气举反循环清孔技术在大桥深桩基础中的应用

高新学,周宪伟

(1.山东省交通工程监理咨询公司;2.黑龙江工程学院)

1 工程简介

国道 205线滨州黄河公路大桥是一座三塔斜拉索特大桥。主桥采用双柱式索塔,桥面以上不设横梁,桥式结构为42m+42m+300m+300m+42m+42m,中塔高140.25m,南、北边塔高 90.778m。计算行车速度为120km/h。主桥范围全桥宽 32.8m,其中桥面净宽 2× 11.75m,中央分隔带宽 3m,两侧防撞护栏 2×0.5m,其余为拉索锚固区,主梁采用双边箱预应力混凝土主梁,采取落地支架现浇与前支点挂蓝,悬臂浇筑施工。其中边跨现浇,中跨悬浇,主梁在中塔处与横梁团结,边塔处半飘浮支承。

本工程主塔地下桩设计桩长115m,桩径 1.50m,中距4.0m。地下桩布置为 5×5布置,双塔共计 50棵地下桩,在设计文件中,明确要求孔底沉淀厚度设计不小于 15cm,比现行规范要求高许多。本工程地质条件复杂,主要穿越地层为分砂层、亚砂层、粘土层,其间交替夹杂有胶结砾岩薄层,因此,清孔质量是成孔质量控制的难点和重点。

2 二次清孔的必要性

钻孔灌注桩因孔底沉渣过厚往往会导致承载力折减,并且根据以往工程对地下桩超声波检测结果分析,在桩基混凝土灌注正常情况下,有时会出现桩基混凝土边缘部位有缺陷的情况,多数是混凝土内局部有夹块造成的。经分析认为:夹块由两部分组成,即泥浆中的砂砾沉淀物以及钢筋笼下放过程从井壁上刮落的粘泥块过厚,在灌注桩时,沉淀物随着混凝土上升,因有钢筋笼或井壁阻隔,使沉淀物停滞在局部范围内,并最终造成成桩中局部缺陷。

本工程钻孔灌注桩设计文件中,明确要求沉渣厚度小于15cm,比现行规范要求高许多,且工程地质条件复杂。从提钻到灌注混凝土,对于百米深桩来说通常需要 12h以上,在这个过程中,因为泥浆静置时间过长,会产生一部分的沉淀,钢筋笼下放过程中也会从井壁上挂落部分泥块,这些就构成沉渣,经常超过设计要求,如果不采取二次清孔措施就灌注,容易引发各种质量事故。因此,在灌注前进行二次清孔就尤其重要。

3 传统二次清孔技术的弊端

正循环清孔(以往工程):泥浆带动沉淀物上浮,在重力作用下泥浆中砂砾等沉淀物有下沉的趋势,如果泥浆泵流量偏小,将出现大颗粒砂砾悬浮在一定高度以下;另外因为井壁处泥浆比井中心部位流速慢,造成泥浆含砂率不均匀,最终不能将泥浆中砂砾完全置换到井外去,因此本工程不采用这种方法。

反循环清孔(以往工程):真空泵与导管相连,启动真空泵后,在钻杆或导管形成一个负压区,泥浆和沉淀物等自孔底沿着导管排到孔外,但由于本工程的钻孔桩的实际深度达115m,离心泵的泵压较小,不能满足本工程的需要。

表1 钻孔用泥浆泵的主要性能

灌筑混凝土时可以发现:孔内底部的泥浆比重及含砂率指标均大于上部,并且在灌筑后期,井口泥浆常伴有粘泥块流出,粘泥块是由混凝土上翻过程中沉淀太多,沉淀物裹入混凝土内形成的。所以地下桩超声波检测,发现边缘部位局部有缺陷就不足为奇。

4 气举反循环二次清孔技术

为克服以上弊端,我们在本工程中采用正循环钻进,正循环清孔和二次反循环清孔技术,成功的把沉渣厚度控制在设计值以内,保证了钻孔灌注桩的施工质量。

4.1 气举反循环二次清孔工作原理

安装完成气举反循环设备后,启动空压机送风,在出浆管内形成负压区,孔底泥浆及沉淀物的混合物沿着导管上升,补充到风管内负压区,并排到孔外。

4.2 制作气举反循环设备

钢筋笼及导管下放安装完毕后,安装气举反循环设备,出浆软管接泥浆泵,检查密封性合格后,启动泥浆泵,利用正循环工艺清孔 0.5h,将孔底沉淀物浮起。

检查泥浆各项指标,清孔由正循环工艺转换到气举反循环工艺上,启动大功率空压机(9m3/min)向风管内送风,风管内的空气与泥浆混合物密度(约为 0.6)小于导管内泥浆密度(1.1),形成负压区,结果:孔底泥浆及沉淀物的混合物沿着导管上升,补充到风管内负压区;为防止孔中泥浆水头过小,及时用泥浆泵将优质泥浆(含砂率低)补充到孔内,并形成循环系统。

4.3 施工注意事项

(1)开始工作时,应先向孔内补充优质泥浆或水。

(2)需要一台 9m3/h空压机,风压(MPa)可按公式H/10+0.05计算,H为风管口入水深度(m)。通过计算以及考虑到风管接头密实性等因素,需要0.6～0.8MPa风压。

(3)在气孔初期,可适当加大送风量(因送风量大,则浆渣上升速度也大,沉淀物易被吸上),并转动导管,改变导管在孔底位置。

(4)泥浆流量计算

式中:q为泥浆流量,m3/h;q1为每小时净土量,按理论状态的体积计,m3/h;γ1为土在理论状态下的比重;γ0为土颗粒的比重,γ0取 2.6;W为每立方土变为泥浆所需水量,m3。

(5)清孔时间一般控制在 0.5～1h,根据情况确定。

(6)清孔结束后,应先停送风,后停补充的泥浆,并测量孔底标高,拆除清孔设备,应立即准备灌注水下混凝土。

5 结 论

(1)清孔彻底,初期管口流出的泥浆含砂率及比重明显较高;后期经取样检测,孔内泥浆上、中、下部位泥浆指标基本一致,含砂率小于 1%,沉淀厚度比气举反循环二次清孔前减少约20～50cm,完全控制在15cm内。

(2)缩短了二次清孔时间,与正循环相比,工效提高 3倍以上。气举反循环二次清孔一般 1h内即可完成,经过气举反循环二次清孔后,沉淀厚度远远小于设计要求。

(3)转换迅速,可在 10min之内由清孔状态转换到混凝土灌注状态。

(4)施工成本增加不高,只需添加空压机组即可完成。

在混凝土灌注过程中,在井口没有发现淤泥及粘泥块等现象,最后声测管超声波检查质量完全合格。实践证明,气举反循环施工技术在滨州黄河大桥工程的运用是成功的,值得在类似深桩工程中推广。

[1] 杨荣全,高永青.滨州黄河大桥主桥施工组织设计.

[2] 公路桥涵施工技术规范(JTJ041-2000).

[3] 王文豪 .气举反循环清孔工艺及工程体会.第三届浙江省岩土力学与工程学术讨论会,1997.

[4] 余志文.钻孔灌注桩气举反循环二次清渣工艺 .地质工程, 2004.

[5] 贾兆兵,解玉洋.气举反循环二次清孔技术在百米深桩施工中的应用.交通科技,2007.

[6] 喻荣华.气举反循环清孔在大口径钻孔灌注桩的应用.西部探矿工程,2005.