沖孔樁灌注性能的分析與研究

武來生

(廣東巨正建設(shè)項(xiàng)目管理有限公司，廣東 珠海 519000)

1 工程概況

洪灣商貿(mào)物流中心工程項(xiàng)目，由5棟多層單位工程組成，框架結(jié)構(gòu)，總建筑面積約42 000 m2。工程樁設(shè)計(jì)為沖孔灌注樁，樁徑為D1000、D1200、D1400共3種，對應(yīng)單樁承載力特征值為6 300 kN、9 300 kN、12 800 kN，對應(yīng)樁徑的樁數(shù)量為127條、30條、5條，成樁深度約20～50 m不等，樁端持力層為中風(fēng)化巖層。

工程地質(zhì)情況自上而下分為[1]：1)人工填土層(Q4ml)：①雜填土，厚度4.50～8.70 m；2)海陸交互相沉積層(Q4mc)：②淤泥，厚3.00～21.50 m；③黏土，厚0.60～6.50 m；④細(xì)砂，厚1.10～4.00 m；3)第四系閃長巖殘積層：⑤黏性土，厚度2.10～8.30 m，含少量孤石；4)燕山期閃長巖層(δ52(2))：⑥全風(fēng)化閃長巖，厚1.30～12.70 m，含較多孤石；⑦強(qiáng)風(fēng)化閃長巖，含大量孤石；⑧中風(fēng)化閃長巖。

工程樁施工前按照“一樁一孔”的方式進(jìn)行了專門施工勘探(超前鉆)，用于探明樁位下巖(土)層分布情況、巖樣的強(qiáng)度、是否有溶洞、巖層破碎程度、巖層厚度等，以便確定工程樁的終孔深度。

2 充盈系數(shù)及砼灌注量情況

沖孔樁設(shè)計(jì)充盈系數(shù)為：1.15～1.25。對沖孔樁砼灌注量全數(shù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，沖孔樁充盈系數(shù)最小的為1.17，最大的為2.51。滿足設(shè)計(jì)充盈系數(shù)要求的樁數(shù)僅為5條，約占總樁數(shù)的3%；超出(大于)設(shè)計(jì)充盈系數(shù)的樁數(shù)為157條，約占總樁數(shù)的97%。其中，充盈系數(shù)大于1.5的樁數(shù)為111條，約占總樁數(shù)的69%；充盈系數(shù)在2.0以上的樁數(shù)為12條，約占總樁數(shù)的7%。上述統(tǒng)計(jì)情況說明該建筑場地的沖孔樁砼灌注性能比較復(fù)雜，砼實(shí)際灌注量嚴(yán)重超標(biāo)。統(tǒng)計(jì)162條沖孔樁砼灌注相關(guān)數(shù)據(jù)，選取代表性樁位的數(shù)據(jù)見表1。

3 樁孔砼灌注性能分析

根據(jù)上述沖孔樁實(shí)際灌注量(Vs)及相應(yīng)平均充盈系數(shù)(K)，并無法得出砼普遍超灌的真實(shí)原因，為此，跟蹤測量各地層段的砼灌注量，計(jì)算各地層斷面的充盈系數(shù)，選取具有代表性場地的沖孔樁各地層段的砼灌注量及充盈系數(shù)進(jìn)行分析研究(分析統(tǒng)計(jì)情況見表2)，從中發(fā)現(xiàn)樁孔砼灌注性能的基本特征為：

1)雜填土層砼灌注量較大，砼超灌情況嚴(yán)重，充盈系數(shù)大，極端情況充盈系數(shù)達(dá)Kn=4.59(如ZK4-63)。

2)淤泥層砼灌注量不穩(wěn)定，表現(xiàn)為淤泥層上部孔段砼灌注量一般較大，超灌情況顯著，但下部孔段超灌不明顯，整個(gè)淤泥層段充盈系數(shù)變化幅度較大(如ZK4-63，淤泥層上段Kn=6.79，下段Kn=1.06)。

3)黏土層為非完整地層，地層厚度變化大，處于淤泥層與風(fēng)化巖層之間，受淤泥層及風(fēng)化巖層的影響較大，砼灌注量規(guī)律性不明顯。從表2中有限數(shù)據(jù)可見：黏土層厚度較小且下部為全風(fēng)化巖層時(shí)砼的灌注量較大，黏土層厚度較大且下部為孤石或強(qiáng)風(fēng)化巖層時(shí)砼灌注量則較小(如ZK2-18、ZK5-121)。

4)砂層為非完整地層，厚度較小，處于淤泥層與風(fēng)化巖層之間，受上部淤泥與下部風(fēng)化巖層的影響較大，砼灌注特征不明顯。

5)孤石及風(fēng)化巖層砼灌注量較大，存在明顯的超灌現(xiàn)象，遇孤石與風(fēng)化巖層反復(fù)交替地層時(shí)砼超灌現(xiàn)象突出，充盈系數(shù)較大(如ZK5-144，Kn=1.93)。

表1 沖孔樁砼灌注情況統(tǒng)計(jì)表

注：1)設(shè)計(jì)平均灌注量V=0.5Hπ(1.15D2+1.25D2)/4；2)超灌量ΔV=Vs-V；3)超灌率(%)=ΔV/V；4)實(shí)際平均充盈系數(shù)K=Vs/(HπD2/4)。

表2 沖孔樁各地層段砼灌注性能分析統(tǒng)計(jì)表

表2(續(xù))

說明：1)設(shè)計(jì)分層平均灌注量Vh=0.5hπ(1.15D2+1.25D2)/4；2)分層超灌量ΔVn=Vn-Vh；3)分層充盈系數(shù)Kn=Vn/(hπD2/4)。

4 砼灌注曲線及特征

為進(jìn)一步分析樁孔砼灌注性能的基本特征及規(guī)律，選取ZK4-57(D=1 000，H=37.36)、ZK5-144(D=1 200，H=28.17)、ZK5-121(D=1 400，H=33.35)樁孔繪制其砼灌注曲線，如圖1～3所示。

分析樁孔砼灌注曲線可見如下特征：

1)砼實(shí)際灌注曲線遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了砼設(shè)計(jì)灌注線區(qū)域，說明該場地沖孔樁灌注性能不符合設(shè)計(jì)要求；

2)上部雜填土地層段的砼灌注曲線嚴(yán)重正偏移設(shè)計(jì)灌注線區(qū)域，反映出樁孔在該地層段擴(kuò)徑嚴(yán)重；

3)雜填土下部與淤泥地層交接處的砼灌注曲線突然轉(zhuǎn)折右遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)灌注線區(qū)域，表明地層在該處存在不穩(wěn)定現(xiàn)象(如圖1)，孔壁存在坍塌擴(kuò)徑問題；

4)淤泥地層段的砼灌注曲線有明顯的轉(zhuǎn)折特征(如圖1)，說明淤泥地層段沖孔樁孔壁不穩(wěn)定，存在坍塌擴(kuò)徑或縮徑現(xiàn)象；

5)中粗砂層、黏土層段的砼灌注曲線比較順直(如圖1和圖3)，表明樁孔在該地層段相對穩(wěn)定；

6)全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化地層段含有少量或大量孤石，其砼灌注曲線明顯正偏移設(shè)計(jì)灌注線區(qū)域，說明樁孔在上述地層段存在擴(kuò)徑現(xiàn)象，尤其在該地層段富含孤石時(shí)，擴(kuò)徑現(xiàn)象尤為突出(如圖1～3)。

從以上分析可知，本場地沖孔樁的砼灌注性能較差，樁孔隨地層變化表現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定特征，擴(kuò)徑、縮徑、塌孔等現(xiàn)象普遍存在，砼超灌現(xiàn)象突出。

5 地層特征對砼灌注性能的影響

綜合以上分析，不難看出不同地層的砼灌注性能存在著明顯的差異。根據(jù)超前鉆探報(bào)告[2]所揭示的地層情況，有必要進(jìn)一步探明地層特征對砼灌注性能的實(shí)質(zhì)性影響。

5.1 雜填土

褐黃色夾灰褐色，稍濕，稍經(jīng)壓實(shí)，主要由黏性土、砂及大量的風(fēng)化塊石等回填而成，含水泥石塊等雜物。上述特征表明雜填土層稍經(jīng)壓實(shí)并未完成固結(jié)，空隙率較高，加上富含大量塊石、水泥石塊等雜物，土層中極易出現(xiàn)較大空隙或石塊架橋現(xiàn)象。沖孔階段土層含有的大量塊石雜物容易造成孔壁異常粗糙及孔徑不規(guī)則，土層中的較大空隙及架橋空間在泥漿循環(huán)過程中被反復(fù)沖刷，容易造成孔壁局部顯著擴(kuò)大。這樣在砼灌注時(shí)，砼漿料在自重壓力作用下，沿土層較大空隙及架橋空間進(jìn)行自由填充，從而造成大量砼的流失，導(dǎo)致砼超灌現(xiàn)象嚴(yán)重，灌注樁充盈系數(shù)極高。另外，由于土質(zhì)組分的不均勻特性，灌注樁在填土層段表現(xiàn)出極為不規(guī)則的擴(kuò)徑現(xiàn)象(如圖4，ZK4-46樁開挖現(xiàn)狀所示)。

5.2 淤泥

灰黑、深灰色，飽和，軟塑—流塑，略具嗅味，含大量貝殼碎片及腐殖質(zhì)，夾有粉細(xì)砂。淤泥的上述特征表明該地層段的穩(wěn)定性極差，飽和的軟塑或流塑狀態(tài)體現(xiàn)在沖孔過程中隨著沖錘上下的反復(fù)沖擊及抽吸作用極易導(dǎo)致孔壁的失穩(wěn)變形、縮徑或坍塌。雖然高比重高質(zhì)量濃度的泥漿對淤泥層地段孔壁的失穩(wěn)具有抑制作用，但沖孔施工中強(qiáng)大沖擊荷載的存在，無疑對孔壁的穩(wěn)定帶來了極大的不確定性。這樣，淤泥層段孔壁的坍塌擴(kuò)徑或變形縮徑就很難避免，尤其在孔段出現(xiàn)縮徑時(shí)，工程樁將面臨廢樁的高風(fēng)險(xiǎn)(如ZK2-18、ZK4-63淤泥層下部)，這樣，砼灌注時(shí)出現(xiàn)超灌或節(jié)約，反映在灌注樁的充盈系數(shù)上就出現(xiàn)了較大的變化幅度及偏差。

圖1 砼灌注曲線圖(ZK4-57(D=1 000，H=37.36))

圖2 砼灌注曲線圖(ZK5-144(D=1 200，H=28.17))

圖3 砼灌注曲線圖(ZK5-121(D=1 400，H=33.35))

需要指出的是在個(gè)別樁孔中，填土層與淤泥層交接處，由于上部雜填土的欠固結(jié)、高空隙以及下部淤泥層的穩(wěn)定性極差，沖孔施工中極可能在這些交接位置產(chǎn)生孔壁瞬間的失穩(wěn)及坍塌現(xiàn)象，從而導(dǎo)致該孔段砼灌注量嚴(yán)重超標(biāo)，灌注樁充盈系數(shù)極高(如ZK4-57、ZK4-63)。

5.3 中粗砂

灰褐色夾黃白色，濕，松散，分選性好，顆粒級(jí)配較差，含石英塊。上述巖土特征表明中粗砂巖土層組分比較均勻，雖然松散級(jí)配較差，但在泥漿護(hù)壁作用下可有效保障孔壁的穩(wěn)定，表現(xiàn)出砼灌注性能的基本穩(wěn)定及砼灌注量趨于合理，灌注樁的充盈系數(shù)接近或符合設(shè)計(jì)要求。

5.4 黏土

褐黃色帶灰白色，可塑狀，濕，刀切面粗糙，含少量石英砂礫。黏土層的特征表明該地層段巖土組分基本一致，狀態(tài)比較穩(wěn)固，在泥漿護(hù)壁作用下可保證孔壁基本穩(wěn)定，在砼灌注時(shí)砼用量可得到基本控制。砼灌注曲線趨向設(shè)計(jì)灌注線區(qū)域，灌注樁充盈系數(shù)接近或符合設(shè)計(jì)要求。

5.5 全風(fēng)化花崗巖

褐黃、灰白色，原巖礦物除石英外已完全風(fēng)化成土狀，但原巖結(jié)構(gòu)尚可分辨，巖芯呈堅(jiān)硬土柱狀。巖土特征表明該巖層已趨同為致密堅(jiān)固的土層狀態(tài)，沖孔中在泥漿護(hù)壁作用下孔壁形狀穩(wěn)固可控。砼灌注性能基本穩(wěn)定，灌注曲線及充盈系數(shù)接近或滿足設(shè)計(jì)要求。

5.6 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖

褐黃、灰白色，原巖礦物大部分已風(fēng)化呈土狀，含少量碎巖塊，結(jié)構(gòu)疏松，巖芯呈半巖半土狀。巖土特征表明該巖層為疏松的碎巖塊和半巖半土的復(fù)合體，在沖錘的反復(fù)沖擊作用下，由于碎巖塊的存在，孔壁容易出現(xiàn)局部的擴(kuò)孔，在泥漿護(hù)壁作用下孔壁基本穩(wěn)固。砼灌注性能受碎巖塊大小及含量的影響較大，如果碎巖塊個(gè)體較大含量又高，沖孔時(shí)極易造成孔壁局部顯著擴(kuò)大，砼灌注量就會(huì)嚴(yán)重超標(biāo)；如果碎巖塊個(gè)體較小含量也較低，沖孔時(shí)對孔壁的影響就比較小，從而對砼灌注量的影響也比較小?？梢娫搸r層的砼灌注量存在較大的不確定性，表現(xiàn)在砼灌注曲線上就容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化的現(xiàn)象，這樣，灌注樁充盈系數(shù)存在較大的變化幅度，一般情況下充盈系數(shù)均超出設(shè)計(jì)要求。

5.7 孤石

褐綠、灰白色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，巖芯呈短柱狀、長柱狀，為中風(fēng)化花崗巖。孤石在工程地質(zhì)中被判定為不理想巖土，不可作為持力層利用。孤石極易出現(xiàn)在風(fēng)化的巖土層中，由于孤石的大小、形狀、風(fēng)化程度等均不易確定，因此，孤石的存在給沖孔作業(yè)造成極大的障礙和困難。當(dāng)風(fēng)化巖層中出現(xiàn)大量孤石時(shí)，沖孔作業(yè)變得異常困難，需要采取低錘高頻反復(fù)沖擊巖層的施工工藝，同時(shí)為防止偏孔出現(xiàn)，需要向孔中填投厚約300～500 mm、粒徑為150～300 mm的塊石以保障沖擊面的平整及受力均勻，從而確保穿透孤石地層。采用上述方法沖穿孤石地層個(gè)別樁孔累計(jì)用時(shí)長達(dá)20 d(如：ZK2-13，沖孔作業(yè)期為2017年4月7日—4月26日)。

由此可見，當(dāng)風(fēng)化巖層中含有孤石時(shí)，將導(dǎo)致孔段的反復(fù)沖擊，在填投了大量碎塊石料的反復(fù)擠壓和研磨作用下勢必造成不斷擴(kuò)孔的問題。表現(xiàn)在砼灌注性能上就出現(xiàn)了明顯的超灌現(xiàn)象及充盈系數(shù)的顯著增大(如：ZK2-13、ZK2-18、ZK4-57、ZK4-63、ZK5-121、ZK5-144等)。

5.8 中風(fēng)化花崗巖

褐綠、灰白色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，巖芯多呈短柱狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，屬較硬巖石，巖體較完整，基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)。該巖層致密堅(jiān)固，為設(shè)計(jì)持力層，沖孔作業(yè)容易控制，孔壁穩(wěn)固，砼灌注性能穩(wěn)定理想。

5.9 微風(fēng)化花崗巖

灰白色，塊狀構(gòu)造，中粗?；◢弾r結(jié)構(gòu)，巖芯主要呈柱狀，主要礦物組分為長石、石英及云母，節(jié)理裂隙稍發(fā)育。該巖層致密堅(jiān)固，為設(shè)計(jì)持力層(無清晰可辨的中風(fēng)化巖層或中風(fēng)化巖層缺失時(shí))，沖孔作業(yè)容易控制，孔壁堅(jiān)固，砼灌注性能穩(wěn)定理想。

6 結(jié)論

沖孔樁的砼灌注性能一般包括：砼可灌可控性、砼灌注量、砼充盈系數(shù)等方面。良好的砼灌注性能體現(xiàn)在砼灌注時(shí)可順利灌注、砼用量可控、砼灌注曲線通順(沒有明顯、無規(guī)律的轉(zhuǎn)折)、砼灌注曲線與設(shè)計(jì)灌注線接近或趨同以及充盈系數(shù)基本滿足設(shè)計(jì)要求，灌注樁質(zhì)量有保證。相反，較差的砼灌注性能將導(dǎo)致砼灌注不順暢、砼灌注量難以控制、砼灌注量存在局部突然變大或瞬間變小的異常情況，極端情況下出現(xiàn)砼灌注量失控現(xiàn)象，灌注樁質(zhì)量難以保證。

6.1 沖孔灌注樁適用的地層

沖孔灌注樁適用于填土層、黏土層、淤泥、砂層、碎(礫、卵)石層、風(fēng)化巖層(含孤石風(fēng)化巖層)、巖層等較為廣泛的地層，對一些特殊地層如塊石填土層、含孤石風(fēng)化巖層也較為適用。工程實(shí)踐表明，當(dāng)遇深厚松散雜填土層、碎石塊填土層或超厚淤泥地層或富含孤石的風(fēng)化巖層時(shí)，從沖孔樁的孔壁穩(wěn)定性及成樁質(zhì)量方面考慮，應(yīng)謹(jǐn)慎選用。

6.2 成孔與灌注性能的風(fēng)險(xiǎn)

沖孔灌注樁施工過程的核心工藝包括兩部分：一是成孔工藝，二是成樁工藝。其中成孔質(zhì)量直接制約著砼灌注性能及成樁效果的優(yōu)劣。成孔是現(xiàn)場原位施工成孔，各施工環(huán)節(jié)各工序全部為現(xiàn)場操作，諸如泥漿制備、護(hù)筒埋設(shè)、沖孔、泥漿循環(huán)排渣、泥漿循環(huán)護(hù)壁、樁徑控制、成孔深度控制、入巖深度控制、洗孔等等，所有這些都要求現(xiàn)場施工不能出現(xiàn)較大偏差。如果由于地層巖土復(fù)雜原因?qū)е驴妆跀U(kuò)徑、縮徑或坍塌，成孔質(zhì)量難以保證，均可造成砼不易順利灌注或者砼灌注量異常，使得砼灌注曲線嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)灌注線區(qū)域，甚至導(dǎo)致廢樁的危險(xiǎn)。可見，沖孔灌注樁的成孔質(zhì)量與砼的灌注性能存在一致性的高風(fēng)險(xiǎn)。

6.3 沖孔灌注樁的經(jīng)濟(jì)效果

就本工程場地而言，較差的砼灌注性能造成了沖孔樁砼嚴(yán)重超灌，工程樁成本顯著提高。同時(shí)因地層巖土復(fù)雜原因?qū)е驴妆跀U(kuò)徑、縮徑、坍塌及隱藏著廢樁等高風(fēng)險(xiǎn)隱患，加上沖孔灌注樁的樁基檢測內(nèi)容較多、砼齡期制約帶來的樁基礎(chǔ)工期較長等等。綜合而言，沖孔灌注樁的經(jīng)濟(jì)效果較差。

7 結(jié)語

沖孔灌注樁適用的地層范圍較廣，是一種成熟的樁基礎(chǔ)工藝。設(shè)計(jì)選用時(shí)應(yīng)充分考慮建筑場地的地層特征及現(xiàn)場條件，深入研判砼灌注性能所面臨的各種風(fēng)險(xiǎn)，綜合考慮適宜的樁基礎(chǔ)工藝、樁基礎(chǔ)成本、樁基礎(chǔ)工期等多種因素影響。從上述意義講，雖然本工程采用的沖孔灌注樁綜合效果較差，但這為設(shè)計(jì)優(yōu)選樁基施工工藝及沖孔樁的合理運(yùn)用提供了新的較為全面的認(rèn)知與參考。