水下混凝土通病成因研究

水下混凝土通病成因研究

殷锋哲

宁波奉化交投检测科技有限公司（浙江奉化315500）

摘要：为了确保水下混凝土工程质量和安全，需对水下混凝土所涉及的水下混凝土灌注桩施工的每个细节、每道工序都要做到严格控制。文章对常见的水下混凝土灌注桩施工质量通病成因进行了研究，并提出了相应的防治措施。

关键词：水下混凝土；通病；成因

水下混凝土工程涉及最多的就是水下钻孔灌注桩，它是最常见的基础工程，具有钻孔设备简单、施工安全性好等优点，因而应用较为普遍。但由于钻孔桩施工作业的特点，钻孔灌注桩的施工环节较多，且水下混凝土灌注桩作为隐蔽工程，其质量控制常不易把握，工程质量事故还是时常发生。因此，水下混凝土钻孔灌注桩基质量事故须通过完善的施工管理和严格的质量控制措施来预防和避免。就从以下几方面进行阐述。

一、水下钻孔灌注桩常见的质量通病

水下钻孔灌注桩在承受垂直荷载压力的时候，桩顶位置所受的压力最大，下部承受的压力相对较小。但钻孔灌注桩的成桩工艺与实际受力状况相反，往往是上部混凝土的强度低，中下段强度高，若不严格控制，易出现上段强度达不到质量要求的情况。此外，还易出现缩颈、孔壁塌落、孔底沉淤、桩身空洞、蜂窝、夹泥等质量缺陷，造成桩基承载力的下降，影响到工程结构的安全。

二、影响成桩质量的原因

（一）缩颈

1.原因分析

（1）清孔不彻底，泥浆中泥块较多，终灌拔管过快，引起桩顶周边夹泥，导致保护层厚度不足。（2）孔中水头下降，对孔壁的静水压力减小，导致局部孔壁土层失稳坍落，造成混凝土桩身夹泥或缩颈。（3）钻孔放置时间过长，成孔后未及时进行砼灌注，泥浆自重压力无法支撑砂层收缩及溃流带来的压力，导致钻孔缩颈。（4）相邻桩孔相互扰动。钻孔灌注桩是先成孔，依靠泥浆护壁，然后在孔内成桩，周围土移向桩身，土体对桩产生动压力。尤其是在成桩初始，桩身混凝土的强度很低时。 

2.防治措施

预防缩径的关键是控制泥浆比重，根据地层变化配以不同的泥浆，确保泥浆能保持孔壁平衡。（1）成孔施工时应重视清孔，在清孔时要做到清渣而不清泥，预防清孔后的在浇筑混凝土的过程中局部坍塌，导致缩径的产生。 （2）成孔时，应加大泵量，加快成孔速度，快速通过，在成孔一段时间，孔壁形成泥皮，孔壁不会渗水，亦不会引起膨胀，如出现缩径，采用上下反复扫孔的办法，以扩大孔径。（3）提前做好砼灌注的准备工作，尽最大可能地缩短成孔与砼灌注之间的时间。在钻孔还没有缩颈或者有轻微缩颈的时候完成砼灌注工作。（4）砼灌注前钻机回钻，对放置时间较长没有来得及灌注的钻孔进行灌注前回钻。 

（二）孔底沉淤 

1.原因分析

（1）在成孔，拆除钻杆，停止循环至吊放钢筋笼，灌桩全过程中，环节多，时间长，会淤积较厚的淤泥影响成桩质量，静置时间越长，淤泥越多。（2）清孔方法不适当，第一次清孔很重要，如沉渣堆积太厚，有大的块料等，第二次清孔时就无法完全清除，而造成沉渣过厚。（3）清孔时间及泥浆指标控制不当，清孔时间短导致清孔不彻底，孔底残渣过多，不能充分置换孔内泥浆，都是沉渣厚度过大的主因。

2.防治措施

（1）一次清孔后，不符合要求，要采取措施：如改善泥浆性能，延长清孔时间等。下完钢筋笼，再检查沉渣量，如超过规范要求，应进行二次清孔，二次清孔可利用导管进行，准备一个清孔接头，一头可接导管，一头接胶管，在导管下完后，在胶管上接上泥浆泵直接进行泥浆循环。沉渣厚度达到设计及规范要求后，应尽快进行水下混凝土灌注。

（2）选择恰当的清孔方法。根据各种施工设备、不同钻孔方法、设计要求及多样的地层条件，来合理选择清孔方法。几种清孔方法和特点如下：1）掏渣法清孔对于冲击、冲抓旋挖钻进的桩孔，应先选用掏渣法进行初步清孔，待较大颗粒沉渣清理完毕后，可换用换浆法进一步清孔，同时降低泥浆密度。2）换浆法清孔对采用正循环钻进、以粘性土及细颗粒砂性土层为主的桩孔可采用换浆法清孔。采用该法清孔不易引起坍孔，但清孔速度慢，必须控好泥浆指标及清孔时间，否则清孔效果难以保证。3）抽浆法清孔较彻底，且清孔速度快，可适用于各类土层、各种钻孔方法的摩擦桩或支撑桩，尤其适用于采用反循环钻孔及孔底沉渣颗粒较大桩孔的清孔。但在孔壁易坍塌的桩孔中应谨慎使用，以防坍孔。 

（3）严格控制清孔时间，必须保障清孔持续时间，应根据不同方法、地质条件及泥浆指标确定，抽浆法清孔较快，而换浆法速度较慢。无论何种方式，均应确保清孔时间，否则难以达到清孔效果。桩成孔后，在吊放钢筋笼和沉放导管前，孔内原土泥浆处于悬浮状态，当时间较长时，沉渣再次沉到底部，积淀过多则不能被混凝土冲击反起，成为永久性沉渣，从而影响质量。因此，在浇筑混凝土前应测定沉渣厚度，如达不到要求时，须继续清孔直至规定标准。

（4）严格控制清孔泥浆指标。1）施工过程中的泥浆必须严格控制，不能就地取材，而要专门采用泥浆设备，选用高塑性黏土或膨润土，拌制灌注桩成孔至设计标高，应充分利用钻杆在原位进行第一次清孔，直到孔口返浆比重持续小于1.10-1.20，测得孔底沉渣厚度小于50mm，即抓紧吊放钢筋笼和沉放混凝土导管。2）清孔过程中，泥浆密度一般应比钻孔泥浆密度小，但泥浆密度及粘性过小，影响孔壁稳定；采用正循环清孔时，泥浆密度及粘度过小，还会影响泥浆悬浮携渣能力，降低清孔效果。3）终止清孔前应在孔底取泥浆进行性能指标检测，终止清孔泥浆指标一般控制范围：相对密度1.03-1.15；粘度17-20pa.s；含砂率小于4%；胶体率大于98%。

（5）采取有效固孔措施。1）根据现场条件和规定要求设置护筒，施工过程中加强对护筒的保护，防止碰撞或振动造成孔口坍塌。2）施工过程中保持孔壁任何部位静水压力不小于0.02MPa，即始终保持孔内水位高于地下水位不小于1.5-2.0m。3）选择合适的钻孔及清孔机具。对土层松软、易坍塌的桩孔，应尽量避免采用振动大、负压过低的施工机具和工艺方法。4）选择合适的钻孔泥浆指标，确保在孔壁形成有效的泥浆保护层。

（6）缩短施工时间，在保证清孔效果的同时，还得加快工序衔接，提高施工效率，尽量缩短清孔至混凝土灌注之间的时间间隔。

（7）进行二次清孔。1）终孔后，清孔要彻底，清孔采用优质泥浆，控制泥浆比重和粘度。2）首批混凝土灌注前，再次探测泥浆指标即孔底沉渣层厚度。如超过规定要求时，必须在混凝土灌注前利用导管进行第二次清孔，直至符合要求，当孔口返浆比重及沉渣厚度均符合设计要求后，应立即进行水下混凝土灌注工作。

（三）坍孔

灌注水下混凝土过程中，发现护筒内泥浆水位忽然上升溢出护筒，随即骤降并冒出气泡，为坍孔征兆。如用测深锤探测混凝土面与原深度相差很多时，可确定为坍孔。

1.原因分析

（1）孔壁坍陷的主要原因是土质松散，泥浆护壁不好，护筒周围未用粘土紧密填封以及护筒内水位不高，钻进速度过快，空钻时间过长，成孔后待灌和灌注时间过长也会引起孔壁坍陷。

（2）孔外堆放重物或有机械振动，使孔壁在灌注混凝土时坍孔。

（3）导管卡挂钢筋笼及堵管时易发生坍孔。

（4）水头高度不足，水头设置是钻孔灌注桩施工一项重要的前提工作。在孔壁为不稳定的土质或在水位涨落不定的河道中施工更应重视稳定水头的工作。钻孔施工过程中，孔壁受到径向土压力及水压力的双重作用，由于在护筒内设置了一定高度的水头，形成对孔壁的静水压力，加之孔壁土具有的抗剪强度和能够抵抗径向土压力的圆环作用，使孔壁在钻孔过程中保持稳定不坍。如果施工过程中水头高度一旦下降，对孔壁的静水压力降低到不能满足孔壁稳定的要求则孔壁四周向孔内渗水将夹带土的细小颗粒流向孔内，随着土粒逐步增粗增多，时间一长就会引起坍孔，当局部坍孔到一定程度，上部土层失去支撑，会出现严重坍塌。在透水性较强的细砂、砂、沙壤土等松散土层中施工，尤其会出现这类问题。

（5）护筒埋置深度不够且底部不实，四周填土不实，钻孔灌注桩施工中，在陆地护筒的重要作用是起阻隔地面水，保护孔口地面，在水域中护筒则起阻挡外部流水作用；同时不管在陆地还是在水域，按施工所需水头在护筒内造成一定高度的液面，对孔壁形成静水压力，以稳定孔壁，防止坍孔。施工中，往往由于护筒埋置深度不够，且底部不实，护筒外侧填土未适当抬高夯实，加之桩孔附近排水不畅，雨污水等汇集于此，使桩孔处长期处于水泡状态，土质松软潮湿，再加上钻机震动等原因，造成护筒底部漏水，发生孔口坍塌，严重的坍孔。水域中护筒往往在两节护筒连接处漏水导致坍孔。

（6）泥浆比重过小，泥浆质量不合格，主要是比重过小，是钻孔灌注桩施工工程中坍孔的重要原因之一。泥浆护壁是利用泥浆与地下水之间的压力差来控制水压力，就是泥浆中的胶质颗粒分子，在泥浆压力作用下渗入孔壁表面的空隙中，使孔壁胶凝，形成泥皮，起护壁作用，以保持护壁的稳定。所以泥浆的比重起到保持这种压力差的关键作用。如果钻孔桩泥浆比重过小，泥浆就失去起到阻挡土体坍塌的作用。

（7）钻机未按规程操作，钻机安装标准欠稳，极易造成钻孔中钻具碰撞孔壁；施工人员不按程序操作，钻速控制不好，易引起钻孔下部坍孔。

（8）清孔时间过久，操作不当，清孔过程中将改变了原来孔壁处于稳定状态下的平衡条件，主要是泥浆比重下降粘度降低的问题，当清孔时间过久或清孔后不能及时浇筑混凝土都易造成孔壁坍塌。此外清孔方法较多，清孔机械也较多，不论哪种方法与机械，操作不仔细不认真，如在供水时将进水管直接冲刷孔壁、吸泥机严重扰动孔壁、使用真空泵抽渣力度较大等等，也易发生坍孔。

（9）灌注混凝土未按规程操作，灌注混凝土时，不注意保持水头，钢筋笼吊装时碰撞孔壁，提升导管时用力过猛，幅度过大或产生抖动，造成混凝土冲刷孔壁等。都能导致孔壁坍塌，造成桩身加泥加砂，甚至断桩。

2.防治措施

（1）在施工过程中采用泥浆护壁。泥浆应满足要求，液面需高于地下水位0.5m 以上。若泥浆胶体率低、砂率大，则护壁性能差，且因其容重较大，势必产生沉淀速度过快的问题。一般讲，当在黏土或亚黏土中成孔时，可注入清水以原土造浆，控制排碴泥浆的相对密度在1.1～1.2之间；当在砂性土质或较厚的夹砂层中成孔时，应控制泥浆的相对密度在1.1～1.3之间；在砂夹卵石或容易坍孔的土层中成孔时，应控制泥浆的相对密度在1.3～1.5 之间。施工过程中，应经常测定泥浆的相对密度、黏度、含砂率和胶体率等指标，使浇注前孔底500 mm 以内泥浆的相对密度≯1. 25 ，含砂率≯8 %，黏度≯28 Pa·s。

（2）禁止重物堆放在成孔附近或有大型机械工作造成的振动，安排多台桩机同时施工时，应该跳开施工。

（3）如用上法处治，坍孔应不停时，或坍孔部位较深，宜将导管、钢筋笼拔除，回填粘土，重新钻孔。

（4）认真审核工程地质水文勘察报告，钻孔灌注桩施工较一般工程对工程地质和水文资料的质量要求更为敏感。钻孔灌注桩的水头设置高度、护筒埋置深度、泥浆制备时各项指标控制都和水文地质有关指标息息相关。所以开工前，作为施工方、监理方一定要认真审核有关工程地质和水文地质资料，如发现勘察报告中有布孔密度不够、钻孔深度不足、地质剖面图精度模糊等问题要及时与勘察设计部门联系，要求其明示、补充，以利有针对性地制定施工方案，并作相关应变准备。

（5）保持施工需要的足够水头，始终保持钻孔内水头是预防坍孔的一项重要措施。从开始钻孔到灌注混凝土都不能有丝毫麻痹。水头高度应根据水文地质条件和施工方法等条件决定，在各种情况下都要保证足够的水头高度。一般来说，对较好的土层，水头设置为1.0-1.5m，对易坍土，如流沙、软土等适当提高至1.5-2.0m，有时3.0m。

（6）合理确定护筒内径、埋置深度和筒顶高度，护筒是钻孔灌注桩施工成败的一个重要的设施。内径、埋置深度和筒顶高程是护筒制作和埋置的重要技术参数。这些参数的确定，首先应根据桩位的水文地质情况，同时也要考虑有利钻孔和灌注混凝土的顺利进行。要保证护筒埋置后筒中心竖直线与桩位中心线重合，施工中必须做到护筒稳固坚实、不偏移、不沉降、不变形、不漏水，并保证筒内有足够的水头高度。在水域护筒筒顶应高出水面1.0-2.0m。处于水位变化时段，应高出施工最高水位1.5-2.0m。当钻孔内有承压水时，应高出稳定后承压水位2.0m以上。

（7）坚持高质量泥浆，钻孔施工中选择适当的泥浆比重，是预防坍孔的有效措施。特别是在松软的粉砂土或流沙中钻孔，要制备适合该土层的高质量泥浆，选择水化快、造浆能力强、含砂率小、黏度大、稳定性强的高塑性黏土或膨润土，必要时添入添加剂，提高泥浆性能指标。此外遇到地下水活动强烈地区尽量增大泥浆比重。

（四）钢筋笼上浮

1.产生原因分析

（1）当混凝土灌注至钢筋笼下，若此时提升导管，导管底端距离钢筋笼仅有1m左右的距离时，由于浇注的混凝土自导管流出后冲击力较大，推动了钢筋笼上浮。        

（2）由于混凝土灌注过钢筋笼且导管埋深较大时，其上层混凝土因浇注时间较长，已近初凝，表面形成硬壳，混凝土与钢筋笼有一定握裹力，如果此时导管底端未及时提到钢筋底部以上，混凝土在导管流出后将以一定的速度向上顶升，同时也带动钢筋笼上移。

2.防治措施

（1）吊放好钢筋笼后应及时把钢筋骨架上端在孔口处与护筒相接固定。灌注混凝土过程中，应随时掌握混凝土浇筑标高及导管埋深，当混凝土表面接近钢筋笼底时，应放慢混凝土灌注速度，并应使导管保持较大埋深，使导管底口与钢筋笼底端间保持较大距离，以便减小对钢筋笼的冲击。当混凝土埋入钢筋笼底端2～3m时，应及时将导管提至钢筋笼底端以上，但注意导管埋入混凝土表面应不小于2m，不大于6m。（2）当发现钢筋笼开始上浮时，现场操作人员应立即停止浇注，并准确计算导管埋深和已浇混凝土标高，马上起拔拆除部分导管，导管拆除一部分后，可适当上下活动导管，每上提一次导管，钢筋笼在导管的抽吸作用下，会自然回落一点，坚持多上下活动几次导管，直到上浮的钢筋笼全部回落为止。

（五）断桩与夹泥层 

1.产生原因分析

（1）泥浆过稠，增加了浇注混凝土的阻力，如泥浆比重大且泥浆中含较大的泥块，因此，在施工中经常发生导管堵塞、流动不畅等现象，有时甚至灌满导管还是不行，最后只好提取导管上下振击，由于导管内储存大量混凝土，一旦流出其势甚猛，在混凝土流出导管后，即冲破泥浆最薄弱处急速返上，并将泥浆夹裹于桩内，造成夹泥层。 

（2）灌注混凝土过程中，因导管漏水或导管脱漏而二次下球也是造成夹泥层和断桩的原因。 

（3）灌注时间过长，而上部混凝土已接近初凝，形成硬壳，而且随时间增长，泥浆中残渣将不断沉淀，从而加厚了积聚在混凝土表面的沉淀物，造成混凝土灌注极为困难，造成堵管与导管拔不上来，引发断桩事故。 

（4）导管埋得太深，拔出时底部已接近初凝，导管拔出后混凝土不能及时充填，造成泥浆填入。 

（5）混凝土拌和物发生离析使桩身中断。

2.防治措施

（1）认真做好清孔，防止孔壁坍塌。导管要有足够的抗拉强度，能承受其自重和盛满混凝土的重量，内径应一致，内壁须光滑无阻，组拼后须用球塞、检查锤作通过试验。

（2）尽可能提高混凝土浇筑速度，开始浇混凝土时尽量积累大量混凝土，产生极大的冲击力可以克服泥浆阻力；快速连续浇注，使混凝土和泥浆一直保持流动状态，可防导管堵塞。 

（3）严格控制导管埋深与拔管速度，导管在混凝土面的埋置深度一般宜保持在2m—4m，不宜大于6m或小于1m，及时测量混凝土浇灌深度，严禁把导管底端提出混凝土面。提升导管要准确可靠，灌注混凝土过程中随时测量导管埋深，要控制好灌注工艺和操作，保证有程序的拔管和连续灌注，大幅度抽拔导管则容易造成混凝土体冲刷孔壁，导致孔壁下坠或坍落，桩身夹泥，这种现象尤其在砂层厚的地方比较容易发生。 

（4）灌注混凝土前检查导管是否漏水、弯曲等缺陷，发现问题要及时更换。

（5）经常检测混凝土拌和物，确保其符合要求。

（六）桩顶局部冒水、桩身孔洞

1. 产生原因分析

（1）水下混凝土灌注过程中，导管埋深过大，导管内外混凝土新鲜程度不同，再加上灌注过程中上下活动导管过于频繁，致使导管活动部位的混凝土离析，保水性能差而泌出大量的水，这些水沿着导管部位最后灌入的、最为新鲜的混凝土往上冒，形成通道（即桩身孔洞）。

（2）水下混凝土灌注过程中，混凝土倾倒入导管速度过快过猛，把空气闷在导管中，在桩内形成高压气包。高压气包在其自身浮力或导管起拔等外力的作用下，在混凝土内不断上升，当上升到桩顶四周时，气包浮力与上升阻力接近，在没有外力的作用下，气包便滞留在桩身内，最终形成桩身孔洞。

（3）水下混凝土灌注时间过长，最早灌入孔内的混凝土坍落度损失过大，流动性变差，终灌导管起拔后会留下难以愈合的孔洞。

2.防治措施

（1）控制导管的埋深，灌注过程中做到导管勤提勤拔。（2）混凝土倾入导管的速度应根据混凝土在管内的深度控制，管内深度越深，混凝土倾入速度越应放慢。在可能的情况下，应始终保持导管内满管混凝土，以防止桩身形成高压气包。实际施工中，往往因为导管每次起拔后管内都会形成空管，再次灌注时，桩身形成高压气包就很难避免。因此，应在灌注过程中适当上下活动导管，把已形成的高压气包引出桩身。（3）加适当缓凝剂，确保混凝土在初凝前完成水下灌注。

（七）桩身上段混凝土强度低

钻孔灌注桩在承受垂直荷载压力的时候，以桩顶位置所受的压力最大，下部承受的压力相对较小，但钻孔灌注桩的成桩工艺与实际受力状况相反，往往是上部混凝土的强度低，中下段混凝土的强度高，若不严格控制，容易出现桩上段强度达不到质量要求的情况.

1.原因分析

（1）按照规定，钻孔后要彻底清除孔底的淤泥，但实际上，很难彻底清除淤泥，于是在浇灌第一斗混凝土进行封底施工时，孔底沉积的淤泥必然混入混凝土中。由于用导管灌注的水下混凝土是从下往上顶升的，先灌入的混凝土顶升于孔的上面，这样就容易出现桩上段强度较低的现象。 （2）浇灌混凝土时，若导管插入混凝土之内过深，浇注速度又较快，则容易在孔体深部沉积较多的骨料，加上振捣过程所造成的混凝土的离析，也容易导致桩体上部强度较低的质量问题。

2.防治措施

（1）依据桩径和桩底的浓度，正确确定出第一斗混凝土的体积，一般可取1. 5～2. 0 m3 ，也可以按桩身的设计体积的10%加以控制或控制超灌量，待桩顶的浮浆全部溢出后才停止灌注。（2）成桩质量与桩身的浇注高度有关，一般控制成桩高度高出设计桩顶标高0. 5～1. 0 m。待凿去高出部分的混凝土后，剩余部分不应有浮浆和夹泥，混凝土标号应符合设计要求，否则要返工重浇。

三、结语

以上对水下混凝土各种通病进行了详尽的分析并尽可能地给出了预防措施，如若一旦有影响水下混凝土施工质量的情况发生，应尽早尽快组织各种力量进行会商，认真全面分析原因，迅速认真地进行处理，以确保工程质量和安全。

参考文献：

[1]童冬香.浅谈钻孔灌注桩质量通病的成因及其预防[M].科技文集,2015.

[2]李丽文.钻孔灌注桩水下混凝土灌注施工要点[J].中国科技信息,2016.

[3]王续承.水下混凝土灌注的施工工艺与质量控制[J].商品混凝土,2012.

[4]张健.水下混凝土灌注过程中的问题及防治措施[J].技术与市场,2012.

【作者简介】殷锋哲（1982.08-），男，汉族，河南省郑州市人，本科学历，宁波奉化交投检测科技有限公司工程师，主要研究方向：公路桥梁工程。