旋挖钻孔灌注桩的混凝土充盈系数影响因素分析

谭松娥 赵 江

（1.中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉 430071；2.广东省珠海工程勘察院，广东 珠海 519002）

随着建设步伐的快速迈进，旋挖成孔工艺因其快速便捷、成孔效率高得以在基础工程施工中广泛应用。混凝土是灌注桩的一项重要材料，其费用占灌注桩工程总费用的20～25%，因此混凝土用量的控制直接关系到旋挖成孔灌注桩施工成本。从而控制单桩混凝土用量对降低工程成本，提高经济效益具有重要意义。

钻孔灌注桩的混凝土充盈系数是指灌注桩成桩过程中的实际混凝土用量与设计混凝土用量的比值，是施工过程中混凝土用量的参考指标。在施工过程中，既要求充盈系数大于设计值，以保证灌注桩成桩质量，又要求充盈系数无限趋于设计值，以降低工程施工成本。根据规范 《JGJ4-80》，灌注桩的充盈系数不得小于1；一般土质为1.1；软土为1.2-1.3。在保证设计桩长与桩身直径的情况下，充盈系数控制越小，混凝土浪费越少，经济效益也就越高。因此，在施工过程中要控制好充盈系数，既不能过小也不能过大，过小则造成桩身缺陷，过大则造成成本浪费，同时也影响桩身承载力。

1 充盈系数影响因素

在施工现场，有许多因素会造成充盈系数的增大或减小，有人为原因、施工设备原因、钻具匹配问题、钻进参数的选择、泥浆性能以及数据收集计算误差等，常见影响因素如下：

1.1 旋挖钻头尺寸与类型

钻头外径尺寸是决定桩孔直径的关键因素，制作钻头的外径不规范，误差较大，直接影响到桩径的大小。并且混凝土的比重大于土体的比重，在混凝土灌注的时候，会对周围的土体产生挤土效应，使得桩径发生少许扩大，所以在选用旋挖钻头时，钻头比设计桩径小，例如桩径1000mm工程桩钻头选用950mm，桩径800mm工程桩钻头选用760mm，以此来控制充盈系数的大小。因此选用合适的钻头直径，避免成孔孔径超过设计桩径，是控制充盈系数的一个重要方面。但同时，在施工过程中要定期测量旋挖钻头尺寸，防止因为钻头磨损使得钻头直径过小，造成桩身小于设计要求，桩的承载力不能满足设计要求。尽管地层性质对桩径也有一定的影响，有的甚至很大，但只要掌握地层的特点后，同样可通过适当加大或缩小钻头外径达到控制桩孔直径的目的。

钻头类型的选择也十分重要。钻头类型选择不当，则不仅钻进效率低，钻头不进尺，而且势必增加钻杆扰动孔壁的概率，导致孔壁坍塌、桩孔超径。旋挖钻斗在施工中扮演着钻进和取渣的重要角色，市场上常见的钻斗有双锅底捞砂斗（土层、嵌岩）、螺旋钻斗 （土层、嵌岩）、旋挖钻斗、体开式钻斗等。因此，对于不同的地层，我们应该选用适宜该地层的钻头。所以选择合适的钻头的外形也是控制充盈系数的一个方面。

1.2 导正器

导正器是保证钻头在钻进过程中沿着钻杆轴线方向前运转的平稳装置 （起导向作用），可减少钻机主动钻杆的晃动、摇摆，增加导正性能，使钻头平稳运转。如果不用或选择不当，就会形成孔壁不规则的弯曲桩孔，造成孔斜，以至钢筋笼下不去，或者钢筋笼下去后刮擦孔壁，造成孔壁扩径甚至塌孔。为保证工程质量必须重新进行扫孔或纠斜。凡进行扫孔或纠斜的桩孔往往严重超径，甚至有的桩孔充盈系数高达2.0以上，所以应该在钻进过程中合理利用导正器。

当然，并不是每个地层所用的导正器都一样，而是应该在什么地层中钻进选用适合该地层钻进的导正器。例如在粘土层中使用宽度超过7cm的导正器，容易造成导正圈处包泥，包泥后会使钻具的回转失去稳定性，引起桩孔口径扩大，造成充盈系数加大。

1.3 钻杆直径

钻杆直径小也会影响混凝土充盈系数。一是钻杆直径小会导致桩孔环状间隙大，级配差；二是钻杆直径小会使得钻杆强度低，容易引起弯曲。这两种原因在钻进过程中都会引起钻头晃动，钻杆敲打孔壁。在同一地层中，使用直径89mm钻杆所成桩孔的平均充盈系数达到1.41，而选用直径大于150mm钻杆施工的桩孔充盈系数却在1.0-1.2之间。因此，应该根据打桩孔径的大小来选择合适的钻杆，钻杆直径不宜过小。否则会增大充盈系数，而且还会影响最后成桩的质量。

1.4 钻压

在大直径桩孔钻进过程中，如果不能吊直钻杆而采取加压钻进，就会使钻具失去稳定运转的条件。因为钻压过大会使钻头吃入地层越深，在旋转中受到的阻力越大，所消耗的功率也就越大，容易造成钻杆的弯曲，其结果是容易造成斜孔，严重的话还可能会引发孔内事故。为了纠斜必然会加大混凝土的灌注量，增加充盈系数。因此在钻进过程中应该合理控制钻进时的压力，不要一味地为了追求速度，而盲目加压。

选择合理的钻进压力能够保证钻具有效切削岩土、提高效率、减少损耗。所以，钻进过程中要达到最优的钻进经济性，需要结合具体的施工条件。旋挖扩孔钻具的钻进压力需要克服外部套管的推进阻力并且要留有足够的富余量，可以认为该扩孔钻具工作过程中钻进的压力主要用于切削段克服土体的硬度把切削刀具压入与管壁摩擦力产生的推进阻力。

1.5 钻进速度

钻速过快会造成孔底泥浆涡动过大，对孔壁造成冲刷，并且还会使钻机钻杆摆动过大从而对孔壁造成破坏，结果都会使混凝土的用量增加，充盈系数增大。在松软地层钻孔时，过高的钻进速度会导致钻孔偏斜。在坚实地层钻孔时，钻进速度过大，钻头对孔底的压力太大，会使钻机超负荷，加大钻杆的摆动和钻头的偏斜，情况严重甚至会使动力头停止转动，发生卡钻现象。因此不能只顾钻进速度，而不考虑由于该钻速钻进时所带来的影响，我们应该具体情况具体分析。对于不同的地层而言，粘土夹砂地层要放慢钻进速度，延长泥浆造壁时间。在易坍塌的砂质地层中，要减小钻斗的升降速度，防止因钻斗升降速度过大而使钻斗上下面产生强烈的紊流冲动，还有由此产生的抽吸作用，引起孔壁坍塌。并且应该及时用装载机运走桩孔周边的渣土，以免渣土堆积过多挤偏护筒和压塌井壁。

1.6 泥浆性能

旋挖钻进中的扩径问题很大程度上和护壁不利有关。泥浆比重小于1.1，在正常进尺速度下，泥浆比重偏小有可能导致塌孔；泥浆黏度在16s以内，泥浆粘度偏稀，使泥浆护壁厚度偏薄，成孔孔径相对加大；泥浆含砂率大于6%，含砂率偏大，也会影响泥浆的护壁效果，可导致塌孔。以上原因都可导致混凝土浇筑量增加，从而引起钻孔超扩径现象，进而使得充盈系数增大。因而控制好泥浆性能也是非常重要的。

钻孔灌注桩成孔周期一般都较短，只有几小时或十几小时，多则几十小时，因而泥浆性能往往不被施工单位重视。在松散、易坍塌地层，用比重小、粘度低的稀泥浆成孔往往会造成孔壁剥落、坍塌，而在粘土地层中钻进，泥浆的粘度会不断上升，引起钻头、导正器包泥造成扩孔，增大充盈系数。所以钻进施工中必须重视泥浆管理，现场应设有足够大的泥浆池、沉淀池，及时拌制、排除泥浆，确保送入孔内泥浆的性能。在钻孔灌注桩施工的全过程中，泥浆性能需要随时进行检测，并视地层情况及时调整泥浆性能，控制好膨润土和添加剂的加量，从而有效降低充盈系数。

1.7 桩顶标高和超灌高度控制

为保证有效桩长，去除桩顶浮浆的影响，一般灌注桩设计中均会规定桩顶允许超灌长度。在灌注完成时，要求对空孔进行实测，超灌高度控制不到位，或高或低，都将给后期验收带来相当麻烦，要投入相当的人力、财力，甚至组织机械设备进场处理。

超灌高度过高，会造成混凝土的浪费及增加后期验收时破除桩头的工作量和费用。如超灌高度比设计要求高出许多，则要耗费人工进行破除桩头，这样不但增加了混凝土的用量又耗费了人工，大大增加了工程成本。超灌高度没达到设计要求，会造成后期验收时补灌接桩。如工程桩桩顶比设计桩桩顶标高低，则需要采取措施补救，做锅底支模进行补灌，这样不但增加了混凝土的用量，而且又延误工期，最后也大大增加工程成本。因此控制好超灌高度对混凝土充盈系数有很大的影响。

2 结语

对充盈系数的分析，实际上就是对控制灌注混凝土用量的分析，而归根结底都取决于桩孔质量的好坏。施工现场的充盈系数过大或过小一般都是由多种因素同时导致，因此单独对某一个因素进行改进很难取得明显的控制效果。为此，需要针对具体工程实例，分析充盈系数过大或过小的主要原因，然后针对性的对其进行综合改进，从而将充盈系数控制在合理范围内，节约施工成本，提高经济效益。