中东地区灌注桩若干问题探讨

中东地区灌注桩若干问题探讨

中国水电基础局有限公司-韩用伟

摘要桩基作为提高地基承载力一种最有效、最直接的方式广泛应用于市政建设、公路桥梁、工民建筑等基础设施施工。作者根据在中东的桩基施工经历，对灌注桩设计与施工中存在的若干易被忽略的问题进行了分析研究以供探讨。

关键词  侧阻  端阻  泥皮 沉渣 防锈钢筋

一、中东地区灌注桩现状与力学特性

近年来，中东地区许多高层建筑、工业建筑等拔地而起，而这些壮观的大型建筑是靠什么支撑的呢？靠的是它下面的桩基础，而桩基础中大多是灌注桩。

灌注桩技术，工艺成熟，它不受环境、地层的限制，而且承载力高，耐腐蚀，是深基础中最受青睐的桩型。在工程中，灌注桩因设计失误导致质量问题的实例极少，而因施工造成质量问题则较多。在这些质量问题中，又以承载力不足所占比例较大。中东地区的钻孔灌注桩大多都是按摩擦桩设计计算的。这种桩在桩顶上加上荷载后，桩体上部先受到压缩产生相对土体的位移，位移使二者界面之间产生抵抗位移的反向摩擦阻力，即桩侧阻力的先期发挥。桩体位移大小与荷载成正相关关系，而与桩径、桩长、土层强度成负相关关系。当桩顶荷载大于桩侧阻力时，桩摩阻力承担。这就是钻孔灌注桩受力特性的异步发挥过程。

二、桩承载力安全系教选择

中东地区钻孔灌注桩多是摩擦桩。一般在设计计算时，安全系数取K≥2。这个取值应该有较多安全富余。因为对于摩擦桩桩侧阻力取K≥2实际对其承载力估计过大，而对端承桩又估计过高。笔者认为采用分项安全系数是较为合理的。重要建筑工程桩应该采用概率极限状态设计计算原则来分析桩结构失效概率，以判断设计可靠指标。对于中东地区因土层或者砂层性质较好，其侧阻安全系数取K≥1.7而端数取K=0是可行的，也是合理的。

三、桩长问题

钻孔灌注桩的长细比对荷载传递影响很大。当土层比较均匀、差异不大，L/d≥100时，桩性质对荷载传递不再有任何影响。

中东地区基本不存在不宜建筑场地。但对某一建筑地基而言，可能存在地层差异，如沙特萨拉曼国王港工地地基就跨越了两个地貌单元，P6包35米深度位置频频出现页岩，但是距离2公里远位置的P5\P4包段40米深度内以粉细砂为主。而沙特NEOM新城地基就始终处于一个地貌单元，以中粗砂和粉砂及淤泥土为主。众所周知，密实的中粗砂层能为摩擦桩提供较大的摩擦力。如果同一建筑地基中，同径等长的各桩因穿越砂层的总厚度不一样，就会出现承载力差异，甚至较大差异。要解决这一问题，使各桩承载力基本接近且使基础受力均匀、沉降变形协调，应该采用信息化设计，也就是在地层变化较大场地进行初步设计，先给出桩径、配筋、砼标号并基本定出桩长范围，然后逐个根据钻孔所揭露的实际地层确定桩长。这样可称之为优化设计，不仅技术上是合理的，在成本上也是经济的。

四、环氧钢筋使用的问题

对于海港工程钢筋锈蚀问题影响混凝土结构耐久性，使近海岸结构物使用寿命仅能维持在30年左右。混凝土中钢筋的腐蚀是一种过程，其化学腐蚀过程产生的Fe(OH)2导致腐蚀后的体积比钢筋被腐蚀的体积大2~3倍，体积膨胀力使钢筋周围混凝土承受的拉应力超过混凝土抗拉强度时就会产生顺筋裂缝，进而导致钢筋腐蚀。通过使用环氧涂层钢筋，能够有效延缓钢筋腐蚀，直接促进近海结构物使用寿命大大延长，经济效益显著提升。

由于环氧钢筋相较于普通钢筋而言，其外层采用静电喷涂环氧树脂粉末，固化的环氧树脂体系中含有稳定的苯环、醚键以及脂肪族羟基；具有极高的化学稳定性、延展性、不与酸碱反应等特性，与金属表面具有极佳的粘着性，在钢筋表面形成阻隔与水分、氧、氯化物或侵蚀性介质接触的物理屏障，从而保护了钢筋自身不被外界侵蚀；若涂层被破坏，环氧钢筋将失去保护机制，与普通螺纹钢筋无异。为了确保环氧涂层钢筋保护层完整，严格控制环氧钢筋的贮存与搬运，特别是钢筋的连接方式，传统的焊接技术已无法保护环氧钢筋涂层被破坏，我公司针对该问题采用环氧钢筋卡扣连接技术，对于沙特国王港综合港务设施项目中的P4&P5标段应用广泛，如永久灌装桩钢筋笼的连接、干船坞永久防渗墙钢筋网片的连接等需要起吊钢筋骨架的近海结构物，这些结构物实践中效果显著。

五、施工中的问题

1、工法选择

中东地区钻孔灌注桩长大多在70米以内，而以40～65米居多。在这个长度范围内则普遍采用旋挖钻机成孔法，充分显示出其快速、文明、高质量的优点。从理论上讲，旋挖法是一种体积破土方法，将土直接挖进钻斗中提至孔外弃土，由此可见它是一种快速低功耗的工法；反循环回转钻孔是先将土体破碎、搅动成溶胶—悬浮体混合的多相粗分散体系而后排至孔外，这种方法势必功耗大、效率低并对环境有所污染，同时也加大了现场施工中的控制难度；全套管法是在套管保护下成孔，不需泥浆护壁而且可防钻孔超、缩径，彻底杜绝泥皮的产生，是一种很理想的工法，尤其是施工摩擦型的灌注桩。个人以为，中东地区桩基施工中，对于桩长≥20m的灌注桩应首选旋挖法，其次是回转钻孔，反之，则首选全套管法。

2、泥皮问题

在中东地区施工钻孔灌注桩，除了全套管法外，都是需要采用泥浆进行液态支护以平衡地压，防止孔壁坍塌。由于采用了泥浆，便存在了孔内液柱与地下水位之间高差和两种液体密度差合成的压力差。在这个压力差作用下，某一地层如果有良好的渗透孔隙就会产生泥浆失水并在孔壁上形成泥皮，形成泥皮的物质来源则是孔内泥浆中的粘土固相成分。采用泥浆稳定孔壁，则对于泥皮的形成就不可避免。而泥皮对摩擦力发挥极为不利，这也是在灌注桩工程中要力求解决的一大问题。

前文所述，泥皮形成的三个主要条件是:A、地层存在可以渗透的孔隙；B、孔内存在正向压力差；C、孔内液柱中含有粘性固相成分。由此可见，要解决泥皮问题我们只能从后两个条件上着手。

①采用无固相或低固相泥浆，并对孔内使用的泥浆采用振动筛进行机械净化与化学絮凝净化，其目的是减小压力差和消除形成泥皮的物质成分。工程实践也证明，要维持松散土层的稳定，只要有0.2MPa的压力差就足可满足。这正好说明泥浆密度越大，其固相成分就越多，势必形成的泥皮也就会越厚；

②快速成孔缩短泥皮发育增厚的时间；在中东地区采用旋挖法，成孔深度60米大约需6～11小时。在这么短的时间内泥皮发育增厚不明显，对承载力影响不大；

③对于桩长≤20m的灌注桩，采用全套管工法，从根本上杜绝泥皮形成；

④换浆清孔；

⑤采用大口径灌注导管，提高灌注漏斗位置，使灌注的混凝土以很大的动能破坏泥皮。

3、沉渣问题

桩基规范规定，摩擦受力型的灌注桩沉渣厚度≤100mm。严格讲，对于纯摩擦桩，桩承载力不受沉渣厚度影响。考虑到施工工艺难于严格控制，我们还是需要严格遵照这一规定，现在的问题是灌注前检测的孔底沉渣厚度只代表检测的那一时刻孔底沉渣厚度。实际上，沉渣厚度除了检测方法上可能产生的误差外，还与检测时到灌注第一车混凝土这一作业过程中间隔时间长短有关。随着这个间隔的时间增长，孔内液柱中的固相成分在重力沉淀和胶溶聚沉下，沉渣厚度加大，有的甚至成倍增加。特别是泥浆质量低劣，不能形成固状结构强度时，沉渣增厚会更加恶化。要解决沉渣问题，可以从以下几个方面进行。

①设计时选择桩端位置，按摩擦桩进行计算，并将桩长适当增长，其增长量摩擦阻力应与桩端阻相等；

②采用气举法清孔；

③采用前文所述灌注工艺；

④桩端压浆。但此种方法难点在于不易选准压浆位置，加之从经济效益考虑，一般不采用。

六、结论

上述几个问题的探讨仅是一家之言，笔者认为，有些问题不仅在中东地区，而且在国内也是客观存在的。重视、研究并积极解决它，必将推动钻孔灌注桩技术的发展，也将产生良好的社会效益和经济效益。