岩溶地区钻孔灌注桩的施工技术及其对桩基承载力的影响Word下载.docx
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第1章绪论
1.1课题工程背景及意义
第十届国际土力学及基础工程会议上的桩基础总结中披露：
在所有被调查的就地灌注桩中有缺陷的大约占到5%～10%。
《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）中也只是对施工中的一些技术参数进行了规定，并未详细地介绍施工工艺[1]。
施工单位在对水下钻孔灌注桩的施工过程中，也基本上是凭借施工经验进行施工的。
岩溶地质条件为桥梁钻孔灌注桩基础设计与施工中比较严重的地质病害。
桥梁荷载通过桩基础传递到地层中，桩基承载能力为桩周土的摩阻力和桩端支承力之和。
在岩溶地区，由于溶洞的存在，对桩基的承载能力产生重大影响，如桩周的溶洞可能影响桩周土与桩基的摩阻力：
如溶洞位于桩基的底部，可能因溶洞顶板厚度不够，在桥梁荷载作用下，压碎顶板，桩基承载能力损失，而引起桥梁结构的破坏。
同时，岩溶在桩基施工过程中可能引起垮孔、偏孔、断桩等施工事故。
本课题研究结合岩溶地区钻孔灌注桩施工的特点，深入研究钻孔灌注桩的施工工艺，在施工前做好各项准备工作，并加强技术管理，尽量减少和避免事故的发生，确保钻孔灌注桩的质量，为以后钻孔灌注桩的施工提供参考；
优化岩溶地区钻孔灌注桩的施工工艺、为设计提供借鉴，达到缩短工期，节省资金的目的。
1.2灌注桩国内外发展概况
灌注桩可分为人工挖孔桩和机械钻孔桩两大类。
人工挖孔桩于1893年在美国问世，至今已有100多年。
当时美国芝加哥、底特律等大城市由于工地紧张，高层建筑物不断增加，而且某些高强轻质的新材料相继开始生产，为高层建筑设计施工创造了条件。
但这些城市地表以下存在着厚度很大的软土或中等强度的粘土层，建造高层建筑如仍沿用当时通行的摩擦桩，必然会产生很大的沉降。
于是工程师不得不考虑把桩设在很深的持力层，并且为满足承载力要求，还必须把其截面设计得较大。
但这样的桩不可能用木材制作，若用钢管、型钢或钢筋砼预制，依靠当时的打桩设备又难以打至必要的深度，于是借鉴人类相传的掘井技术，人工挖孔桩就在这样的情况下试验成功[2]。
钻孔灌注桩是在人工挖孔桩问世后约50年，亦即20世纪40年代初，随着大功率钻孔机具研制成功，也是首先在美国问世的。
随着二次世界大战后世界各地经济复苏与发展，高层、超高层建筑物和重型构造物不断兴建，它们绝大多数都选择了钻孔灌注桩。
尤其自20世纪70～80年代以来，钻孔灌注桩在世界范围内出现了蓬勃发展的局面，其用量逐年上升，居高不下[2-3]。
一个世纪以来世界各地的灌注桩应用情况说明，它不仅解决了某些工程面临的难题，更重要的是突破了一个沿袭了数千年的传统，这就是人类自从利用天然木材制桩，以至19世纪20年代曾企图利用铸铁制作（因其性质脆而失败），乃至本世纪初开始成功地利用热轧型钢制桩，稍后又利用钢筋混凝土制桩，都是采取先预制而后借助某种机具打入土中的传统。
灌注桩取源于混凝土在上部结构司空见惯的现浇工艺，为古老的桩基技术开创了一条崭新的工艺路线。
我国应用灌注桩始于上世纪60年代初，当时是在南京、上海、天津、河南等地作为桥梁和港口建筑基础，自70年代中期后又陆续在广州、深圳、北京、厦门等大城市应用于高层和重型建筑物，至80年代未90年代初，随着改革开放步伐加快，灌注桩迅速发展，仅数年间已普及于全国除西藏外的各省、市、自治区数以千计的大中城市及开发区，主要应用于包括软土、黄土、膨胀土等特殊土在内的各类地基。
据估计，近年我国应用灌注桩数量之多已堪称世界各国之最，可谓起步虽晚而发展迅速。
自从大直径人工挖孔桩和钻孔桩相继在美国问世以后，小直径灌注桩于本世纪50年代初在意大利脱颖而出。
从此，灌注桩一方面向大直径发展，另一方面向小直径发展。
1.3钻孔灌注桩的使用现状
钻孔灌注桩是桥梁工程最常用的基础形式之一，它具有适应性强、对邻近结构影响较小、抗震性能强、施工噪音小、无振动、所需设备简单、操作方便、施工安全等特点；
而且钻孔灌注桩可将所有上部结构传来的动载和静载均匀地传递至深层稳定的土层中，从而大大减少了基础沉降和不均匀沉降，故钻孔灌注桩被广泛采用。
表1-1为1999年～2005年度某市交通局所有桥梁工程基础形式的统计结果。
表1-1桥梁基础形式统计表
年度
采用钻孔灌注桩作为基础的桥梁
采用其它形式基础的桥梁
备注
1999
18
7
采用钻孔灌注桩作为基础的桥中有大桥、特大桥3座，采用其它形式基础的桥均为小桥。
2000
17
3
采用钻孔灌注桩作为基础的桥中有大桥、特大桥2座，采用其它形式基础的桥均为小桥。
2001
19
采用钻孔灌注桩作为基础的桥中有大桥、特大桥4座，采用其它形式基础的桥均为小桥。
2002
2
2003
23
2004
4
采用钻孔灌注桩作为基础的桥中有大桥、特大桥5座，采用其它形式基础的桥均为小桥。
2005
26
从表1-1中可以明显地看出：
绝大多数桥梁的基础形式为钻孔灌注桩，而且钻孔灌注桩被公认为是安全可靠且极为有效的基础形式之一。
在国外，钻孔灌注桩也广泛地被应用于各种跨度的桥梁，尤其是在特大桥梁基础中的应用，譬如美国波士顿新桥，主跨为227.08m的五跨斜拉桥，两主塔墩基础分别采用14Φ2.44m和16Φ2.44m嵌岩钻孔灌注桩。
随着越来越多的大跨桥梁和各种超高层建筑物的出现，钻孔灌注桩成为了建筑物基础的首选之一，可谓起步虽晚而发展迅速。
1.4钻孔灌注桩存在的缺陷
由于钻孔灌注桩是在地下而且在水中成孔，灌注水泥混凝土，加之成孔方法各异，地质条件的各种变化，水泥混凝土浇注时间的长短，施工技术人员水平及经验的高低等因素，钻孔灌注桩极易出现各种缺陷[4]。
最常见的缺陷有缩颈、扩径、短桩、断桩（夹泥）、混凝土离析及桩顶部分混凝土密实性差等，表1-2为近年来检测的某地区1344根钻孔灌注桩缺陷统计结果[5]。
表1-2钻孔灌注桩缺陷统计表
项目数量占总检测桩数的百分数
1.正常或基本正常113484.4
2.缩颈17212.8
3.严重缩颈或离析141.04
4.混凝土强度偏低201.50
5.断桩40.26
表1-2中的统计结果在一定程度上反应出了在当今施工水平上，钻孔灌注桩存在着严重的质量问题，急需加强管理和成品检测[6-8]。
1.5本课题研究的内容
本文对钻孔灌注桩的施工工艺进行了深入的探讨和研究，主要研究内容如下：
（1）结合工程特点对钻孔灌注的施工工艺进行系统的研究，分析研究其质量控制体系；
（2）结合岩溶地区的特点，重点研究了岩溶地区钻孔灌注桩的施工及其质量控制；
（3）结合工程实例，对某岩溶地区工程实例桩基施工工艺进行了研究，为该项工程钻孔灌注桩的施工提供了理论保证，也为类似工程提供有价值的借鉴。
第2章
岩溶地区钻孔灌注桩施工工艺与岩溶处理
钻孔灌注桩施工过程主要可分为成孔阶段、清孔阶段、水下混凝土灌注阶段等三大阶段。
钻孔灌注桩是一项工序多、技术要求高、工作量较大、并需要在一个短时间内连续完成的地下（或水下）隐蔽工程。
要保质、保量、按期完成施工工程，必须认真做好施工的各项准备工作。
2.1成孔阶段的质量控制
2.1.1钻进方法的选择
由于在桩基施工中所遇到的土层种类多种多样，在成孔时就要采取不同的钻进方法，有时即使在同一孔中钻进，也需要几种方法交替使用。
譬如，从钻进效率和对地层适应性上，一般回转钻进优于冲击钻进，而对于卵砾石、硬岩地层，冲击钻进又优于回转钻进。
于是又有把几种方法结合起来的回转、冲击反循环钻进，更好地满足了在复杂地层中的钻进。
实践证明：
在钻孔桩施工中，没有一种万能的钻进方法可适应不同工程地质，而必须根据不同工程地质状况和桩基直径、长度分别选用正循环、反循环、潜水、冲击、冲抓、人工掘进等方法来解决，有些地层则需多种方法配合才行。
在选择钻进方法时，以下经验可供参考。
（1）粘土、粘性淤泥、淤泥质土层及粉砂层，可采用回转、冲抓、冲击及振动沉管、内击沉管法等钻进。
应用泥浆护壁时，粘性土及轻亚粘土可采取原土造浆护壁，砂性土需要选用优质泥浆护壁；
（2）厚大的砂性土层，可采用回转、冲抓、潜水法施工，但应采取优质泥浆护壁；
（3）充填物较密实的砾石层，粒径小于20mm时可采用正循环或反循环回转钻进，当粒径大于20mm而小于反循环钻头吸渣口尺寸时，可用反循环钻进，一般大于100mm直径的卵石层，采取冲击或冲抓钻进效果较好，但都应配以优质泥浆护壁；
（4）人工堆集的大块石层，块石间充填物质胶结较好，可采用十字钻头冲击加粘土块护壁的方法钻进。
块径大小不一，互相松散堆架在一起时，或采取人工掘进开挖的办法钻进；
或往孔中投入素混凝土，待混凝土达到一定强度和松散的块石胶结以后，再下入护筒，采用冲击、冲抓法钻进。
目前国内钻孔灌注桩常用的成孔方法主要有正反循环回转钻进成孔、冲击钻进成孔、冲抓锥成孔、螺旋钻成孔、振动沉管法成孔、潜水钻机成孔等方法。
这些方法各有特点，其适应地层、作业深度都有一定的局限性，因此在选择成孔方法时，应根据工程的具体情况，结合现有的技术装备水平，进行技术分析，合理选择。
成孔方法的选择是否合理，不仅对桩的成孔质量和施工速度至关重要，而且对混凝土浇灌质量乃至桩的承载力具有决定性的意义，所以对成孔阶段必须进行严格的质量控制。
一般条件下的施工，所遇到的最多和大量的是第四纪覆盖层。
本章将就最适宜于第四纪覆盖层钻进施工并且在我国适应性最广，最有发展前途的正、反循环施工法以及冲击钻进施工法进行探讨。
2.1.2正循环回转钻进施工法
1、正循环回转钻进的施工特点与使用范围
正循环施工法是钻机回转装置带动钻杆和钻头回转切削破碎岩土，钻进时用泥浆护壁、排渣；
泥浆由泥浆泵输进钻杆内腔后，经钻头的出浆口射出，带动钻渣沿钻杆与孔壁之间的环状空间上升到孔口溢进沉淀池后返回泥浆池中净化，再供使用[8-9]。
这样，泥浆在泥浆泵、钻杆、钻孔和泥浆池之间反复循环运行，如图2-1所示。
每种成孔施工方法本身都具有优缺点，正循环回转钻进成孔施工法的优点如下所述。
（1）钻机小，重量轻，狭窄工地也能使用；
（2）设备简单，在不少场合，可直接或稍加改进借用地质岩心钻探设备或水文水井钻探设备；
（3）设备故障相对较少，工艺技术成熟，操作简单，易于掌握；
（4）噪音低，振动小，工程费用较低。
但是由于桩孔直径大，正循环回转钻进时，其钻杆与孔壁之间的环状断面大，因此存在泥浆上返速度低，挟带泥砂颗粒直径较小，排渣能力差，岩土重复破碎现象严重等缺点。
图2-1正循环回转钻进成孔原理示意图
1-钻头；
2-泥浆循环方向；
3-沉淀池及沉渣；
4-泥浆池及泥浆；
5-泥浆泵；
6-水龙头；
7-钻杆；
8-钻机回转装置
从使用效果来看，正循环钻进劣于反循环钻进。
反循环钻进时，冲洗液是从钻杆与孔壁之间的环状空间流入孔底，并携带钻渣，经由钻杆内腔返回地面的。
由于钻杆内腔断面积比孔壁间的环状断面积小得多，故冲洗液在钻杆内腔能获得较大的上返速度。
而正循环钻进时，泥浆运行方向是从泥浆泵输进钻杆内腔，再带动钻渣沿钻杆与孔壁间的环状空间上升到泥浆池，故冲洗液的上返速度低。
一般情况下，反循环冲洗液的上返速度比正循环快40倍以上。
为了缓解这个问题，一是增大泥浆排量来提高上返流速；
二是保持泥浆质量、提高泥浆比重和粘度，来提高泥浆悬浮钻渣的能力。
正循环钻进成孔适用于填土、淤泥层、粘土层、粉土层、砂土层、也可在卵砾石含量不大于15%、粒径小于10mm的部分砂卵砾石层和软质基岩、较硬基岩中使用，桩孔直径一般在1.8m以下，钻孔深度一般约为40m，某些情况下，钻进深度可达100m。
2、工艺流程与施工注意事项
正循环施工工艺流程如图2-2所示，施工注意事项有下面几点。
（1）钻机安装就位后，底座和顶端应平稳，在钻进和运行过程中不应产生位移或沉陷。
钻机的顶端或各种自制钻架和桅杆顶端等处要用缆风绳固定防止倾覆。
回转钻机顶部的起吊滑轮缘、转盘中心和桩孔中心应在同一铅垂线上，其偏差不得大于2cm[10]；
图2-2正循环回转钻进成孔工艺流程
（2）开孔时应先启动泥浆泵和转盘，稍提钻杆，在护筒内打浆，开动泥浆泵进行循环，待泥浆均匀后开始钻进，进尺应适当控制。
钻孔进行到护筒刃脚处时，用低档慢速钻进，使刃脚处有坚固的泥皮护壁，钻至刃脚下1米后，可按土质情况以正常的速度钻进；
（3）如护筒底土质松软发现漏浆时，可提起锥头，向孔中倒入粘土，再放下锥头倒转，使胶泥挤入孔壁堵住漏浆空隙，稳住泥浆继续钻进；
（4）在粘土层中钻进，由于泥浆粘性大，钻头所受阻力也大，易糊粘，宜选用尖底钻头，中等转速，大泵量，稀泥浆钻进；
（5）在砂土或软土层钻进时，易坍孔，宜选用平底钻头，控制进尺，轻压，低档慢速，大泵量，稠泥浆钻进；
（6）在粘砂土或砂粘土夹卵、砾石层中钻进时，因土层太硬，会引起钻头跳动，整车、钻杆摆动加大和钻头偏斜等现象，易使钻机超负荷损坏。
宜采用低档慢速，优质泥浆，大泵量，两级钻进的方法钻进；
（7）两级钻进时，第一级钻头底面积可取钻孔面积的一半，其钻头直径可按式（2-1）计算：
（2-1）
式中：
d—第一级钻锥直径，m；
D—第二级钻锥直径，m。
（8）钻进时，每进尺5～8米，应检查钻孔直径一次；
（9）正循环钻孔应采用减压钻进，即钻机的主吊钩始终承受部分钻具（钻杆、钻锥、压重块）的重力，而孔底承受的钻压不超过钻杆（钢丝缆）、钻锥和压块重力之和（扣除浮力）的80%，以避免或减少斜孔、弯孔和扩孔现象；
（10）在较硬的碎石土中，宜用低档慢速、优质泥浆、慢进尺钻进，必要时可分两级钻进，即第一级先钻井孔面积中心的一半，至适当深度后，再扩孔按设计孔径钻进；
（11）机动推钻钻进时，应适当放松起吊钻锥的钢丝缆，钻杆顶端不得降到扶钻平台下面，以防掉钻；
（12）大中桥钻孔时，应绘制钻孔地质剖面图，以便按不同土层选用适当的钻头、钻进压力、钻进速度和泥浆；
（13）必须及时填写钻孔施工记录，交接班时应交待钻进情况及下一班应注意事项；
（14）钻孔作业应分班连续进行；
应经常对钻孔泥浆进行试验，不符合要求时，随时更正；
应经常注意土层变化，在土层变化处均应捞取渣样，判明土层，并记入记录表中，以便与地质剖面图核对；
（15）在河水或潮水涨落较大处钻孔时，应采取稳定钻孔内水头的措施；
（16）升降钻锥时须平稳，钻锥提出井口时应防止碰撞护筒、孔壁和钩挂护筒底部，拆装钻杆力求迅速；
（17）因故停钻时，孔口应加护筒盖；
严禁潜水钻机和钻锥留在孔内，以防埋钻。
2.1.3反循环回转钻进施工法
1、反循环回转钻进的施工特点与使用范围
反循环回转钻进施工是在桩顶处设置护筒（其直径比桩径大15%左右），护筒内的水位要高出自然地下水位2m以上，以确保孔壁的任何部分均保持0.02MPa以上的静水压力保护孔壁不坍塌，因而钻挖时不用套管，钻机工作时，旋转盘带动钻杆端部的钻头钻挖内土。
在钻进过程中，冲洗液从钻杆与孔壁间的环状间隙流入孔底，并携带被钻挖下来的岩土钻渣，由钻杆内腔返回地面，与此同时，冲洗液又返回孔内形成循环，这种钻进方法称为反循环钻进。
反循环回转钻进成孔适用于填土、淤泥、粘土、粉土、砂砾等土层；
当采用圆锥式钻头可进入软岩；
当采用滚轮式（又称牙轮式）钻头可进入硬岩。
反循环钻进成孔不适用于自重湿陷性黄土层，也不宜用于无地下水的地层。
反循环钻进施工按其冲洗液（水或泥浆）循环输送的方式、动力来源和工作原理可分为泵吸、气举和喷射等三种方法。
图2-3泵吸反循环施工法
1-钻杆；
2-钻头；
3-旋转台盘；
4-液压马达；
5-液压泵；
6-方型传动杆；
7-砂石泵；
8-吸渣软管；
9-真空罐；
11-真空胶管；
12-冷却水槽；
13-泥浆沉淀池
（1）泵吸反循环施工原理
泵吸反循环钻进是利用砂石泵（离心式水泵的一种）的抽吸作用，在钻杆柱内腔造成负压状态；
在大气压力的作用下，处在钻杆与孔壁之间环状空间中的钻孔冲洗液流向孔底。
同时，回转装置带动钻杆、钻头回转钻进切割岩土，钻下来的岩土钻渣与流向孔底的冲洗液混合形成钻渣与冲洗液的混合液。
混合液经钻头水口被吸入钻杆内腔，随即上升至水龙头经砂石泵和排渣管排入地面泥浆循环系统。
混合液在地面进行渣液分离处理，分离后性能符合要求的冲洗液可继续使用，注入孔内，形成泵吸反循环钻进，如图2-3所示。
在某大桥的实际施工中，在钻深达77m左右的77#墩上选用了GPS-15型钻机配3PN泵、滚刀钻头进行钻进。
77#墩在水深6～9米（受潮汐影响），地质图中有淤泥、砂、砾石土、全风化石英以及微风化石英砂岩，具体如图2-4所示。
在钻进过程中，发现此方法可钻至77m的深度。
随着钻进深度的加深，发现其缺点也比较突出，即每次停机后排渣时，需要花较长的时间才能重新吸泥工作，因此其效率较低。
钻了四根桩后，改用了郑州钻探机械厂生产的QJ250-1型气举法钻机，用气举法钻进。
图2-4某大桥77#墩地质剖面图
（2）气举反循环施工原理
气举反循环是将压缩空气通过供气管送至钻杆内，使压缩空气、钻杆内的冲洗液以及被切割下来的岩土屑等在钻杆内形成（视比重）比水还轻的泥砂水气混合物（三相混合物）。
在钻杆外侧水柱压力的作用下，钻杆内的泥砂水气混合物与冲洗液不断上升涌出地面，将钻渣排出孔外，流入地面泥浆沉淀池或贮水槽中，土、砂、砾和岩屑等在泥浆池内沉淀，冲洗液则再流入孔内，如图2-5所示。
图2-5气举反循环施工法
1-气密式旋转接头；
2-气密式传动杆；
3-气密式钻杆；
4-喷射嘴；
5-钻锤；
6-压送胶管；
7-转盘；
8-油压泵；
9-空压机；
10-压气胶管；
11-泥浆沉淀池
在钻进过程中，应注意以下几点。
①初钻措施：
由于气举法施工的原理造成，必须让钻锥下端埋入泥浆中一定深度，即在孔底泥浆压强和杆底泥浆空气混合体压强基
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