真空负压断桩的机理分析与应用研究

赵明时

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引 言

在灌注桩施工过程中，混凝土浇注是最重要的环节，90 %左右的断桩事故发生在这一施工工序。一旦断桩，势必会造成资源的浪费和环境的污染[1]。工程中，人们往往将断桩原因归结于在灌注桩浇注过程中导管提出混凝土顶面。然而事实上，随着灌注桩施工工艺的成熟，导管提出混凝土面发生的几率非常低。在低应变速度～时程曲线图上，我们所见的断桩常伴随着下方的扩颈，即灌注桩出现“先缩颈后扩颈”的现象。

为了降低灌注桩断桩风险、减少工程损失，合理解释灌注桩“先缩颈后扩颈”现象，研究在灌注桩混凝土浇注过程中断桩的机理和影响因素是非常必要的，具有直接的工程意义和理论价值。

1 工程背景

1.1 项目背景

灌河某高桩码头总长513 m，码头前沿顶高程确定为4.40 m。码头采用高桩梁板结构型式，引桥共3座，从下游往上游方向，分别为1#、2#、3#引桥，引桥宽度为15 m。引桥基础采用Φ1 000 PHC管桩和Φ1 000 PHC钻孔灌注桩。根据设计平面图，每座引桥打设灌注桩15根，共45根灌注桩，灌注桩顶高程为2.40 m，灌注桩桩底高程为-55.0～-45.0 m，高程-2.02 m以下混凝土强度为C30，在高程-2.02 m以上部位至桩顶混凝土强度等级为C30F250，如图1所示。

图1 引桥断面示意

1.2 断桩事故概况

本工程引桥 P-B9#灌注桩在施工过程中出现异常：P-B9#灌注桩在混凝土浇注至距桩顶约15 m时，导管埋入混凝土顶面6 m，如图2所示，此时混凝土面突然下降4 m左右，发现此现象后迅速进行混凝土浇注，直至浇注到设计高程处后停止作业。

低应变检测判定该桩为Ⅲ类桩，如图3所示，距桩顶20 m处桩身有明显缺陷、对桩身结构承载力有影响。

图2 混凝土浇注示意

图3 低应变速度～时程曲线

1.3 断桩事故产生的不利因素

1）天气条件

该灌注桩成孔及浇注时连降大雨，导致成孔采用的泥浆比重、粘度等指标下降，从而降低了孔壁的稳定性。

2）水文地质条件

根据本工程地质勘查报告，灌注桩成孔范围内②2层淤泥质黏土，软土，强度低，压缩性高，且具有流塑性，易引起较大的沉降变形，不良工程地质层。该层土灵敏度约3.16，为中灵敏土。

灌注桩成孔范围内地下水类型主要为孔隙潜水，孔隙潜水主要赋存于②层土以浅土层孔隙中，与灌河水有强烈的水力联系。孔隙潜水主要受大气降水及灌河水补给，以自然蒸发和侧向迳流方式排泄。

灌河口附近海域受黄海潮波系统控制，属非正规半日潮。潮波传入灌河河道后，潮波逐渐转为前进波与驻波的混合型潮波，具有明显往复流性质。灌河沿程高、低潮位和潮差变化不大，潮波变形使河道内涨潮历时缩短，落潮历时延长。

3）荷载条件

灌注桩孔壁及灌注桩桩体，除承受上部垂直向荷载外，还承受水平动荷载，水平动荷载主要来自两个方面：一是打桩船施工时产生的水平振动力；二是工程区存在的潮汐，由于涨落潮以及船舶行驶产生的波浪，进而对施工灌注桩所搭设的钢平台桩基产生往复水平推力，钢平台桩基类似于一竖直的弹性地基梁，在水平动荷载反复作用下工作，对地基土必将产生往复震动，而使土层的抗剪强度等物理性质指标降低，致使钢平台桩基附近土体力学指标降低，进而影响灌注桩孔壁的稳定性[2]。

2 断桩事故分析

2.1 真空负压断桩的概念

灌注桩混凝土浇注过程中，由于孔壁附近混凝土突然缺失，导致孔壁内侧形成短期“真空”状态，孔壁在外侧土压力作用下失稳，土体进入混凝土中，致使灌注桩桩体截面受损，形成断桩，如图 4所示。

2.2 机理分析

在灌注桩混凝土初凝前，已浇注部分的孔壁由外侧土压力和内侧混凝土、泥浆压力平衡。当孔壁内压大于外压时，孔壁失稳，混凝土进入土体，失稳层上方孔壁的混凝土“瞬间”下落，形成“真空”状态，进而导致“真空负压断桩”的情况发生。

图4 真空负压断桩

2.3 案例分析

引桥 P-B9#灌注桩在混凝土浇注至距桩顶约15 m时，距桩顶20 m处的混凝土尚未初凝；且根据混凝土导管埋设情况，距桩顶21 m处正为混凝土浇注下口，该位置的孔壁除了受内外压的静荷载外，还要承受来自混凝土横向流动的水平冲击力；同时，该位置恰处在②层土，该层土的孔隙潜水与灌河水有强烈的水力联系，流动性较大，致使孔壁泥皮物理化学稳定性较差，从而使泥浆或混凝土更容易进入土体。

事故发生时，距桩顶21 m处的孔壁由于以上诸多不利因素发生失稳，混凝土短时间内流入土体及含水层，致使上方孔壁内侧形成短期“真空”状态，距桩顶20 m处的孔壁发生二次失稳，土体进入混凝土，形成“真空负压断桩”。

2.4 预防措施

“真空负压断桩”形成于混凝土浇注过程中，它不同于成孔过程中的孔壁失稳，是不可逆的工序，一旦发生断桩，不但会影响工程实体质量，对工期及成本也都会造成不良影响。

针对“真空负压断桩”形成的机理和影响因素，提出以下预防措施：

1）灌注桩在不良水文地质条件下浇注混凝土，一方面减少埋管深度，以降低对混凝土的扰动，加快已浇注混凝土的初凝，也就是说从混凝土初凝角度来看，埋管越浅越利于孔壁的稳定。另一方面适当降低浇注速度，减少混凝土横向流动对孔壁产生的冲击。然而，在实际施工过程中，混凝土浇注速度往往由埋管深度决定，即导管埋深越大、混凝土浇注速度越慢，也就是说从混凝土横向冲击角度来看，埋管越深越利于孔壁的稳定。这就需要工程技术人员根据工程所在地天气、水文地质条件、施工工艺等具体情况合理调整导管埋深，以平衡混凝土初凝和混凝土横向冲击对孔壁造成的不利因素。

2）水上施工灌注桩采用的钢护筒长度尽可能穿越工程地质性质较差的土层。

3）灌注桩施工过程中，减少外界施工振动干扰，例如：当灌注桩和预制管桩同时存在时，尽量先施工管灌注桩，再进行预制管桩的打设，以减少孔壁失稳的风险。

4）灌注桩在不良水文地质条件下施工，泥皮物理化学性质较差，因此泥皮的渗透系数较低，因此勤于检测泥浆指标，特别是泥浆的比重和粘度，注意新浆的补充和废浆的排除。这不仅仅有利于灌注桩成孔施工，而且能够增加泥皮的稳定性，有利于灌注桩的完整性和承载力。

3 结 语

1）在复杂环境下进行灌注桩施工，工程技术人员要综合考虑天气、水文地质条件及其它施工条件等对灌注桩“真空负压断桩”的影响。结合本工程实际情况确定灌注桩浇注混凝土时，埋管深度为3～5 m；另外根据本工程水文地质条件，钢护筒长度选取24 m；打桩施工和灌注桩施工的安全距离要大于200 m。

2）“真空负压断桩”理念的提出，不仅仅保证了灌注桩的完整性和适应性，增强了灌注桩在建筑市场中的竞争力；更重要的是对灌注桩低应变曲线图中常见的“先缩颈后扩颈”的现象做出了合理的解释，完善了灌注桩的断桩理论。