关于充盈系数的探讨

谢建敏

(福建省地质工程公司 福建福州 350002)

1 绪论

由于灌注桩具有应用范围广、单桩承载力高等鲜明特点，所以得到了建筑界人士的青睐，随着城市化建设的高速发展，建筑已从多层向高层过度，特别是近十年来，大中城市的建筑均以十层以上为主，建筑的基础形式80%是桩基。在国内外，它广泛应用在工业与民用建筑、桥梁、港口码头、水利工程等，在城市建设中发挥了愈来愈大的作用[1]。

人工挖孔灌注桩先于1893年在美国问世，至今适逾110多年，在20世纪40年代初随着大功率钻孔机具的研制成功首先在美国问世，二战后，世界各地特别是欧美发达国家经济复苏与发展，时至今日，随着科学技术的日新月异发展，钻孔灌注桩在高层、超高层的建筑物和重型构筑物中被广泛应用。当然，在我国，钻孔灌注桩设计及施工水平也得到了长足的发展。我国应用大直径灌注桩始于20世纪60年代初，当时先在南京、上海、天津等地作为桥梁和港工建筑基础，自70年代中期后又陆续在广州、深圳、北京、上海、厦门等大城市应用于高层和重型建(构)筑物，至80年代末90年代初，随着改革开放步伐加快，大直径灌注桩迅猛发展[1]。

灌注桩由于是在地下或水下开孔灌注成桩，故桩身质量毕竟不可能象预制桩那样稳定而可靠[1]。

冲孔灌注桩是灌注桩的一种，冲孔灌注桩的设备相对比较简单，操作方便，是靠起拉桩锤而产生的自重和重力加速度在施工现场桩位上进行冲孔，并用泥浆护壁成孔，然后进行钢筋笼制安，再进行灌注混凝土而成。

优点是:对邻近建筑物及周围环境的有害影响小;适用于各种地质条件和不同规模的建筑物、桩长、桩径选择范围大，桩长易控制;桩端可进入持力层或嵌入岩层;采用大直径桩时，单桩承载力高;水平可受力较大，在桥梁、水工和房屋建筑工程中得到广泛应用。

缺点是:灌注桩成孔工艺较复杂，操作要求较严，易发生质量事故，且技术间隔时间长，不能立即承受荷载，冬季施工困难较多。

冲孔灌注桩的主要控制参数有:桩径、桩端持力层、钢筋笼制作与安装、沉渣厚度、桩身砼强度、砼充盈系数、有效桩长等等。

充盈系数灌注桩的混凝土充盈系数是指一根桩实际灌注的混凝土方量与按设计桩径计算的桩身体积之比。

充盈系数作为灌注桩的重要指标之一，其大小的控制对于建设单位、设计单位和施工单位具有重要的指导意义。

本文就冲孔灌注桩实践中遇到的充盈系数问题进行如下内容的分析研究:(1)冲孔灌注桩充盈系数计算方法的分析与理解。(2)列举施工现场采集的图片，探讨冲孔灌注桩充盈系数的控制方法和预防措施。

(3)结合施工现场经验探讨冲孔灌注桩充盈系数的检测方法。

2 冲孔灌注桩充盈系数的分析与理解

2.1 规范中的充盈系数及计算方法

在JGJ94－2008建筑桩基技术规范[2]中规定，压灌桩的充盈系数宜为1.0～1.2;沉管灌注桩的充盈系数不得小于1.0。对充盈系数小于1.0的桩，应全长复打。泥浆护壁成孔灌注桩的混凝土充盈系数不得小于1。不管何种桩，其最终充盈系数必须大于1。

现行的大部分设计图纸所要求的灌注桩的混凝土充盈系数为≥1.10。

根据现行的桩基施工规范，充盈系数是灌注桩比较重要的一个指标要求之一。

如(图1)所示

充盈系数的计算公式为:

灌注桩的混凝土充盈系数=灌注桩身砼的混凝土实际方量÷桩身的理论体积

其中:

灌注桩身砼的混凝土实际方量=灌注完成施工桩长L所用的混凝土实际方量

桩身的理论体积=π×D×D×L(实际灌注的混凝土方量所充盈的桩身长度)÷4

图1 冲孔灌注桩桩身剖面图

2.2 提高充盈系数计算精度的保证措施

根据充盈系数的计算公式，为了确保充盈系数计算的精确度，在实际操作中过程中可采用下列方法和措施:

(1)体积计算公式的参数之一(两个桩身长度)应该一致:即实际灌注的混凝土方量所充盈的桩身长度与计算桩身的理论体积中的桩身长度应该一致。

根据现场实际操作经验，当地下室空孔深度较大的时候所测量的“实际桩顶标高(含砼超灌高度)”误差较大，则所计算的砼充盈系数是不准确的;

在混凝土未凝固之前，混凝土是处于液态的，此时在灌注桩身砼过程中所测量的混凝土面的得到的数据往往误差较大。为了提高测量精度，减少误差可采取改进测量工具的方法来测量。

①在灌注过程中当空孔孔深较大的情况下，采取带有刻度标志测量绳，下部绑好测锤(测锤的底面积及重量以能穿过孔内浓泥浆并能过浮于液态混凝土表面为宜)进行测量，当所施工的桩径较大时，应在孔内不同位置多测几次然后对测量数据进行平均处理。

②在灌注过程中当空孔孔深较小(约＜8m)的情况下，可采取用DN20的钢管(钢管上做好刻度标志)，在其底部制作一个打捞筒，对孔内的混凝土表面进行打捞验证实际混凝土面的的深度。

③在桩身混凝土灌注完成后，待混凝土终凝后，向孔内插入标杆直到桩顶混凝土表面，可采用水准仪进行最终的混凝土表面埋深进行精确测量。

“实际灌注的混凝土方量”=现场灌注砼浇筑至实际桩顶标高(含砼超灌高度)时所用的混凝土方量。

(2)规范中所提到的充盈系数中的实际混凝土方量没有包括桩身砼中的钢筋笼体积。

当设计桩型为锚桩或者围护桩的时候，每立方混凝土中的钢筋含量很多会达到或者超过200Kg/m3，以每立方米的桩身砼(2400 kg/m3)来分析一下，其中的实际砼用量仅需要2200Kg，那么当实际桩径与理论桩径均一致的情况下，按照充盈系数的规范体积计算公式，其充盈系数为2200÷2400=0.917，大大小于1，明显达不到“不管何种桩，其最终充盈系数必须大于1”。这样的桩很容易就产生了争议。

(3)当一根桩的孔内同时出现坍孔与缩径两种情况的时候，如果其桩身砼的最终充盈系数等于1时，那么这根桩实际上也是属于有问题的桩的。

针对该情况，在实际施工过程中应加强充盈系数的测量和计算频率，采用分段计算的方法来记录实际的桩身混凝土充盈系数。

2.3 充盈系数的控制方法

充盈系数的大小是关系到灌注桩的施工成本和桩身质量的一个重要指标。按照目前大部分设计图纸要求，充盈系数宜≥1.10;而现行的定额含量中的充盈系数为1.204[3];现行的 JGJ94－2008建筑桩基技术规范[2]中规定，泥浆护壁成孔灌注桩的混凝土充盈系数不得小于1。

在实际施工过程中，由于岩土地层特性的差异以及施工队伍水平的参差不齐，冲孔灌注桩在成桩后的实际充盈系数往往与设计或规范要求相差较大。(图2、图3)为在施工过程中出现的孔内坍塌和漏浆情况;(图4～图7)冲孔灌注桩周边土方开挖后露出的桩头的情况。

图2 孔内坍塌

图3 孔内漏浆

图4 地下室土方开挖后露出的桩头

图5 充盈系数偏小，出现露筋

图6 裸露的桩身外径大小不一

图7 裸露的桩身外径大小不一

作为施工单位，在确保工程质量、满足设计要求的前提下，采取相应措施，降低灌注桩砼灌注充盈系数，对节约混凝土用量，降低工程施工成本，提高经济效益有着重要的意义。

根据施工现场实际操作经验，充盈系数的预防措施主要有:

(1)通过试成孔，优化桩锤直径。开工前分析岩土勘察报告所描述的地层，根据设计图纸，首先采用比设计桩径相差±2cm的桩锤进行试成孔，通过试成孔来掌握每个地层的充盈系数，而后适当调整锤头直径以满足设计及施工规范的要求，再进行大面积施工。

(2)优质的泥浆是顺利成孔的关键。在成孔过程中应根据各段地层的岩土特性实时调整孔内护壁泥浆的性能。冲孔过程中泥浆性能指标详见(表1)。

表1 冲孔过程中泥浆性能指标

(3)成孔过程中应严格控制成孔垂直度(＜1%)。因垂直度偏差过大而进行的纠偏势必造成充盈系数的加大。在成孔过程中应经常提升桩锤头，并在提升的过程中严密监测悬挂桩锤的钢丝绳是否明显偏离桩孔的中心点，是否与天车及桩位中心始终保持在同一铅锤线上，发现偏孔应及时采取纠偏措施以防垂直度偏差过大。

(4)及时修复桩锤直径，特别在嵌岩之前，应提钻检查和修补桩锤直径，以避免因桩锤磨损而造成充盈系数的减小。在入岩过程中，若发现桩锤磨损较大的情况下，除了在锤头四周镶焊耐磨钢以外，还应将桩孔内用片石回填至桩孔缩径起始点上方0.5m左右，以防止修补后的桩锤下入孔内出现卡钻。

(5)在施工过程中针对相邻的桩，要根据相邻桩桩距的大小，采取跳孔或隔孔等先后顺序来施工，以避免相邻桩因冲孔所产生的振动而造成桩身强度受损，或产生孔内坍塌而造成充盈系数的加大。

(6)在遇到溶洞等特殊地层的情况下，应事先结合勘察报告或采取超前钻探，详细记录溶洞的顶、底埋深，采取全程埋设钢护筒或回填、注浆封堵溶洞等措施，在不出现漏浆的情况下方可进行冲孔施工。

(7)在桩身混凝土灌注过程中严格记录并分析每个地层的充盈系数，而不是只计算总体的充盈系数。并借此分析数据来修正成孔过程的各项参数。(可参照上述“提高充盈系数计算精度的保证措施”中的计算方法)

2.4 充盈系数的检测方法

在科技日新月异发展的当今社会，随着国民经济持续快速地发展和人民生活水平的不断提高，完全可以从增加工程投入的角度来测量冲孔灌注桩身中的充盈系数:

(1)分段计量法。详细测量并记录每次灌入孔内的混凝土数量以及孔内混凝土面上升高度，再按照充盈系数的计算公式计算，该方法的精度取决于分段次数和测量精度，当分段越细及测量精度越高，则所计算的砼充盈系数越准确。该方法适用于混凝土浇筑施工记录中的充盈系数数据。

(2)开挖测量法。在冲孔灌注桩成桩后，采用挖掘机等设备将冲孔灌注桩的四周的土方全部开挖，使整根桩裸露出来，然后进行丈量其桩身直径并验证桩身充盈系数是否满足设计及施工规范的要求。该方法一般只针对基坑支护桩在土方开挖后的一个观感测量。

(3)仪器测量法。可分为成桩之前测量与成桩之后测量两种检测方法

①成桩之前测量。在每根的成孔之后，采用井径仪进行绘制单桩的孔径曲线图，通过孔径曲线图反应的实际桩径，结合实际混凝土灌注量来计算桩身砼充盈系数。该方法适用于冲孔灌注桩的成孔质量检测。

②成桩之后测量。在每根安放钢筋笼的过程中下入至少两根超声波探测管，在成桩后采用超声波探测可以测量出单桩的实际桩径和桩身完整性，依此可以计算桩身砼充盈系数。该方法适用于冲孔灌注桩的桩身质量检测。

3 结论

通过对冲孔灌注桩充盈系数的计算方法的分析与理解，着重研究了提高充盈系数的计算精度的保证措施，列举了冲孔灌注桩充盈系数的控制方法和检测方法。得到以下主要结论。

(1)灌注桩在施工前应认真收集、熟识与之相关的地质勘察报告，分析该勘察报告中所揭露的各个地层对灌注桩成桩过程中的充盈系数所产生的影响，制订相关措施，编写详细周密的施工组织设计。

(2)充盈系数偏大，直接造成了混凝土材料的浪费;充盈系数偏小，又造成了成桩质量上的缺陷。因此在成孔及成桩的过程中，必须严格采取有效措施，加强现场施工管理，使灌注桩的充盈系数完全满足设计及规范要求。既要避免施工单位或建设单位由于充盈系数过大而造成经济损失，又要避免由于充盈系数过小造成灌注桩施工质量不达标而产生的补救费用。

[1〛刘金砺，李大展，史偑栋，黄强.桩基工程设计与施工技术[C].中国建材工业出版社.1994.11:1－3.

[2]JGJ94－2008，建筑桩基技术规范[S].

[3]FJYD－101－2005，福建省建筑工程消耗量定额[S]:上册.122.