南美某電廠灌注樁正反循環清孔對比分析

馬曉武，孫杰飛，鄭建國

（機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043）

0 引 言

旋挖成孔灌注樁，目前在國際工程項目的地基與基礎中應用十分廣泛，尤其是對荷載要求較高或有著動荷載的基礎，普遍采用旋挖成孔灌注樁。該工藝優點明顯：性價比高、施工周期較短、工藝成熟、單樁承載力較高[1]等等。但由于鉆孔灌注樁施工工藝的特殊性，其承載力受施工中的因素影響較大，特別是孔底沉渣嚴重影響樁承載力的發揮[2]。因此，施工過程中加強孔底沉渣厚度的控制與檢測，是保證鉆孔灌注樁施工質量和樁基承載力的關鍵措施，而大部分樁基工程中，孔底沉渣二次清孔的環節會被忽視，未能引起足夠的重視。本文結合某海外項目實例對海邊復雜地層使用灌注樁工藝時孔底沉渣的二次清孔方法效果及保證措施進行探討和建議。

1 項目背景

南美某電廠擬在原機組南側擴建一臺高功率機組，廠址地貌屬于河灣與三沖河沖積平原相接地帶，南部與山脈相連，北鄰加勒比海，距離海邊的直線距離不足300 m。

根據勘察報告揭露所示，地基巖土層由上而下的簡要分述為下：

①雜填土：主要成分為建筑垃圾，結構較為松散，N平均值為9，抗壓離散性較大，一般層厚為0.60～0.95 m。

②珊瑚礁：灰白色，溶蝕現象明顯，溶孔少量發育，呈中等風化狀，一般層厚為0.50～6.80 m。

③粉砂：根據該層密實度差異，分三個亞層，其中③-1層飽和、松散-稍密，一般層厚 1.00～14.10 m；③-2層連續性較差，飽和、中密，一般層厚 0.90～9.10 m；③-3層連續性也較差，飽和、密實，一般層厚1.30～6.80 m。

④黏土：深灰、灰黑色，含多量朽木碎屑，具濃烈的腥臭味，可塑狀態，N平均值為9，抗壓離散性略大，一般層厚為0.40～8.40 m。

⑤粉土：根據該層密實度差異，分兩個亞層，其中⑤-1層飽和、稍密，一般層厚 2.00～3.70 m；⑤-2層飽和、中密，一般層厚1.00～13.90 m。

⑥中粗砂：灰白、褐黃色為主，飽和、密實，N平均值為65，較硬，一般層厚為0.70～15.60 m。

⑦粉細砂：黃褐色為主，飽和、密實，分布連續性差，一般層厚為1.30～8.80 m。

⑧粉質黏土：褐黃、黃褐色，偶見鐵質結核，局部呈半成巖狀態，土體中裂隙較發育，堅硬狀態，一般層厚為0.50～11.30 m。

⑨礫巖：灰白色為主，巖性較堅硬，中等風化，一般層厚為0.60～1.20 m。

⑩泥質砂巖：該層巖性十分復雜，有砂巖、泥巖、砂質泥巖和泥質砂巖，空間分布連續性很差，鑒于上述幾種巖石物理力學性質相差不大，統一定義為泥質砂巖。根據風化程度，劃分為兩個亞層，其中⑩-1層為強風化泥質砂巖，巖石風化強烈，程度不均，局部呈砂狀、土狀，節理裂隙十分發育，節理裂隙面光滑；⑩-2層為中風化泥質砂巖，巖性相對完整，節理裂隙少量發育。N平均值為123，最大可達214，變異系數0.34。

為了確定該項目工程地質條件下灌注樁工藝的可行性，明確施工過程中質量控制范圍的重點，為持力層選擇提供一定的依據，對該工藝應當進行試樁。

2 試樁設計

灌注樁的常規試驗一般對單樁豎向抗壓、水平和樁身完整性進行驗證，孔底沉渣主要影響的是豎向抗壓極限承載力，在此只考慮該種承載力的方案設計。

孔底沉渣厚度控制的關鍵在于二次清孔方法的選擇，由于項目地點位于國外，當地資源不及國內豐富，結合項目地層情況和當地現有資源，擬采用循環灌漿法和泵吸反循環法進行比較。

項目設計了四組試樁（800 mm樁徑和600 mm樁徑各兩組，有效樁長約為25～33 m，具體如表1所示），持力層均為強風化泥質砂巖。四組試樁成樁過程中的主要區別就在于樁徑和二次清孔的方法不同。下面對兩種清孔方法進行簡單的介紹。

表1 試樁清孔方法及部分參數Table 1 Test pile hole cleaning methods and some parameters

2.1 循環灌漿法清孔

循環灌漿清孔的目的是使沉渣從導管外部流出。外接動力（例如空氣）通過導管注入新制泥漿，泥漿密度根據不同地層進行配置，大約控制在1.15～1.25之間，避免太大或太小而影響清洗效果，帶壓泥漿攜帶沉渣通過導管與孔壁形成的環閉空間上返，排出孔口以外，以達到沉渣清理。這種方法對于樁長較短的灌注樁來說，是比較經濟合理的，在該項目的試樁中也達到了相應的效果。

2.2 反循環清孔

泵吸反循環清孔的目的是使沉渣從導管內部被抽出。利用離心泵的抽吸力量，在導管口處形成負壓，孔口的泥漿在大氣壓的作用下，經導管攜帶沉渣經導管中空而上升，通過膠管從泵中排至沉淀池中。經沉淀后的泥漿，以自流的方式自井口流至井底，形成循環。常用的泵為砂石泵，它要求能排出沉渣而又要有較大的真空度[3]。

3 試驗過程及結果簡要分析

3.1 試驗過程

施工完畢28 d后，待樁身混凝土抗壓強度均達到 100%，對四組試樁均進行單樁豎向抗壓靜載試驗來驗證承載力效果。根據設計要求，預估800 mm直徑和600 mm直徑單樁豎向承載力設計值分別為3 000 kN和1 800 kN。

該項目因地處南美，應業主要求，需共同參照國內JGJ 106和美標ASTM-D 1143中的規定進行試驗，依據美標中的循環荷載測試（8.1.8）[4]：“對于首次施加的試驗荷載增量，在施加相當于單樁試驗樁設計荷載的 50%、100%和 150%的荷載”，制定了具體的循環加載數值如表2所示。

表2 不同樁徑分次循環加載峰值Table 2 Cyclic loading peak values for different pile diameters

每一次根據加載峰值來進行試驗，試驗程序上國標與美標差異不大，都可以通過觀測單樁的沉降量來判斷極限承載力。在經過現場溝通并結合實際情況后，大部分的試驗程序以美標為準：

（1）以25%的設計荷載增量施加各級荷載。

（2）維持每級荷載，直到變形速度小于0.25 mm/h，維持時間不超過2 h。

（3）總變形應小于樁直徑的15%。

（4）在完成最后的荷載增量后，以最大測試荷載25%的減量進行卸載，每級荷載之間間隔1 h[4]。

循環灌漿法清孔的800 mm試樁極限承載力不均勻，有兩根試樁在第二次和第三次加載中出現了較大沉降量，并通過較長時間達到穩定（每小時沉降量低于0.25 mm），分別在6 750 kN和8 250 kN（見圖1）終止了加載。次循環分級加載后，沉降量均符合要求。

圖1 第一組試樁Q-s曲線Fig. 1 Q-s Curve of test piles in group 1

反觀泵吸反循環法清孔的 800 mm試樁和600 mm試樁，在第三個循環中，800 mm和600 mm的試樁在峰值荷載的作用力下位移較小，總沉降量分別為22.49 mm和10.53 mm（圖2）。

圖2 第二組和第四組試樁S-lgt曲線Fig. 2 S-lgt curve of test piles in group 2 and 4

卸載后的塑性變形量分別介于 2.92～4.73 mm之間，可以認為兩組試樁尚未出現極限狀態（圖 3）。

圖3 第二組和第四組試樁Q-s曲線Fig. 3 Q-s curve of test piles in group 2 and 4

3.2 試驗結果簡要分析

由于在試驗過程中，循環灌漿法下的800 mm樁徑試樁出現了不止一次沉降量較大的情況，且達到穩定所需時間較長，參照一般Q-s和s-lgt曲線的承載力，并經過現場施工情況綜合考慮[5]，四組試樁的推薦承載力值如表3所示。

表3 承載力取值Table 3 Bearing capacity values

當使用泵吸反循環法進行二次清孔的試樁，兩種樁徑的試樁在沉降量上都表現良好，根據上述同樣方法，可推薦800 mm樁徑和600 mm樁徑單樁的極限承載力分別取9 000 kN和5 400 kN。

根據以上檢測出現的不同情況，并結合現場施工情況來看，分析原因主要有三點：

（1）針對循環灌漿法不同樁徑的檢測結果，600 mm樁徑的樁施工時充盈系數較大，換算等效樁徑接近700 mm，因此，600 mm樁徑的樁承載力相對較高。

（2）采用循環灌漿法清孔時，當樁徑較小時，導管外壁與孔壁之間的泥漿斷面相對較小，在一定的注入流量下，小直徑的樁必然比大直徑的樁擁有更高的上返流速和沖擊力，相對提高了清除孔底沉渣的效果。

（3）針對兩種不同清孔方法的檢測結果不同，可以判斷，泵吸反循環無論是800 mm或是600 mm均能取得預想的效果，而不受樁徑大小的影響，在同一個項目中，如果同時存在樁徑不同的樁，相比循環灌漿法，泵吸反循環法更經濟合理，值得推廣。

整個廠區共施工了1 913根灌注樁，采用高應變動力檢測對29個部位的105根灌注樁進行了實驗，具體數據如表4所示。

由表4可知，共105根檢測樁的單樁承載力均能滿足設計要求。

表4 工程樁檢測結果Table 4 Test results of engineering piles

4 孔底沉渣厚度控制的質量保證措施

根據上文中試樁的試驗結果，可以正面反映出混凝土灌注前孔底沉渣的厚度對于單樁承載力的影響。通過對施工流程的觀察，該工藝根據機械和材料的使用大致可分為三個流程，分別是成孔、鋼筋籠制作及安裝、混凝土灌注，這些流程都會對孔底沉渣厚度有一定的影響，簡單列舉如下，并提出一些防治措施供參考[6]。

4.1 成孔

該項目鄰近海邊，場地地下水較淺，需進行泥漿護壁濕作業成孔。項目地處南美加勒比海地區，考慮運輸成本因素，采用了化學泥漿作為護壁劑。

護壁液比重是關鍵指標，如果比重較小，孔內泥漿中顆粒難以懸浮，會較快沉淀至孔底，而鉆頭底部存在較大空隙，每次鉆進取土時都會殘留部分渣土難以撈起；另外，鉆頭在提升過程中容易將孔底下部空間形成真空，且當鉆頭下放和提升時，均不時刮擦孔壁，增加了泥漿中的顆粒懸浮比例，最終造成沉渣量的增加。

針對以上可能出現的現象，首先，在施工前通過試驗確定泥漿和水的配比，必要時也可進行試樁成孔對比沉渣厚度；施工過程中，現場技術人員應當對每根樁成孔前泥漿池內的泥漿比重和黏度進行實驗，確保實驗結果與前期試驗結果相符。其次，在鉆進取土過程中，鉆頭應當慢下，不打滿鉆，最大程度的減小與孔壁的接觸，提離孔口時，對孔內需要有一個較大量的泥漿補充，避免水壓不夠而導致塌孔。終孔后，應當使用撈砂鉆頭對孔底進行一次清孔，以保證成孔深度滿足設計要求。

除此之外，配套設備的調整也是關鍵。因該項目地層中包含泥質砂巖，深度較深，鉆機在鉆進至此層時，鉆桿扭矩逐漸變小，鉆頭斗齒與鉆頭底部平面的角度會直接影響鉆進效率，故需根據鉆進工效隨時調整角度。

4.2 鋼筋籠制作及安裝

鋼筋籠制作過程一般不會對沉渣有所影響，但是在鋼筋籠尾部的鋼筋分布上需要注意，避免在運輸過程中導致尾部鋼筋外翻；在鋼筋籠安裝部分，圖紙中都會對鋼筋籠中下放有明確要求，主要目的是發揮鋼筋籠在樁體中的抗剪能力，同時為了避免在安放鋼筋籠過程中發生刮擦孔壁現象。

鋼筋籠的安裝應當選擇標準起重機械，垂直下放，并沿鋼筋籠體布置墊塊，幫助其居中，達到減小刮擦孔壁次數的效果。

4.3 二次清孔及混凝土灌注

對于泵吸反循環法二次清孔，為了使沉渣能順利通過，泵體內的自由通道應與導管內徑接近。砂石泵的葉片間隙要大，而且要求泵體和葉片有較好的耐磨性。砂石泵的流量根據導管內徑而定，一般為120～240 m3/h，最大可達500 m3/h。因流量較大，在作業前，應當在孔口圍成較大的蓄水圈，以便泵開啟時，能夠及時給孔內補足泥漿，避免塌孔現象。

二次清孔處理沉渣后進行混凝土灌注。泥漿中的顆粒懸浮物會隨著時間的流逝，慢慢聚集在孔底，并有一定的黏結能力，從而在孔底形成較為頑固的沉渣，因此，導管安裝的工效也會對沉渣厚度有所影響。二次清孔以后，在混凝土灌注的大漏斗中設置同等標號混凝土隔水球，保證混凝土的初灌量，通過初灌混凝土的重力作用，在沖出導管底部的一瞬間，將孔底沉渣沖至于混凝土上部，隨后連續正常灌注，最終成樁。混凝土初灌量可以通過計算得出[7]：

式中：V為初灌混凝土所需數量，m3；D為樁徑，m；h2為初灌后導管埋深，取值不小于0.8 m；d為導管內徑；k為混凝土充盈系數，不小于1，一般取1.1～1.2，根據地層和經驗可擴大；h1為孔內混凝土達到埋管高度時，導管內混凝土與導管外水柱壓力平衡所需的高度，m，即：

式中：h為孔內泥漿高度；γw為泥漿密度，kN/m3；γc為混凝土密度，kN/m3。

混凝土灌注前的導管安裝屬于二次清孔前的最后一道步驟，應當增加熟練程度，縮短安裝時間，為后序作業做好鋪墊。

5 結 論

（1）旋挖成孔灌注樁工藝是地基處理的重要方法，尤其在提高工業廠房柱下基礎的承載力上發揮著重要作用。

（2）混凝土灌注前的孔底沉渣厚度對灌注樁單樁承載力的發揮有著至關重要的影響。

（3）能適應多種樁徑的泵吸反循環法二次清孔在對單樁承載力要求較高的項目中值得推廣。

（4）文中的孔底沉渣厚度控制措施是以該項目為基礎提出，根據不同項目的特征應優化調整。