深厚砂层中后注浆钻孔灌注桩质量问题原因分析

陈志新 彭满华 张海顺

(中船勘察设计研究院有限公司，上海 200063)

0 引言

钻孔灌注桩由于无噪声、无振动、对环境影响较小、对地层的适应性强、桩长桩径不受限制、施工场地要求低及单桩承载力高等突出优点而被广泛应用。但在施工过程中，经常因泥浆护壁及清孔不彻底，而在桩周及桩底形成软弱层，因此钻孔灌注桩的摩阻力和端阻力不能得到有效发挥，从而使钻孔灌注桩的侧阻和端阻有时比打入桩更低。基于以上原因，为满足高承载力和低沉降的要求，常采用后注浆施工工艺的钻孔灌注桩[1-4]。但由于目前对后注浆工艺如何提高灌注桩极限承载力的机理尚不完善，经验依赖程度高，采用各种预估方法得到的极限承载力与桩的实际极限承载力相比总有一定的误差，因此在具体工程中，需强调静载荷试验的重要性。当出现预估承载力远大于静载荷试验所得的承载力时，一般需要及时找出其主要原因，后采取应对措施方能形成合理的处理方案。工程实践过程中的实测试验资料、碰到的问题、积累的经验等是岩土工程学科的宝贵财富，因此，开展桩基工程质量事故原因分析及应对措施研究不仅有广阔的工程应用前景，同时也具有重要理论价值[5]。

本文依托某深厚砂层中后注浆钻孔灌注桩质量事故实例，基于宝贵的现场试验数据、资料，结合现场调查，对质量事故的主要原因进行分析并提出解决措施。研究成果可为穿越深厚砂层中后注浆钻孔灌注桩类似桩基工程的设计、施工及相关理论研究提供借鉴。

1 概况

1.1 工程概况

某工程位于上海市市区，周边环境复杂，管线多，车流量大，其东侧和北侧均有轨道交通通过，场地局部处于地铁保护线范围内。

拟建工程地上分为南楼、北楼和辅楼。南楼20层，高85.3 m，框架-核心筒结构，最大柱底轴向力37098 kN；北楼10层，高43.3 m，框架-剪力墙结构，最大柱底轴向力17045 kN；辅楼3层，高14.2 m，框架结构。地下室2层，基坑深约8.5 m。拟建建(构)筑物性质见表1。

表1 拟建建(构)筑物性质一览表

1.2 工程地质概况

1.2.1 地层情况

拟建场地90.4 m深度范围内的土层按其岩性成分可划分为8层，其中第⑤、⑦层土根据其土性及工程性质的不同又各可分为两个亚层。从上至下分别为第①层杂填土、第②层灰黄色粉质黏土、第③层灰色淤泥质粉质黏土夹黏质粉土、第④层灰色淤泥质黏土、第⑤1-1层灰色黏土、第⑤1-2层灰色粉质黏土、第⑥层灰绿色粉质黏土、第⑦1层草黄色砂质粉土、第⑦2层灰黄色粉砂、第⑨层灰色粉细砂(见图1)。

图1 工程地质剖面图

1.2.2 土层设计参数

各土层的主要设计参数见表2。

表2 岩土层主要设计参数

1.3 设计概况

本工程桩采用泥浆护壁钻孔灌注桩，南楼部分采用桩端后注浆工艺。主楼抗压桩直径为800 mm，桩基持力层为第⑨层粉细砂，桩顶标高-13.4～-10.8 m，单桩竖向抗压承载力设计值Rd北楼为3000 kN，南楼为5300 kN。

设计要求在工程桩全面施工前，应根据场地的地质情况，先试成孔，数量不少于2个，并测定其孔径、垂直度、孔壁稳定、沉淤等检测指标,从而确定工程桩施工时的各项工艺参数。各试桩的要求见表3。

表3 试桩要求

对桩端后注浆施工的，配制注浆浆液需采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥，注浆量(纯水泥用量，非水泥浆)为1.6 t/根，最终注浆量可根据现场施工情况进行微调，但注浆终压力不得小于3 MPa，水灰质量比0.55～0.60。

1.4 施工及静载荷试验

根据设计要求，于2017年12月完成了所有试桩的成桩施工，采用正循环清孔，后注浆导管采用钢管，钢管直径为25 mm，壁厚为3.2 mm。在桩身混凝土强度达到设计强度及龄期满足规范要求后进行了静载荷试验。试验结果表明，除了南楼的b型桩不满足要求外，其余桩型均满足设计要求。不满足要求的试桩分别为ZHb10-1和ZHb10-2。这两根桩的施工情况见表4。

表4 第一次试桩的施工概况

2018年4月22日至5月3日分别对上述两根试桩进行了单桩竖向抗压承载力试验，试验结果见图2和图3。

图2 ZHb10-1#桩Q-s曲线

图3 ZHb10-2#桩Q-s曲线

据图2和图3可知，两根桩的承载力均未达到设计要求。各方查找原因认为施工方在进行桩端后注浆时注浆量未达到设计要求，因此重新成孔，调整注浆量再行试两根桩。第二次试桩的施工情况见表5。

表5 第二次试桩的施工概况

2018年8月18日至8月25日分别对上述两根试桩进行了单桩竖向抗压承载力试验，试验结果见图4和图5。

图4 ZHb1-35#桩Q-s曲线

图5 ZHb1-59#桩Q-s曲线

据图4和图5，两根桩的承载力仍未达到设计要求。建设单位要求各相关参与方认真查找原因。

2 质量事故原因分析

2.1 单桩竖向极限抗压承载力计算分析

根据上海市《岩土工程勘察规范》(DGJ 08—37—2012)[6]和《地基基础设计标准》(DGJ 08—11—2018)[7]，对单桩竖向承载力进行复核，复核参数见表2。由于第一次和第二次试桩的注浆量或注浆压力未达到设计要求，因此暂不考虑桩端后注浆的加固作用。

经计算，桩侧极限摩阻力标准值可达8257 kN，桩端极限端阻力标准值可达1357 kN，单桩抗压极限承载力标准值可达9614 kN[8]。如考虑桩端后注浆工艺时，根据上海市《地基基础设计标准》(DGJ08—11—2018)[7]，承载力可提高至少1.2倍以上。据前后两次的试桩资料，四根桩的极限承载力平均为8080 kN左右。因此可以判断试桩所得的极限承载力仅仅是桩侧摩阻力发挥了作用，桩端承载力未得到有效发挥，各试桩曲线也印证了这一点，这可能是勘察报告揭露的地层有误，或者是桩底沉渣过厚造成的。而从图5可以判断桩底沉渣过厚的可能性更大。

2.2 勘察分析

2.2.1 地层分析

据图1可知，场地为上海典型的第⑦、⑨层相连场地，第⑦层的层面埋深在35.0 m左右，第⑨层的层面埋深在65.0 m左右，根据上海市《岩土工程勘察规范》(DGJ 08—37—2012)[6]可知，符合上海区域地质情况。

2.2.2 岩土层主要设计参数分析

根据上海市《岩土工程勘察规范》(DGJ 08—37—2012)[6]和《地基基础设计标准》(DGJ 08—11—2018)[7]，对比表2中的设计参数可知，勘察报告所建议的设计参数在规范规定的范围内。本场地的试桩除b型桩达不到要求外，其余桩型均满足要求，且根据勘察报告提供的参数估算的承载力与静载荷试验所测得承载力的承载力相差不大，说明勘察报告所建议的设计参数合理可靠。因此可排除勘察不准确造成的原因。

2.3 施工原因分析

在排除了勘察和设计的原因外，对施工原因进行分析。本次施工在成孔及清孔过程中，采用的都是正循环工艺，未采用除砂器，施工时采用的泥浆为原浆，泥浆性能指标的测定位置均在孔口进行，注浆管采用直径为25 mm，壁厚为3.2 mm的钢管，注浆器超过钢筋笼底部50 cm。

根据上海地区的施工经验，在以深厚砂层为持力层、正循环清孔、未采用除砂器的情况下，孔底沉渣往往很厚，达1 m左右甚至2～3 m，而不是4～5 cm，在注浆压力或注浆量不充足的情况下，后注浆工艺往往会失效。

3 质量事故处理及第三次试桩情况

3.1 专家处理意见

试桩质量不过关可能带来严重后果，专家分析认为此次质量事故是施工原因造成，提出意见如下：

(1)钻孔灌注桩成孔工艺应作适当调整，施工中泥浆指标应满足规范要求，尤其是严格控制二清的桩端的含砂量，建议采用反循环清孔，进入砂层⑦1层后宜适量掺入膨润土浆液，循环泥浆应采用除砂器处理。

(2)适当提高桩端后注浆的注浆量，不宜小于4 t纯水泥。

(3)注浆管直径不宜小于30 mm，壁厚不小于3.5 mm，应采用套管丝扣连接，注浆器应带有逆向阀功能。

(4)应确保注浆器下至桩端下30 cm，施工中应校核注浆管与成孔深度一致性。

(5)建议采用2次注浆工艺，第一次注浆量可取60%，间隔2 h后进行第二次注浆，注浆速率应小于40 L/min。如注浆压力小于2 MPa时，间隔1 h后适当增加注浆量。

3.2 第三次施工及试桩结果

根据专家意见改进了桩基施工工艺和注浆工艺，采用了反循环泥浆护壁成孔桩基施工工艺和桩端后注浆工艺，采用ZX-250型除砂机作为除砂装置[9]，进行了第三次试桩，施工情况见表6。

表6 第三次试桩的施工概况

2019年1月24日至2月18日分别对上述两根试桩进行了单桩竖向抗压承载力试验，试验结果见图6、图7，该两根试桩承载力达到设计要求。

图6 ZHb1-1#桩Q-s曲线

图7 ZHb1-77#桩Q-s曲线

4 结论

该工程的b型桩试桩从2017年12月开始，历经一年多的时间，试桩结果才取得比较满意的结果，严重影响了后续工程的进度，并造成了工程成本的不必要增加。为避免在以后类似工程中产生同样的质量问题，总结经验教训如下：

(1)在遇到工程质量事故时，应认真分析各种原因，找出造成事故的真正原因，采取针对性的措施；

(2)在深厚砂层中进行后注浆钻孔灌注桩施工，应采用反循环施工工艺和清孔工艺，并采用除砂器；

(3)在施工前应通过注浆工艺试验确定合理的注浆压力、注浆量、注浆次数和注浆速度等工艺参数；

(4)注浆器是影响后注浆灌注桩承载力的重要因素之一，应尽可能采用可靠性高的注浆器，保证注浆成功率。

致谢：在本文的撰写过程中，得到了中船勘察设计研究院有限公司李玉灿高工和翟建伟高工的大力支持，在此深表感谢！