浅析不同地质条件下灌注桩成孔技术

1、前言 
随着我国交通基础设施建设的快速发展，灌注桩作为一种基础形式，以其适应性强、成本适中、施工简便等特点仍将被广泛地应用于公路桥梁及其他工程领域。灌注桩是采用不同的成孔方式在地层中按要求形成一定形状的井孔，达到设计标高后，将钢筋骨架吊入井孔中，再灌注混凝土，成为桩基础的一种工艺。按其成孔方式不同分为人工挖孔和机械成孔，在成孔结束后，放入钢筋笼和灌注（水下）混凝土；对于其最终的两道工序，不管采用哪种方式成孔，都是大同小异；但对成孔这一工序来说，选择不同的施工工艺，差异就极大。因此认真研究不同地质条件下灌注桩成孔工艺，是提高工程项目和经济效益的最有效办法。为了保质、高效、经济完成任务，本文根据该标段不同的地质条件,施工现场特点，采取何种成孔形式进行了分析与研究，以期起到抛砖引玉之效。
2、工程概况及地质钻探分析
xx高速公路xx至xxS5，全长10.6Km。其中桩基础大、中、小桥梁共18座，灌注桩共818根，设计桩径1.2~1.8m，设计桩长范围为20m~56m。该标段位于太行山新华夏隆起和河北平原新华夏沉降带的交接过渡地带，构造状态比较复杂，均为第四系河流冲、洪积区，根据本标段地质报告分析共分为三个工程地质区，其中I区以亚粘土层为主，状态由软塑到硬塑状态，土质均匀，切面光滑，在钻探深度范围内未见地下水；Ⅱ区以砂卵石为主，表层分布亚砂土及中砂层，下层分布卵石土，成份以灰岩为主，次圆状，砂砾土充填。Ⅲ区以表层分布有黄土质砂性土、亚粘土、下层分布碎石土、持力层分布弱风化白云质灰岩。
3、土的工程分类
根据JTJ024—85《公路桥涵地基与基础设计规范》土层按颗粒级配或塑性指数划分为碎石土、砂土、粘性土；
碎石土：粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土。再根据颗粒级配及形状分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾。
砂土：粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土；且塑性指数Ip不大于1的土。再根据颗粒级配分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。
粘性土：塑性指数Ip大于1的土。
4、不同成孔方式的选择
4.1不同成孔方式施工特点及适用范围
灌注桩按照成孔方式不同分为人工挖孔桩与机械成孔灌注桩。其中目前我们在工程施工中常用的机械成孔主要有螺旋钻、正反循环回转钻、冲击钻、冲抓钻、旋挖钻等类型。
4.1.1、人工挖孔成孔施工特点；该成孔无需钻孔设备，使用人工和一般挖掘、起重工具，井壁采用各种支撑防护，但是不适用于地下水的土层，施工成本较便宜。深度宜小于30m，否则效率低，危险性大；一般深度不大于10m，桩径不小于0.8m；深度不大于20m，桩径不小于1.2m；深度大于20m，桩径至少要1.5m以上。
4.1.2、螺旋钻成孔施工。该设备简单，易于搬迁，施工方便，钻孔速度快，成孔造价较低，干作业，无泥浆污染，适合于城市人口密集和西北、内蒙等干旱地区。它虽然对工效、质量、成本都有优势，但对地质条件有一定局限性。其适用范围为：地下水位较低的粘性土、砂类土、含少量的砂砾石、卵石（含量少于30%，粒径小于10cm的土），但对于地下水位较高的淤泥质粘土层、粉土、砂质土层是不适用。按照螺旋体的长短分为长螺旋钻和短螺旋钻，长螺旋孔径40~80cm，短螺旋孔径150~300，深度30m左右。
4.1.3、正反循环回转钻成孔施工特点：
正循环回转钻成孔。其适用范围：粘性土、粉砂、细、中、粗砂，含少量砾石、卵石（含量少于20%）的土、软岩。泥浆起悬浮钻渣和护壁作用，由于钻进与排渣同时连续进行，成孔速度较快，钻孔深度较大，但是由于泥浆较稠，孔壁泥浆护壁厚度达5~7cm，大大降低了桩周摩擦力，因此发展趋势比较缓慢。
反循环回转钻成孔。其适用范围：粘性土、粉类土、含少量砾石、卵石（含量少于20%，粒径小于钻杆内径2/3）的土。孔径80~300cm，用真空泵，孔深达35m，用空气吸泥机孔深可达65m，用气举式孔深可达120m，泥浆起护壁作用，在孔壁十分稳定的土层中甚至可以用清水，因此孔壁保护膜较薄，不减弱桩的摩擦力，但扩孔率大于正循环，造价偏高，尽管如此，目前反循环回转钻在公路桥梁钻孔桩成孔中仍处于主导地位。
反循环与正循环相比，除了钻进进度快4~5倍外，还具有需用泥浆料少，转盘所消耗动力少，清孔时间较快等特点。
4.1.4、冲击钻成孔施工特点。其适用范围：用实心锥时，适用于粘性土、砂类土、砾石、卵石、漂石、较软岩石，孔径80~200cm；用空心锥时，适用于粘性土、砂类土、砾石、松散卵石，孔径60~150cm，孔深达50m。泥浆起悬浮钻渣和护壁作用。由于冲击锥在下冲时有些钻渣被挤入孔壁，可起加强孔壁并增加土层与桩身间的侧摩阻力作用。但是钻普通土时，进度比其他方法都慢。#p#分页标题#e#
4.1.5、旋挖钻成孔施工特点。其适用范围为：填土层、淤泥层、细粒土、砂类土、含有部分卵石、碎石的地层，孔径100~300cm，孔深30~80m。它是利用带有斗筒式钻头的钻杆旋转及本身的自重，将切削的土屑刮入斗筒内，提升斗筒至孔外，借助斗筒的特殊机构卸土，重复上述过程即形成桩孔。成孔可以用套管或泥浆护壁，如土质很好，可以自立，可以不用护壁措施成孔。但是该成孔方法对粘性较高的粘性土，成孔速率不高，主要是粘土吸附在斗筒周壁，不易卸下，往往需要人工或加振动才能出清斗筒；在砂卵石层钻进也有困难。
4.2、成孔方案的确定
根据本标段工程特点、灌注桩数量大、工期短及各种钻挖孔方法的适用范围、机具的供应情况及土层情况，我们进行了合理选择钻挖孔方法，以保证工程效率和经济效益。对于满神铁路分离立交到南水北调大桥由于当地社会干扰、钻孔设备数量也不多以及该区地形复杂设备不易进场，共178根，桩长为20~37m，桩径为1.2~1.8m，我们拟采用人工挖孔施工；下紫口中桥到K199+994中桥，以亚粘土层为主，状态由软塑到硬塑状态，共144根，桩长为28~43m，桩径为1.2~1.3m，我们拟用旋挖钻机施工；大册村大桥由于以砂卵石为主且桩底入岩数米，共132根，桩长为33~45m，桩径为1.2~1.3m，我们拟用人工挖孔和冲击钻机配合施工；神西分离立交到漕河大桥由于地质以砂卵石为主，共364根，桩长为28~48m，桩径为1.2~1.5m，我们拟用反循环钻机和冲击钻机配合施工。
5、不同成孔方式施工控制要点分析
5.1、人工挖孔成孔施工控制要点
5.1.1、护壁支护施工计算
解决好孔壁支护是人工挖孔施工的关键问题，井壁支护应综合考虑挖孔桩区域土层特点，桩周土参数，地下水分布情况，周围荷载情况，桩孔深度和施工工艺等因素进行计算。本合同段采用人工挖孔的护壁类型为：选择现浇25号混凝土永久性护壁，护壁采用阶梯形形式。
为了防止塌方，保证操作安全，大直径人工挖孔桩大多数采取分段挖土，分段护壁的方法施工，分段现浇混凝土护壁厚度一般取受力最大处，即地下最深段护壁所承受的土压力及地下水的侧压力，由计算确定护壁厚度。设混凝土护壁厚度为t，则按下例公式计算：


当挖孔无地下水时：
当挖孔有地下水时：

式中：N—作用在护壁截面上的压力（N/m），N=pD/2
      p—土和地下水对护壁的最大总压力（N/m²）；
     γ—土的容重（KN/m³）；
γ_w—水的容重（KN/m³）；
H—挖孔桩护壁深度（m）；
h—地面至地下水位深度（m）；
D—挖孔桩或圆形构筑物外直径（m）；
f_c—混凝土的轴心抗压强度设计值（Mpa）；
K—安全系数取1.65
5.1.2、孔内爆破施工
对于以弱风化岩为持力层，石质较硬，石方量较大，靠手工凿除效率达不到进度要求，可选用孔内钻眼爆破施工。但这种爆破决非开山挖洞式的爆破作业，需谨慎行事，将岩石进行松动爆破，然后借人力或凿岩机将松动后的岩石剥落下来。因此确定掘进各种合理的爆破参数是取得良好爆破效果和加速掘进速度的重要前提。掘进爆破参数主要有单位炸药消耗量、炮眼直径、炮眼深度、炮眼数目等。
5.1.2.1、确定药量及布置眼位。爆破安装药量确定及眼位的布置主要考虑两个原则：一 是要满足设计要求，爆破后不能破坏周围岩体；二是要方便施工，爆破后岩石较破碎，便于人工出渣。因此只能在有充分经验的基础上，有足够的依据，经过周密设计，对周围岩体的影响决无破坏的情况下，方可以爆破作业，破岩成孔。施工示意图：

5.1.2.2、导火线起爆应有工人迅速离孔的设备，导火线应作燃烧速度试验，据以决定导火线所需长度；孔深超过10m时应采用电雷管引爆。严格控制用药量，以松动为主，一般中间炮眼装硝铵炸药1/2节，边眼装药1/3节~1/4节。孔深超过10m，需用机械通风。
5.1.2.3、桩孔挖掘及支撑护壁两道工序必须连续作业，不宜中途停断，以防坍孔。
5.2、旋挖钻机成孔施工控制要点
5.2.1、确保桩架、桩杆的垂直度，是保证成孔不倾斜的关键。首先进行钻头对中孔位，人工依据护桩拉十字线，使钻头尖与十字线中心对中，调整桅杆的竖直度及钻机机身的水平。钻机提钻甩渣后的复位情况，在操作室中有仪表显示，该仪表对钻头复位对中的判断是桅杆的竖直度与机身的水平达到最佳时确定为中心。#p#分页标题#e#
5.2.2、根据不同的土质选择不同的钻头，蜗底式钻头适用于粘头、砂质粘土；带刀刃的钻头适用于砂卵石层，有时被切削的石块过大而进不了斗筒，需配以抓斗取出。在钻进过程中，对于砂性土层及砂层，直接用旋挖筒钻进、取渣，遇到砾石层及卵砾层时，先用螺旋钻头将其搅松，再用旋挖筒取渣。钻头与钻杆用一钢销连接，钻头拆卸简便。由于钻渣可直接用旋挖筒提取，所以仅用静态泥浆护壁，这样大大减少了泥浆用量。旋挖钻机操作室中有深度显示仪，达到设计深度后，用测绳复测，这样可以控制超挖程度。另外旋挖筒取渣干净，如果控制好泥浆比重与粘度，在灌注混凝土前可将沉淀厚度控制在20㎝以内。在钻进过程中若遇跑浆，可直接加膨润土于孔内，用旋挖机旋挖筒下入孔内跑浆位置反转不进尺，边加边搅，直到不漏浆为止。如果土质很好，可以自立，也可不用护壁措施成孔。
5.2.3、成孔过程中，钻头上下升降频繁，宜控制升降速度。速度过快时，孔底的负压会造成部分虚土或底部坍孔。当有泥浆护壁时，大量泥浆随着斗筒的提升，从筒外侧孔隙中快速流入筒底部，形成对孔壁的冲刷，也是造成扩孔或坍孔的因素。此外，升降过速在有泥浆护壁的孔中会形成较大的扰动，影响孔壁稳定。对不同的土层，钻头的转速也应控制，在软土中可稍高，在硬土、砂土中要适当放慢。
5.3、反循环成孔施工控制要点
5.3.1、合理选择钻头是确保成孔效率的重要因素，在粘土、砂土及砂砾层可选用翼状或鱼尾状钻头，对风化岩或岩层应选用牙轮式钻头，对砂卵石层要配以筒式钻头。
5.3.2、按照规范掌握泥浆的指标。从稳定孔壁要求考虑，以比重稍大为有利，但是比重大，出泥效率降低，而且对清渣及灌注混凝土也是不利的。粘滞度过低，对稳定孔壁及携带渣土有缺陷，过高则影响钻头速度而且降低钢筋握裹力，增加水下混凝土灌注难度。
5.3.3、时刻保持孔内液面标高不低于地下水位，由于排浆与注浆的速度不是均衡的，孔内浆面时起时落，应时刻观测，使浆面维持在地下水位上下一定范围内。对地下水位接近地面标高的钻孔，宜将护筒接高，使其高出地面，以确保浆面高于地下水位。
5.4、冲击钻成孔施工控制要点
5.4.1、护壁防塌措施
冲击造浆过程中，对于砂卵石地层，泥浆会在孔壁形成泥皮，起到保护护壁防塌的作用。泥皮的形成与泥浆的失水同时发生，在压力差的作用下，由于所穿过的砂卵石地层有大小不同的孔隙度，水会渗透不进去，便在孔壁地层上形成一层胶结物，这就形成了泥皮。因此在砂卵石地层中成孔，均选用优质粘土泥浆，其技术指标：塑性指数＞25，小于0.005mm的粘粒含量＞50%总量的粘土制浆。胶体率不低于95%，含砂率不高于4%，造浆能力不低于2.5L/Kg，
5.4.2、捞钻渣方法
在冲击钻进、冲击造浆过程中，孔内泥浆没有循环过程。钻渣不能经过泥浆的循环排出孔外，而沉淀于孔底。孔底沉渣过厚，形成孔底垫层，不能直接冲击孔底，影响钻效，因此经常捞钻渣，保持孔底干净，是冲击钻进的重要一环。在漕河大桥钻孔桩施工，我们采用是泥浆泵冲渣捞渣法，施工方法是：提上冲击锤，将泥浆泵出浆管的一端捆系于冲击锤上，下于孔底，管口放置于孔底附近，然后全泵量向孔底压入优质泥浆，将孔底沉渣冲起，钻渣随泥浆的循环过程悬浮流出孔外，沉淀于泥浆池，沉淀处理过的泥浆可以重复使用。在神西分离立交钻孔桩施工，我们采用自制掏渣筒法，施工方法是：在冲击一段时间，将冲击锥提出，换上掏渣筒，下入孔底掏取钻渣，倒进孔外的倒渣沟中，掏渣后及时向孔内添加泥浆或清水以维护水头高度，再投放粘土自行造浆，一次不可投放过多，以免粘锥、卡锥。
5.4.3、对于大直径桩，可先用小钻头开导孔，再用大钻头钻进，以便钻进。如遇坚硬漂石，宜采用中、大冲程，但最大冲击行程不得超过4~6m，防止空锤和大幅度松绳，排渣速度也应及时，以便冲击锥经常冲击新鲜岩石。
6、不同成孔方式下桩基容许承载能力分析
6.1钻（挖）孔灌注桩单桩轴向容许承载力比较

式中：U—桩的周长（m），按成孔直径计算；
L_i—桩在承台底面或最大冲刷线以下的第i层土层中的长度（m）；
     τ_i—第i层土对桩壁的极限摩阻力（Kpa）；
λ—考虑桩入土长度影响的修正系数；#p#分页标题#e#
m₀—考虑孔底沉淀淤泥影响的清孔系数；
A—桩底截面积（m²），一般用设计直径（钻头直径）计算；
h—桩底的埋置深度（m），
[σ₀]—桩底处土的容许承载力（Kpa）；
γ₂—桩底以上土的容重，多层土时按换算容重计算；
K₂—地基土容许承载力随深度的修正系数；
6.2影响基桩容许承载力的因素分析
由上述公式可以看出，在特定的地质条件下影响基桩承载力的因素主要有：τ_i、U、A和m₀等；即
6.2.1、钻（挖）孔桩桩侧土的极限摩阻力（τ_i）
挖孔桩孔壁设有台阶、浇注基桩混凝土后相互形成整体，挖孔桩护壁混凝土与孔壁之间同样相互嵌入，而钻孔桩混凝土与孔壁为光面接触，且夹有一层润滑剂——泥浆。故挖孔桩桩侧土的极限摩阻力大于钻孔桩。
6.2.2、桩的周长（U）和桩底截面积（A）
挖孔桩采用了阶梯形护壁混凝土，与钻孔桩相比，桩底直径增加20cm左右，即挖孔桩桩底截面积比钻孔桩大。
6.2.3、清孔系数（m₀）
钻孔桩桩底沉淀层厚度：对于桩径≤1.5m的桩，沉淀厚度≤30cm；对于桩径＞1.5m或桩长＞40m或土质较差的桩，沉淀厚度≤50cm；挖孔桩桩底无沉淀物，故挖孔桩承载力较钻孔桩大。
因此，摩擦桩选择适当的挖孔方案，其承载力和桩基质量比机械成孔效果高得多。
6.3各种系数的确定
以K205+968中桥为例，比较挖孔桩与钻孔桩承载力大小，各参数查得如下：
黄土状砂性土：τ₁=30Kpa，L₁=4.2m，λ₁=20
亚粘土层：    τ₂=35Kpa，L₂=8.5m，λ₂=20
碎石土层：    τ₃=80Kpa，L₃=8.3m，λ₃=24
卵石土层：    τ₄=160Kpa，L₄=6.0m，λ₄=26
[σ₀]=600Kpa   h=27 m   λ=0.72    K₂=6.0

6.3.1、钻孔桩的容许承载力（不考虑混凝土护壁的承载力）m=1

6.3.2、钻孔桩时的容许承载力  m=0.775

所以，[P]_挖 ＞ [P]_钻
7、施工体会与效果分析
本标段在桩基施工过程中，由于对地层情况、设备选用、施工工艺进行了认真研究与探讨，对不同的地层采取了不同的施工方案，同时在施工过程中，我们也加强了施工管理与控制。在818根桩基成孔中，无一事故发生。不仅保证了施工质量，同时也提高了施工进度，在阶段评比中，荣获了第一名。同时也创造了河北高速公路建设史上一个奇迹。
7.1、在施工过程中，实际的地质情况可能与设计土质给出的不同，因此，在钻进过程中，随时检测地质状况，调整泥浆的性能就显得十分重要。在钻孔同时，要有专人根据钻孔的深度向钻孔内添加膨润土（粘土）。在整个钻孔过程中，膨润土（粘土）的加入量要根据最差工程地质土层的需要量进行添加，以防止最差土层出现坍孔，避免钻孔事故的发生。
7.2、大册村大桥由于以砂卵石为主且桩底入岩数米，共132根，桩长为33~45m，桩径为1.2~1.3m，采用了冲击钻、人工挖孔结合，可大大减少了每个孔口钻机的占用时间（每个孔口钻机占用时间不超过2天），避开了钻机少这一缺点，保证了施工进度。
7.3、下紫口中桥到K199+994中桥，以亚粘土层为主，状态由软塑到硬塑状态，共144根，桩长为28~43m，桩径为1.2~1.3m，采用了旋挖钻机施工，平均每根桩成孔时间为9~10小时，与其它桥梁桩基平行施工，大大提高了施工进度。
7.4、满神铁路分离立交到南水北调大桥，共178根，桩长为20~37m，桩径为1.2~1.8m，采用了人工挖孔施工，许多桩基可以同时施工开挖，避开了钻机少，缩短了桩基施工时间，同时也避免了当地社会干扰以及该区地形复杂设备不易进场等困难因素。
7.5神西分离立交到漕河大桥由于地质以砂卵石为主，共364根，桩长为28~48m，桩径为1.2~1.5m，我们采用了反循环钻机和冲击钻机配合施工，充分发挥了各种机械的特性，平均每根桩占用钻机需要40~50小时，提前完成了施工计划。
7.6、只要施工条件允许，挖孔灌注桩不仅能够简化钻孔灌注桩的施工工艺，而且成桩后基桩低应变动力检测结果表明，所有被测基桩桩身结构完整，桩身混凝土质量良好，同时其承载力大大超过钻孔桩的承载力。实践证明，采用人工挖孔，除了保证质量之外，其经济效益也是十分显著，挖孔桩施工成本约占钻孔桩施工成本的40%~50%。同时不同成孔工艺组合施工，也大大降低了施工成本，提高了施工速度。#p#分页标题#e#
8、结束语
总之，在灌注桩施工时，对不同的地层如何采用不同的施工工艺，需要根据现场条件、工期要求、地质情况及成本分析等，用科学的方法来选择设备和施工工艺，用最佳的施工工艺，在保证质量、工期、安全的情况下产出最佳效益。灌注桩成孔是一个动态的、复杂的过程，有很多因素无法确切分析，它仍需要我们在今后的实践中勇于探索、认真分析、总结经验。展望二十一世纪，在科教兴国、加强科技创新与强调可持续发展的形势下，我国桥梁施工技术必将取得更大的发展，同时灌注桩在向大直径、深水桩基础等技术方面也会更上一个新台阶。以上这些仅是个人看法，由于经验不足、水平有限、分析欠妥，恳请同行专家批评指正，谢谢！
 
参考文献：
1、《公路桥涵施工技术规范》   
2、《公路桥涵地基与基础设计规范》
3、《桥梁施工工程师手册》
4、《桥涵》  交通部第一公路工程总公司主编