谈钻孔灌注桩中坍孔和断桩
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作者: 王宁海
摘要：钻孔灌注桩在各类土木工程中得到广泛应用，具有抗震性好、承载力大、施工噪音小、可以解决特殊地基沉载力等诸多优点，灌注桩施工工艺比打入桩复杂，容易出现断桩、坍孔、混凝土离析和孔底虚土或沉渣过厚等质量问题，这不仅影响工期，造成经济损失而且还会引起工程事故，因此为了进一步推广钻孔灌注桩的应用，减少断桩和坍孔现象，通过实践对坍孔和断桩的危害及产生原因进行了探讨，总结出了解决上述现象的方法和措施。
关键词：钻孔灌注桩 坍孔 断桩
中图分类号：TU1文献标志码：A文章编号：1673-291X（2011）25-0337-03
目前，混凝土钻孔灌注桩是桥梁施工结构的主要形式，这主要是由于桩能将上部结构的荷载传递到深层稳定的土层中去，具有沉降量小、承载力高的特点，可以解决特殊地基土的承载力。从而大大减少基础沉降和建筑物的不均匀沉降，是一种抗震性好，施工噪音小且安全可靠的基础形式，目前复合基础（将桩或管柱与沉井组合的一种深水基础）和大直径钻孔灌注桩（大直径灌注桩具有承载力大，刚度大，施工快，造价少的优点，国外很多采用直径2米~4米的大直径钻孔桩，而且往往采用扩孔方法，直径可达3米~4米在连续结构尤其是连拱或连续斜拉桥，设计中刚度起关键作用以减少下部结构的水平位移，减少由此引起的附加内力）等国内外新技术得到了广泛应用。但是，灌注桩的成孔是在桩位处的地面下或水下完成的，施工工序多，质量控制难度大，施工工艺比打入桩复杂，稍有不慎易产生断桩、坍孔等质量问题。并且由于钻孔桩质量不够稳定，要抽检更多数量的桩进行检验，增加检测费用，再加上成桩后不易进行质量检查等，所以施工运用还存在一定限制，目前国内外已有多种常用的桩基检测方法如：钻芯检测法、振动检测法、超声脉冲检验法、射线法等对其进行施工质量检测，对出现坍孔、断桩等现象有了很好的处理方法及预防措施。
一、桩基检测方法
随着科学技术的不断发展对桩基检测方法也越来越多，目前常用的有以下几种：
1．钻芯检测法：由于大直钻孔灌注桩的设计荷载一般较大，用静力试桩法有许多困难，所以常用地质钻机在桩身上沿长度方向钻取芯样，通过对芯样的观察和测试确定桩的质量。但这种方法只能反映钻孔范围内的小部分混凝土质量，而且设备庞大、费工费时、价格昂贵，不宜作为大面积检测方法，而只能用于抽样检查，一般抽检总桩量的3%～5%，或作为无损检测结果的校核手段。
2.振动检测法：又称动测法。它是在桩顶用各种方法施加一个激振力，使桩体及至桩土体系产生振动。或在桩内产生应力波，通过对波动及波动参数的种种分析，以推定桩体混凝土质量及总体承载力的一种方法。这类方法主要有四种，分别为敲击法和锤击法、稳态激振机械阻抗法、瞬态激振机械阻抗法、水电效应法。
3.超声脉冲检验法：该法是在检测混凝土缺陷的基础上发展起来的。其方法是在桩的混凝土灌注前沿桩的长度方向平行预埋若干根检测用管道，作为超声检测和接收换能器的通道。检测时探头分别在两个管子中同步移动，沿不同深度逐点测出横断面上超声脉冲穿过混凝土时的各项参数，并按超声测缺原理分析每个断面上混凝土质量。
4.射线法：该法是以放射性同位素辐射线在混凝土中的衰减、吸收、散射等现象为基础的一种方法。当射线穿过混凝土时，因混凝土质量不同或因存在缺陷，接收仪所记录的射线强弱发生变化，据此来判断桩的质量。
二、坍孔的原因及处理措施
（一）孔口附近产生坍孔
1.主要表现是：护筒(钻杆) 倾斜、护筒下沉明显；钻头吊绳偏离孔位中心；孔内水位骤然下降并冒密集的小气泡等。
2.主要原因是：（1）护筒埋置深度不够或护筒周围回填的黏土分层夯实不够；（2）孔口附近地面受水浸湿泡软(如泥浆沉淀池距孔口过近)；（3）孔内水头压力不足；向孔内补水时水流对孔壁有冲刷，开始冲孔进尺过快；（4）吊绳放松过长致使钻头撞击护筒或孔壁；（5）泥浆稠度不够等。
3.处理措施：（1）如护筒下沉过多或倾斜，应及时扶正护筒，或者将护筒四周回填土清除，摆正护筒，用黏土分层回填夯实。严重时应挖出护筒，重新按要求埋置后再冲孔；（2）在护筒底脚以下2m~4m 范围内属河床表层，通常比较松散，所以开始冲孔时应采用黏土加砾石的稠泥浆小冲程，防止钻头撞击护筒；（3）补水管应置于护筒中部，防止冲刷孔壁；（4）保持孔内有足够的水头压力（孔内水位比孔外高出2m 以上）；（5）在砂夹卵石及砂层中开孔时，按1∶1 投入黏土和小片石，遇有软土层时，按2 ∶1 或3 ∶1投入黏土和小片石，采用小冲程、高频率反复冲砸到护筒脚下1m~1.5m 处停下，回填到护筒底以上1m，再继续冲击，使孔壁坚实，不坍不漏。1.3.6一旦判明发生了坍孔，如情况不严重时，可按1∶1 投入黏土和小砾石，回填至坍孔位置以上（或护筒底脚以上）1m，并加大泥浆比重继续冲击； 如情况严重时，应将钻孔全部用砂夹黏土或小砾石夹黏土（1∶1）回填，经3~5 天密实后，再重新冲（钻） 孔。
（二）钻进中发生坍孔
1.主要表现是：在钻孔过程中，如果钻孔内水位突然下降，孔口冒细密的水泡，就表示已坍孔。此时，出渣量显著增加而不见钻头进尺，但钻孔负荷显著增加，泥浆泵压力突然上升，造成憋泵。一旦坍孔，钻孔便无法正常进行，易造成掉钻、埋钻事故。
2.主要原因是：（1）泥浆相对密度不够及其他泥浆性能指标不符合要求，使孔壁未形成坚实泥皮。（2）通过砂砾等强透水层，孔内水流失等而造成孔内水头高度不够。（3）护筒埋置太浅，下端孔口漏水、坍塌或孔口附近地面受水浸湿泡软，或钻机直接接触在护筒上，由于振动使孔口坍塌，扩展成较大坍孔。（4）在松软砂层中钻进进尺太快。（5）提出钻锥钻进，回转速度过快，空转时间太长。（6）水头太高，使孔壁渗浆或护筒底形成反穿孔。（7）清孔后泥浆相对密度、黏度等指标降低，用空气吸泥机清孔泥浆吸走后未及时补浆（或水），使孔内水位低于地下水位。（8）清孔操作不当，供水管嘴直接冲刷孔壁、清孔时间过久或清孔停顿时间过长。（9）吊入钢筋骨架时碰撞孔壁。
3.处理措施：（1）在松散粉砂土或流砂中钻孔时，应选用较大比重、黏度的泥浆。一般选用优质黄泥制作黄泥浆，要求黄泥中不得含有沙石等杂质，塑性指数大于22。并放慢进尺速度（钻孔进尺的平均速度一般控制在6m～7m/h为宜），也可投入黏土掺片石或卵石，低锤冲击，将黏土膏、片石卵石挤入孔壁稳定孔壁。（2）根据不同地质，调整泥浆比重。确保泥浆具有足够的稠度确保孔内外水位差，维护孔壁稳定。黄泥浆的比重控制在1.25～1.30左右，数量不少于单桩井孔体积的2倍。实践证明：高质充足的黄泥浆是确保钻孔灌注桩施工质量的关键之一。钻至井孔上段6m～7m时，可不必向井孔内输入高压水，使钻碴自然形成浓稠的泥浆护壁，特别是护住最易坍塌的护筒底脚处的井壁。（3）清孔时应指定专人负责补水，保证钻孔内必要的水头高度，中段6m～7m可输入高压水承压清孔。下段6m～7m输入黄泥浆，如此做法，既有效地保证了施工质量，又节省了成本较高的黄泥用量。（4）发生孔口坍塌时，可立即拆除护筒并回填钻孔，重新埋设护筒再钻。坍孔部位不深时，可用深埋护筒法，将护筒周围土夯实填密实重新钻孔。（5）发生孔内坍塌时，判明坍塌位置，回填砂和黏土（或砂砾和黄土）混合物到坍孔处以上1m～2m。如坍孔严重时应全部回填，待回填物沉积密实后再进行钻进。
（三）孔内深部发生坍孔
1.主要表现是：孔内水位骤然下降并冒密集的气泡；冲击机或卷扬机负荷明显增加甚至钻头运转不起来；长时间冲击 进尺很小等（用测绳测得的孔深与理论计算值差距较大） 。
2.主要原因是：（1）孔内水位高度不够，没有足够的水头压力（往往由掏渣后未及时补水或泥浆所致）；泥浆稠度不够；（2）冲孔通过取土层有潜流或流速较大，产生对流，加之补水不及时；（3）钻头或掏渣筒吊绳放松过长致使其撞击孔壁；（4）在松软砂层中进尺太快（采用大冲程） 等。
3.处理措施：（1）冲孔过程中应始终注意保持孔内泥浆有一定的稠度；（2）松散粉砂或流砂中冲进时应多加黏土与砾石，或者风化片石等，将松软土层挤紧，同时加大泥浆稠度；（3）保证孔内有足够的水头压力（水头高于孔外2m 左右）；（4）控制进尺，放松卷扬机或冲击机不宜过多。（5）一旦判明发生了坍孔，当孔内坍塌不严重时，可回填至坍塌位置以上1m~2m，并加大泥浆比重继续冲进。较严重的坍孔，应将钻孔全部用砂夹黏土或小砾石、小片石夹黏土回填，经一星期左右沉淀密实后，校正护筒位置无误后再重新孔。
（四）混凝土灌注中发生坍孔
1.主要表现是：一个轻微坍孔在施工中不易被察觉，声测时发现局部裹泥或夹砂的现象。
2.主要原因是：在1"桩基中在距声测管顶端4.5m~5m断面处出现异常情况AB测面读数均匀正常，但BC，AC面无读数判定此两面交汇处可能出现裹泥块。
3.处理措施：该标在C声测管处用钻机干钻了一直径为1.2m，距桩顶5m的井，用木版和钢筋圈加固后，叫人从距桩顶4.5m处开凿，发现C声测管处有一高25cm，宽10cm，深14cm，的黏土块，我们采用清除―凿出新鲜的混泥土2cm，在清洗（饱和棉干）进行高标号混凝土修补，保证了桩的整体性和完整性。
三、断桩的原因及处理措施
是指钻孔灌注桩在灌注砼的过程中，泥浆或沙砾进入水泥砼，把灌注的砼隔开并形成上下两端，造成砼变质或截面积受损，从而使不能满足受力要求，是严重的质量事故。对于诱发断桩的因素，必须在施工初期就彻底清除其隐患，同时又必须准备相应的对策，预防事故的发生或一旦发生事故及时采取补救措施。
（一）断桩的原因及预防措施
1.初灌未封底导管距孔底太远，初灌量没有埋住导管。导管底端距孔底高度依据桩径，隔水阀种类及大小而定最高≯0.5m。
2.导管堵塞浇筑时间过长，上部砼已接近初凝，形成硬壳，而且随时间增长，泥浆中残渣将不断沉淀从而加厚了聚积在砼表面的沉淀物造成砼浇筑极为困难而堵管因此应尽可能提高砼浇筑速度，快速连续浇筑使砼和泥浆一直保持流动状态，可防导管堵塞，如突然浇筑大量的砼，使导管内空气不能马上排出，可能导致堵塞，如发生堵塞可在导管上部用钢筋疏通或在下部提取导管上下振击。
3.导管漏水导管使用前须做密封试验，浇筑前检查导管是否漏水等缺陷，发现问题要及时更换，在浇筑过程中发现漏水应加快浇筑速度，并加大砼埋深，使管内砼超出漏水处。
4.导管拔出砼面，导管提漏有两中原因：（1）当导管堵塞时，一般采用上下提振法，使砼强行流出，但如果此时导管埋深很小极易提漏。（2）因泥浆过稠因在测量导管埋深时，对砼浇筑高度判断错误，而在卸管时又多提，使导管提离砼面，就会产生提漏，因此必须严格按照规程用规定的测探锤测量孔内砼表面高度，并认真核对，保证提升导管不出现失误。
5.导管被砼埋住、卡死，在浇筑过程中导管埋置深度是一个重要的施工指标，导管埋深过大，以及浇筑时间长，导致已浇筑砼流动性降低，从而增大砼与导管壁的摩擦力，阻止采用已很落后而且提升阻力很大的法兰盘连接的导管，在提升时连接螺栓拉断或导管破裂而产生断桩，因此钢筋笼主筋接头要焊平，导管法兰盘连接的导管，连接处罩以圆锥形的铁罩，底部以法兰大小一致，并在套管头上卡住，避免提导管时，法兰挂住钢筋笼，导管插入砼中的深度因根据搅拌砼的质量，供应速度，浇筑速度。孔内护壁泥浆状态来决定，一般情况下，以2m~6m为宜，如果导管插入砼中的程度较大供应砼间隔时间较长，是砼和易性稍差，易发生“堵管”，如果预料到不能及时供应砼（>1H）砼运输距离远，交通堵塞等因素时，除砼中加缓凝剂外，导管在注入砼中的深度不宜太小，据以往经验以5m~6m为宜，约每隔15min将导管上下摆动几次，幅度2.0为宜，以免使砼产生初凝假象。浇筑砼中中断>2h，因判为断桩。
6.坍塌。因工程地质情况较差，施工单位组织施工时重视不够，有甚者分包或转包，施工者谈不上有什么经验，在灌注过程中，井壁坍塌严重或出现流砂、软塑状质等造成类泥沙性断桩。
7.机械故障和停电造成施工不能连续进行，突然井中水位下降等因素都可能造成断桩。
8.天气影响，天气的急剧变化如突然降暴雨、山洪等往往也是造成断桩的原因。
（二）断桩的处理
断桩的处理难度较大，费用和时间的占用较多，因此断桩事故以预防为主。确实出现断桩时应根据断桩的原因和部位慎重处理。
1.灌注初期的断桩处理。灌注初期由于被灌未封底，导管堵塞，导管拔出砼面，坍塌、机械故障和停电、天气影响等原因造成断桩，而比孔内砼面高度较小，钢筋笼可以拔出，这时应终止浇筑，拔出钢筋笼，重新成孔。
2.孔内砼面高度较高时的断桩处理。孔内砼面高度较高时若由于导管拔出砼面而断桩，在砼初凝前可以用两次导管插入法，将导管底端加底盖阀，插入砼面约1m导管料斗内注洒砼时，将导管提起约0.5m，底盖阀脱掉，即可继续进行水下浇筑砼、施工，由于要克服泥浆对导管的浮力，砼面较深的不宜采用，此方法使用时必须由有经验的工程师现场指导，导管长度，吊预制砼球阀铁丝长度，铁丝抗拉强度，砼面实际位置等数据必须要加以确定，当断桩后停顿时间较长而不能采用两次导管插入，可采用补桩的办法即在设计桩位两侧补做两根加桩、顶部设盖梁，以扁担桩的形式对原桩进行补强。
3.断桩位置距地面不深时的断。此时可采用接桩的办法，接桩一般用人工挖孔的办法处理，清除桩顶残渣，接钢筋笼浇筑砼至设计标高，施工时要特别注意接头质量和施工安全，当砼面距地面很近时，也要采用明挖立模，浇筑的办法接到设计标高，但回填时必须分层夯填密实。
如本桥3"桩在灌注过程中发生导管焊口破裂，裂缝长27cm，宽0.5cm。设计桩长15m，当时水下混凝土已灌注9m，为确保工程质量，停止混凝土的浇筑并提前拔出导管。确定接桩方案，首先，对桩进行声测确定好混凝土的部位；其次，根据设计提供的地质资料表明桩顶以下10m均为黏土层，确定井点降水―开挖-20#素混凝土进行护壁，护壁内用&12的钢筋箍圈以15cm间距进行加固，护壁间连接筋用&12钢筋以15cm间距布置。最后，挖至合格数处利用人工凿毛，按挖孔法混凝土施工方法进行混凝土的浇注。
四、结语
本文从各方面谈论了钻孔灌注桩中出现的原因，并从目前国内外常用桩基检测方法中对出现上述现象，进行了原因分析，从而总结出以下的一些意见供同人参考。（1）在钻孔过程中始终保持护筒内水位要高出筒外1m~1.5m的水位差和护壁泥浆的要求，泥浆比重为1.1-1.3黏度为10s~25s（含砂率≤6%），以起到护壁固壁作用，防止坍孔。（2）钻孔宜一气呵成不宜中途停钻以避免，若坍孔严重应回填重钻（3）钻孔过程中应加强对桩位成孔情况的检查工作。（4）在灌注过程中要随时测量和记录孔内砼灌注标高和导管入孔长度，提管时控制和保证导管埋入砼面内有3m~5m深度。（5）桩孔成孔后，必须认真清孔。一般是采用冲洗液冲孔，冲孔时间应根据孔内沉渣情况而定。冲孔后要及时灌注混凝土，避免孔底沉渣。（6）灌注混凝土前认真进行孔径测量，准确算出全孔及首次灌注孔段的混凝土需要量。可能提高砼浇筑速度，快速连续浇筑使砼和泥浆一直保持流动状态，可防导管堵塞，如突然浇筑大量的砼，使导管内空气不能马上排出，可能导致堵塞，如发生堵塞可在导管上部用钢筋疏通或在下部提取导管上下振击。
3.导管漏水导管使用前须做密封试验，浇筑前检查导管是否漏水等缺陷，发现问题要及时更换，在浇筑过程中发现漏水应加快浇筑速度，并加大砼埋深，使管内砼超出漏水处。
4.导管拔出砼面，导管提漏有两中原因：（1）当导管堵塞时，一般采用上下提振法，使砼强行流出，但如果此时导管埋深很小极易提漏。（2）因泥浆过稠因在测量导管埋深时，对砼浇筑高度判断错误，而在卸管时又多提，使导管提离砼面，就会产生提漏，因此必须严格按照规程用规定的测探锤测量孔内砼表面高度，并认真核对，保证提升导管不出现失误。
5.导管被砼埋住、卡死，在浇筑过程中导管埋置深度是一个重要的施工指标，导管埋深过大，以及浇筑时间长，导致已浇筑砼流动性降低，从而增大砼与导管壁的摩擦力，阻止采用已很落后而且提升阻力很大的法兰盘连接的导管，在提升时连接螺栓拉断或导管破裂而产生断桩，因此钢筋笼主筋接头要焊平，导管法兰盘连接的导管，连接处罩以圆锥形的铁罩，底部以法兰大小一致，并在套管头上卡住，避免提导管时，法兰挂住钢筋笼，导管插入砼中的深度因根据搅拌砼的质量，供应速度，浇筑速度。孔内护壁泥浆状态来决定，一般情况下，以2m~6m为宜，如果导管插入砼中的程度较大供应砼间隔时间较长，是砼和易性稍差，易发生“堵管”，如果预料到不能及时供应砼（>1H）砼运输距离远，交通堵塞等因素时，除砼中加缓凝剂外，导管在注入砼中的深度不宜太小，据以往经验以5m~6m为宜，约每隔15min将导管上下摆动几次，幅度2.0为宜，以免使砼产生初凝假象。浇筑砼中中断>2h，因判为断桩。
6.坍塌。因工程地质情况较差，施工单位组织施工时重视不够，有甚者分包或转包，施工者谈不上有什么经验，在灌注过程中，井壁坍塌严重或出现流砂、软塑状质等造成类泥沙性断桩。
7.机械故障和停电造成施工不能连续进行，突然井中水位下降等因素都可能造成断桩。
8.天气影响，天气的急剧变化如突然降暴雨、山洪等往往也是造成断桩的原因。
（二）断桩的处理
断桩的处理难度较大，费用和时间的占用较多，因此断桩事故以预防为主。确实出现断桩时应根据断桩的原因和部位慎重处理。
1.灌注初期的断桩处理。灌注初期由于被灌未封底，导管堵塞，导管拔出砼面，坍塌、机械故障和停电、天气影响等原因造成断桩，而比孔内砼面高度较小，钢筋笼可以拔出，这时应终止浇筑，拔出钢筋笼，重新成孔。
2.孔内砼面高度较高时的断桩处理。孔内砼面高度较高时若由于导管拔出砼面而断桩，在砼初凝前可以用两次导管插入法，将导管底端加底盖阀，插入砼面约1m导管料斗内注洒砼时，将导管提起约0.5m，底盖阀脱掉，即可继续进行水下浇筑砼、施工，由于要克服泥浆对导管的浮力，砼面较深的不宜采用，此方法使用时必须由有经验的工程师现场指导，导管长度，吊预制砼球阀铁丝长度，铁丝抗拉强度，砼面实际位置等数据必须要加以确定，当断桩后停顿时间较长而不能采用两次导管插入，可采用补桩的办法即在设计桩位两侧补做两根加桩、顶部设盖梁，以扁担桩的形式对原桩进行补强。
3.断桩位置距地面不深时的断。此时可采用接桩的办法，接桩一般用人工挖孔的办法处理，清除桩顶残渣，接钢筋笼浇筑砼至设计标高，施工时要特别注意接头质量和施工安全，当砼面距地面很近时，也要采用明挖立模，浇筑的办法接到设计标高，但回填时必须分层夯填密实。
如本桥3"桩在灌注过程中发生导管焊口破裂，裂缝长27cm，宽0.5cm。设计桩长15m，当时水下混凝土已灌注9m，为确保工程质量，停止混凝土的浇筑并提前拔出导管。确定接桩方案，首先，对桩进行声测确定好混凝土的部位；其次，根据设计提供的地质资料表明桩顶以下10m均为黏土层，确定井点降水―开挖-20#素混凝土进行护壁，护壁内用&12的钢筋箍圈以15cm间距进行加固，护壁间连接筋用&12钢筋以15cm间距布置。最后，挖至合格数处利用人工凿毛，按挖孔法混凝土施工方法进行混凝土的浇注。
四、结语
本文从各方面谈论了钻孔灌注桩中出现的原因，并从目前国内外常用桩基检测方法中对出现上述现象，进行了原因分析，从而总结出以下的一些意见供同人参考。（1）在钻孔过程中始终保持护筒内水位要高出筒外1m~1.5m的水位差和护壁泥浆的要求，泥浆比重为1.1-1.3黏度为10s~25s（含砂率≤6%），以起到护壁固壁作用，防止坍孔。（2）钻孔宜一气呵成不宜中途停钻以避免，若坍孔严重应回填重钻（3）钻孔过程中应加强对桩位成孔情况的检查工作。（4）在灌注过程中要随时测量和记录孔内砼灌注标高和导管入孔长度，提管时控制和保证导管埋入砼面内有3m~5m深度。（5）桩孔成孔后，必须认真清孔。一般是采用冲洗液冲孔，冲孔时间应根据孔内沉渣情况而定。冲孔后要及时灌注混凝土，避免孔底沉渣。（6）灌注混凝土前认真进行孔径测量，准确算出全孔及首次灌注孔段的混凝土需要量。
参考文献：
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[7]洪光奎.桥涵基础施工[M].北京:中国铁道出版社，1981.[责任编辑 陈鹤]
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