黄泛区长螺旋压灌法CFG桩施工力学问题分析

李根红， 何利超， 张 浩， 马一凡， 周同和

（1.河南省体育局，郑州 450000； 2.郑州大学，郑州 450001）

1 研究概况

在地下水位较高的饱和粉土和粉细砂层中进行CFG桩施工时常遇到桩顶标高低于设计标高，桩浅部发生严重缩颈、桩身夹泥、断桩等质量问题. 采用长螺旋钻孔管内泵送混凝土工艺施工CFG桩时，在驱动钻具向下钻进过程中，螺旋叶片对孔周土具有剪切、挤压和振动作用，方波等［1］认为螺旋钻机钻进过程中的剪切、振动作用使饱和粉土和砂土层中能量积累，发生孔隙水压力上升和土层液化. 打桩提钻过程中，由于提钻瞬间的抽吸作用［2］，导致孔内出现短暂的真空状态，孔底某一时刻为真空时，相当于10 m高的水头差，当钻杆提升较快时，这种抽吸作用将导致钻孔周围一定范围内的孔隙水携带泥砂向孔底流动，形成孔底虚土. 黄泛区高水位土层中存在的微承压水也是饱和砂土和粉土中桩身发生质量问题的原因. 孙瑞民等［3］分析认为郑州市区具有这种岩土特征的地层多分布在郑州东北部，地表下一定深度范围内的粉土易失水、易被扰动，具有轻微液化可能. 场地范围内地下水位高，分成上层潜水和下层微承压水，这种土受扰动易产生液化、产生流变、造成临近地基土向孔内流动，使得地面下沉或表层地基土变形过大，是造成CFG桩产生质量问题的原因之一. 桩浅部产生严重缩颈、桩身夹泥、断桩等质量问题的可能原因还有泵送混凝土时提钻速度过快，混凝土充盈系数较小等. 刘彦林等［4-7］基于工程实例，对CFG桩成桩过程中所产生的断桩、堵管、窜孔等质量问题进行了分析，并给出了相应的预防措施和处理方法，提出了施工过程中的注意事项，为CFG桩的工程应用提供了很好的参考. 孙歆硕等［8］基于长螺旋钻孔压灌混凝土桩在软弱地层难以成孔、成孔后桩端有虚土、桩顶浮浆不易清除、钢筋笼下放困难等问题，并研究分析了长螺旋钻孔压灌混凝土桩的施工特点和关键步骤.

以上研究聚焦于长螺旋钻机施工过程中土体剪切液化、孔隙水压力上升、土体流动等，但对桩身缩颈产生的另两个不容忽视的问题缺乏研究和探讨，即软黏土的超固结性和桩周土体受扰动后抗剪强度降低. 在某一工况条件下，超固结土或扰动后桩周的土压力大于未凝固流态混凝土侧压力时，可能产生对混凝土的挤压效应，加剧了上述问题的产生.

朱铁梅等［9-11］研究了混凝土现浇结构施工过程中的侧向压力，其研究表明未凝固的混凝土具有流动性，产生像流体一样的压力传递，随着混凝土浇筑高度的增加，下部流动性质的混凝土对于模板或周围的土体有很大的侧向压力. 随着混凝土逐渐凝固，侧向压力逐渐变小. 影响混凝土侧向压力的因素有水泥的种类和用量、骨料特性、水灰比、化学掺合料、浇筑速度、浇筑方式、混凝土温度、模板尺寸等. 粗骨料含量越高，初始侧向压力越低，浇筑后随时间下降的速度越快；水含量提高，水泥颗粒周围水层厚度增厚，颗粒间的距离增加使内聚力下降，颗粒的絮凝作用降低. 进一步研究可知：当水灰比增大，侧向压力的下降速度变快；高效减水剂的类型对初始侧向压力的影响是有限的，这是因为初始侧向压力主要受内摩擦角的影响，侧向压力随时间下降的速度主要受内聚力的影响；浇筑速度对混凝土侧向压力的影响至关重要，浇筑速度越快，侧向压力就越大，相反，浇筑速度降低，混凝土侧向压力降低. 赵建忠等［12］根据结构模块的结构特点建立计算模型，通数值模拟分析提出了自密实混凝土对结构模块钢板的侧压力特点. 史晓婉、裴新意等［13-14］揭示了泵送自密实混凝土浇筑侧压力的分布规律，分析了实测侧压力值与流态计算值之间的关系.

根据国家标准［15］《混凝土结构工程施工规范》（GB 50660—2011），混凝土侧向压力：

式中：γc为混凝土容重，可取24 kN/m3；h 为混凝土浇筑高度.

国内外对混凝土侧压力进行了大量的测试研究，发现混凝土侧压力分布从浇筑面向下至最大侧压力处，基本遵循三角形分布，达到最大值后，侧压力为矩形分布. 以桩为例时，假定如图1.

有理论分析与试验表明，混凝土侧压力主要影响因素如下：

1）在一定浇筑速度下，混凝土的凝结时间随温度的降低而延长，从而增加其有效压力.

2）机械振捣的混凝土侧压力比手工捣实增大约56%.

3）侧压力随坍落度增大而增大，当坍落度从70 mm增大到120 mm时，其最大侧压力约增加13%.

4）掺加剂对混凝土的凝结速度和稠度有调整作用，从而影响到混凝土的侧压力，缓凝、稠度小混凝土一般可以增加侧向压力.

图1 孔内混凝土与土侧向压力分布示意Fig.1 Distribution of concrete lateral pressure

5）随混凝土重力密度、超灌高度的增加而增大.

黏性土层发生某种程度超固结的原因主要是由于地表水或地下水静水位发生变化，超固结黏土土压力要大于正常固结黏土，但计算理论和试验方法仍处于进一步研究阶段［16-21］. 纠永志和黄茂松［22］通过应力路径三轴试验对不同超固结比下饱和软黏土的K0系数及超固结软土的抗剪强度进行了研究，结果表明，常用的K0系数计算公式过高地估算较大超固结比时的K0值，提出K0超固结软黏土不排水抗剪强度公式. 杨仲元［23］通过试验证实静止土压力系数随超固结比的增大而增大的规律. 当超固结比超过2.5时，静止土压力系数与超固结比为非线性关系，可用指数函数来近似表示.《河南省基坑工程技术规范》（DBJ 41/139—2014）［24］提出超固结土静止土压力系数可采用K0= OCR(1-sin φ′s)进行计算. 王国富等［25］依托济南地铁工程勘察，采用原位土体水平压力测定仪（KSB）对济南西北部黄河厚冲积层进行现场测试，将测试结果与原位旁压试验、室内侧压力仪K0试验结果以及考虑黏性土内摩擦角、塑性指数的K0计算公式进行对比，分析表明，KSB测试结果以指数形式插值推定原位静止土压力系数更优；20 m深度范围内黄河冲积层黏性土可近似为正常固结饱和状态，K0介于0.4～0.7之间并随埋深减小.

2 缩颈与断桩产生的力学机理分析

2.1 施工力学作用

长螺旋钻进过程中产生的振动、剪切会使孔隙水压力上升，新近沉积得粉土和砂土可能发生液化. 桩周液化土重新固结的过程，将引起桩身混凝土体积的变化.

长螺旋钻进过程中产生的振动、剪切引发孔隙水压力上升、新近沉积粉土、砂土的液化. 桩周液化土重新固结的过程，将引起桩身混凝土体积变化.

该体积变化量不能由充盈系数得到补偿时将引起上部桩身混凝土的下沉及桩孔内的混凝土可能被拉断或“拉细”（如图2），形成浅部断桩或缩颈. 此外，因施工操作不规范，压灌混凝土的泵送与提钻不协调，等原因，可在孔底形成空隙引起桩身混凝土下沉，加剧了这一进程. 当土层分布为粉土、粉质黏土交互层状态时，上部桩身可能形成“糖葫芦”状.

图2 成桩质量效果示意图Fig.2 Schematic diagram of concrete pile quality effect

2.2 土力学作用

长螺旋压灌法采用长螺旋钻机成孔，钻至孔底后利用混凝土泵车通过管道和钻杆空腔将混凝土压灌至孔底后，边提升拔出钻杆边压灌混凝土形成CFG桩. 这一过程中，因钻具回转振动、剪切、压灌等作用，对黄泛区新近沉积的粉土、粉质黏土、粉细砂土的扰动会产生超孔隙水压力，降低其抗剪强度，并可能引起粉土、砂土液化. 液化处产生扩径，引起扩径上部桩身流态混凝土产生下拉荷载；未液化处的黏性土土体抗剪强度降低，此时上覆土层厚度未发生改变，桩孔壁侧向土压力必然增加；对于桩周存在超固结黏性土时，因主动土压力较大，当钻杆移除后，将对流态混凝土产生挤压作用（图3）. 当符合下列条件时可能产生缩颈：

图3 桩侧土挤压流态混凝土作用示意Fig.3 Schematic diagram of the squeeze effect of surrounding soil on fluid concrete

式中：γc为混凝土容重；hi为缩颈处至桩顶混凝土浇筑面距离，超灌桩长一般按设计桩长的10%；γi为土重度；h为缩颈处至施工地面距离. Ka为主动土压力. 不难理解，当施工面距桩底设计标高距离越大时，左式大于右式的可能性越大.

上部桩身某段桩周为超固结土或软土时，该段未凝固的混凝土对桩孔壁的侧压力可能小于桩侧主动土压力. 缩颈、断桩最可能发生在超固结的粉质黏土、软土层中.

综上所述，当某处混凝土补充量小于需求量，且同时受到一定的土压力挤压时，最有可能形成缩颈或断桩.

3 工程实例分析

3.1 工程概况

某工程地下1层，地上18层，剪力墙结构，采用CFG桩复合地基，基础为筏板基础，桩顶标高-4.2 m，桩径400 mm，桩长16.5 m进入第⑦层.

场地地貌单元属于黄淮冲积平原，地面平坦，地下水为第四系潜水，位于自然地面以下5.5～6.5 m. 工程地质条件，各层土抗剪强度与标贯击数等参数如表1、表2、图4所示.

表1 土层条件及参数Tab.1 Soil conditions and parameters

表2 第⑤层砂土颗粒分析结果Tab.2 Analysis results of sand particles in the ⑤layer

图4 地质剖面Fig.4 Geological section

采用长螺旋泵送混凝土施工工艺，施工完成后进行承载力与质量检验，检测结果显示单桩竖向承载力特征值不满足设计要求，低应变检测抽查数量242 根，其中Ⅳ类桩211 根. 开挖检查发现CFG 缩颈桩数较多，发生在基底，如图5所示.

图5 现场开挖至基底照片Fig.5 Photos of site excavation

3.2 孔壁土压力对桩身质量影响的计算分析

孔壁土压力与混凝土侧向应力计算分析，超固结黏性土侧向土压力为

式中：K0= OCR(1-sin φ′s)，黄泛区超固结黏性土的超固结比，一般地 OCR =1～2.

桩侧土压力与混凝土侧向压力计算结果如图6 所示. 实例工程基础埋置深度4 m，基底位于第③层粉质黏土，土层力学指标如表1 所示，土层重度取γ=20 kN/m3，假定取 OCR =1. CFG桩施工时，混凝土设计超灌（超出设计桩顶标高）1 m，实际超灌量为2 m. 可以看出，基底位置处桩孔侧壁土的侧向压力（不考虑桩周土体扰动）为Ps0=63 kPa，而此处混凝土对桩孔壁的侧向压力为Pc0=48 kPa，小于桩侧土压力Ps0，具备了产生缩颈的条件.

图6 桩孔侧压力计算结果Fig.6 Calculation results of lateral pressure

随深度增加，混凝土侧向压力、孔壁土压力将增加，假定取 OCR =1.5，根据式（1）、式（2）计算埋深10 m处土的侧向压力（不考虑桩周土体扰动）为Ps0=163.5 kPa，此处的混凝土侧向压力为Pc0=192 kPa，大于桩周土侧压力Ps0，产生缩颈的可能性将会降低. 以上计算表明，CFG桩上部浅层存在超固结黏性土或软土时，具有产生缩颈的条件.

3.3 桩侧土体液化对上部桩身质量的影响分析

由表1可知，本工程第⑤层为平均厚度7.6 m的粉砂. 由图4可知，地下水位位于设计桩顶以下大约1.5～2.0 m. 前已述及，在水位以下的新近冲积形成的粉砂、粉土施工CFG桩时，桩侧第⑤层土体易受螺旋钻杆挤压、剪切、振动作用发生液化，第⑤层液化后产生扩径造成混凝土充盈系数大于正常值的情况；当混凝土泵送流量与钻杆提升速度不匹配、混凝土泵送量不足时，液化处扩径会导致上部桩身混凝土的下沉，上部超灌混凝土不能及时补充将产生浅部断桩，补充量不足将产生缩颈. 此外，从图5中可以看出，可能因土层厚度、均匀性和超灌情况、泵送前拔管高度不同等原因，同一标高处不同部位情况不尽相同. 因此，设计施工时，需要根据不同土层分布情况制定相应的措施.

4 设计与施工对策

通过以上分析可知，黄泛区粉土、粉质黏土交互土层高水位条件下，长螺旋钻孔压灌混凝土工艺施工CFG桩时，应采取措施防止桩顶严重下沉、缩颈、断桩等质量问题. 根据以上分析，提出采用以下对策.

4.1 设计措施

1）通过现场试验性施工确定混凝土充盈系数，防止犯“经验主义”的错误影响施工质量.

2）通过超固结土位置的土压力平衡验算估算超灌混凝土高度，为施工桩长提供设计依据.

3）控制设计桩长，使孔底水头差控制在一定范围以内. 桩长过大不仅施工质量难以保证，也不利于桩端阻力和桩侧阻力的发挥.

4.2 施工措施

主要从减小施工扰动、控制混凝土下沉、防止负压重要三个方面采取相应措施：

1）降低地下水位，一方面减少孔底水头压力，另一方面提高软土固结度，降低上部桩间软土摇震反应灵敏度.

2）降低施工作业面标高以减少空孔长度，增加混凝土坍落度，添加缓凝剂、减少稠度，以减少流态混凝土侧向压力与桩侧主动土压力的压力差.

3）采取隔桩、隔排、区域跳打的施工方案，增加相邻桩的施工时间间隔. 该方法有利于桩间土体强度恢复.

4）及时清理钻进弃土，降低作用在浅部孔壁上的土压力.

5）控制底部拔管抽真空度和孔底沉渣厚度. 混凝土打开阀门前的提钻高度严格控制在300 mm 以内.当这一目标控制有困难时（如施工中易发生混凝土堵管现象），可通过降低地下水、改变钻头开门等方法降低阀门开启阻力，一方面防止下部形成空孔，另一方面防止桩孔周边水土流向孔内.

6）改进钻头，提高钻进速度，减少钻进对饱和砂土、粉土剪切扰动和能量积累，减弱土体液化态势. 控制好钻杆提升速度，使提升速度计算得到的混凝土量适当小于泵送压灌量.

以上设计与施工措施得到了工程实践的验证，产生了良好的技术效果.

5 结论

本文运用土力学基本理论和施工力学方法，分析了黄泛区高水位条件下粉土、粉质黏土互层长螺旋钻孔压灌混凝土CFG桩产生缩颈、断桩的原因、作用机理，所得结论如下：

1）引起桩身缩颈、断桩、桩顶严重下沉的原因为下部桩身周边土体的剪切液化、桩底空桩长度过长等产生的桩孔容积增大、液化土体固结、孔底空隙等引起的桩身混凝土下沉，相应缩颈或断桩位置的超固结土或软土土压力大于该处混凝土侧向压力等共同作用的结果.

2）产生上述现象的条件一般为场地地下水位较高、桩长范围内多为新近沉积的粉土、粉砂、粉质黏土，灵敏度较高，土体抗剪强度底、孔底水头差较大.

3）缩颈程度或断桩位置与土层分布条件有关，断桩位置多位于桩身上部，施工时应采取相应的措施. 包括延长相邻桩施工时间间隔、提高钻进速度降低长螺旋回转剪切振动；降低地下水位减小桩底水头差、控制桩底空孔长度；适当增加混凝土超灌高度提高相应位置流态混凝土的侧向压力等.

4）提出的控制设计桩长、施工前降低地下水水位、增加相邻桩施工时间间隙、适当增加超灌混凝土高度、控制混凝土压灌时的提钻速度等设计与施工措施，可降低长螺旋钻孔压灌混凝土桩缩颈、断桩及桩顶严重下沉发生的概率.