關于充盈系數的探討

謝建敏

(福建省地質工程公司 福建福州 350002)

1 緒論

由于灌注樁具有應用范圍廣、單樁承載力高等鮮明特點，所以得到了建筑界人士的青睞，隨著城市化建設的高速發展，建筑已從多層向高層過度，特別是近十年來，大中城市的建筑均以十層以上為主，建筑的基礎形式80%是樁基。在國內外，它廣泛應用在工業與民用建筑、橋梁、港口碼頭、水利工程等，在城市建設中發揮了愈來愈大的作用[1]。

人工挖孔灌注樁先于1893年在美國問世，至今適逾110多年，在20世紀40年代初隨著大功率鉆孔機具的研制成功首先在美國問世，二戰后，世界各地特別是歐美發達國家經濟復蘇與發展，時至今日，隨著科學技術的日新月異發展，鉆孔灌注樁在高層、超高層的建筑物和重型構筑物中被廣泛應用。當然，在我國，鉆孔灌注樁設計及施工水平也得到了長足的發展。我國應用大直徑灌注樁始于20世紀60年代初，當時先在南京、上海、天津等地作為橋梁和港工建筑基礎，自70年代中期后又陸續在廣州、深圳、北京、上海、廈門等大城市應用于高層和重型建(構)筑物，至80年代末90年代初，隨著改革開放步伐加快，大直徑灌注樁迅猛發展[1]。

灌注樁由于是在地下或水下開孔灌注成樁，故樁身質量畢竟不可能象預制樁那樣穩定而可靠[1]。

沖孔灌注樁是灌注樁的一種，沖孔灌注樁的設備相對比較簡單，操作方便，是靠起拉樁錘而產生的自重和重力加速度在施工現場樁位上進行沖孔，并用泥漿護壁成孔，然后進行鋼筋籠制安，再進行灌注混凝土而成。

優點是:對鄰近建筑物及周圍環境的有害影響小;適用于各種地質條件和不同規模的建筑物、樁長、樁徑選擇范圍大，樁長易控制;樁端可進入持力層或嵌入巖層;采用大直徑樁時，單樁承載力高;水平可受力較大，在橋梁、水工和房屋建筑工程中得到廣泛應用。

缺點是:灌注樁成孔工藝較復雜，操作要求較嚴，易發生質量事故，且技術間隔時間長，不能立即承受荷載，冬季施工困難較多。

沖孔灌注樁的主要控制參數有:樁徑、樁端持力層、鋼筋籠制作與安裝、沉渣厚度、樁身砼強度、砼充盈系數、有效樁長等等。

充盈系數灌注樁的混凝土充盈系數是指一根樁實際灌注的混凝土方量與按設計樁徑計算的樁身體積之比。

充盈系數作為灌注樁的重要指標之一，其大小的控制對于建設單位、設計單位和施工單位具有重要的指導意義。

本文就沖孔灌注樁實踐中遇到的充盈系數問題進行如下內容的分析研究:(1)沖孔灌注樁充盈系數計算方法的分析與理解。(2)列舉施工現場采集的圖片，探討沖孔灌注樁充盈系數的控制方法和預防措施。

(3)結合施工現場經驗探討沖孔灌注樁充盈系數的檢測方法。

2 沖孔灌注樁充盈系數的分析與理解

2.1 規范中的充盈系數及計算方法

在JGJ94－2008建筑樁基技術規范[2]中規定，壓灌樁的充盈系數宜為1.0～1.2;沉管灌注樁的充盈系數不得小于1.0。對充盈系數小于1.0的樁，應全長復打。泥漿護壁成孔灌注樁的混凝土充盈系數不得小于1。不管何種樁，其最終充盈系數必須大于1。

現行的大部分設計圖紙所要求的灌注樁的混凝土充盈系數為≥1.10。

根據現行的樁基施工規范，充盈系數是灌注樁比較重要的一個指標要求之一。

如(圖1)所示

充盈系數的計算公式為:

灌注樁的混凝土充盈系數=灌注樁身砼的混凝土實際方量÷樁身的理論體積

其中:

灌注樁身砼的混凝土實際方量=灌注完成施工樁長L所用的混凝土實際方量

樁身的理論體積=π×D×D×L(實際灌注的混凝土方量所充盈的樁身長度)÷4

圖1 沖孔灌注樁樁身剖面圖

2.2 提高充盈系數計算精度的保證措施

根據充盈系數的計算公式，為了確保充盈系數計算的精確度，在實際操作中過程中可采用下列方法和措施:

(1)體積計算公式的參數之一(兩個樁身長度)應該一致:即實際灌注的混凝土方量所充盈的樁身長度與計算樁身的理論體積中的樁身長度應該一致。

根據現場實際操作經驗，當地下室空孔深度較大的時候所測量的“實際樁頂標高(含砼超灌高度)”誤差較大，則所計算的砼充盈系數是不準確的;

在混凝土未凝固之前，混凝土是處于液態的，此時在灌注樁身砼過程中所測量的混凝土面的得到的數據往往誤差較大。為了提高測量精度，減少誤差可采取改進測量工具的方法來測量。

①在灌注過程中當空孔孔深較大的情況下，采取帶有刻度標志測量繩，下部綁好測錘(測錘的底面積及重量以能穿過孔內濃泥漿并能過浮于液態混凝土表面為宜)進行測量，當所施工的樁徑較大時，應在孔內不同位置多測幾次然后對測量數據進行平均處理。

②在灌注過程中當空孔孔深較小(約＜8m)的情況下，可采取用DN20的鋼管(鋼管上做好刻度標志)，在其底部制作一個打撈筒，對孔內的混凝土表面進行打撈驗證實際混凝土面的的深度。

③在樁身混凝土灌注完成后，待混凝土終凝后，向孔內插入標桿直到樁頂混凝土表面，可采用水準儀進行最終的混凝土表面埋深進行精確測量。

“實際灌注的混凝土方量”=現場灌注砼澆筑至實際樁頂標高(含砼超灌高度)時所用的混凝土方量。

(2)規范中所提到的充盈系數中的實際混凝土方量沒有包括樁身砼中的鋼筋籠體積。

當設計樁型為錨樁或者圍護樁的時候，每立方混凝土中的鋼筋含量很多會達到或者超過200Kg/m3，以每立方米的樁身砼(2400 kg/m3)來分析一下，其中的實際砼用量僅需要2200Kg，那么當實際樁徑與理論樁徑均一致的情況下，按照充盈系數的規范體積計算公式，其充盈系數為2200÷2400=0.917，大大小于1，明顯達不到“不管何種樁，其最終充盈系數必須大于1”。這樣的樁很容易就產生了爭議。

(3)當一根樁的孔內同時出現坍孔與縮徑兩種情況的時候，如果其樁身砼的最終充盈系數等于1時，那么這根樁實際上也是屬于有問題的樁的。

針對該情況，在實際施工過程中應加強充盈系數的測量和計算頻率，采用分段計算的方法來記錄實際的樁身混凝土充盈系數。

2.3 充盈系數的控制方法

充盈系數的大小是關系到灌注樁的施工成本和樁身質量的一個重要指標。按照目前大部分設計圖紙要求，充盈系數宜≥1.10;而現行的定額含量中的充盈系數為1.204[3];現行的 JGJ94－2008建筑樁基技術規范[2]中規定，泥漿護壁成孔灌注樁的混凝土充盈系數不得小于1。

在實際施工過程中，由于巖土地層特性的差異以及施工隊伍水平的參差不齊，沖孔灌注樁在成樁后的實際充盈系數往往與設計或規范要求相差較大。(圖2、圖3)為在施工過程中出現的孔內坍塌和漏漿情況;(圖4～圖7)沖孔灌注樁周邊土方開挖后露出的樁頭的情況。

圖2 孔內坍塌

圖3 孔內漏漿

圖4 地下室土方開挖后露出的樁頭

圖5 充盈系數偏小，出現露筋

圖6 裸露的樁身外徑大小不一

圖7 裸露的樁身外徑大小不一

作為施工單位，在確保工程質量、滿足設計要求的前提下，采取相應措施，降低灌注樁砼灌注充盈系數，對節約混凝土用量，降低工程施工成本，提高經濟效益有著重要的意義。

根據施工現場實際操作經驗，充盈系數的預防措施主要有:

(1)通過試成孔，優化樁錘直徑。開工前分析巖土勘察報告所描述的地層，根據設計圖紙，首先采用比設計樁徑相差±2cm的樁錘進行試成孔，通過試成孔來掌握每個地層的充盈系數，而后適當調整錘頭直徑以滿足設計及施工規范的要求，再進行大面積施工。

(2)優質的泥漿是順利成孔的關鍵。在成孔過程中應根據各段地層的巖土特性實時調整孔內護壁泥漿的性能。沖孔過程中泥漿性能指標詳見(表1)。

表1 沖孔過程中泥漿性能指標

(3)成孔過程中應嚴格控制成孔垂直度(＜1%)。因垂直度偏差過大而進行的糾偏勢必造成充盈系數的加大。在成孔過程中應經常提升樁錘頭，并在提升的過程中嚴密監測懸掛樁錘的鋼絲繩是否明顯偏離樁孔的中心點，是否與天車及樁位中心始終保持在同一鉛錘線上，發現偏孔應及時采取糾偏措施以防垂直度偏差過大。

(4)及時修復樁錘直徑，特別在嵌巖之前，應提鉆檢查和修補樁錘直徑，以避免因樁錘磨損而造成充盈系數的減小。在入巖過程中，若發現樁錘磨損較大的情況下，除了在錘頭四周鑲焊耐磨鋼以外，還應將樁孔內用片石回填至樁孔縮徑起始點上方0.5m左右，以防止修補后的樁錘下入孔內出現卡鉆。

(5)在施工過程中針對相鄰的樁，要根據相鄰樁樁距的大小，采取跳孔或隔孔等先后順序來施工，以避免相鄰樁因沖孔所產生的振動而造成樁身強度受損，或產生孔內坍塌而造成充盈系數的加大。

(6)在遇到溶洞等特殊地層的情況下，應事先結合勘察報告或采取超前鉆探，詳細記錄溶洞的頂、底埋深，采取全程埋設鋼護筒或回填、注漿封堵溶洞等措施，在不出現漏漿的情況下方可進行沖孔施工。

(7)在樁身混凝土灌注過程中嚴格記錄并分析每個地層的充盈系數，而不是只計算總體的充盈系數。并借此分析數據來修正成孔過程的各項參數。(可參照上述“提高充盈系數計算精度的保證措施”中的計算方法)

2.4 充盈系數的檢測方法

在科技日新月異發展的當今社會，隨著國民經濟持續快速地發展和人民生活水平的不斷提高，完全可以從增加工程投入的角度來測量沖孔灌注樁身中的充盈系數:

(1)分段計量法。詳細測量并記錄每次灌入孔內的混凝土數量以及孔內混凝土面上升高度，再按照充盈系數的計算公式計算，該方法的精度取決于分段次數和測量精度，當分段越細及測量精度越高，則所計算的砼充盈系數越準確。該方法適用于混凝土澆筑施工記錄中的充盈系數數據。

(2)開挖測量法。在沖孔灌注樁成樁后，采用挖掘機等設備將沖孔灌注樁的四周的土方全部開挖，使整根樁裸露出來，然后進行丈量其樁身直徑并驗證樁身充盈系數是否滿足設計及施工規范的要求。該方法一般只針對基坑支護樁在土方開挖后的一個觀感測量。

(3)儀器測量法。可分為成樁之前測量與成樁之后測量兩種檢測方法

①成樁之前測量。在每根的成孔之后，采用井徑儀進行繪制單樁的孔徑曲線圖，通過孔徑曲線圖反應的實際樁徑，結合實際混凝土灌注量來計算樁身砼充盈系數。該方法適用于沖孔灌注樁的成孔質量檢測。

②成樁之后測量。在每根安放鋼筋籠的過程中下入至少兩根超聲波探測管，在成樁后采用超聲波探測可以測量出單樁的實際樁徑和樁身完整性，依此可以計算樁身砼充盈系數。該方法適用于沖孔灌注樁的樁身質量檢測。

3 結論

通過對沖孔灌注樁充盈系數的計算方法的分析與理解，著重研究了提高充盈系數的計算精度的保證措施，列舉了沖孔灌注樁充盈系數的控制方法和檢測方法。得到以下主要結論。

(1)灌注樁在施工前應認真收集、熟識與之相關的地質勘察報告，分析該勘察報告中所揭露的各個地層對灌注樁成樁過程中的充盈系數所產生的影響，制訂相關措施，編寫詳細周密的施工組織設計。

(2)充盈系數偏大，直接造成了混凝土材料的浪費;充盈系數偏小，又造成了成樁質量上的缺陷。因此在成孔及成樁的過程中，必須嚴格采取有效措施，加強現場施工管理，使灌注樁的充盈系數完全滿足設計及規范要求。既要避免施工單位或建設單位由于充盈系數過大而造成經濟損失，又要避免由于充盈系數過小造成灌注樁施工質量不達標而產生的補救費用。

[1?劉金礪，李大展，史偑棟，黃強.樁基工程設計與施工技術[C].中國建材工業出版社.1994.11:1－3.

[2]JGJ94－2008，建筑樁基技術規范[S].

[3]FJYD－101－2005，福建省建筑工程消耗量定額[S]:上冊.122.