如何提高粘质泥岩的桩基成孔进尺和质量控制

肖　潜

摘要:文章从具体事例入手,对如何提高粘质泥岩的桩基成孔进尺和质量控制进行了探讨。

关键词:粘质泥岩;粉砂质泥岩;微风化泥岩

中图分类号:TU47 文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)20-0075-03

一、工程概况

某大桥位于南宁市邕江一桥下游约750m,主桥横跨邕江河,河面宽约400m。主桥桩基采用钻孔灌注桩,桩径2.4m,平均桩长为63.8m。地质情况带明显的盘地地质特点,第三系岩层属半成岩的极软质岩,岩性主要为粉砂岩,泥质粉砂岩,泥岩,粉砂质泥岩。土层1.5~47m为弱风化泥岩,47~78m为微风化泥岩,岩质强度高。桩基嵌入微风化岩深,因此在桩机选用时采用冲击型桩机,由于邕江汛期在6月份左右,项目部定出洪水前结构物露出水面的节点目标,桩基施工自2月中旬开工以来面临极大的进度压力。桩机施工过程中,进入弱风化后,进尺缓慢,基本在0.1m/h,为了加快进度,确保桩基质量,项目部成立了QC攻关小组。

二、问题分析过程

经初步分析,造成进度缓慢的主要原因是岩质坚硬,尤其是进入弱风化岩后,进尺相当缓慢,嵌岩深度过深,冲进过程中,岩渣未能充分反上泥浆池进行过滤清理,冲进中岩渣抵消了大部分的冲击力,影响进尺。为了解决好几个问题,首先要加大泥浆比重,让岩渣能充分循环到泥浆池、沟沉淀清理;同时定时采用反循环清干净孔内沉渣,并用探测锤测试孔底干净后才继续冲进。经过方法改进后的施工情况,虽然对进尺略有改善,但没有明显的改观,反上了的岩渣也比较少。其次,向设计院申请优化设计,缩短桩长,在设计院要求下,对几个主要墩位重新进行地质勘探,勘探结果显示岩层为粘质泥岩,干时强度高,遇水软化,软化后成高粘度的、可塑性强、强度低(约为干时1/3),不能作为支承桩持力层。

在重新钻探结果出来后,发现原来的分析是错误的,通过对勘探岩芯做了对比试验后发现,造成进尺缓慢的主要原因是泥岩粘性强,泥浆比重大,桩底形成高粘度糊状“泥潭”,桩锤在冲进中,锤击力度已大大削减,同时泥岩的粘性严重影响提锤的速度,甚至经常发生粘锤事故的原因。为了提高进尺,寻找最适合该类粘质泥岩冲进的各类指标,做了一系列对比试验。

根据冲进速度公式:Vc=0.13*Q*a*n*h/(d²*c)

式中:Q—冲锤锤重(Kg);

N—为冲击次数;

h—冲程(m);

d—孔径(m);

a—钻具下落加速度,由于有岩渣的影响,冲锤在孔内下落加速度其值不为重力加速度g,而小于g,岩渣越多,阻力越大,a越小。

根据上公式,Vc冲进速度可控制参数——规程参数为:冲锤锤重、冲次、冲程、以及冲锤加速度。为确定最佳的施工参数,做了以下对比试验:

1.不同锤重在其他指标基本相同的情况下的通过每4小时测量其进尺情况,由于受机械影响,最大锤重为6.5T,其他指标:泥浆比重1.35~1.4,含沙4%~5%,冲程4m,如下表:

2.同一泥浆指标下,同一桩机,不同冲程的对进尺的影响,冲程h越大,使时效增高,但冲击时间变长,又使时效降低,为了使试验简单化,只作了冲程与频率的对比试验(数据10次平均数):

3.不同泥浆比重,由于在桩底黏质“泥潭”产生影响,直接影响冲进加速度,对进尺造成很大的影响(由于黏性大,比重很难调的很稀,没有对更底比重做了试验,以下试验是在进入弱风化、微风化岩后取得):

同时还做了一些加速度的测试,通过a=2*h/t2以及其他一些测试,经过这些对比试验发现,传统的岩层施工的参数运用在黏质泥岩中产生不理想的结果,其他岩层由于岩质坚硬,需要较大的泥浆比重,才能较彻底地把孔底岩渣充分循环到泥浆池进行沉淀清理,同时通过捞渣时间间隔和次数可以增加清理孔底沉渣的效果,增大其冲击加速度,加快进尺。在黏质泥岩中,由于泥岩遇水软化,软化后岩体可塑性强,颗粒状岩渣少,增大泥浆比重,加大孔底的黏度,减少冲击加速度。在对比试验后,以最佳的参数指导冲进施工,锤重全部选用6T冲锤,冲程选在4~5m(均用尺量做记号),泥浆比重控制在1.2~1.3等,有效提高了进尺,加快了成孔速度,后面桩基施工平均在10~15天完成,很好地完成了节点计划。在此类地质施工中,可考虑选用钻机。

三、质量控制

本桥桩基设计均为摩擦桩,从摩擦桩设计原理看,其设计承载力为桩表面和周围土壤之间的摩擦力或依附力,逐渐把荷载从桩顶传递到周围的土体中。因此,对于摩擦桩的质量控制,首先,要保持桩身与土层紧密的接触,确保摩柱力。其次,要保证桩身砼的质量,桩身强度取决于钢筋笼的制作质量与砼质量。砼的缺陷往往是由于施工工艺不合理引起的,砼质量不仅与浇筑工艺有关,还与成孔工艺有很大关系。再次,控制沉渣量。因此,在桩基施工中必须做好每一道工序,才能确保桩基质量:

(一)施打钢护筒

采用震动锤振入,施工中,先对导桁架准确定位,在振入过程中,用两台全站仪全程跟踪、调整护筒的垂直度。钢护筒垂直度偏差大会引起桩基施工时卡锤。

(二)开钻

桩机准确就位后,开钻前,在护筒内多加一些黏土、片石,借助钻头的冲击把泥膏、石块挤向孔壁,以加固护筒角。当冲进至护筒脚时,适当减慢冲击速度,反复抛填黏土,以防漏浆,如发生护筒脚漏浆时,可抛填水泥,水泥凝固后有效地密封缝隙。为防止冲击振动使邻孔坍塌或影响邻孔已灌注砼的凝固,必须等邻孔砼灌注完毕并达到一定的强度后方可开始钻孔。

(三)成孔

属于常规施工,地质情况为黏质泥岩,基本没有孔壁塌陷及缩颈的危险,本工程在施工中,主要面临施工进度的影响,在经过对成孔中的各方面指标的调整后,有效加快冲进进尺。另外经常发生粘锤事故。

(四)清孔

采用气举反循环法清孔,有效缩短清孔效率,减少孔底沉渣。

(五)钢筋笼的制作与安装

制作钢筋笼时,对钢筋的调直、除锈、截断、弯折与焊接均按设计图纸和技术规范要求进行。钢筋笼的主筋尽量为整根,需要对接时,采用双面焊搭接,搭接的长度不小于5d,末端不设弯钩。成品钢筋笼保证其顺直、尺寸准确,其直径、主筋间距、箍筋间距及加强箍筋间距施工误差,均不大于20mm。安装中:

1.为保证钢筋笼外砼保护层的厚度符合设计要求,在其上下端及中间每隔2m在一横截面上设置四个钢筋“耳环”。

2.钢筋笼吊装之前,先对钻孔进行检测。检测使用的探孔器直径和钻孔直径相符,主要检测钻孔内有无坍塌和孔壁有无影响钢筋安装的障碍物,以确保钢筋笼的安装。

3.钢筋笼吊装时对准孔位,尽量竖直轻放、慢放,遇障碍物可慢起慢落和正反旋转使之下落,无效时,立即停止下落,查明原因后再安装。不允许高起猛落,强行下放,防止碰撞孔壁而引起坍塌。

4.入孔后牢固定位,容许偏差不大于5cm,并使钢筋笼处于悬吊状态。

(六)砼的质量控制

本工程采用商品砼,通过加入缓凝剂后初凝时间大于10小时,塌落度控制在180~200mm,灌注采用两台地泵同时进行。砼施工是桩基的质量控制中最关键的一步,主要控制好以下几点:

1.首批砼灌注。砼灌注量与泥浆至砼面高度、砼面至孔底高度、泥浆的密度、导管内径及桩孔直径有关。孔径越大,首批灌注的砼量越多,由于砼量大,搅拌时间长,因此可能出现离析现象,首批砼在下落过程中,由于和易性变差,受的阻力变大,常出现导管中堵满砼,甚至漏斗内还有部分砼,此时应加大设备的起重能力,以便迅速向漏斗加砼,然后再稍拉导管,若起重能力不足,则应用卷扬机拉紧漏斗晃动,这样能使砼顺利下滑至孔底,下灌后,继续向漏斗加入砼,进行后续灌注。

2.后续砼灌注。砼灌注工作开始后,必须连续不断地进行并且每斗砼灌注间隔时间尽量缩短,拆除导管所耗时间严格控制,一般不超过15min,不能中途停工;在灌注砼过程中,随时探测砼高度,及时拆除或提升导管,注意保持适当的埋深,导管埋深一般保持在2～4m,最大埋深不大于6m。注砼注意的几个问题:

(1)导管下端距桩底控制为0.3～0.4m;在一切工作就绪,经量测孔底沉淀层超标时,采用射水(射风)管冲射3～5min。

(2)导管埋入砼的深度在任何时候不小于1.0m。

(3)水下灌注砼的实际桩顶标高应高出桩顶设计标高0.5m左右。

(4)严禁导管漏水或导管底口进水(即封不住底)而造成断桩事故,保证施工质量。

(5)当砼灌注完毕后,待桩上部砼开始初凝,解除对钢筋笼固定措施,保证钢筋笼随着砼的收缩而收缩,避免黏结力的损失。

3.后期砼的灌注。在砼灌注后期,由于孔内压力较小,往往上部砼不如下部密实,这时应稍提漏斗增大落差,以提高其密实度。

4.灌注中意外情况的处理

(1)后续砼灌注中,当出现非连续性灌注时,漏斗中的砼下落后,应当牵动导管,并观察孔口返浆情况,直至孔口不再返浆,再向漏斗中加入砼,牵动导管的作用如下。

1)有利于后续砼的顺利下落,否则砼在导管中存留时间稍长,其流动性能变差,与导管间摩擦阻力随之增强,造成水泥浆缓缓流坠,而骨料都滞留在导管中,使砼与管壁摩擦阻力增强,灌注砼下落困难,导致断桩,同时,由于粗骨料间有大量空隙,后续砼加入后形成的高压气囊,会挤破管节间的密封胶垫而导致漏水,有时还会形成蜂窝状砼,严重影响成桩质量。

2)牵动导管增强砼向周边扩散,加强桩身与周边地层的有效结合,增大桩体摩擦阻力,同时加大砼与钢筋笼的结合力,从而提高桩基承载力。

(2)剪球时卡管。在灌注水下混凝土时,经常会产生剪球时卡管的情况,出现这种情况的原因有两个。

1)剪球制作不合理。塞球直径与导管直径差别太小,剪球前由于砂浆或细石料渗入导管与球壁之间造成堵塞。如果是这种情况,在不浪费混凝土方量的前提下,应急处理办法有两个:用一定长度(一般比漏斗长2m左右)直径为20～25mm的钢筋捅塞球,使混凝土下落;利用机械振动使混凝土下落,这种方法要求操作技术娴熟,以保证混凝土下落时导管回落到正常埋管的位置。

2)混凝土不合格。如果开盘后的混凝土坍落度过小或拌和不均匀,加上累积混凝土过程中粗骨料下沉,可能导致漏斗口处粗骨料相互挤压密实而堵塞漏斗口,导致剪球后混凝土难以下落。

补救的办法同上,同时必须注意:第一斗混凝土坍落度一般以控制在水下混凝土坍落度规范要求的高限为宜,为确保剪球顺利,可适当控制石料用量,等剪球完成后再按正常配合比进行拌和。如果采取措施后混凝土仍不下落,时间又长,只能放弃这斗混凝土,适当清孔或用空压机对孔底进行扰动后重新灌注混凝土。

(3)灌注中途卡管。因机械故障(如断电)使混凝土在导管内停留时间过长,或者灌注时间过长,部分混凝土已经初凝使下落阻力增大而堵在导管内。这种事故应以预防为主。灌注前应全面检修设备。尽可能使灌注连续快速,在灌注初期混凝土中掺入适量缓和剂,以避免混凝土过早初凝。如果已灌注混凝土厚度3m以内出现卡管又无法补救到继续灌注时,建议停止浇筑,拔出导管,采用吸泥机吸出混凝土,并重新清孔再灌注,或者提起钢筋笼,重下钻头,加大泥浆浓度钻至设计标高并排出已灌混凝土,再按常规办法清孔,重新灌注,以小的损失换取高质量工程。如果已灌注混凝土厚度较大,重钻清孔不太可能,只能采取更换导管重新灌注的办法,但如何保证更换导管后不断桩值得研究。

(4)埋管。浇注过程中导管无法拔出有两种可能:

1)钢筋笼制作质量差,部分钢筋脱离主筋后插入导管吊环内(这种情况一般会浮笼)。这时应正反转动导管,使导管与钢筋笼分离并居钻孔中心,再继续浇筑。

2)导管埋深过大或混凝土初凝使导管内外摩擦力增大,水下混凝土灌注应严格控制埋管深度,不得大于6m,且不小于1m。为防止混凝土初凝,除适当加缓凝剂外还应振动导管。

一旦埋管发生,应先查明究竟是何种原因,尽可能增大拔力拔起导管(但要防止拔漏导管),拔起过程中应正反摇动导管,使其易于拔起。

(5)浮笼。浮笼事故在灌注水下混凝土过程中并不鲜见,对于只下半笼(即钢筋笼长度小于成孔深度)的钻孔桩更是有可能发生。产生这种现象的原因与混凝土的顶推力有关,但预防不力是一个因素,所以下笼时应采取相对固定措施,尽可能多焊几条主筋在钻机底座上,增大固结力。

在灌注过程中混凝土何时接近或进入钢筋笼应做到心中有数。在混凝土面接近和进入钢筋笼时,应保持许可范围之内的较深埋管,并连续灌入混凝土尽可能减少混凝土从导管底口出来后对钢筋笼的冲击力;当混凝土面进入钢筋笼一定深度后,适当提升导管,以增加钢筋笼的埋深,使得混凝土与钢筋笼的握裹力保证钢筋笼不至上浮。

如果出现浮笼,应尽快处理,扼制继续上浮,最好用多根直径6cm左右钢管套住钢筋笼主筋再焊在护筒上,并用钢筋或方木成网状压住所焊钢管及护筒,这样,还能保证钢筋笼上浮时不至过分偏位。

四、结语

该大桥主桥桩基施工中,面临巨大的进度压力,通过成立QC攻关小组对粘性泥岩的桩基施工指标的试验,寻找最佳的成孔指标,有效加快成孔施工进度,同时,加强质量的控制。经过小组成员的共同努力,很好地指导桩基施工,使施工在制定工期内完工,为洪水前结构物露出水面打下坚实的基础。桩基全部采用超声波检测,其中两根桩增加大应变检测,检测结果全部为Ⅰ类桩。

作者简介:肖潜(1981- ),男,中交四航局第一工程有限公司助理工程师,研究方向:施工管理。