摘要：对于在扩底桩施工过程中可能发生的不能满足设计要求的缺陷问题，通过分析扩底桩缺陷产生的原因，在理论与实践过程中总结出了解决问题的具体措施和方法，对工程的进度和质量保证提供了较为有效的解决方案。
关键词：扩底桩 质量 缺陷 灌短桩头 桩底注浆
中图分类号：TU4 文献标识码：A 文章编号：（2005）02-0021-04
扩底桩的缺陷分析及解决
1 扩底桩质量问题处理措施现状
所谓扩底桩质量问题，就是指不能满足设计要求的扩底桩存在的缺陷问题。主要有以下两类：①桩身有质量缺陷，如端桩、缩径、混凝土离析、桩底沉渣超厚、夹泥等；②虽然桩身质量达到了设计要求，但灌注桩的极限侧摩阻力
桩基是依靠桩—土相互作用提供承载力的一种深基础形式。单桩的极限承载力
其中
式中：
分析上述桩基承载力公式可得出：提高单桩承载力的措施可归结为三个方面：
（1）增加桩的几何尺寸，如桩长或桩径或嵌岩扩底桩可增加扩大头直径；
（2）提高持力层的强度，即提高桩端阻力；
（3）改善桩—土相互作用，即提高侧摩阻力。
扩底桩的缺陷处理就是围绕上述三个方面，通过各种技术措施和施工措施，以提高单桩容许承载力和保证桩基工程施工质量。
扩底桩是灌注桩的一种。据国内外有关资料，我国常用的灌注桩缺陷处理的方法主要有以下几种：
（1）灌浆法。灌浆法是将既有流动性又有胶凝性的浆液（或化学溶液），按一定的浓度，通过特设的灌浆钻孔压送到土层或岩石中去。这类浆液进入岩土裂隙或土层孔隙中，扩散、充填空隙后，经过硬化、胶结形成结石，可以起到加固、防渗改善地基物理力学性质与工程地质条件等作用。
灌浆技术最早用于修建闸和船坞工程，以后在修建矿井、隧道和大坝等工程中逐步得到使用。目前，这一技术主要以砂、砂砾石、软黏土、湿陷性黄土等地层为对象，用于坝基处理、房基（一般基础及振动基础）及有建筑物的基础加固和修补，道路、桥梁加固处理，输水隧道、地下铁道、地下工厂等地下建筑基础等方面。灌注桩缺陷处理则是近年来随着灌注桩工程的大量应用，以注浆法的理论为基础，结合灌注桩的具体条件而发展起来的新兴技术，在国内外土木工程建设中得到了广泛的应用。
（2）高压喷射注浆法。60年代末出现在日本。70年代以来在我国的岩土工程领域得到了应用和发展。高压喷射注浆是在有百余年历史的注浆法的基础上发展引入高压水射流技术，所产生的一种新型注浆法。它具有加固体强度高、加固质量均匀、加固体形式可控的特点，已成为被国内外工程界普遍接受的，多用、高效的地基处理方法。
（3）综合处理法。目前，除注浆法和高压喷射法处理灌注桩的缺陷外，灌注桩缺陷处理的方法还有如开挖接桩、加桩和承台处理等其它方法。开挖接桩主要适用于桩身缺陷位置较浅和易于灌注的缺陷桩，即对灌注桩的浅部缺陷用人工凿除，然后接桩灌注混凝土；加桩处理是在原有的灌注桩的附近加桩，一般多采用挑扁担梁方法（即在原桩对称的两边各加一根桩），也可采用其它方式加桩，以满足设计承载力要求；承台处理方法往往用于当灌注桩的单桩承载力达不到设计要求时，依据工程地质情况加大承台受力面积，提高桩基的承载力，以满足上部结构的要求。
2 扩底桩缺陷产生原因及处理方法
在进行扩底桩的施工过程中，灌注混凝土是成桩的关键性工序之一，灌注过程中需要快速、连续施工，防止发生质量事故：
2．1导管进水
（1）主要原因。①首批混凝土储量不足，或虽然混凝土储量已够，但导管底口距孔底的间距过大，混凝土下落后不能埋没导管底口，以致泥水从底口进入。②导管接头不严，接头间橡皮垫被导管高压气囊挤开，或焊缝破裂，水从接头或焊缝中流入。③导管提升过猛，或测深出错，导管底口超出原混凝土面，底口涌入泥水。
（2）预防和处理方法。为避免发生导管进水，事前要采取相应措施加以预防。万一发生导管进水，要当即查明事故原因，采取以下处理方法：①若是上述第一种原因引起的，应立即将导管提出，将散落在孔底的混凝土拌和物用反循环钻机的钻杆通过泥石泵吸出，或者用空气吸泥机、水力吸泥机以及抓斗清出，不得已时需要将钢筋笼提出，采取复钻清除。然后重新下放骨价、导管并投入足够量的首批混凝土，重新浇筑。②若是第二、三种原因引起的，应视具体情况，拔换原管重下新管；或用原导管插入续灌，但灌注前均应将进入导管内的水和沉淀土用吸泥和抽水的方法吸出。如系重下新管，必须用潜水泵将管内的水抽干，才可继续灌注混凝土。为防止抽水后导管外的泥水穿透原灌混凝土从导管底口翻入，导管插入混凝土内应有足够深度，宜大于200
若混凝土在水面以下不很深，且未初凝时，可于导管底部设置防水塞（使用混凝土特制），将导管重新插入混凝土内（导管侧面再加重力，以克服水的浮力）。导管内装灌混凝土后稍提导管，利用新混凝土自重将底塞压出，然后继续灌注。
若混凝土面在水面不很深，但已初凝，导管不能重新插入混凝土时，可在原护筒内面加设直径稍小的钢护筒，用重压或撞击方法压入原混凝土面以下适当深度，然后将护筒内的水（泥浆）抽出，并将原混凝土顶面的泥渣和软弱层清除干净，再在护筒内灌注普通混凝土至设计桩顶。
2．2卡管
在灌注过程中，混凝土在导管中下不去，称为卡管。卡管有以下两种情况：
（1）初灌时隔水栓卡管，或由于混凝土本身的原因，如坍落度过小、流动性差、夹有大卵石、拌和不均匀，以及运输途中产生离析、导管接蜂处漏水、雨天运送混凝土未加盖等，使混凝土中的水泥浆被冲走，粗骨料集中而造成导管堵塞。
处理办法可用长杆冲捣管内混凝土，用吊绳抖动导管，或在导管上安装附着式振捣器等使隔水栓下落。如仍不能下落时，则须将导管连同其内的混凝土提出钻孔，进行清理休整，然后重新吊装导管，重新灌注。
（2）机械发生故障或其它原因使混凝土在导管内停留时间过久，或灌注时间持续过长，最初灌注的混凝土已经初凝，增大了导管内混凝土下落的阻力，混凝土堵在管内。其预防方法是灌注前应仔细检修灌注机械，并准备备用机械，发生故障时立即调换备用机械，同时加速混凝土灌注速度，必要时，可在首批混凝土中掺入缓凝剂，以延缓混凝土的初凝时间。
当灌注时间已久，空内首批混凝土已初凝，导管内又堵塞有混凝土，此时应将导管拔出，重新安设钻机，利用较小钻头将钢筋笼以内的混凝土钻挖吸出，用冲抓锥将钢筋骨架逐一拔出，然后一黏土添砂砾填塞井孔，待沉实后重新钻孔成桩。
2．3塌孔
在灌注过程中如发现井孔护筒内水（泥浆）位忽然上升溢出护筒，随即骤降并冒出气泡，应怀疑是坍孔征象，可用测深仪探头或测深锤探测。如测深锤原系停挂在混凝土表面上未取出现被埋不能上提，或测深仪探头测得的表面深度达不到原来的深度，相差很多，均可证实发生坍孔。
坍孔原因可能是护筒底脚周围漏水，孔内水位降低，孔内水位差改变，不能保持原有落水压力，以及由于护筒周围堆放重物或机械振动等，均有可能引起坍孔。
发生坍孔后，应查明原因，采取相应的措施，如保持或加大水头、移开重物、排除振动等，防止继续坍孔。然后用吸泥机吸出坍孔中的泥土，如不继续坍孔，可恢复正常灌注。
如坍孔仍不停止，坍塌部位较深，宜将导管拔出，将混凝土钻开抓出，同时将钢筋抓出，只求保存孔位，再以黏土掺砂砾回填，待回填土沉实时机成熟后，重新钻孔成桩。
2．4埋管
导管无法拔出称为埋管。原因是：导管埋入混凝土过深，或导管内外混凝土已初凝使导管与混凝土间摩阻力过大，或因提管过猛将导管拉断。
预防办法：严格控制埋管深度，一般不超过6—8
处理办法：若埋管事故已发生，初时可用链滑车、千斤顶试拔。如仍拔不出，凡属并非因混凝土初凝流动性损失过大的情况，可插入一直径稍小的护筒至已灌混凝土中，用吸泥机吸出混凝土表面泥渣；派潜水工下至混凝土表面，在水下将导管齐混凝土面切断；拔出小护筒，重新下导管灌注。此桩灌注完成后，上下断层间应用灌注桩补强方法予以补强。
2．5钢筋笼上升
钢筋笼上升，除了是由于全套管上拔、导管提升钩挂一些显而易见的原因所致外，主要的原因是由于混凝土表面接近钢筋笼底口，导管底口在钢筋笼底口以下3
为了防止钢筋笼上升，当导管底口低于钢筋笼底部3m至高于钢筋笼底1
表1 灌注桩的混凝土表面靠近钢筋笼底部时允许最大灌注速度
|
桩径(㎝) |
≥250 |
220 |
200 |
180 |
150 |
120 |
100 |
|
灌注速度 (m³/min) |
2.5 |
1.9 |
1.55 |
1.25 |
1.0 |
0.55 |
0.4 |
克服钢筋笼上升,除了主要从上述改善混凝土流动性能、初凝时间及灌注工艺等方面着眼外，还应从钢筋笼自身的结构及定位方式上加以考虑。具体措施为：①适当减少钢筋笼下端的箍筋数量，可以减少混凝土向上的顶托力；②钢筋笼上端焊固在护筒上，可以承受部分顶托力，具有防止其上升的作用；③在孔底设置直径不小于主筋的1—2道加强环行筋，并以适当数量的牵引筋牢固地焊接于钢筋的底部。
2．6灌短桩头
灌短桩头也称短桩。产生原因：灌注将近结束时，浆渣过稠，用测深锤探测难于判断浆渣或混凝土面，或由于测探锤太轻，沉不到混凝土表面，发生误测，以致过早拔出导管终止灌注而造成短桩头事故。还有些是灌注混凝土事发生孔壁坍方未被发觉，测深锤或测深仪探头达不到混凝土表面，这种情况最危险，有时会缩短数米。
预防办法：
（1）在灌注过程中必须注意是否有坍孔的征象，如有坍孔，按前述办法及时处理后再续灌。
（2）测深锤不得低于规范规定的重力及形状，如系泥浆相对密度较大的灌注桩必须取测探锤重力规定值。重锤即使在混凝土坍落度尚大时也可能沉入混凝土数十厘米。测深错误造成的后果致使导管埋入混凝土面的深度较实际的多数十厘米，而首批混凝土的坍落度到灌注后期会越来越小，重锤沉入混凝土的深度也会越来越小，测深还是能够准确的。
（3）灌注将结束时加清水稀释泥浆并掏出部分沉淀土。
处理办法，在原护筒里面或外面加设护筒，压入已灌注的混凝土内，然后抽水、除渣，接浇普通混凝土；或用高压水将泥渣和松软层冲松，再用吸泥机将混凝土表面上的泥浆沉渣吸除干净，重新下导管灌注水下混凝土。
2．7桩身夹泥断桩
桩身夹泥断桩大都是以上各种事故引起的次生结果。此外，由于清孔不彻底，或灌注时间过长，首批混凝土已初凝，流动性降低，而续灌的混凝土冲破顶层而上升，因而也会在两层混凝土中夹有泥浆渣土，甚至全桩夹有泥浆渣土形成断桩。
对已发生或估计可能发生夹泥断桩的桩，应采用地质钻机，钻芯取样，作深入的探查，判明情况。有下述情况之一时，应采取压浆补强方法处理：
（1）对于柱桩，桩底与基岩之间的夹泥大于设计规定值。
（2）桩身混凝土有夹泥断桩或局部混凝土松散。
（3）取芯率小于95
对于上述灌注桩可能出现的各类缺陷，应根据灌注桩的具体情况，采用适宜的基桩检测方法进行检测，判断缺陷的严重程度和缺陷部位，选择切实可行的处理办法。
3.扩底桩桩底后注浆机理研究
3．1工程背景
在软土地基上建造高层建筑及大跨度厂房等，较适宜采用钻孔扩底灌注桩（扩底桩）基础，桩的持力层为砾石层、基岩或黏土层。扩底桩具有施工简单、对地层适应性强和造价经济等优点，但扩底桩施工中也存在因孔底沉渣难处理干净而降低端阻及因泥浆护壁而降低侧阻的缺点，从而使扩底桩的侧阻系数和端阻系数比打入式预制桩要低。因此，如何提高扩底桩的侧阻与端阻，是工程中迫切需要解决的研究课题。桩端注浆和桩侧注浆就是提高桩承载力的有力措施。因为砾石层地基扩底桩施工中，常出现沉渣难清干净和打桩扰动砾石层，使桩端承载力降低的特点，而桩底注浆有效地加固了砾石层，从而提高了桩的承载力。同时，由于桩端及其周围土层得到了加固，使得桩注浆后大大减少单桩的变形量，并可减少群桩的不均匀沉降。
3．2桩底后注浆的作用机理
桩底后注浆是指扩底桩在成桩后，通过预埋的注浆通道用一定的压力把水泥浆压入桩底，并在桩底形成扩大头，使浆液对桩底附近的桩周土层起到渗透、填充、压密和固结等作用，从而来提高桩承载力的一项技术措施。流程：图1。
检测桩上抬量 水灰比 10-15天龄期 下钢筋笼 注浆参数 成 桩 第二根管 同理注浆 记录最大压 力和单管最 终注浆量 观测注浆压力注浆量 初注 配置水泥浆 方案设计 钻孔 预埋注浆管 浇灌砼 对注浆管开塞
图 1 桩底注浆流程图
单桩的极限承载力
桩底注浆机理可分为力学机理和化学机理。注浆一般可划分为渗透注浆、压密注浆和劈裂注浆。对于不同的注浆对象与工艺参数，其力学机理往往不同。
桩底注浆机理的力学机理：在扩底桩放置钢筋笼时，预埋两根φ30—50
从初注到注浆后期，由于注浆压力和持力层土渗透性的变化，水泥浆与土层发生挤密、渗入、充填、劈裂等过程，从而会使注浆压力泵的压力表现为下降与回升的反复波动现象，这是水泥浆与土体共同作用的结果。但总的趋势是随着注浆量的增加注浆扩散半径增大，注浆压力升高。
最终注浆压力的确定要考虑下列3个方面：①最终注浆压力要小于桩上抬的摩阻力，即注浆时不能使桩向上严重位移；②最终注浆压力要尽可能使桩端、桩身混凝土少破坏；③最终注浆压力要使注浆量达到设计要求，形成扩大头，使桩端加固明显。
桩底注浆不但使桩端阻力因土层加固而提高，还使桩侧阻力提高，这是因为桩入持力层一般有一定深度，桩底注浆使“嵌岩段”侧阻明显提高。另外，浆液沿桩壁泥皮向上渗透也使部分桩侧土得到加固。
当浆液与砾石层充分接触时，化学机理将更加突出。其加固机理如下：
普通硅酸盐水泥主要是由
水泥与砂砾拌和后，水化产生
总的来说，浆液加固土体的物理化学作用可概括为：化学胶凝作用、充填胶结作用、离子交换作用、加筋效应、固化效应。
3．3桩底注浆的工艺技术
桩底注浆的目的是把有限的浆液材料输送到桩端及桩周一定的有效范围内，使之对该范围介质起加固作用。但是，桩端及桩周对浆体而言是开放空间，桩底注浆属隐蔽工程，目前的检测手段十分有限，要实现上述目标，则主要依赖于好的注浆工艺。好的注浆工艺建立在对桩底注浆机制的正确认识上，它要求因地制宜，严密设计，优质施工，适时调控。图2为桩底注浆装置示意图。
桩 地面 地面 压力表 监测上抬 百分表 注 浆 泵 储浆桶 搅拌桶 注浆管
图2 桩底注浆装置示意图
（1）注浆管设置与制作。注浆管采用φ30
（2）桩开始注浆时间。泥浆护壁灌注桩水下混凝土初凝期需10
（3）注浆选择。要选择注浆压力高（至少10
（4）压水试验（开塞）。压水试验是注浆施工前必不可少的重要工序。成桩后至实施桩底注浆前，通过压水试验来认识桩底的可灌性。压水试验的情况是选择注浆工艺参数的重要依据之一。此外，压水试验还担负探明并疏通注浆通道，提高桩底可灌性的特殊作用。
压水试验不会影响注浆固结提的质量，这是因为受注体是开放空间，无论是压水试验注入的水，还是注浆浆液所含的水，都将在注浆压力或地层应力下逐渐从受注区向外渗透消散其多余的部分。
一般情况下，压水宜按2—3级压力逐级进行，并要求有一定的压水时间与压水量。压水量一般控制在0.6
（5）初注。在压水试验之后，就要将配制好的水泥浆通过高压泵和预埋管注入到桩底砾石层去。初注时一般压力较小，浆液也由稀到稠。初注要密切注意注浆压力、注浆量和注浆皮管的变化，并注意注浆节奏。同时，用百分表监测桩的上抬量。
（6）注浆量。合理的注浆量应由桩端、桩侧土层类别、渗透性能、桩径、桩长、承载力增幅要求、沉渣量等诸因素确定，同时可根据表2进行估算。
表 2 一般砾石层注浆量的经验数据表
㎜ 渗 透 性 好 渗 透 性 差
持力层厚 持力层薄 持力层厚 持力层薄
800 2000—3000 1000—1500 1000—1500 800—1000
1000 3000—4000 1500—2500 1500—2500 1000—2000
1200 4000—5000 2500—3500 2500—3500 2000—3000
1500 ≥5000 ≥3500 ≥3500 ≥3000
在实施注浆中，还需根据压水试验情况及注浆过程中的反应适当调整注入量，并通过对注浆压力、浆液浓度、注浆方法诸因素的调控，将所需注浆量灌注到设计要求范围内。一般浆液浓度和灌浆量大，灌浆压力高，加固效果好。
（7）注浆压力。在注浆过程中，桩底的可灌性的变化直接表现为注浆压力的变化。可灌性好，注浆压力则较低，一般在4
浆液的扩散半径与灌浆压力的大小密切相关，因此，人们往往倾向于采用较高的注浆压力。较高的注浆压力能使一些微细孔隙张开，有助于提高可灌性。当孔隙被某些软弱材料充填时，较高的注浆压力能在充填物中造成劈裂灌浆，使软弱材料的密度、强度以及不透水性得到改善。此外，较高的注浆压力还有助于挤出浆液中的多余水分，使浆液结合提的强度得到提高。但是，一旦灌浆压力超过桩基的自重和摩阻力时，就有可能使桩上抬导致桩悬空（灌浆压力过高也会使注浆管爆破）。因此，这里有一个容许灌浆压力的问题。
容许灌浆压力与地层的密度、渗透性、初始应力、钻孔深度和位置以及灌浆次序等都有密切的关系，但这些因素是难以准确预知的，故通常只能