真空負壓斷樁的機理分析與應用研究

趙明時

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

在灌注樁施工過程中，混凝土澆注是最重要的環節，90 %左右的斷樁事故發生在這一施工工序。一旦斷樁，勢必會造成資源的浪費和環境的污染[1]。工程中，人們往往將斷樁原因歸結于在灌注樁澆注過程中導管提出混凝土頂面。然而事實上，隨著灌注樁施工工藝的成熟，導管提出混凝土面發生的幾率非常低。在低應變速度～時程曲線圖上，我們所見的斷樁常伴隨著下方的擴頸，即灌注樁出現“先縮頸后擴頸”的現象。

為了降低灌注樁斷樁風險、減少工程損失，合理解釋灌注樁“先縮頸后擴頸”現象，研究在灌注樁混凝土澆注過程中斷樁的機理和影響因素是非常必要的，具有直接的工程意義和理論價值。

1 工程背景

1.1 項目背景

灌河某高樁碼頭總長513 m，碼頭前沿頂高程確定為4.40 m。碼頭采用高樁梁板結構型式，引橋共3座，從下游往上游方向，分別為1#、2#、3#引橋，引橋寬度為15 m。引橋基礎采用Φ1 000 PHC管樁和Φ1 000 PHC鉆孔灌注樁。根據設計平面圖，每座引橋打設灌注樁15根，共45根灌注樁，灌注樁頂高程為2.40 m，灌注樁樁底高程為-55.0～-45.0 m，高程-2.02 m以下混凝土強度為C30，在高程-2.02 m以上部位至樁頂混凝土強度等級為C30F250，如圖1所示。

圖1 引橋斷面示意

1.2 斷樁事故概況

本工程引橋 P-B9#灌注樁在施工過程中出現異常：P-B9#灌注樁在混凝土澆注至距樁頂約15 m時，導管埋入混凝土頂面6 m，如圖2所示，此時混凝土面突然下降4 m左右，發現此現象后迅速進行混凝土澆注，直至澆注到設計高程處后停止作業。

低應變檢測判定該樁為Ⅲ類樁，如圖3所示，距樁頂20 m處樁身有明顯缺陷、對樁身結構承載力有影響。

圖2 混凝土澆注示意

圖3 低應變速度～時程曲線

1.3 斷樁事故產生的不利因素

1）天氣條件

該灌注樁成孔及澆注時連降大雨，導致成孔采用的泥漿比重、粘度等指標下降，從而降低了孔壁的穩定性。

2）水文地質條件

根據本工程地質勘查報告，灌注樁成孔范圍內②2層淤泥質黏土，軟土，強度低，壓縮性高，且具有流塑性，易引起較大的沉降變形，不良工程地質層。該層土靈敏度約3.16，為中靈敏土。

灌注樁成孔范圍內地下水類型主要為孔隙潛水，孔隙潛水主要賦存于②層土以淺土層孔隙中，與灌河水有強烈的水力聯系。孔隙潛水主要受大氣降水及灌河水補給，以自然蒸發和側向逕流方式排泄。

灌河口附近海域受黃海潮波系統控制，屬非正規半日潮。潮波傳入灌河河道后，潮波逐漸轉為前進波與駐波的混合型潮波，具有明顯往復流性質。灌河沿程高、低潮位和潮差變化不大，潮波變形使河道內漲潮歷時縮短，落潮歷時延長。

3）荷載條件

灌注樁孔壁及灌注樁樁體，除承受上部垂直向荷載外，還承受水平動荷載，水平動荷載主要來自兩個方面：一是打樁船施工時產生的水平振動力；二是工程區存在的潮汐，由于漲落潮以及船舶行駛產生的波浪，進而對施工灌注樁所搭設的鋼平臺樁基產生往復水平推力，鋼平臺樁基類似于一豎直的彈性地基梁，在水平動荷載反復作用下工作，對地基土必將產生往復震動，而使土層的抗剪強度等物理性質指標降低，致使鋼平臺樁基附近土體力學指標降低，進而影響灌注樁孔壁的穩定性[2]。

2 斷樁事故分析

2.1 真空負壓斷樁的概念

灌注樁混凝土澆注過程中，由于孔壁附近混凝土突然缺失，導致孔壁內側形成短期“真空”狀態，孔壁在外側土壓力作用下失穩，土體進入混凝土中，致使灌注樁樁體截面受損，形成斷樁，如圖 4所示。

2.2 機理分析

在灌注樁混凝土初凝前，已澆注部分的孔壁由外側土壓力和內側混凝土、泥漿壓力平衡。當孔壁內壓大于外壓時，孔壁失穩，混凝土進入土體，失穩層上方孔壁的混凝土“瞬間”下落，形成“真空”狀態，進而導致“真空負壓斷樁”的情況發生。

圖4 真空負壓斷樁

2.3 案例分析

引橋 P-B9#灌注樁在混凝土澆注至距樁頂約15 m時，距樁頂20 m處的混凝土尚未初凝；且根據混凝土導管埋設情況，距樁頂21 m處正為混凝土澆注下口，該位置的孔壁除了受內外壓的靜荷載外，還要承受來自混凝土橫向流動的水平沖擊力；同時，該位置恰處在②層土，該層土的孔隙潛水與灌河水有強烈的水力聯系，流動性較大，致使孔壁泥皮物理化學穩定性較差，從而使泥漿或混凝土更容易進入土體。

事故發生時，距樁頂21 m處的孔壁由于以上諸多不利因素發生失穩，混凝土短時間內流入土體及含水層，致使上方孔壁內側形成短期“真空”狀態，距樁頂20 m處的孔壁發生二次失穩，土體進入混凝土，形成“真空負壓斷樁”。

2.4 預防措施

“真空負壓斷樁”形成于混凝土澆注過程中，它不同于成孔過程中的孔壁失穩，是不可逆的工序，一旦發生斷樁，不但會影響工程實體質量，對工期及成本也都會造成不良影響。

針對“真空負壓斷樁”形成的機理和影響因素，提出以下預防措施：

1）灌注樁在不良水文地質條件下澆注混凝土，一方面減少埋管深度，以降低對混凝土的擾動，加快已澆注混凝土的初凝，也就是說從混凝土初凝角度來看，埋管越淺越利于孔壁的穩定。另一方面適當降低澆注速度，減少混凝土橫向流動對孔壁產生的沖擊。然而，在實際施工過程中，混凝土澆注速度往往由埋管深度決定，即導管埋深越大、混凝土澆注速度越慢，也就是說從混凝土橫向沖擊角度來看，埋管越深越利于孔壁的穩定。這就需要工程技術人員根據工程所在地天氣、水文地質條件、施工工藝等具體情況合理調整導管埋深，以平衡混凝土初凝和混凝土橫向沖擊對孔壁造成的不利因素。

2）水上施工灌注樁采用的鋼護筒長度盡可能穿越工程地質性質較差的土層。

3）灌注樁施工過程中，減少外界施工振動干擾，例如：當灌注樁和預制管樁同時存在時，盡量先施工管灌注樁，再進行預制管樁的打設，以減少孔壁失穩的風險。

4）灌注樁在不良水文地質條件下施工，泥皮物理化學性質較差，因此泥皮的滲透系數較低，因此勤于檢測泥漿指標，特別是泥漿的比重和粘度，注意新漿的補充和廢漿的排除。這不僅僅有利于灌注樁成孔施工，而且能夠增加泥皮的穩定性，有利于灌注樁的完整性和承載力。

3 結 語

1）在復雜環境下進行灌注樁施工，工程技術人員要綜合考慮天氣、水文地質條件及其它施工條件等對灌注樁“真空負壓斷樁”的影響。結合本工程實際情況確定灌注樁澆注混凝土時，埋管深度為3～5 m；另外根據本工程水文地質條件，鋼護筒長度選取24 m；打樁施工和灌注樁施工的安全距離要大于200 m。

2）“真空負壓斷樁”理念的提出，不僅僅保證了灌注樁的完整性和適應性，增強了灌注樁在建筑市場中的競爭力；更重要的是對灌注樁低應變曲線圖中常見的“先縮頸后擴頸”的現象做出了合理的解釋，完善了灌注樁的斷樁理論。