钻孔灌注桩断桩原因及处理工程实例

　　摘要：分析了某桥梁桩基工程在施工过程中断桩事故造成的原因，根据现场情况，提出了能利用断桩承载力的断桩加承台的断桩处理方法并取得了良好效果。
　　关键词：断桩，原因，承台
　　
　　钻孔灌注桩具有承载力高、施工进度快、对建筑物适应性强等特点。自20世纪50年代末在我国公路桥梁工程上开始应用以来，已经得到巨大的发展，其施工工艺也已经非常成熟。但是时至今日，断桩事故仍常有发生，使得工期延误、工程造价上升。对于断桩发生的原因，总的来说可以概括为以下3方面：①机械事故，如混凝土灌注过程中的设备故障、设备能力不足等；②操作事故，如导管拔出、导管进水或埋管等；③混凝土质量问题，如和易性不好、混凝土初凝过快等。对于预防断桩的方法，有关文献也已经有大量介绍，这些方面本文不再深入探讨。本文在对一个已经发生断桩的桥梁桩基础的处理方案进行介绍，该方案的处理思路与一般断桩处理方法有所不同，可供同行参考。
　　1断桩事故概况
　　1.1工程概况
　　某渡改桥工程，位于郴州市交通不便山区，其上部采用2×16m跨整体现浇空心板结构，底板宽5.6m，厚8cm；顶板宽6.6m，采用微弯板形式，厚度10～18cm；腹板宽25cm，相邻腹板中距1.35m。空心板按先简支后连续构造进行设计。0、2号桥台均采用双柱埋置式桥台。桥台桩基直径为1.2cm，台帽高1.2m。1号桥墩采用单桩单柱结构，盖梁梁高1.3m，宽1.4m，立柱直径为1.2m，基础为单根直径为1.5m的钻孔灌注桩。其1号桥墩的单桩是该桥施工的第一根桩，采用冲击成孔进行，桩长17.8米。
　　1.2断桩事故及原因
　　1号桥墩单桩在灌注到9米高拔管时，由于吊车操作员操作失误，使导管被拔出混凝土面。当时施工单位采用以下方法进行处理：立即将混凝土斗重新换为大斗，导管底端放回混凝土面上，加上隔水塞然后重新灌注。其处理的意图是希望利用混凝土下落的冲力使后浇的混凝土达到新鲜混凝土面，避免断桩事故。而且在该桩浇筑完成时，发现有近1米厚的泥浆、钻渣上反，加之提出采用该方法的技术员声称曾采用此法成功处理过一处工程，因此施工单位对该桩的桩身质量抱有希望。但是施工完成7天后，对该桩采用声波透射法进行检测的结果表明，在桩顶以下10米以下有0.5米长的桩身接收不到声波，即该桩在此处断开形成断桩。
　　应该说，对于孔内所灌混凝土上部没有出现初凝时，出现灌注过程中拔管不当导管的事故，采用将导管重新插入原混凝土，然后重新灌注的方法是处理这种断桩事故的常用有效方法，但是在该方法正确步骤是：①将导管下底口放在原浆面上重新开盘；②开盘成功后把管口回插入原混凝土浆面以下4m继续灌注。在本工程中，虽然采用了该方法进行处理，但是忽略了第②步而导致处理失败，形成断桩。可见，完整掌握一种方法是使用该方法的前提。
　　2断桩处理方法分析
　　2.1常用的处理方法
　　由于对施工中断桩处理技术掌握不全面，使得本可以在施工中得到妥善处理的桩基形成断桩，施工单位得到了深刻的教训。问题关键是，失去了在施工中处理该断桩的时机，待7天后混凝土强度形成处理起来难度更大。对于已经形成的断桩，常用的处理方法有以下几种：
　　(1)旋喷注浆接桩法：其原理是在断的桩体中心钻一小孔，孔径根据桩径和抽芯要求而定。小孔钻至断桩部位以下后，将带有特殊喷咀的旋喷钻具下到断桩部位，先用清水高压冲孔，清除断桩部位的充填物，然后由高强度的水泥浆液喷灌，边喷边回转，并在断桩部位上下活动几次，即可边喷浆边提钻，直至地表。从而使得断桩部位重新固结，保证桩身的完整性和基桩的质量。一般认为该方法效果甚佳，而且具有经济、简单的特点，所需设备为公路工程工地常有的地质钻机、泥浆泵、液压搅拌机、储浆桶等。
　　(2)桩中加桩接桩法：在断桩中重新施工新桩:此法是在已施工的桩中重新施工一根小一级的桩，即在原桩内重新成孔至桩部位，下入较小的钢筋笼后再灌注混凝土。
　　(3)补桩：若场地条件比较好，可挪位重新进行施工，该方法工作量较大，而且可能须修改上部结构设计，若是单桩柱基础课在断桩两侧对称补两根桩加以处理即可。
　　2.2适用处理方法分析
　　该工程断桩位置已经确定，因此以上各种方法技术上都是可行的。但桩中加桩接桩法和补桩法由于雨季已近，风险很大，而且如再进行桩基施工，其工期必然大大延长。因此旋喷注浆接桩法该方法技术上更具可行性，如果设备齐备，其费用也较低。但是该桥工程地处山区，距离城市较远，交通不便且周围并无其他工程进行，所有设备地质钻机、泥浆泵、液压搅拌机等均需从城市调来，因此虽然其接桩工程量很小，但是设备进场费用较高。最后实际发生的费用可能并不少。加之渡改桥工程本身投标价较低，利润不大，因此这几种方法都不理想。
　　根据2号墩地质钻孔ZK3所得到的地基工程性质参数如表1所示。
　　表1地基参数表
　　地层
　　名称 厚度
　　(m) 状态 承载力(kPa) 极限摩阻力(kPa)
　　卵石土 4.5 稍密~密实 350 70
　　粉质粘土 2.5 软塑~可塑
　　(Es=5.5MPa) 120 45
　　卵石土 5.6 稍密~密实 350 70
　　圆砾土 12.2 中密 300 65
　　由表1地质资料可知，使得该基础设备成为桩基础而不是扩大基础是因为地基上层砂砾层厚度不大，而且下部存在软弱承载力不高的粉质粘土层。如果将扩大基础的地面设置在粉质粘土层，其竖向承载力可能不足；而将底面设置在砂砾层，基础但是现在的情况已经有所不同，因为该桥墩桩基础虽然是断桩，但是，该桩上半段也有10米长。考虑到长度10m、直径1.5m的桩基与其设计长度18米完整桩相差并不多，也具有可观的竖向承载力。因此如果能够通过在该桩顶部增加一承台，使之承担一定的竖向荷载，可能该基础的承载力能够达到设计要求，从而更经济合理的处理该断桩。
　　3方案设计与实施
　　根据地基工程性质特性，可以计算得到该桩实际承载力以及作为完整桩的承载力结果如表2所示。其中，对于断桩上截的端阻力的计算方法是：在桩上截和下截之间的材料采用声波透射法检测，在这种材料层使声波不能穿过，说明这种材料是混凝土与泥浆的混合物，在混凝土凝固后，这一截材料（约0.5米长）仍可具有一定强度，一般有2~5MPa，因此其承载力应较稍密卵石土高。因为在这一截材料外侧，仍是卵石土，故在计算断桩处的端阻力时，仍可将桩端材料视为卵石土，并取桩端沉渣厚度为0.5m进行计算。
　　表2基桩承载力计算结果
　　 长度(m) 竖向承载力(kN)
　　  侧摩阻力 端阻力 总和
　　完整桩 17.8 1907 643 2550
　　断桩(上) 10.0 874 687 1561
　　断桩(下) 7.3 1033 643 1676
　　根据完整桩和断桩竖向承载力的差值，计算得到承台的面积为4.83m2。然后，对承台进行结构设计，考虑施工因素，设计承台为：方形承台，边长2.5m，高2.0m，埋深2.0m。然后进行软弱下卧层验算。以完整桩的竖向承载力作为下卧层验算的外荷载，如果将承台作为全部承受外荷载的扩大基础进行计算，得到下卧层粉质粘土层顶面的竖向应力为408kPa，下卧层验算不能通过。根据承台和断桩上半截共同受荷的机理，因为桩基侧摩阻力发挥到极限，仅需要竖向位移4~10mm，而承台地面土体发挥竖向承载力的位移远超该值，因此桩基极限侧摩阻力发挥早于承台竖向承载力的发挥。因此在计算承台底面下卧层的竖向力时应为外荷载减去断桩所承受的力。按该竖向力进行计算，下卧层所受竖向力为115kPa，因此下卧层的受力也是满足要求的。
　　经各方对设计结果认可后，即开始实施，在施工过程中，需要注意两点：①承台基坑的开挖应尽力避免对原砂砾土的扰动；②基坑开挖后，应尽快完成混凝土浇筑。这两点措施，是保证承台底面砂砾土承载力不被施工所破坏。由于采用承台+断桩方案的处理不需额外增加机械设备，适合于交通不便地区的施工组织，因此施工很顺利。在承台施工完成后，在承台上布置沉降观测点，在桥墩施工和上部结构施工以及桥梁运行期间，进行的沉降观测表明，该桩的处理是成功的。
　　4结语
　　断桩是混凝土灌注桩的严重病害，其处理方法也有多种，本文介绍了某桥梁混凝土灌注桩因拔管不当造成的断桩事故以及在灌注施工过程中对该问题的处理方法及其效果，分析了该工程材料插入导管重新灌注处理方法失败的原因。然后根据该桩的具体地质资料和地基工程性质特性，提出了采用承台加断桩利用的方法进行处理的方法。该方法取得了良好的技术和经济效果，可供同行参考。

《钻孔灌注桩断桩原因及处理工程实例》

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