高集海堤工程钻孔灌注桩塌孔原因分析及处理方法

陈宁军　陈伟

摘要：钻孔灌注桩是目前广泛应用的一大桩型，适应于各种土层条件。具有单桩承载力高、造价低、无振动、无挤压等优点。但是，钻孔灌注桩也存在一些弱点和问题，如：水下浇注混凝土的技术复杂，作业要求紧密连贯，成桩过程具有隐蔽性，成桩后较难检查，容易出现塌孔。本文结合高集海堤工程实际就钻孔灌注桩在断裂岩层地带中造成塌孔原因进行分析，提出防塌措施。

关键词：钻孔灌注桩；塌孔；膨润土；泥浆护壁

1 工程概况

厦门高集海堤开口改造工程位于厦门高集海堤，设计起点K-1+900，终点K2+550，全长2.65Km，本项目包括海堤开口800米，跨海大桥桥长1000米，未拆除部分扩宽改造工程全长1650米。通航孔主墩14#、15#采用跨径组成为70+120+70m的悬浇变截面连续箱梁，全长260m。通航孔主墩14#、15#共有Ф2200mm钻孔灌注桩24根，为水上施工桩基，其中14#、15#桥墩每座承台桩基数量为12根。主墩桩顶标高均为-4.50m，14#、15#墩长22.5m～35m不等。钻孔灌注桩砼采用水下砼，标号为C35。

2 水文、地质条件

从地质调绘及钻探资料分析，拟建场区地层较为简单，主要由第四系（Q）抛石、中粗砂及粘性土组成，基底为花岗岩风化产物。表层抛石分布范围较广、厚度较大，主要分布于厦门高集海堤两侧，局部地段垂直于海堤走向范围分布较多。

2.1 抛石

场地普遍分布有一层层厚2.3～24.8米厚度不等抛石，堆积时间较长（1953～1956年修建厦门高集海堤时堆填），堆填具有一定的规则，工程性质较好。

2.2 残积土

勘区内⑤残积土层，一般埋藏于第四系沉积层之下。以其特有的红、黄色及原岩结构易于区别于上覆地层，而以其强度特性（N<30击）又与下伏风化岩区分。该层含水量较高，孔隙比较大。

2.3 风化岩

勘区基岩以二长花岗为主，受其岩石结构、构造及矿物成分、地形、地质、气候、水文条件的影响，本区花岗岩风化带深、厚，渐变发育完整。

3 成桩施工工艺

14#、15#墩基础共计24根Ф2200mm的桩基，分立在通航孔两侧。成孔工艺及控制要点：采用冲击正循环成孔工艺，由于墩处地质情况复杂，多有断层和破碎带，因此需要采用泥浆护壁钻进。为确保成孔的质量和安全，提高成孔进度和一次成孔合格率，严格控制泥浆指标和含砂率。

4 塌孔及原因分析

灌注桩钻进过程中，泥浆面始终保持在与护筒溢浆口相平位置，此位置高于地下水位约1.5m左右。但在钻至4m～7m深的抛石层中频频发生塌孔、埋钻事故，钻孔无法继续，施工多次终止。

原因分析：在含有抛石层的工程地质其形态往往异常复杂，靠现有的地勘手段还无法完全摸清。由于抛石层石块间隙大，冲孔灌注桩成孔施工时难以利用泥浆进行护壁。在受潮汐的作用下，因受水位涨落的影响，钻孔内很难保持静水水压的稳定。加上成孔时机械和其他外力的作用，扰动了土体，造成颗料间作用力减弱，孔壁侧压力增大，使成孔过程经常出现塌孔现象。抛石层下卧的地层往往是软弱土层，上部有大多覆盖着其他淤积土，使其更具复杂性。

5 处理对策

5.1 控制钻机工作的平稳度减少对土体的扰动

在钻进速度上控制在中速档。过慢，钻头钻动对土体扰动加大；过快，泥皮来不及形成，上下受扰土体相互作用，土体易失稳。

5.2 采用加膨润土泥浆护壁

在一般情况下，普通的泥浆在施工中能很好的保护桩孔，泥浆比重控制在1.1～1.15，对于塌空的桩孔泥浆比重可增大至1.3～1.5。但是遇到特殊地质情况，普通泥浆护壁难以发挥相应的作用，本工程就属于这种情况。经过相关专家研究决定采用加膨润土泥浆护壁。

5.3 改用膨润土泥浆护壁

5.3.1 膨润土组成及其特性

膨润土是以蒙脱石为主要成份（含量大于65%）的粘土矿物，为粒径小于10-9m无机质。天然膨润土分为钠膨润土和钙膨润土，钠膨润土较钙膨润土吸附水的能力强，膨胀率高，所以工程上一般采用钠膨润土。通常在天然膨润土中加入碳酸钠，置换土中的钙离子。蒙脱石具有良好的粘结性、膨胀性、胶体分散性、悬浮性、吸咐性、触变性及阳离子交换性能，结合水的能力很强，通常在与水接触24小时开始水化，膨胀4～5倍，48小时完全水化，变成原来颗粒体积的10～30倍凝胶体。胶体具有排水性能，在外力作用下，结构平衡被打乱、分离，但很快会达到新的平衡，此凝胶体抗渗系数可达10-9cm/s以下，接近滴水不漏。

5.3.2 反应机理

钠基蒙脱石结构式为：Nax （H2O）4{（Al2-xMgx） [Si4O10]（OH）2}，系Si-Al-Si结构体系，由云母状薄片层堆垒而成的单个颗粒。这些薄层上下表面带负电，因而层间相互排斥，仅靠钠离子结合各层，由于钠离子比钙离子半径小且离子价低，故水分子更易进入钠基膨润土层内部。膨润土在水化时，水分子则沿着Si-Al-Si薄弱表面吸附起来，相邻Si-Al-Si结构层距离被迫拉大，膨润土出现膨胀。由于Si-Al-Si层吸附水的能力特强，故最终膨胀可达到10～30倍，具有致密的结构。在成孔过程中，膨润土在自重压力作用下，向旁边的土体发生渗透，失去部分水分，使靠近土体泥浆变稠，静切力增加，形成均质、致密泥皮。

5.3.3 膨润土泥浆护壁作用

膨润土泥浆护壁保证了周围土体的稳定，满足了抛石层和残积土层钻孔的需要。由于在饱水情况下的力学特性，膨潤土泥皮形成速度快，并有强烈的自我修复特性和高膨胀性，从而决定了泥皮的连续性、稳定性和抗破坏性，给泥浆与土体之间提供了良好的受力介质，从而保证了钻孔的顺利进行。

6 结论

高集海堤地处抛石和断层等复杂地带，在桩基成孔过程中采用冲击钻机，合理布置泥浆循环系统，严格控制泥浆性能指标，采取护筒二次跟进处理或抛填片石和粘土（膨润土），成功解决了钻孔灌注桩塌孔问题，顺利完成了2.2 m大直径钻孔灌注桩施工，取得了良好的经济效益。

参考文献：

[1]市政工程施工手册，第二卷，专业施工技术（一）.北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]罗骐先.桩基工程检测手册.北京：人民交通出版社，2010.

[3]基础工程施工手册.中国计划出版社，2002.

[4]师钧.复杂地质情况下桩基塌孔原因及处理方法[J].交通标准化，2005.8.