地基处理-钻孔灌注桩发展

钻孔灌注桩承载力异常现象分析与新型灌注桩的发展同济大学地下建筑与工程系楼晓明主要内容1、前言2、钻孔灌注桩承载力异常现象实例3、影响钻孔灌注桩承载力的施工因素4、新型灌注桩介绍5、工程应用实例6、桥梁工程中钻孔桩的承载力偏低现象7、结语1前言

钻孔灌注桩在上海地区的使用与发展经历了一个曲折的过程。

从60年代开始，早期由于施工工艺落后，与打入桩比较，单位摩阻力明显偏低，钻孔灌注桩的使用较少，只在桥梁桩基础应用较多；

80年代以后，由于施工工艺的改进，如两次清孔、改善孔壁形状及稳定性等措施，使单桩极限承载力有了明显的提高，开始用作建筑桩基。钻孔灌注桩的应用规模越来越大，但施工队伍还较少。

90年代以后，施工队伍迅速扩大，施工技术，管理水平参差不齐，承载力出现异常现象仍较多。对泥浆护壁钻孔灌注桩受施工因素影响较大的局限性认识进一步加深，新桩型陆续出现。建筑工程中钻孔灌注桩

极限承载力

异常的工程实例

2.1实例1—南通国际大厦工程该工程进行过两次单桩静荷载试验。第一次进行3组试验（编号分别用A、B、C表示），均未达到设计要求，且各试桩结果差异很大。分析后认为这种状况与施工设备及工艺不合理有关。第二次进行了两组试桩的静荷载试验（编号14#、59#）。上述试桩的5组Q~s曲线见图1所示。图1、南通国际大厦试桩的5组Q~s曲线图2、国际大厦A试桩的q~s曲线图2、国际大厦C试桩的q~s曲线2.2实例2—上海新地大厦该工程进行过三次静荷载试验。第一次试验2组（编号：B1-1、B2-1），均未达到设计要求；第二次试压在第一次试压１个月后进行，B1-2、B2-2测得的Qu值有较大提高；第三次试验为2组试桩（编号：S1、S2），是在更换了施工单位之后重新施工的，规格不变。图2、上海新地大厦试桩的6组Q~s曲线2.3实例3—上海浦东华昌大楼该工程的试桩有2组（编号：89#、79#）。89#试桩的Qu值只有设计值的40%，第二天进行复压，承载力更低，对该试桩进行低应变动测检验，桩身混凝土质量却连续完整。后查阅施工记录发现，该试桩在成孔到28m深左右，曾移机约6～7天停止钻进，然后再继续成孔到完成该试桩。同样工程中另一组试桩（79#试桩）的Qu却能满足设计要求。图3、上海浦东华昌大楼试桩的3组Q~s曲线2.4实例4—上海广电大楼该工程进行过两次静载试验。第一次进行3组（编号：1#、2#及3#），均未能满足设计要求。清孔方式采用反循环施工，桩端持力层为第⑦3层草黄色粉砂。第二次试桩又进行了2组，其中1组为第一次试桩的3#试桩，经过第一次试压（称为3#-1），桩端向持力层土中压入了约0.21m。另一组4#试桩为重新制作的钻孔灌注桩，其规格基本不变，唯清孔方式采用正循环施工。上述试桩的5组Q~s曲线见图4所示。图4、上海广电大楼试桩的5组Q~s曲线2.5实例5—上海淮海大厦该工程也进行过两次试验。第一次试桩有2组（编号：1#、2#），2#试桩加载到5600kN，未呈现破坏迹象，1#试桩在加载至3600kN时，桩顶突然急剧下沉，千斤顶无法稳定荷载。1#试桩开挖周围土体后，发现桩身在泥面下2.0m左右处发生45

剪切破坏面，钢筋均被剪断，这一位置正好是试桩桩身与以后浇筑的桩帽联结处，桩身混凝土质量差夹有泥块引起桩身材料破坏。第二次试验也有2组试桩，第一组为1#试桩凿去夹泥的桩身混凝土，重新接高后进行试压（编号：1#-2），第二组为另设的试桩（编号：3#），上述4次试桩的Q~s曲线见图5所示。

图5、上海淮海大厦试桩的4组Q~s曲线2.6实例6—上海北外滩花园该工程对1组试桩进行了两次试验。该试桩（SZ1-1）加载到5400kN也未呈现破坏迹象，较按规范计算的单桩极限承载力标准值高30.7%。分析该试桩的桩身轴力，发现该试桩的第一~第二层元件（

l=9.2m）之间的桩侧摩阻力Qu≥107.9kPa，而其下部的桩侧摩阻力Qu≥12.9kPa。将该试桩的浅部开挖，发现该试桩在地表下约1.0~2.0m范围内与场地的原有十字交叉基础粘结在一起。对该试桩桩身与十字交叉基础的相连部分割断之后，再进行一次试验（SZ1-2）。2次试验的Q~s曲线见图6所示。图6、上海某工程试桩的2组Q~s曲线产生钻孔灌注桩极限承载力

异常现象的原因将以上的几个实例归纳一下，可以发现，影响钻孔灌注桩极限承载力的主要因素大致有以下几点：3.1施工机具类型通常认为，钻孔灌注桩的孔壁形状应有一些小的变化，呈锯齿形，应避免钻孔过于平直、光滑。尤其是以砂、粉土类土为主的地层中，选用合适的、钻进过程有些晃动的钻机（例如：300型钻机）显得比较合适。双腰带钻头导向性能好、钻进平稳，容易保证钻孔的垂直度，单腰带钻头导向性能相对较差，在钻进过程中钻杆有晃动现象。如果形成的孔壁比较平直，孔壁上因造浆护壁附有泥皮的情况下，桩土之间接触面抗剪强度明显降低，导致桩的极限摩阻力显著下降。形成的孔壁比较粗糙，由于水下混凝土与土之间的咬合作用，使得桩侧极限摩阻力较高。3.2成孔时间正常的钻孔灌注桩施工应尽快完成该桩的成孔工作，成孔后应尽快浇灌桩身混凝土，施工过程中发生人为或意外故障或停顿，均会使钻孔灌注桩的承载力发生损失。因为钻孔灌注桩为非挤土桩，成孔后由于孔壁侧向应力解除，孔壁自由面势必向临空面位移变形，孔壁周围土出现松弛效应，从而影响各土层的极限摩阻力，成孔时间越长，松弛效应越明显；另一方面，由于成孔时间越长，孔壁泡水软化现象就越严重，同样影响摩阻力正常发挥。3.3护壁方式

投放粘土是为了提高成孔过程中自然造浆的泥浆性能。粘土投放后能使砂、粉土类土的孔壁保持稳定，但含粘土量过高的泥浆，在成孔孔壁形成过厚的泥皮往往使混凝土与孔壁之间增加了润滑剂，大大降低了桩侧摩阻力值。。福建某工程的4根试桩，设计桩径为1000mm，设计标准值为5500kN，设计桩长为62m。清渣后实测的泥浆比重，S1、S2、S3、S4分别为1.25、1.23、1.13、1.15，静载试验得到的单桩极限承载力分别为4000、7000、≥11000kN、≥11000kN。在地下室开挖时，可以看到S1、S2桩桩周为一层厚度较大泥皮所包裹，而S3、S4桩桩周土层与桩身混凝土较好地接触。证实了泥浆比重大，必将使泥皮厚度增大，影响桩侧土层摩阻力正常发挥。3.4清孔方式

上海地区常用正循环方式清孔。实例4的3组试桩用反循环方式进行清除孔底沉渣，结果1#、2#及3#试桩的Qu值均低于4#试桩（采用正循环方式）约40%~50%。这可能是反循环排渣效率较高，较大的抽吸作用使得桩端附近的粉砂（⑦3）层发生应力松弛。

实例4中3#-1试桩经过一次静荷载试验后，桩顶沉降了0.21m，桩端大约沉降0.20m（桩身弹性压缩约10mm）后，桩端土受到一定压缩后，3#-2的承载力提高了28.4%，这从某种意义上也说明桩端⑦3土层受到了反循环清孔的扰动后变松了，经过复压后使桩端土承载力提高。上海地区的钻孔灌注桩，桩端支承在第⑦层土（粉砂）时，采用反循环清孔方式宜谨慎。由于反循环清孔方式在上海实践机会还不多，这里很难给它作出合理的评价；有可能时，宜对反循环清孔方式作进一步的试验、研究；在其他地区（如福建），当桩端持力层为碎石、砾石、岩石时反循环钻孔或清渣被认为是有效的施工工艺。3.5桩身结构完整性钻孔灌注桩水下浇筑混凝土的方式，容易产生各种桩身质量问题，如离析、疏松、空洞、缩颈、夹泥、断桩等，如果结构缺陷较严重，会影响桩的极限承载力。另外，成桩后，头部混凝土往往夹有泥浮浆，质量较差，试桩接桩时必须凿去。否则，就如实例5的1#试桩一样，尚未达到设计要求的Qu值，桩头连接部分的水下混凝土已产生45

方向的剪切破坏。3.6地下障碍物对于拆迁场地，由于原有建筑物下往往有桩、十字交叉基础及原有地下防空洞等存在，如不认真清除，试桩桩身与障碍物相粘连，则实测Qu值将会提供虚假的高数值，如实例6中SZ1试桩，与障碍物相粘连时的Qu值超过排除粘连后Qu值的28.6%。3.7超载预压影响同一根钻孔灌注桩经过一次静载试验后（获得Qu1），再进行第二次试压（获得Qu2），两次试桩的结果，往往Qu1

Qu2。对于非粘性土，一般Qu2>Qu1，通常认为这是由于桩周土及桩底土经过一次试验的超载预压作用，非粘性土发生剪切硬化，孔底沉渣被压实所引起的。相反的，实例3的89#试桩的Qu，其复压（快速法）比初压反而降低了25.0%；究其原因，可能是桩周主要是粘性土，且该桩施工时曾中途移机停钻6～7天，使孔壁周围土软化，沉渣过厚，经过一次试压后，桩周土体被剪切破坏扰动，短时间内无法充分恢复之故。4、新型灌注桩钻（冲）孔灌注桩施工过程的无挤土，振动、噪音影响小的优点，就已决定了城市高层建筑基础工程中的优势地位，泥浆护壁工艺导致的孔壁软化、泥皮吸附、孔底沉渣影响了桩侧、桩端地基土承载力的发挥，使得单位体积混凝土能够提供的承载力比其它桩型低，经济指标处于劣势；而且桩身混凝土质量、单桩承载力受施工因素的影响比较大。这些问题，引起了国内外工程界的注意，出现了一些新工艺，新桩型，现将有关进展与经验简要介绍如下：4.1、螺旋钻孔桩无地下水的地层：利用长螺旋或短螺旋钻机成孔，不采用任何护壁措施。这种工艺基本没有振动和噪音的污染，且能在贴近已有建筑物施工。地下水位以下的土层，发展了一种新工艺，即钻孔压浆成桩法，具体有2种做法：（1）长螺旋钻头钻至设计标高后，将细石混凝土或砂浆通过螺旋钻头的空心轴管压入孔底，藉灌浆压力之助使钻杆提升，混凝土由下而上填满钻孔形成桩体，显然，这样形成的桩，可避免孔底沉泥，避免孔壁坍塌，较一般螺旋钻孔桩的质量为好。需要安置钢筋笼时，可在混凝土凝固前，用震动器将它压入桩体。（2）长螺旋钻头钻至设计标高后，提钻同时通过螺旋钻头的空心轴管压入水泥浆，提出钻杆后放置钢筋笼和补浆管，投放骨料至设计标高0.3m以上，再补浆直至浆面不再下沉。在无地下水，且桩尖持力层为粘性土时，可采用特制的扩孔器，将孔底扩大而形成扩底桩，使桩的承载力提高。采用锥螺旋凿岩钻头，还可施工嵌岩桩，在青岛

600mm，入土深度10m，极限荷载大于4800kN。螺旋钻孔桩一般不能穿过卵石、砾石地层，桩身混凝土质量较差，且国内机具成桩的桩径、桩长有一定的限度，单桩承载力不高，目前还不太适合在高层建筑、中大型桥梁中应用。4.2、全套管干取土灌注桩在软土中，利用振动或静压（同时扭摆）将钢套管（整根或分节拼装）沉至设计深度，干法取土，在无水条件下完成灌注桩施工，拔出套管成桩。全桩长钢模管护壁干取土灌注桩，其目标是达到人工挖孔桩相同的质量要求，解决不良工程地质条件下人工挖孔及施工中出现的不安全因素；相对钻孔灌注桩的成桩工艺，消除桩孔泥浆护壁和水下混凝土施工的质量隐患及泥浆污染。可采用桩底夯扩工艺，桩径≥800mm时可采用人工挖扩来提高桩端承载力。宁波某大厦地上12层地下1层，要求单桩承载力标准值为2300kN，采用

800mm干取土灌注桩扩底直径

1600mm，入土深度23m。4.3、干作业复合灌注桩基本工艺：搅制水泥土环桩；钻芯取土；放置钢筋笼、浇灌混凝土。桩土界面结合好，水泥土环桩的侧阻力高出普通灌注桩50～70％，充分利用水泥土环桩周长较大和钢筋混凝土桩抗压刚度较大的特点。但目前水泥土环桩设备能力有限，桩径、桩长不可能太大。4.4、挖取土扩底灌注桩基本工艺与普通钻孔灌注桩类似。不同的是用专用设备“全液压扩底快换魔力铲斗”直接取土。优点是：无泥浆污染，成孔快，扩孔方便，孔底沉渣少。4.5多级扩孔灌注桩八十年代开始，工程界对钻孔灌注桩的设计与施工工艺进行了系列研究，发现改善孔壁形状可以提高桩周土摩阻力。孔壁平直或轮廓较少，单桩极限承载力只能达到孔壁凹凸形的60％~80％，有关工程单位提出了各种方法来有意识地改善孔壁形状，并进而提出了多级扩孔灌注桩。具体工法有：（一）“高速、控压造凹凸法”

（SRM工法）。在非扩孔段正常钻进，到扩孔时，钻机升降机吊紧钢丝绳，使钻具处于近似拉伸状态，而让每根钻具接头间隙充分伸展后，此时钻具高速回转，撞击孔壁，并利用泥浆旋流作用冲刷孔壁土层，等充分回转后，再缓缓松动钢丝绳，控制钢丝绳进尺速度，达到在指定部分造成一定程度扩孔的目的。这样产生的凹凸形孔壁是不规则的，凹凸程度无法量化控制，这种桩也称凹凸形桩。（二）“变径钻头，反转造凹凸法”。有关单位研制了具有顺逆回转性能的转盘式工程钻机，钻机顺向回转钻进时，钻头与普通钻头功能相同，钻至需扩径部分的下界时，将钻具提至扩径部分的上界，使钻具逆向回转，此时侧向刮刀自行伸出，括削孔壁，随钻具下伸完成该部分的扩径。采用这样的工艺施工，效果十分理想。上述侧向刮刀装置的扩径尺寸可预先调制设定，因此，扩径位置，尺寸，可定量控制，这是一种具有一定规则形态的凹凸形灌注桩，也称变径桩、串行桩、竹节桩，具备了多级扩孔桩的特点。（三）多支盘挤扩工法。有关单位研制了专用的挤扩设备，如图所示。这种桩又称为新型挤压分支桩或DX桩，DX桩是在以钻孔、沉管方式形成好的直孔内插入一个专用分支器，用挤压的方式分支，使分支部分的地基土产生很大的压缩变形而成支（形状见图1）。可充分利用深处各硬土层的抗力沿桩长设置许多分支，靠增加分支的端阻力来提高桩的承载力。图挤扩机头1、定位装置；2、旋转装置；3、双单向油缸；4、三臂挤扩装置；5、压力传感器；6、角度传感器DX桩应用的专用挤扩设备，是改进后的第三代智能型多功能三维挤扩机（第一代产品是靠冲击锤锤出两支的简易设备，第二代产品为单向液压油缸两支挤扩机）。它装备了液压自动旋转及定位系统、压力传感器、角度传感器、位移传感等装置，并实现了地面智能化操作。通过改进后装置的双向液压油缸，推动上、下分支臂铰点只作水平向（即径向）的扩张与张缩，实施对孔侧臂土体径向挤压，完成挤压全过程。同时，地面智能系统可通过压力传感器、角度传感器、位移传感器观察记录被挤压土体承载力情况及挤扩成型情况。由于单位面积的端阻力比单位面积的侧摩阻力高出二个数量级，多级扩孔桩具有多端承的特点，且不易受到孔内沉渣的影响，多级扩孔桩只需增加少量的混凝土用量，即可使单桩承载力明显提高，取得了明显的经济效益。4.6后压浆钻孔灌注桩对于泥浆护壁灌注桩的固有缺陷，包括沉渣、泥皮、土体软化的后处理，国外早有后注浆措施，但由于其装置、工艺较复杂难于推广。国内1992年起先后研究开发成功简便可行的桩底、桩侧后注浆技术。不仅可消除沉渣、泥皮影响，而且可使桩侧桩端一定范围的土体得到加固，使单桩承载力提高20％～80％，粗粒土增幅大于细粒土，双注浆增幅大于单注浆。经后注浆处理尚可减小桩基沉降，注浆前还可利用预埋的注浆管对这是完整性进行超声检测。桩底注浆使沉淀泥浆得到置换与加固，或形成扩大头（当桩底土为多孔隙的砂、砾、卵石层或破碎岩层时，），从而使桩的端承力得到发挥和提高。有的工程桩底注浆使单桩承载力提高了一倍。4.7沉管灌注管（筒）桩基本施工工艺与沉管灌注桩类似。不同的是：用大直径双套管套在环形预制混凝土桩尖上，下沉到设计标高后形成圆筒形孔，下放钢筋笼，边灌混凝土边振动拔管。优点：挤土效应小，桩身周长大，桩身结构强度能得到充分利用，因而造价低。目前沉桩直径可达1m以上，主要用于软土路基加固。

5、应用实例5.1上海组织部大楼试成孔5.2上海联合广场凹凸型

灌注桩方案选择（1）概况联合广场工程主楼原设计桩径

800mm，深度54.30m，有效桩长43.30m，总桩数465根。第一次施工了四组试桩，通过静载荷试验有三组桩承载力小于设计要求的7000kN。另一组桩因砂层有两个自然凹凸，测试承载力大于7000kN，试桩承载力不够。试桩测的砂层摩阻力仅25.0~28.0kPa。第二次又施工了四组试桩。分别是两组凹凸型桩(ST-7，ST-9)和两组桩底压浆桩(ST-6，ST-8)。试验结论：ST-7桩(9721kN)；ST-9桩(9721kN)；ST-6桩(6924kN)；ST-8桩(不低于6924kN)。通过试验比较，凹凸型桩承载力明显优于桩底压浆桩，本工程主楼即全部选用凹凸桩施工。（2）凹凸形状设计要求正常孔径800mm，在凹凸部位的孔径应为1100~1200mm。凹凸部位成孔根部控制厚度

h的取值：当突出凹凸深度

400mm时，取

h

800mm；当突出凹凸深度>400mm时，取

h

1000mm。（3）凹凸型灌注桩施工因凹凸型桩正式用于生产施工的工艺方案：优化两种方案做试验比较，第一方案“变径钻头，反转造凹凸法”；第二方案“高速、控压造凹凸法”，通过比较，“高速、控压造凹凸法”的效果比较理想。5.3上海裕华大厦凹凸型灌注桩应用

普通灌注桩：

设计桩径D=700，

桩长45，桩数195根

凹凸型灌注桩：

设计桩径D=700，

桩长50，桩数135根6、桥梁钻孔桩承载力偏低实例6.1、沿海某出海口附近的一座公路大桥土层分布，顶层40m为淤泥、淤泥质土、粘土；下层20为圆砾土。南、北岸各做一组试桩，采用锚桩法。第一次静载试验

第二次静载试验

试桩入圆砾土达10m以上，结果还是达不到设计要求。主要原因：（1）圆砾土的桩侧摩阻力仍比规范推荐值120～180kPa小得多。（2）桩底沉渣厚度已超出设计要求。在第一根试桩完成后，进行了桩身钻孔取芯，在桩尖处取出0.85m的粘土。从第一次试桩在达到极限荷载后对该试桩继续加压，轻易地压入了0.20m，可以初略地估计实际沉渣厚度为：0.85m（孔底粘土）+0.20m（试桩压入的沉降量）+0.037m（极限荷载时的沉降量）＝1.09m6.2、华北某工程

在相同地点进行4根桩的静荷载试验的对比，相同的地质条件，桩径相同，桩长基本一致，设计要求的承载力也相差不多，由于采用施工工艺、施工质量不一，可以产生完全不同的极限承载力，其原因就在开挖后发现泥皮厚度的差异，见下表。

6.3、公路特大桥

该特大桥的引桥在滩涂上，土层自上而下为：淤泥、中砂、卵石、残积粘性土，钻孔桩基础，桩径为1.5m，桩底处在残积土中。该桥的预制T梁架设后，发现桩有不同程度沉降，20m跨一联的桩下沉为10-20mm，30m跨一联的桩下沉为30-70mm，此时30m跨的桩所承受的荷载约为设计极限荷载的30％。经重新钻探查明，地质土层和厚度与原勘察基本相符，对桩身钻孔取芯也排除了桩身混凝土的质量病害。后采用静压桩补强。6.4、公路高架桥该桥的场地土层自上而下：粘土、中细砂、亚砂土、淤泥质粘土、粘土质中砂、残积砂质性土。钻孔桩桩径为1.5m，持力层为残积土，单桩设计极限荷载为8400kN。在墩位上的桩进行静载试验，加载到4200KN时，沉降18.9mm，加到6720KN时，沉降81.5mm，若以沉降40mm为判别标准，极限荷载为5264KN，仅是设计极限荷重的62.7％。该桩卸载后8d，再进行试验，当加载到8400KN时，沉降57.6mm（累计总沉降139.1mm），试桩报告给出极限荷载为6720KN。6.5、某工程试桩试桩结果实测值比计算值低，实测数据表明：淤泥和粘土的摩阻力，实测值与计算值相差不大，但对圆砾实测值仅为计算值的1/6~1