浅谈干成孔灌注桩砂层塌孔处理方案
摘要
旋挖钻机干成孔灌注桩施工过程中，成孔需穿过约6m厚细中砂层,发生塌孔现象。
经过对地层的深入研究及对各方案的反复比选，最终确定使用水泥土混合料加固细中砂层。
根据统计数据，施工过程中塌孔率为100%，处理率为87.9%。
经处理后，平均充盈系数为1.18，桩基检测合格率为100%，既经济又保证了工期的要求，得到业主高度评价。
关键词：干成孔钻孔灌注桩；塌孔；水泥土加固体；细中砂层
引言：旋挖钻成孔技术是近些年发展起来的一种新型钻孔灌注桩成孔技术。
旋挖钻机以其安装简单,钻头拆卸方便,机械化程度高,成孔速度快,污染小、噪音低、振动小等优点,被广泛应用,但在砂层地质条件下施工时稍有不慎,就非常容易造成塌孔。
1、背景介绍
北方某炼油厂改扩建项目，催化裂化装置反-再框架及分馏塔联合支架，共计钻孔灌注桩331根，桩径600mm，孔深30.5m，施工桩长28m，使用旋挖钻机干作业成孔。
详细地质情况如下：
①层粉质粘土（Q
4
al+pl）：可塑~硬塑状态，。
该层虫孔发育，属黄土状土，具有非自重湿陷性, ,层厚2.00~2.30 m
②层粉土（Q
4
al+pl）：稍湿~湿，中密~密实状态，,局部有粉质粘土夹层。
属中压缩性土,层厚1.70~2.50m
③层粉质粘土（Q
4
al+pl）：可塑状态，局部软塑，土质较松软,局部有粉土夹层。
属中压缩性土,层厚0.50~1.30m
④层粉质粘土（Q
4
al+pl）：可塑，局部硬塑状态，属中压缩性土,层厚2.20~3.10m。
⑤层粉质粘土（Q
4
al+pl）：可塑~硬塑状态，属中压缩性土层厚2.40~4.30m。
⑤
1层粉细砂（Q
4
al+pl）：稍湿，中密～密实状态，分选较好，主要成分为石英、
长石，含粘粒。
该层在Db1、Db4钻孔中揭露,层厚1.30~1.50 m。
⑥层粉质粘土（Q
4
al+pl）：可塑～硬塑状态，局部夹粘土、粉土薄层,属中压缩性土,层厚1.40~2.80 m。
⑦层粉土（Q
4
al+pl）：稍湿~湿，密实状态，局部夹粉质粘土薄层,属中压缩性土,层厚0.60～1.40m。
⑧层细中砂（Q
4
al+pl）:褐黄~灰白色，稍湿，密实状态，局部中密，主要成分为石英、长石，分选较好。
该层在整个场地均有分布。
层厚5.50～6.20m，层底深度20.30～
20.70m，层底标高36.34～36.64m。
⑨层粉质粘土（Q
3
al+pl）：硬塑状态，含姜石，局部富集，近钙质胶结层，致使局部标准贯入锤击数偏高。
局部夹粉土薄层。
属中压缩性土。
该层在整个场地均有分布，层厚8.90～10.60m。
⑨
1层细砂（Q
4
al+pl）:稍湿，密实状态，主要成分为石英、长石，含卵砾石少量，
局部夹粉质粘土薄层。
该层在整个场地均有分布，最大揭露厚度10.80m，最大揭露深度40.00m。
除③层粉质粘土（Q
4
al+pl）含水率为25.9%，其它土层含水率均小于20%。
在桩孔中下部存在细中砂（Q
4
al+pl）层，地基土承载力特征值fak及压缩模量Es建议值分别为250 kPa、25.4 Mpa。
根据设计要求，桩身需穿越细中砂层。
在试成孔过程中，细中砂层塌孔严重，不能有效进尺，且桩间距为2.1m，极易形成串孔。
桩基施工期间正值冬季，且工期紧，为了快速、经济、有效的处理塌孔问题，需要研究确定一种切实可行的处理办法。
2、方案比选
3、最优方案详述
通过比选最终确定方案6为最优方案。
3.1细中砂层为易塌孔地质
平均厚度为6.0m的细中砂层有“空隙大、渗透性好、内聚力小，对外力反应灵敏，外力作用下易产生移动，丧失稳定”的特性。
若钻孔灌注桩在钻进过程中未采取适当的处理措施就会破坏砂层本身的应力平衡，形成塌孔。
根据本地区的详细勘察报告，细中砂层含水率17.5%左右，含水率较低。
内粘聚力计算值为零，内摩擦角经验值为39°。
因地质土层形成年代久远，由于自重应力及上覆土层压应力的长期作用，细中砂颗粒之间的滑动摩擦力和咬合摩擦力相对较大，故仅有12.1%发生重复塌孔。
3.2主要施工步骤
3.2.1主要施工步骤
1）测放桩位
2）桩机就位，调整水平、垂直度、对准桩位，开始钻进（选用螺旋钻头，一是卸土方便，二是以防砂层塌孔埋钻。
）
3）钻至细中砂层时，钻进速度放慢，轻压进尺，防止扰动过大，发生大面积坍塌。
在穿过砂层后，应立即进行处理加固，否则在接下来钻进过程中极易引起大面积塌孔，出现埋钻事故
4）如可直接钻至砂层底则立即回填水泥土混合料。
如不能直接钻至砂层地，则钻进2-3m，回填混合料，静置，复钻，回填----直至穿过砂层。
5）钻进至设计要求深度。
钻进过程中，在刚刚穿过砂层到达⑨层粉质粘土（Q3al+pl）层时，应轻压慢进，避免扰动上部砂层，亦保证成孔的垂直度要求。
6）安装钢筋笼。
7）灌注成桩。
在灌注过程中，当混凝土面接近砂层时，应使导管埋入混凝土，使混凝土通过自重压力灌注通过细中砂层，避免因混凝土自由下落振动、扰动砂层。
8）振捣并观察混凝土面下沉情况，如下沉超过规范要求，应补充混凝土，并充分
振捣。
3.2.2施工中需注意事项：
1）间隔跳打，防止串孔；
2）成孔后立即安装钢筋笼并灌注，防止因附近桩孔施工，引起孔壁二次坍塌；
3）钻孔过程无特殊原因应连续作业；
4）提升、下放钻头，以及吊放钢筋笼应尽量保持垂直，避免碰撞孔壁；
5）施工中应尽量避免大型设备或车辆通过施工区域。
3.3人、机、料情况
3.3.1施工作业人员分成两班，昼夜流水施工。
3.3.2施工所用主要设备如下：
两台旋挖钻机，一台吊车，一台装载机。
未增加机械设备，现有机械即可完成施工任务，只是因处理砂层坍塌，不可避免地降低了设备的工作效率，机械使用费用增加。
3.3.3水泥土加固体材料：
水泥采用P.S32.5袋装水泥（项目所在地区即有多家水泥厂，故水泥成本较低。
根据现场试验，采用P.O42.5水泥与粉质粘土混合，加固效果提高并不明显，故选用成本低，效果相当的P.S32.5水泥），粉质粘土就地取材。
3.4水泥土混合料的拌制及回填：
将粉质粘土与水泥按比例均匀混合，加入适量水，使其处于可塑状态。
（如为流塑状态，凝结固化时间较长，影响工期）混合料拌制完必须在2小时内回填用完，超过2小时的混合料不能使用。
将水泥土混合料填入桩孔，并量测，超过细中砂层顶约一米。
静置12小时，再实施钻孔，成孔后稳固时间可达5小时以上（无明显扰动情况下），如扰动比较明显，容易造成二次塌孔，个别桩孔出现过三次塌孔现象。
水泥土加固细中砂的作用机理：首先是水泥土的凝结固化形成具有一定粘聚力的加固体，对砂层有一定支撑、稳定作用，其次是依靠螺纹钻头的挤压作用将水泥土体填充塌孔部位，强化支撑作用，减小混凝土超灌量。
3.5桩基检测结果：
3.5.1低应变动力检测灌注桩共计100根，抽检数量占总桩数的30.21%。
其中，一类桩94根，二类桩6根，无三、四类桩，合格率100%。
3.5.2高应变动力检测灌注桩共计6根，抽检数量占总桩数的1.81%，满足设计单桩竖向抗压承载力特征值要求（≥1700kN）。
3.5.3单桩竖向抗压静载试验共计检测灌注桩9根，抽检数量为总桩数的2.72%，
结果满足设计单桩竖向抗压承载力特征值要求（≥1700kN），与高应变动力检测结果吻合。
3.5.4单桩竖向抗拔静载试验检测灌注桩6根，抽检数量占总桩数的1.81%，单桩竖向抗拔承载力特征值满足设计要求（≥500kN）。
3.5.5单桩水平静载试验共检测灌注桩6根，抽检数量占总桩数的1.81%，单桩水平承载力特征值满足设计要求（≥80kN）
4、结语
根据水泥土混合料回填过程的记录，每根桩回填混合土料的范围为2.5---7方，粉质粘土与水泥的体积比约为1:10。
根据现场统计数据，331根灌注桩，仅有40根灌注桩未进行回填料处理，处理率为87.9%，二次塌孔数量为35根，占总数的10.57%，三次塌孔数量为5根，占总数的1.51%，共使用水泥298t，平均每根灌注桩约使用水泥1.02吨，331根灌注桩共计超方208方，灌注情况见下表：
经桩基检测，合格率为100%。
实际有效施工工期为35天，平均每台旋挖钻机日完成量为4.73根，且在灌注过程中，根据现场监测，未出现串孔现象。
说明水泥土加固体护壁效果好，保证了桩身质量、施工工期，也有效地降低了混凝土超灌量。
参考文献：
1、郭有福.粉质砂性土地质情况下的钻孔灌注桩的施工（J）黑龙江科技信息2010（17）：:10-11
2、刘开拓姚洋.浅析旋挖钻机在砂层地质下施工造成塌孔因素及防治措施：《中国新技术新产品》2011年第05期
3、黎中银夏柏如旋挖钻机施工工法通用规程建筑机械 2007年6月（上半月刊）
4、工程地质手册（第四版）中国建筑工业出版社
5、水泥土桩复合地基处理规程 DB13(J)39-2003 河北省建设厅发布。