深厚砂層中后注漿鉆孔灌注樁質(zhì)量問題原因分析

陳志新 彭滿華 張海順

(中船勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200063)

0 引言

鉆孔灌注樁由于無噪聲、無振動、對環(huán)境影響較小、對地層的適應(yīng)性強、樁長樁徑不受限制、施工場地要求低及單樁承載力高等突出優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。但在施工過程中，經(jīng)常因泥漿護壁及清孔不徹底，而在樁周及樁底形成軟弱層，因此鉆孔灌注樁的摩阻力和端阻力不能得到有效發(fā)揮，從而使鉆孔灌注樁的側(cè)阻和端阻有時比打入樁更低。基于以上原因，為滿足高承載力和低沉降的要求，常采用后注漿施工工藝的鉆孔灌注樁[1-4]。但由于目前對后注漿工藝如何提高灌注樁極限承載力的機理尚不完善，經(jīng)驗依賴程度高，采用各種預(yù)估方法得到的極限承載力與樁的實際極限承載力相比總有一定的誤差，因此在具體工程中，需強調(diào)靜載荷試驗的重要性。當(dāng)出現(xiàn)預(yù)估承載力遠大于靜載荷試驗所得的承載力時，一般需要及時找出其主要原因，后采取應(yīng)對措施方能形成合理的處理方案。工程實踐過程中的實測試驗資料、碰到的問題、積累的經(jīng)驗等是巖土工程學(xué)科的寶貴財富，因此，開展樁基工程質(zhì)量事故原因分析及應(yīng)對措施研究不僅有廣闊的工程應(yīng)用前景，同時也具有重要理論價值[5]。

本文依托某深厚砂層中后注漿鉆孔灌注樁質(zhì)量事故實例，基于寶貴的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)、資料，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，對質(zhì)量事故的主要原因進行分析并提出解決措施。研究成果可為穿越深厚砂層中后注漿鉆孔灌注樁類似樁基工程的設(shè)計、施工及相關(guān)理論研究提供借鑒。

1 概況

1.1 工程概況

某工程位于上海市市區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜，管線多，車流量大，其東側(cè)和北側(cè)均有軌道交通通過，場地局部處于地鐵保護線范圍內(nèi)。

擬建工程地上分為南樓、北樓和輔樓。南樓20層，高85.3 m，框架-核心筒結(jié)構(gòu)，最大柱底軸向力37098 kN；北樓10層，高43.3 m，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，最大柱底軸向力17045 kN；輔樓3層，高14.2 m，框架結(jié)構(gòu)。地下室2層，基坑深約8.5 m。擬建建(構(gòu))筑物性質(zhì)見表1。

表1 擬建建(構(gòu))筑物性質(zhì)一覽表

1.2 工程地質(zhì)概況

1.2.1 地層情況

擬建場地90.4 m深度范圍內(nèi)的土層按其巖性成分可劃分為8層，其中第⑤、⑦層土根據(jù)其土性及工程性質(zhì)的不同又各可分為兩個亞層。從上至下分別為第①層雜填土、第②層灰黃色粉質(zhì)黏土、第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土、第④層灰色淤泥質(zhì)黏土、第⑤1-1層灰色黏土、第⑤1-2層灰色粉質(zhì)黏土、第⑥層灰綠色粉質(zhì)黏土、第⑦1層草黃色砂質(zhì)粉土、第⑦2層灰黃色粉砂、第⑨層灰色粉細砂(見圖1)。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

1.2.2 土層設(shè)計參數(shù)

各土層的主要設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 巖土層主要設(shè)計參數(shù)

1.3 設(shè)計概況

本工程樁采用泥漿護壁鉆孔灌注樁，南樓部分采用樁端后注漿工藝。主樓抗壓樁直徑為800 mm，樁基持力層為第⑨層粉細砂，樁頂標(biāo)高-13.4～-10.8 m，單樁豎向抗壓承載力設(shè)計值Rd北樓為3000 kN，南樓為5300 kN。

設(shè)計要求在工程樁全面施工前，應(yīng)根據(jù)場地的地質(zhì)情況，先試成孔，數(shù)量不少于2個，并測定其孔徑、垂直度、孔壁穩(wěn)定、沉淤等檢測指標(biāo),從而確定工程樁施工時的各項工藝參數(shù)。各試樁的要求見表3。

表3 試樁要求

對樁端后注漿施工的，配制注漿漿液需采用P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，注漿量(純水泥用量，非水泥漿)為1.6 t/根，最終注漿量可根據(jù)現(xiàn)場施工情況進行微調(diào)，但注漿終壓力不得小于3 MPa，水灰質(zhì)量比0.55～0.60。

1.4 施工及靜載荷試驗

根據(jù)設(shè)計要求，于2017年12月完成了所有試樁的成樁施工，采用正循環(huán)清孔，后注漿導(dǎo)管采用鋼管，鋼管直徑為25 mm，壁厚為3.2 mm。在樁身混凝土強度達到設(shè)計強度及齡期滿足規(guī)范要求后進行了靜載荷試驗。試驗結(jié)果表明，除了南樓的b型樁不滿足要求外，其余樁型均滿足設(shè)計要求。不滿足要求的試樁分別為ZHb10-1和ZHb10-2。這兩根樁的施工情況見表4。

表4 第一次試樁的施工概況

2018年4月22日至5月3日分別對上述兩根試樁進行了單樁豎向抗壓承載力試驗，試驗結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 ZHb10-1#樁Q-s曲線

圖3 ZHb10-2#樁Q-s曲線

據(jù)圖2和圖3可知，兩根樁的承載力均未達到設(shè)計要求。各方查找原因認為施工方在進行樁端后注漿時注漿量未達到設(shè)計要求，因此重新成孔，調(diào)整注漿量再行試兩根樁。第二次試樁的施工情況見表5。

表5 第二次試樁的施工概況

2018年8月18日至8月25日分別對上述兩根試樁進行了單樁豎向抗壓承載力試驗，試驗結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 ZHb1-35#樁Q-s曲線

圖5 ZHb1-59#樁Q-s曲線

據(jù)圖4和圖5，兩根樁的承載力仍未達到設(shè)計要求。建設(shè)單位要求各相關(guān)參與方認真查找原因。

2 質(zhì)量事故原因分析

2.1 單樁豎向極限抗壓承載力計算分析

根據(jù)上海市《巖土工程勘察規(guī)范》(DGJ 08—37—2012)[6]和《地基基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準》(DGJ 08—11—2018)[7]，對單樁豎向承載力進行復(fù)核，復(fù)核參數(shù)見表2。由于第一次和第二次試樁的注漿量或注漿壓力未達到設(shè)計要求，因此暫不考慮樁端后注漿的加固作用。

經(jīng)計算，樁側(cè)極限摩阻力標(biāo)準值可達8257 kN，樁端極限端阻力標(biāo)準值可達1357 kN，單樁抗壓極限承載力標(biāo)準值可達9614 kN[8]。如考慮樁端后注漿工藝時，根據(jù)上海市《地基基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準》(DGJ08—11—2018)[7]，承載力可提高至少1.2倍以上。據(jù)前后兩次的試樁資料，四根樁的極限承載力平均為8080 kN左右。因此可以判斷試樁所得的極限承載力僅僅是樁側(cè)摩阻力發(fā)揮了作用，樁端承載力未得到有效發(fā)揮，各試樁曲線也印證了這一點，這可能是勘察報告揭露的地層有誤，或者是樁底沉渣過厚造成的。而從圖5可以判斷樁底沉渣過厚的可能性更大。

2.2 勘察分析

2.2.1 地層分析

據(jù)圖1可知，場地為上海典型的第⑦、⑨層相連場地，第⑦層的層面埋深在35.0 m左右，第⑨層的層面埋深在65.0 m左右，根據(jù)上海市《巖土工程勘察規(guī)范》(DGJ 08—37—2012)[6]可知，符合上海區(qū)域地質(zhì)情況。

2.2.2 巖土層主要設(shè)計參數(shù)分析

根據(jù)上海市《巖土工程勘察規(guī)范》(DGJ 08—37—2012)[6]和《地基基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準》(DGJ 08—11—2018)[7]，對比表2中的設(shè)計參數(shù)可知，勘察報告所建議的設(shè)計參數(shù)在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。本場地的試樁除b型樁達不到要求外，其余樁型均滿足要求，且根據(jù)勘察報告提供的參數(shù)估算的承載力與靜載荷試驗所測得承載力的承載力相差不大，說明勘察報告所建議的設(shè)計參數(shù)合理可靠。因此可排除勘察不準確造成的原因。

2.3 施工原因分析

在排除了勘察和設(shè)計的原因外，對施工原因進行分析。本次施工在成孔及清孔過程中，采用的都是正循環(huán)工藝，未采用除砂器，施工時采用的泥漿為原漿，泥漿性能指標(biāo)的測定位置均在孔口進行，注漿管采用直徑為25 mm，壁厚為3.2 mm的鋼管，注漿器超過鋼筋籠底部50 cm。

根據(jù)上海地區(qū)的施工經(jīng)驗，在以深厚砂層為持力層、正循環(huán)清孔、未采用除砂器的情況下，孔底沉渣往往很厚，達1 m左右甚至2～3 m，而不是4～5 cm，在注漿壓力或注漿量不充足的情況下，后注漿工藝往往會失效。

3 質(zhì)量事故處理及第三次試樁情況

3.1 專家處理意見

試樁質(zhì)量不過關(guān)可能帶來嚴重后果，專家分析認為此次質(zhì)量事故是施工原因造成，提出意見如下：

(1)鉆孔灌注樁成孔工藝應(yīng)作適當(dāng)調(diào)整，施工中泥漿指標(biāo)應(yīng)滿足規(guī)范要求，尤其是嚴格控制二清的樁端的含砂量，建議采用反循環(huán)清孔，進入砂層⑦1層后宜適量摻入膨潤土漿液，循環(huán)泥漿應(yīng)采用除砂器處理。

(2)適當(dāng)提高樁端后注漿的注漿量，不宜小于4 t純水泥。

(3)注漿管直徑不宜小于30 mm，壁厚不小于3.5 mm，應(yīng)采用套管絲扣連接，注漿器應(yīng)帶有逆向閥功能。

(4)應(yīng)確保注漿器下至樁端下30 cm，施工中應(yīng)校核注漿管與成孔深度一致性。

(5)建議采用2次注漿工藝，第一次注漿量可取60%，間隔2 h后進行第二次注漿，注漿速率應(yīng)小于40 L/min。如注漿壓力小于2 MPa時，間隔1 h后適當(dāng)增加注漿量。

3.2 第三次施工及試樁結(jié)果

根據(jù)專家意見改進了樁基施工工藝和注漿工藝，采用了反循環(huán)泥漿護壁成孔樁基施工工藝和樁端后注漿工藝，采用ZX-250型除砂機作為除砂裝置[9]，進行了第三次試樁，施工情況見表6。

表6 第三次試樁的施工概況

2019年1月24日至2月18日分別對上述兩根試樁進行了單樁豎向抗壓承載力試驗，試驗結(jié)果見圖6、圖7，該兩根試樁承載力達到設(shè)計要求。

圖6 ZHb1-1#樁Q-s曲線

圖7 ZHb1-77#樁Q-s曲線

4 結(jié)論

該工程的b型樁試樁從2017年12月開始，歷經(jīng)一年多的時間，試樁結(jié)果才取得比較滿意的結(jié)果，嚴重影響了后續(xù)工程的進度，并造成了工程成本的不必要增加。為避免在以后類似工程中產(chǎn)生同樣的質(zhì)量問題，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)如下：

(1)在遇到工程質(zhì)量事故時，應(yīng)認真分析各種原因，找出造成事故的真正原因，采取針對性的措施；

(2)在深厚砂層中進行后注漿鉆孔灌注樁施工，應(yīng)采用反循環(huán)施工工藝和清孔工藝，并采用除砂器；

(3)在施工前應(yīng)通過注漿工藝試驗確定合理的注漿壓力、注漿量、注漿次數(shù)和注漿速度等工藝參數(shù)；

(4)注漿器是影響后注漿灌注樁承載力的重要因素之一，應(yīng)盡可能采用可靠性高的注漿器，保證注漿成功率。

致謝：在本文的撰寫過程中，得到了中船勘察設(shè)計研究院有限公司李玉燦高工和翟建偉高工的大力支持，在此深表感謝！