)理應從施工方法著手進行預先控制。 
    （3）認真研究質量檢測設備的準確性和可靠性，如大小應變動測的適用范圍等。檢測結果不準確易引起糾紛，處理不當會降低安全度，留下工程隱患。
    （4）提高和完善管理水平，應以工序控制和事前控制為主，建立系統(tǒng)化的動態(tài)管理制度和方法。
    （5）樁的施工過程中既要做到嚴格監(jiān)理、關鍵工序進行旁站，又要熱情服務，把質量隱患消除在萌芽中。