钻孔灌注桩超方分析

范传扩

身份证号码： 4109261990**** 4430 广东 广州 510000

摘 要：在钻孔灌注桩施工中，最常见的现象就是灌注时出现超方现象，这是造成桩基施工费用超支的主要原因。在施工中，选用何种施工方法，如何选择桩锤的型号，如何根据岩层地质选择冲程，是解决超方问题的主要方法。本文通过实例分析，列举了一系列超方现象，通过数据分析对比，总结出一套切实可行的在保证质量的前提下控制超方量的方法，仅供参考。

关键词：桩基，钻孔，桩锤，超方

1 工程背景

1.1 桩基工程概况

佛山某高架桥包括主桥、引桥、匝道桥等，主要地质状况依次为：粉砂、淤泥质粉质黏土、强风化砂岩、中风化砂岩等，局部地区含有其他夹层。该地区桩基深入中风化岩层，类型为端承桩。

1.2 桩基施工详情

在桩基施工工程中，由于地质条件、施工机具选择等各方面的原因，导致桩基普遍存在严重超方的现象，个别桩基超方量已达到20.9%，大大增加了施工成本。

主桥11-2号桩基设计直径为2m，设计桩长35m，建设单位要求桩基超灌80cm，以此计算设计方量应为（35+0.8）×π×1²=112.47m³，而实际灌注方量为136m³，超灌90cm，桩基超方量达到20.9%。无独有偶，主桥12-1号桩基设计直径为2m，设计桩长37m，按照超灌80cm计算，设计方量应为（37+0.8）×π×1²=118.75m³，而实际灌注方量为140.5m³，超灌45cm，桩基超方量达到18.3%。

2 桩基超方原因分析

2.1 从地质条件分析超方原因

根据地质状况进行分析，主桥11-2桩基强风化砂岩厚度为7m，中风化砂岩厚度为5.325m，岩层总厚度为12.325m。主桥12-1桩基强风化砂岩厚度为8m，强风化泥岩厚度为3.4m，中风化砂岩厚度为2.2m，中风化泥岩厚度为6.1m，中风化砂岩厚度为1.093m，岩层总厚度为20.793m。

灌注记录显示，主桥11-2桩基中，前30m³混凝土灌注高度为5.4m，扣除锤尖混凝土灌注方量0.2m³，平均断面尺寸为d=2.65m，地层为中风化砂岩；接下来30m³混凝土上来7.5m，平均断面尺寸为d=2.26m，地层为强风化砂岩；在淤泥质粉质黏土层中，30m³混凝土上来9m，平均断面尺寸为d=2.06；在粉砂层中，20m³混凝土上来6m，平均断面尺寸为d=2.06m。主桥12-1桩基中，前48m³混凝土灌注高度为7.33m，地层为中风化1.093m+中风化砂岩6.1m+中风化泥岩夹层+0.137m中风化砂岩，扣除锤尖混凝土灌注方量0.2m³，平均断面尺寸为d=2.881m；接着14m³混凝土灌注高度为4m，地层为2.063m中风化砂岩+1.937m强风化泥岩，随后13m³混凝土灌注高度为3.9m，地层为1.463m强风化泥岩+2.527m强风化砂岩，平均断面尺寸均为2.060m；第75-87m³混凝土（合计12m³）灌注高度为3.6m，地层为3.6m强风化砂岩，平均断面尺寸均为2.060m；第100-134m³混凝土（合计34m³）灌注高度为9.6m，平均断面尺寸为2.12m。

根据以上数据，超方部位主要在中风化岩层，其次是在软弱底层。超方原因与地层的地质条件直接相关。

2.2 从岩石条件分析超方原因

在冲击成孔的过程中，由于桩锤的摆动性造成的孔径误差会导致成桩孔径偏大，在这种摆动误差不断累计下，会不断造成桩基孔径扩大，从而导致桩基超方。在中风化岩层中，由于岩层强度比较大，岩石质地较硬，在冲击成桩过程中，桩锤单次进尺较小，相同深度的中风化岩石较强风化岩石和淤泥质土冲击进尺较小，冲击次数较多，因此冲击累积误差较大，混凝土在该段超方现象明显。

在软弱地层中，由于孔壁质地较软，在混凝土的挤压下很容易向外变形，从而导致孔径变大，从而导致桩基超方。

2.3 从力学角度分析超方原因

在桩锤冲击成孔的过程中，由于桩锤在不断地旋转和小幅摆动中，在孔底形成不平整的粗糙界面，在桩锤与界面相撞之后桩锤发生反弹，桩锤沿着垂直于界面的方向发生位移，导致桩锤偏离中心位置，桩基到桩孔侧壁，从而使桩径增大。

在岩层中，随着岩层风化程度的降低，硬度也随之增加，当桩锤与岩层发生撞击后，桩锤的摆动效果更显著，摆动幅度增加，桩孔形成以摆动中心为原点（圆心），以（钻锤直径+最大摆幅×2）为直径的圆形。圆形直径随着钻进深度的增加、岩层风化程度的减小而不断增加。因此，在岩层一定深度范围内，孔形呈锥形不断加深，在孔底，桩孔截面尺寸达到最大值。这一结论与以往施工经验相符。

由于中风化岩层硬度最大（在本工程中），且不易发生脆断，在冲击成孔过程中反弹效果最显著，摆幅最大，从而使桩孔平均直径增大。这就是在中风化岩层中，超方现象最严重的原因之一。

在软弱地层中，由于软弱地层质地较软，在混凝土侧向压力下容易发生的压缩变形，在灌注混凝土时，侧壁在混凝土侧向压力下作用下发生压缩变形，导致孔径扩大。另外，在混凝土灌注过程中，由于软弱地层孔壁容易在混凝土的升力作用下发生护臂脱落、甚至塌孔，容易造成混凝土在软弱地层中发生超方现象。

3 解决桩基超方的方案

3.1 施工方法优化及超方分析

3.1.1钻孔施工方法优化

在施工方法上，采用换锤两次成孔的方法。即先用设计桩径3/4~4/5的桩锤进行第一次冲孔。由于桩锤直径小，受力面积小，在冲孔过程中岩土层所受压强较大，从而加快了钻进速度，并能保证桩基不会发生扩孔。第二次采用与设计桩径一致的桩锤进行二次扩孔，由于桩锤重量大，岩土层受力面积小，扩孔速度更加迅速。另外，由于岩层阻力减小，桩锤在岩层中的反弹现象减弱，并不会造成严重的超方现象。因此，该方法有效的保证了桩基的成孔直径，最大程度减少了超方现象。

3.1.2两次成孔工艺超方分析

两次成孔工艺混凝土超方量与第一次冲孔采用的钻锤的直径有关。

主桥11-1桩基首次冲孔采用φ1.8m桩锤，二次冲孔采用φ2.0m桩锤，桩基实灌方量为120.5m³，设计方量为112.47m³，超灌方量仅为7.1%；主桥12-1桩基首次冲孔采用φ1.5m桩锤，二次冲孔采用φ2.0m桩锤，桩基实灌方量为140.5m³，设计方量为118.75m³，超灌方量达到18.3%。由于首次冲孔采用φ1.5m桩锤为二次扫孔预留的工作量较大，在二次扫孔过程中桩锤的摆幅相对较大，超方现象相对较显著。

3.2 根据岩土地质选择不同冲程

在冲击软弱地层是，宜选择大冲程快速冲进。一方面，可以加快施工速度；另一方面，减少软弱地层在泥浆中的暴露时间，减小塌孔的风险；再者，减少水浸作用对孔壁强度的削弱，减弱混凝土侧压力对孔壁的挤压变形，减小孔壁发生脱落或发生塌孔的风险。

在强风化岩层中，宜选择正常的冲程和冲击频率进行冲进。强风化岩层硬度适中，桩锤的反弹作用也不大，且强风化岩石在冲击作用下容易脆断。选择正常的冲程和冲击频率，有利于提高冲击速度，提高钻孔质量。

在中风化岩层中，由于岩层质地较硬，桩锤的反弹作用明显，宜选择小冲程快速冲进，以减小桩锤的反弹作用，减小桩锤摆幅，从而控制钻孔直径，减小超方量。与此同时，由于冲程减小，冲击频率增加，冲进速度加快。

在用大直径桩锤扫孔时，应尽量增加桩锤重量，并保证桩锤形心与中心尽量重合，这样能够提高扫孔质量，加快施工速度。

3.3 桩基施工过程控制

为控制桩基成孔质量，在桩基开钻前，应检查钻锤质量，对钻锤裂缝进行补焊加强，防止施工过程中桩锤破损。在桩基成孔过程中，应按照要求不断检测泥浆浓度，并根据实际泥浆浓度不断调整至试桩时确定的最佳泥浆浓度。在钻进过程中，应派专人紧盯钻机状态，时刻注意钻锤的摆幅和撞击岩石发出的声响变化，当钻机出现异常现象时，应立即停机检查，待查明原因后方可重新开钻。

在清空过程中，应按要求检测泥浆浓度，防止泥浆过稀导致孔壁坍塌。当泥浆浓度过稀时，应采用掺拌生石灰的方法增加泥浆浓度，防止泥浆浓度过小造成孔壁坍塌。

结 语：

超方是钻孔灌注桩最常见、最多发的质量通病，有效解决桩基超方问题是减少桩基施工成本最有效的方法。

本文提供了一种解决超方问题的有效方法——两次冲孔法。在第一次冲孔时宜选择接近设计桩径的85%的桩锤，这样能够保证在二次扫孔时，减少桩锤的冲击时间和工作量，有效控制成孔孔径。

另外，加强施工过程的管理，及时根据岩层调整冲程，增强施工工人的隐患意识和能力素质，提高施工工人应急处置能力，也是减少超方的重要有效途径。

参考文献：

[1] JTG/T 3650-2020.公路桥涵施工技术规范[S]. 人民交通出版社. 2020