1、振动沉管人工扩底灌注桩施工中常见的质量问题及改进方案 1 页 共 6 页 振动沉管人工扩底灌注桩施工中常见的质量问题及改进方案 说明：本文将在镇江某电厂桩基工程施工实践的基础上，对振动沉管人工扩底灌注桩，在力 学性能较差的软弱土层（如沿海及苏南地区）中施工时，容易出现的质量问题进行分析，并 提出预防和改进措施。 一、概述 振动沉管人工扩底灌注桩是一种比较新的桩型，它是在机械振动成孔后，采用钢 管临时护壁，再由人工进行扩底，然后放入钢筋笼、浇注混凝土而形成。它除了拥有 普通混凝土灌注桩的优点外，还能大幅度提高桩体的抗拔、抗推、抗压等承载能力， 且入岩情况、扩底尺寸较直观，容易控制。 镇江某电厂的
2、主厂房、烟囱等主要建构筑物均采用这种桩型。实践证明：这种桩 总体效果是好的，达到了设计要求，但施工中也发现一些不容忽视的问题，值得在以 后的施工中改进、提高。 该厂施工区域的地质条件在沿海及苏南一带较有代表性，现介绍如下： 场地标高 2.93.9m(1985 年国家高程 ,以下同), 区内地基岩土主要由第四系全新统 上更新统地层和上白垩统侵入岩组成。 根据地基岩土的成因、埋藏条件和物理力学性质，将地基岩土划分为 7 个工程地 质单元体，自上而下分别为: 层素填土；层粉质粘土；层-1 淤泥质粉质粘土灰色、褐灰色，很湿，流塑， 局部软塑，层厚 2.4012.20m，层底标高-9.30-1.50m；
3、层-2 淤泥质粉质粘土夹粉土， 淤泥质粉质粘土为灰色、褐灰色，很湿，流塑，层厚 1.108.00m，层底标高-16.30- 3.45m；层-3 粉质粘土夹粉土；层粉质粘土,稍湿，可塑 硬塑，具微层理结构。 层-1 花岗闪长岩，杂色，主要矿物成分为正长石、斜长石，呈颗粒状结构、块状构 造，强风化，颗粒之间为泥质胶结。该层层厚一般为 0.624.90m，层底标高为-28.65- 15.90m；层-2 花岗闪长岩，杂色，要矿物成分为正长石，呈金晶质斑状或粒状结构、 块状构造，上部为中风化，下部逐渐过渡到微风化，层厚较大，未钻穿。 下文将以主厂房为例，对照厂内其他建、构筑物，对人工扩底灌注桩进行分析。
4、 根据桩基图纸设计：该主厂房桩身采用机械成孔、人工扩底的施工方案，5-1 层以上 采用机械成孔，5-1 层以下采用人工扩底施工。桩机将带内套管的 800 钢管下沉到 5-1 界面，取出内套管，在 5-1 层内进行人工扩底，扩底深度 2 米，扩底直径 1.8 米、 1.4 米不等(如图一所示) 。充盈系数1.2,拨管速度0.5 米/ 分,沉管控制贯入度为 0 厘 米/分。桩间中心距离为 1.4-4.0 米,桩长为 5.0-9.7 米。 二、人工扩底过程中可能出现的质量问题及改进方案 （一）人工扩底是较易出现问题的环节。由于它受到工作面狭窄、地质条件复杂、 振动沉管人工扩底灌注桩施工中常见的质量问
5、题及改进方案 2 页 共 6 页 地下水量较大等条件的限制，施工速度较慢，施工中经常会出现以下两种情况： 1、漏土，即上层湿土顺钢管底涌入人工扩孔内； 2、塌孔，即已扩好孔或正在扩底的孔出现塌方。 图一 桩身示意图 （二）原因分析及解决方案 1、根据施工中的观测和检查，漏土产生主要有两个原因：（1）沉管贯入度未控 制好，钢管入-1 层深度不够，人工扩底过程中又挠动土体，使-1 层界面处薄弱岩 体产生松动，周围的上层湿土便涌入孔内；（2）由于-1 层界面不是水平的，当达 到要求贯入度时，有一侧管底仍在软弱土层中，导致湿土涌入孔内。 漏土的危害性相对较小,可以采取两种方案进行处理， （1）如果是扩
6、孔开始时或初 期出现这种情况，可以直接用空管（此时内管已经取出）继续向下沉一段距离，该距 离由所测的实际数据确定，以新入岩深度大于 30CM 为准，然后再进行扩孔；（2）如 果是扩孔后期，可以采取临时封堵和必要的护壁手段，并加快施工进度。根据实际操 作来看，因为施工到后期才出现漏土，一般渗漏较小，临时封堵能够取得较好效果。 如果漏土非常严重，就必须采取下文所述塌孔的处理方案进行处理。 2、由于扩孔周围的岩土稳定性差、受到太大扰动或长时间受积水浸泡，都可能 导致塌孔，这是施工中最不愿意看到的情况，无论从安全还是从质量的角度。出现这 种情况，常规做法是补桩。但塌孔桩周围因塌孔岩土稳定性已经被破坏，
7、在该桩附近 再进行扩底很容易出现再塌孔且情况可能更糟。所以补桩方案无论从工期和可操作性 8030152此段凿除 桩 顶 设 计 标 高-层 界 面5083由桩长确定 振动沉管人工扩底灌注桩施工中常见的质量问题及改进方案 3 页 共 6 页 上都存在很大的局限性。比较合适的处理方案是： 图二 塌孔桩处理方法示意图 用桩机将空管继续下沉，达到原塌孔底部 30CM 以下，即空管重新入岩 30CM 以 上（如图二） ，然后继续扩底，扩底尽寸与原设计相同。但桩身混凝土灌注量要相应加 大，充盈系数保证大于 1.5。在桩管拔到塌孔处时应留振一段时间，保证塌孔处混凝土 密实度。 为避免上述漏土及塌孔现象发生，
8、施工中应严格控制贯入度，注意观察分析岩层 变化情况及岩层走向和趋势。为避免塌孔，人工扩孔时，应先挖中间部分，达到设计 深度后，再向四周扩展，减少岩体倒悬时间。 三、凝土桩身时易出现的问题及改进方案 （一）据主厂房桩基高低应变检测报告和桩基开挖后的实地检验，如前所述，尽 管桩基基本达到设计要求，但仍然存在不少质量缺陷，主要有以下几类： 1、桩身缩径、桩头部位破损，少数桩桩身混凝土断面缩小,呈糖葫芦形。小应变 检测的 132 根桩中，有缩径缺陷的有 25 根，占检测总数的 19%。实地验收中统计， 桩头破损也占差不多相同的比例； 2、混凝土离析，共出现 2 根，占检测总数的 1.5%； 3、断桩，
9、共有 1 根，占检测总数的 0.76%。 因第二、第三类缺陷出现的比例很小，主要是偶然因素的作用，本文不予讨论。 现就出现频繁率较高的第一类缺陷进行分析。 （二）原因分析 30215-层 界 面30152原 扩 底 孔 洞(现 已 塌 孔 ) 振动沉管人工扩底灌注桩施工中常见的质量问题及改进方案 4 页 共 6 页 第一类缺陷产生原因分析: 造成缩径、桩头破损、桩身断面偏小的原因，显然是由于桩四周土体侵入桩身造 成的。根据前面介绍的施工区域地质情况：该处埋藏有较厚的淤泥质土-1 层和-2 层，-1 层为很湿、流塑型淤泥质粉质粘土，层-2 为很湿、流塑型淤泥质粉质粘土 夹粉土。这两层土的力学性能
10、很差，施工中又未能有效地防止淤泥侵入桩身，从而导 致产生上述缺陷。 从缺陷桩分布来，桩顶标高（低于地面）和地面标高差越大的地段，缺陷比例越 大，而桩顶和地面一致或高于地面的桩，几乎未发生缺陷。桩密集的地段，也存在较 高的缺陷发生率。 根据设计图纸，该区域桩顶设计标高最低为-5.5 米，自然地面标高为-1.2 米，因 桩顶有 80 厘米的凿除部分，所以桩顶实际标高和地面标高差为： H=-1.2-(-5.5+0.8)=3.5(米) 假设地面荷载为 0，套管拔出后，管内混凝土在-1 层和-2 层中受到主动土压 力为：P= hK a-2CKa1/2 其中 为淤泥土的容重，K a=tg2（45-/2）
11、，C 为淤泥土凝聚力， 为淤泥土内 磨擦角，h 为计算位置与地面间距离。 而管内新浇混凝土侧压力公式为：P C = CHC 和 PC =0.22 CT0 1 2V1/2计算值 较小者.因混凝土已浇灌完毕,不涉及浇灌速度,故取：P C = CHC 其中 C为混凝土,H C为计算位置与混凝土面间距离。 则两者的差值为： P=P- P C=hK a-2CKa1/2- CHC 因为:h=H+ H C=3.5+ HC 所以： P=hK a-2CKa1/2- CHC=(3.5K a-2CKa1/2)+ (K a- C)HC 当 P=0 时,将 =16.8KN/m 3, C=24KN/m3(规范值 ), =
12、20 0,C=10KPa 代入上式, 得: HC=0.94m 由此可以看出，在这种情况下，即使不考虑地面荷载，在桩顶以下 0.94 米范围内 仍为负压区,比设计的 0.8 米的凿除保护长度还长 0.1 米。如果施工中不严格按设计要 求操作，如混凝土浇灌量不够、拔管速度过快、桩机来回辗压及相邻桩沉管时的挤压 等因素，桩身出现第一类缺陷是不可避免的，现分别进行讨论： 1、当桩顶标高和地面标高差越大，h 也越大，使 P 也相应增大，混凝土受到周 围淤泥的压力也大。这就是为什么缺陷桩分布密度与桩顶标高和地面标高差成正比的 振动沉管人工扩底灌注桩施工中常见的质量问题及改进方案 5 页 共 6 页 原因。
13、计算误差、施工中控制不严格或偷工减料等,均可能造成混凝土浇灌量未能达到 设计要求量和 1.2 的充盈系数,从而使桩顶标高进一步降低，压力差随之增大,更容易产 生缩径等缺陷。 2、拔管速度过快，未能控制在0.5 米/分范围内。在拔管时，桩机的振动锤是同 时启动的，桩身套管按正常速度提升时，因速度较慢，振锤的振动可以保证桩身混凝 土的密实度，如果提升过快，桩身混凝土密实度降低，实际容重 C变小，压力差相 应增大，桩更容易被挤压产生缩径。同时，由于振动锤、管内混凝土与管壁摩擦力的 共同作用，使管内混凝土一段一段从管口落下，两段混凝土之间的间隙四周的淤泥迅 速侵入，形成典型的糖葫芦形桩身。 3、由公式
14、，当 HC =0 时，P 最大，即桩顶部四周受到的压力最大，所以桩 头新浇混凝土被向上挤压拉长，桩身变细，在土方开挖过程中，很容易被碰断，导致 桩头破损。 4、地面荷载如桩机的辗压和振动的影响，主厂房区域采用的是 120-KS 履带式打 桩机，因其自重大、荷载集中、来回移动频繁，检测缩径比例如前所述达到 19%。而 跟主厂房只有 24 米距离的烟囱桩基，地质条件、桩型、密度基本相同，但采用的是滚 筒式桩架，因其自重轻、荷载分布范围大，该处共检测 16 根桩中，只有 1 根出现缩径， 占总数的 6.25%，远低于主厂房区域。另外，该处桩头破损率也较小。可见地面上桩 机的辗压和振动对桩身混凝土的挤
15、压作用是很明显的。 5、空桩管下沉时，对周围的土体进行挤密、压缩，难免会影响相邻桩，在饱和 的淤泥土中，因淤泥不易压缩、流动性强，这种影响会更大。如果桩身混凝土未初凝， 则容易产生缩径等缺陷，如果混凝土已初凝则容易引起断桩现象。 综合上述，产生第一类缺陷的原因主要有以下几种： 1、施工区域内力学性能差的软弱土层的存在； 2、桩顶标高和地面标高差而产生的主动土压力过大； 3、混凝土灌注量不足，未达到设计要求； 4、拔管速度过快，未严格按要求操作； 5、地面施工荷载作用； 6、相邻桩沉管时对桩身混凝土的挤压。 （三）针对以上分析，在地质条件较差的类似地区（如沿海及苏南地区）施工时， 如采用混凝土灌
16、注桩型，为保证混凝土灌注桩的质量，有必要采取以下几种措施： 1、打砂桩、石子桩或排水板（该方案设计中已采用，效果较好） ，排除地下水， 降低孔隙水压力，以减少软弱土层对桩身的影响； 2、对桩顶标高较低的桩，在综合考虑包括地面荷载在内的各种因素后，利用公 振动沉管人工扩底灌注桩施工中常见的质量问题及改进方案 6 页 共 6 页 式，计算出负压区高度，据此得出一个超灌高度，以平衡过大的主动土压力； 3、桩管拔出后，把桩顶和地面之间的空隙用黄砂（也可以用扩底时挖出的岩土） 填满，这时再移动桩机，就可以平衡桩机辗压及其他原因产生的地面荷载； 4、严格按配合比配制混凝土且振捣充分，保证混凝土灌注量，严格控制拔管速 度，如果存在桩密度太大、桩顶标高低等不利因素可以将拔管速度进一步降低； 5、在能保证质量、进度的前提下，优先选用较轻的桩架进行施工。 作者：沙俊强
