旋挖鉆孔灌注樁的混凝土充盈系數影響因素分析

譚松娥 趙 江

（1.中南建筑設計院股份有限公司，湖北 武漢 430071；2.廣東省珠海工程勘察院，廣東 珠海 519002）

隨著建設步伐的快速邁進，旋挖成孔工藝因其快速便捷、成孔效率高得以在基礎工程施工中廣泛應用。混凝土是灌注樁的一項重要材料，其費用占灌注樁工程總費用的20～25%，因此混凝土用量的控制直接關系到旋挖成孔灌注樁施工成本。從而控制單樁混凝土用量對降低工程成本，提高經濟效益具有重要意義。

鉆孔灌注樁的混凝土充盈系數是指灌注樁成樁過程中的實際混凝土用量與設計混凝土用量的比值，是施工過程中混凝土用量的參考指標。在施工過程中，既要求充盈系數大于設計值，以保證灌注樁成樁質量，又要求充盈系數無限趨于設計值，以降低工程施工成本。根據規范 《JGJ4-80》，灌注樁的充盈系數不得小于1；一般土質為1.1；軟土為1.2-1.3。在保證設計樁長與樁身直徑的情況下，充盈系數控制越小，混凝土浪費越少，經濟效益也就越高。因此，在施工過程中要控制好充盈系數，既不能過小也不能過大，過小則造成樁身缺陷，過大則造成成本浪費，同時也影響樁身承載力。

1 充盈系數影響因素

在施工現場，有許多因素會造成充盈系數的增大或減小，有人為原因、施工設備原因、鉆具匹配問題、鉆進參數的選擇、泥漿性能以及數據收集計算誤差等，常見影響因素如下：

1.1 旋挖鉆頭尺寸與類型

鉆頭外徑尺寸是決定樁孔直徑的關鍵因素，制作鉆頭的外徑不規范，誤差較大，直接影響到樁徑的大小。并且混凝土的比重大于土體的比重，在混凝土灌注的時候，會對周圍的土體產生擠土效應，使得樁徑發生少許擴大，所以在選用旋挖鉆頭時，鉆頭比設計樁徑小，例如樁徑1000mm工程樁鉆頭選用950mm，樁徑800mm工程樁鉆頭選用760mm，以此來控制充盈系數的大小。因此選用合適的鉆頭直徑，避免成孔孔徑超過設計樁徑，是控制充盈系數的一個重要方面。但同時，在施工過程中要定期測量旋挖鉆頭尺寸，防止因為鉆頭磨損使得鉆頭直徑過小，造成樁身小于設計要求，樁的承載力不能滿足設計要求。盡管地層性質對樁徑也有一定的影響，有的甚至很大，但只要掌握地層的特點后，同樣可通過適當加大或縮小鉆頭外徑達到控制樁孔直徑的目的。

鉆頭類型的選擇也十分重要。鉆頭類型選擇不當，則不僅鉆進效率低，鉆頭不進尺，而且勢必增加鉆桿擾動孔壁的概率，導致孔壁坍塌、樁孔超徑。旋挖鉆斗在施工中扮演著鉆進和取渣的重要角色，市場上常見的鉆斗有雙鍋底撈砂斗（土層、嵌巖）、螺旋鉆斗 （土層、嵌巖）、旋挖鉆斗、體開式鉆斗等。因此，對于不同的地層，我們應該選用適宜該地層的鉆頭。所以選擇合適的鉆頭的外形也是控制充盈系數的一個方面。

1.2 導正器

導正器是保證鉆頭在鉆進過程中沿著鉆桿軸線方向前運轉的平穩裝置 （起導向作用），可減少鉆機主動鉆桿的晃動、搖擺，增加導正性能，使鉆頭平穩運轉。如果不用或選擇不當，就會形成孔壁不規則的彎曲樁孔，造成孔斜，以至鋼筋籠下不去，或者鋼筋籠下去后刮擦孔壁，造成孔壁擴徑甚至塌孔。為保證工程質量必須重新進行掃孔或糾斜。凡進行掃孔或糾斜的樁孔往往嚴重超徑，甚至有的樁孔充盈系數高達2.0以上，所以應該在鉆進過程中合理利用導正器。

當然，并不是每個地層所用的導正器都一樣，而是應該在什么地層中鉆進選用適合該地層鉆進的導正器。例如在粘土層中使用寬度超過7cm的導正器，容易造成導正圈處包泥，包泥后會使鉆具的回轉失去穩定性，引起樁孔口徑擴大，造成充盈系數加大。

1.3 鉆桿直徑

鉆桿直徑小也會影響混凝土充盈系數。一是鉆桿直徑小會導致樁孔環狀間隙大，級配差；二是鉆桿直徑小會使得鉆桿強度低，容易引起彎曲。這兩種原因在鉆進過程中都會引起鉆頭晃動，鉆桿敲打孔壁。在同一地層中，使用直徑89mm鉆桿所成樁孔的平均充盈系數達到1.41，而選用直徑大于150mm鉆桿施工的樁孔充盈系數卻在1.0-1.2之間。因此，應該根據打樁孔徑的大小來選擇合適的鉆桿，鉆桿直徑不宜過小。否則會增大充盈系數，而且還會影響最后成樁的質量。

1.4 鉆壓

在大直徑樁孔鉆進過程中，如果不能吊直鉆桿而采取加壓鉆進，就會使鉆具失去穩定運轉的條件。因為鉆壓過大會使鉆頭吃入地層越深，在旋轉中受到的阻力越大，所消耗的功率也就越大，容易造成鉆桿的彎曲，其結果是容易造成斜孔，嚴重的話還可能會引發孔內事故。為了糾斜必然會加大混凝土的灌注量，增加充盈系數。因此在鉆進過程中應該合理控制鉆進時的壓力，不要一味地為了追求速度，而盲目加壓。

選擇合理的鉆進壓力能夠保證鉆具有效切削巖土、提高效率、減少損耗。所以，鉆進過程中要達到最優的鉆進經濟性，需要結合具體的施工條件。旋挖擴孔鉆具的鉆進壓力需要克服外部套管的推進阻力并且要留有足夠的富余量，可以認為該擴孔鉆具工作過程中鉆進的壓力主要用于切削段克服土體的硬度把切削刀具壓入與管壁摩擦力產生的推進阻力。

1.5 鉆進速度

鉆速過快會造成孔底泥漿渦動過大，對孔壁造成沖刷，并且還會使鉆機鉆桿擺動過大從而對孔壁造成破壞，結果都會使混凝土的用量增加，充盈系數增大。在松軟地層鉆孔時，過高的鉆進速度會導致鉆孔偏斜。在堅實地層鉆孔時，鉆進速度過大，鉆頭對孔底的壓力太大，會使鉆機超負荷，加大鉆桿的擺動和鉆頭的偏斜，情況嚴重甚至會使動力頭停止轉動，發生卡鉆現象。因此不能只顧鉆進速度，而不考慮由于該鉆速鉆進時所帶來的影響，我們應該具體情況具體分析。對于不同的地層而言，粘土夾砂地層要放慢鉆進速度，延長泥漿造壁時間。在易坍塌的砂質地層中，要減小鉆斗的升降速度，防止因鉆斗升降速度過大而使鉆斗上下面產生強烈的紊流沖動，還有由此產生的抽吸作用，引起孔壁坍塌。并且應該及時用裝載機運走樁孔周邊的渣土，以免渣土堆積過多擠偏護筒和壓塌井壁。

1.6 泥漿性能

旋挖鉆進中的擴徑問題很大程度上和護壁不利有關。泥漿比重小于1.1，在正常進尺速度下，泥漿比重偏小有可能導致塌孔；泥漿黏度在16s以內，泥漿粘度偏稀，使泥漿護壁厚度偏薄，成孔孔徑相對加大；泥漿含砂率大于6%，含砂率偏大，也會影響泥漿的護壁效果，可導致塌孔。以上原因都可導致混凝土澆筑量增加，從而引起鉆孔超擴徑現象，進而使得充盈系數增大。因而控制好泥漿性能也是非常重要的。

鉆孔灌注樁成孔周期一般都較短，只有幾小時或十幾小時，多則幾十小時，因而泥漿性能往往不被施工單位重視。在松散、易坍塌地層，用比重小、粘度低的稀泥漿成孔往往會造成孔壁剝落、坍塌，而在粘土地層中鉆進，泥漿的粘度會不斷上升，引起鉆頭、導正器包泥造成擴孔，增大充盈系數。所以鉆進施工中必須重視泥漿管理，現場應設有足夠大的泥漿池、沉淀池，及時拌制、排除泥漿，確保送入孔內泥漿的性能。在鉆孔灌注樁施工的全過程中，泥漿性能需要隨時進行檢測，并視地層情況及時調整泥漿性能，控制好膨潤土和添加劑的加量，從而有效降低充盈系數。

1.7 樁頂標高和超灌高度控制

為保證有效樁長，去除樁頂浮漿的影響，一般灌注樁設計中均會規定樁頂允許超灌長度。在灌注完成時，要求對空孔進行實測，超灌高度控制不到位，或高或低，都將給后期驗收帶來相當麻煩，要投入相當的人力、財力，甚至組織機械設備進場處理。

超灌高度過高，會造成混凝土的浪費及增加后期驗收時破除樁頭的工作量和費用。如超灌高度比設計要求高出許多，則要耗費人工進行破除樁頭，這樣不但增加了混凝土的用量又耗費了人工，大大增加了工程成本。超灌高度沒達到設計要求，會造成后期驗收時補灌接樁。如工程樁樁頂比設計樁樁頂標高低，則需要采取措施補救，做鍋底支模進行補灌，這樣不但增加了混凝土的用量，而且又延誤工期，最后也大大增加工程成本。因此控制好超灌高度對混凝土充盈系數有很大的影響。

2 結語

對充盈系數的分析，實際上就是對控制灌注混凝土用量的分析，而歸根結底都取決于樁孔質量的好壞。施工現場的充盈系數過大或過小一般都是由多種因素同時導致，因此單獨對某一個因素進行改進很難取得明顯的控制效果。為此，需要針對具體工程實例，分析充盈系數過大或過小的主要原因，然后針對性的對其進行綜合改進，從而將充盈系數控制在合理范圍內，節約施工成本，提高經濟效益。