钻孔灌注桩施工质量控制要点
刘桂萍
【摘 要】本文简单阐述了砂质地层液化的原理，介绍了液化地层施工容易存在施工质量问题及隐患，以及相应的质量控制办法。
【关键词】液化地层；钻孔灌注桩；质量控制
1 工程地质情况
青岛蓝色硅谷城际轨道交通工程10标段线路起讫桩号K61+901～K68+400，线路整体位于鳌山湾西侧，临近海滩。本段场地地震基本烈度为六度，地震动峰值加速度为0.05g，地质地层自上而下主要由第四系全新统人工填土、全新统冲洪积层、上更新统冲洪积层、白垩系砂岩、煌斑岩、花岗岩组成。其中，第四系全新统海积层揭示为中粗砂，饱和，稍密为主，厚度为2.7m～3.2m。第四系全新统冲洪积层揭示为中粗砂，以长石、石英质砂、花岗岩碎屑为主，含少量砾石和黏性土，饱和，稍密，厚度3.2～3.9m。以上两种中粗砂层均属于可液化地层，深度均不大于4m，纵向影响范围960m，占全线14.8%。受持力层地质坚硬影响，桩基施工无法选用振动较小的设备，均采用冲击钻进行桩基施工，钻头对桩孔的反复冲击振动造成了桩孔砂层液化，极大地增加了桩基的施工安全风险。液化地层桩基施工也是本项目前期施工的难点，具备了范围广、安全风险高、处理措施复杂的特点，对该工艺的改善有利于本项目的施工安全有序进行。
2 砂层液化机理及危害
饱水砂土受到振动时，颗粒之间无内聚力或内聚力很小，受惯性力反复作用下，各颗粒处于运动状态，必然产生相互错动并调整位置，以便达到最稳定位置。孔隙度的减小产生剩余孔隙水压力，随着周期性的反复作用，剩余孔隙水压力会不断累积增大，最终导致砂土的抗剪强度降为零，完全不能承受外荷载达到液化状态，产生振动液化。随着孔隙水压力上升，产生上下水头差和孔隙水自下而上的运动，动水压力推动砂粒向悬浮状态发展，形成渗流液化。
2.1 塌孔
桩基塌孔是液化地层施工较为常见的现象，也是一直以来困扰桩基施工的难题，主要表现在其突然性、危害性大及塌孔后的处理周期长且费用很高，往往需要进行回填重钻方能解决问题，大大的增加了项目的施工安全风险、成本和工期压力。
钢护筒的埋设一般采用挖除护筒中心土的方式，护筒外侧周边重新回填粘性土或素填土进行夯实。若砂土层埋深大时，钢护筒埋设无法穿过整个液化层，底部位于中粗砂层中。在冲击钻钻进过程中，钻头对底部岩层的振动及桩孔内部泥浆反复的冲刷造成砂层液化流动，从而将护筒底部及外侧大面积掏空，导致钢护筒失稳及周边地层塌陷。钢护筒失稳直接导致桩孔锁口崩溃，影响钻头无法上下正常作业，同时使孔口随时面临继续坍塌的危险，孔口周边作业存在巨大的安全风险，无法保证作业人员施工安全。周边地层的不断塌陷易导致钻机倾覆、桩孔偏位过大等严重后果。
2.2 孔底沉渣过厚
砂层液化造成泥浆中含砂率增大，增加了桩孔砂质沉渣的清理难度及泥浆配置要求。清孔完成直至水下混凝土灌注这个过程的底渣沉淀以及钢筋笼对护壁的刮蹭也是沉渣厚度增大的原因。钻孔桩水下混凝土灌注过程中，依靠混凝土挤压导管内泥浆产生的冲击力使孔底沉渣翻涌上浮，若孔底沉渣过厚易导致孔底沉渣因重量过大无法上浮或掺杂在混凝土之中，发生桩底沉渣大或夹泥的现象，导致后期沉降大或成桩质量不合格等问题。孔底沉渣厚度超出规范标准将导致以上两种质量问题，其中桩基础的大幅沉降将直接导致上部构造变形开裂，直接影响线路平顺及结构安全。
3 质量控制措施
3.1 注浆
液化地层钻孔施工的最大安全隐患在于其地层的振动流动性，要确保地层的稳定必须在防水和改善地层稳定特性两方面采取控制措施防止砂层液化。由于特殊地质特征造成施工现场必须选用冲击钻进行施工，主要预防措施采用了地表注浆的办法，即在桩孔钢护筒安装前对周边地质进行环形均匀注浆处理（如图1），注浆管前端穿过砂质地层进入底层岩层30cm以上，采用后退式分段注浆，分段长度为40～60cm，以确保桩孔周边整个液化地层的注浆渗透扩散效果。
桩孔孔位地质情况显示中粗砂层最大埋深深度一般为3～5m，且表层为素填土，注浆孔钻孔采用机械顶进成孔或钻机成孔，桩孔注浆采用后退式分段注浆，在孔口采用止浆塞进行止浆。注浆材料选用超细水泥单液注浆，浆液在地层中根据注浆压力大小表现为渗透扩散、劈裂扩散，对地层固结、防渗效果较好。注浆工艺流程：施工准备→测量布孔→制孔口管→安装孔口管→钻孔至设计深度→安装注浆系统 制浆→注浆→效果检查→结束。施工时，水灰比控制范围：0.6：1～0.8：1，可根据现场地层富水情况适当调整。
注浆量计算公式：Q=ПR2hαn（1+β），其中：Q—注浆量，R—扩散半径，取0.8m，h—注浆深度，α—地层充填率，取0.7～0.8，n—地层空隙率，取0.3～0.4，β—损失率，取20%。注浆压力取水压+2.5Mpa。注浆速度取40L/min。钻孔及注浆设备根据注浆深度、注浆量、注浆速度等参数进行选取。
该工艺适用于砂层等软弱地层埋深较深的部位，其优点为浆液颗粒细，中粗砂层的可注性较好，固结体强度高、均匀，胶凝时间较长，易于操作控制，缺点为处理费用较高，处理效果较依赖于作业人员作业熟练程度。
3.2 护筒接长
对于液化地层厚度较小且埋深小于3m的桩孔，可采取加长钢护筒长度的办法使其穿过砂层，确保钢护筒底部嵌入稳定岩层，起到隔离作用。钢护筒采用1cm厚钢板卷制而成，护筒最大高度为4m，直径比设计孔径大30cm，护筒高于地面50cm，护筒底部埋置在砂层下地层中至少50cm，确保护筒根基稳固。埋设前，应先用挖机配合人工将桩孔中心土挖除，埋设时采用水泥-水玻璃双液砂浆对护筒底部进行防水处理，护筒四周回填黏土并分层夯实，分层回填时可加设土工格栅增加横向拉力确保回填土层与原状土之间的结构稳定性。
护筒的埋设可根据现场现有条件及机械采用锤击、加压或振动等办法进行下沉。为确保护筒不变形，埋设护筒前应对护筒顶部采用加焊1cm厚、30cm高钢板进行加固处理。埋设护筒过程应注意通过护桩经常校核护筒中心偏位情况，确保护筒竖直，中心偏位不超过5cm，发现偏差过大，及时进行调整。钻孔过程中钻头、钢筋笼上下作业时应注意放慢速度，并由作业人员辅助稳定，避免碰撞护筒造成锁口坍塌。桩孔混凝土灌注完成后，应及时松动、拔除护筒，避免混凝土凝固后导致护筒无法拔除。
接长护筒的办法适用于砂层埋深浅的部位，其优点主要为：施工工艺传统，成本较低。缺点主要为：钢护筒制作及埋设难度较大，护筒稳定性较差，护筒拔除难度较大，易造成浪费。
3.3 控制泥浆质量
钻孔桩施工过程中泥浆的主要用途在于护壁和浮渣，由于孔桩部分地质情况为中粗砂，地层稳定性较差，主要依靠泥浆对桩周围土层的侧压力及泥皮进行护壁，对泥浆的粘度、比重等技术参数要求较为严格。初始泥浆配置时选用优质膨润土，泥浆比重控制在1.2～1.3，黏度控制在20～28s，含砂率不大于4%，钻头钻进至砂质地层时应相应提高泥浆比重及黏度以确保护壁稳定，同时尽量减少对该部分地层的扰动。泥浆池使用前应注意与砂层进行隔离处理，随着桩孔的钻进，砂层中的砂土不可避免的会进入到泥浆中，应在泥浆池设置排渣、除砂等装置，避免砂土回流至桩孔内，导致孔内泥浆含砂率提高。同时，应加强泥浆比重、黏度、含砂率等检测，根据需要及时添加新制泥浆进行优化调整。
3.4 施工协调
钻孔桩孔底沉渣厚度与泥浆停止时间成正比，停止时间越长，孔底沉渣厚度越大，尤其砂质地层桩孔含砂率较大，泥浆静止容易导致泥浆中砂的分离下沉，沉渣不易清除。因此，连续紧凑的工序衔接显得尤为重要，钢筋笼尽量事先制作成整体一次性下放安装，导管亦可根据实际情况事先两节联装，钻孔、清孔完成后应立即安装钢筋笼、导管。桩孔的二次清孔采用泥浆泵连接导管沉至孔底进行冲洗确保孔底沉渣翻涌上浮，并保持孔内泥浆循环活动直至混凝土浇筑。
4 小结
混凝土灌注方量相对设计方量充盈系数控制在1.1左右，孔底沉渣厚度也控制在5cm范围内。通过对孔位周边地质的注浆及加长护筒等质量控制措施，液化地层钻孔桩施工安全、质量均得到较好控制，未出现塌孔等问题，同时，桩孔泥浆质量控制及施工工序衔接紧凑也是确保液化地层桩基正常施工的主要控制措施。
【参考文献】
[1]赵旭荣.砂土液化机理及其判别方法研究[J].水利科技与经济，2008，14（9）：693-695.
[2]鲁晓兵，谈庆明，王淑云，张金来.饱和砂土液化研究新进展[J].力学进展，2004，34（1）：87-92.
[责任编辑：丁艳]
