粉粘土夹砂地基混凝土灌注桩的施工工艺与质量控制要点

卜贵贤,蒿竹锋

(杨凌职业技术学院,陕西 杨凌712100)

0 前 言

旋挖成孔的施工方法是诸多成孔混凝土灌注桩施工中一个较为先进的方法[1],适应性好,施工效率高。旋挖成孔主要通过料斗提升出渣,孔内无需循环泥浆浮渣,所以泥浆用量大大降低,减少了泥浆处理的工作量,对环保工作也有重要意义。应用该方法成孔施工还具有低噪音、低振动、扭矩大、成孔速度快、桩底沉渣少、孔壁泥皮薄、而且钻头多次上下往返,使孔壁粗糙,增加了桩土之间的咬合,大大提高了桩的摩阻力,桩侧摩阻力发挥好等突出优点。再加上旋挖机设备易移动易控制定位的特点,旋挖钻孔灌注桩的施工效率是传统回旋钻成孔灌注桩的5～10倍。该施工法适用于填土、硬土、粉土、沙性土、沙卵砾石层、软中硬基岩等地层,在我国众多地区适合施工。旋挖机成孔方法是利用潜入地层里的筒式钻头切削土体,并将切削的土料压入钻斗容器内,然后由钻杆提升筒式钻头到地面卸料,如此循环完成成孔作业。在国外,旋挖钻机已有半个世纪的发展历程,而我国近年来才得以研发及生产,旋挖钻机成孔灌注桩的施工方法应用起步较晚,在应用技术方面还处在进一步探索时期,还缺乏在一些地质地层成桩的实例经验,但旋挖机械的制造与应用发展较快,近几年在灌注桩的施工中有了广泛的应用[2,3]。

在西荷花园高层住宅桩基施工中,应用旋挖钻机成孔混凝土灌注桩的施工方法,遵循施工工艺,进行质量因素分析[4～7],明确质量控制要点,据此进行严格控制,从而既保证了施工质量,又提高了施工效率。

1 工程概况

西荷花园位于西安市何家村,北临劳卫路,西靠太白北路,所处地貌单元为皂河二级阶地,地形基本平坦。12#住宅楼为一32层高层建筑,基础共设桩105根,有效桩长35.0m,桩径 Φ 600 mm,钢筋笼Φ 500 mm。桩身混凝土强度等级C35,钢筋笼保护层厚度50 mm,按设计,地基挖至-5 m位置后再做混凝土灌注桩。施工工期要求30 d。

12#楼地基土层基本为粉土中砂平层相间交互构成,至上而下依次为:①为Q4ml杂填土:褐黄色,土质松散,含少量砖瓦块、灰渣等建筑垃圾,厚5m;②为Q32eol黄土:褐黄色,土质均匀。具湿陷性,可塑状态,厚3 m。③为Q3lel古土壤:浅褐色～褐红色,土质较均匀,含较多钙质粉末,底部钙质结核富集。可塑状态,中压缩性,厚1 m;④Q3lal+pl粉质粘土:褐黄色,可塑状态,中压缩性,厚1 m;⑤Q3lal+pl中砂:青灰色,含少量砾石,中密～密实,饱和,厚5 m;⑥Q3lal+pl粉质粘土:褐黄色～灰黄色,土质较均匀,含较多钙质结核。可塑状态,中压缩性,厚5 m;⑦Q3lal+pl中砂:灰黄色,含少量砾石。密实,饱和,厚1 m;⑧Q3lal+pl粉质粘土:灰黄～褐黄色,土质较均匀,可塑状态,中压缩性,厚12 m;⑨Q3lal+pl中砂:灰黄色,含少量砾石。密实,饱和,厚2 m;⑩Q3lal+pl粉质粘土:灰黄～深灰色,土质较均匀,含钙质结核,可塑状态,中压缩性,厚2 m;○11 Q3lal+pl中砂:青灰色,含少量砾石,密实,饱和,厚 2 m;○12Q2al+pl粉质粘土:灰黄～褐黄色,土质较均匀,含钙质结核,可塑状态,中压缩性,厚12 m。

地下水埋深13.30 m。该区域地下水水位年升降幅度在1.5 m。地下水属潜水类型。

2 施工方法及工艺

2.1 施工方法

混凝土灌注桩根据成孔方法和浇筑方法的不同,通常有长螺旋钻孔灌注桩、潜水钻成孔桩、回旋钻成孔桩、挤压泥水灌注桩和旋挖灌注桩等类型,相应的成孔方法在粉粘土以及砂层地基中都有很好的适用性,在成孔与混凝土浇筑过程中采用泥浆护壁,混凝土浇筑一般采用导管法。

西荷花园12#楼地基为粉质粘土与中砂交互构成,且地下水位相对较高,粉粘土层在饱和状态下呈可塑性与中压缩性,地下水以上砂层渗透性强,处于地下水以下砂层达饱和时又会极易流动,为防止塌孔,该工程宜采用泥浆固壁成孔,导管法水下浇筑混凝土的方法,前述几种成孔方法虽均可适用。但是,由于该工程地基作业场地范围小,又处在市区,环境要求高,采用旋挖钻机钻孔,无需泥浆浮渣出孔,泥浆只起支护作用,泥浆用量极大减少,可减小浆池占地面积,同时钻屑中的泥浆含量相当少,污染源大大减少,改善了施工环境,对环境造成的污染减小。因此,从地质、环保要求、工期以及施工的经济性等方面综合考虑[2],该工程选用了两台SD10型旋挖钻成孔,采用泥浆固壁下导管浇筑混凝土的施工方法。

2.2 施工工艺

旋挖钻机灌注桩与其它钻孔灌注桩的施工工艺流程[8,9]相类似,单桩的施工流程是:施工准备→测定桩位→钻机就位→埋设护筒→钻孔(设泥浆池制备泥浆、泥浆循环清渣)→清孔→成孔验收→安放钢筋骨架→泥浆下灌筑混凝土→桩验收。其工艺要求是:

(1)施工准备主要是进行场地平整和硬化处理,场地平整硬化后,根据设计施工图所给桩位坐标,用全站仪准确定出桩孔中心位置,并加设十字护桩,以便钻孔过程中核对桩位;根据放样的桩孔中心位置,将钻机就位,调整钻机基座基本水平,钻杆处于垂直位置,保证钻头中心对准桩位中心;

(2)钻机就位后,将钻头中心对准桩位中心后可开始钻孔,钻2 m深后,用副卷扬机吊放护筒,主要利用钻头的挤压方法配合人工调整,使护简中心与桩位中心重合,经过检桩确认误差在允许范围内后,将护筒四周回填并夯实。护筒中心竖直线应与桩中心线重合,平面允许误差为5 cm,竖直线倾斜不大于1%。护筒高出地面30 cm。

(3)泥浆由水、膨润土和GSP泥浆护壁剂、纤维素等添加剂组成,视不同土层确定泥浆比重、稠度和用量来配制,造浆后,按设计要求测试泥浆性能指标,并在钻孔时检查泥浆比重。泥浆是在基坑一角砌筑的制浆池里配制,制浆池容量大小以满足一个桩孔的泥浆需要为宜,约为45 m3,钻孔时通过泥浆泵将泥浆从蓄浆池抽出注入桩孔,保持孔内压力,以防塌孔;开钻前,根据桩长计算出所需泥浆用量,准备足够数量的泥浆,保证钻孔工作的顺利进行。

(4)钻孔钻进开始时将泥浆输进桩孔中,钻进过程中要经常注意土层变化,每进尺2 m或在土层变化处应查看钻渣,判断土层地质情况,记入钻孔记录表,并与地质柱状图核对。钻孔过程中要保持孔内1.5m～2 m的水头高度,钻孔作业应分班连续进行,经常对钻孔泥浆进行检测和试验,泥浆如有损耗、漏失应及时补充。遇土层变化,可适当调整泥浆指标,特别是穿越砂层时,必需控制好泥浆比重和黏度,以防塌孔发生。钻进过程中经常观察钻机上的水平仪是否水平,如有倾斜或位移,及时调整。钻孔达到设计高程后,对成孔的孔位、孔深、孔形、孔径、垂直度等几何尺寸进行全面检查,确定满足设计要求后,进行下道工序。

(5)采用钻机清孔,在到离设计孔底标高20 cm～30 cm时须停钻10 min,待钻渣沉淀后再一次钻到孔底。清孔时保持孔内泥浆液面在地下水位以上1 m～1.5 m,以防塌孔。

(6)成孔验收主要是对深度孔径与斜度进行测试。

(7)钢筋骨架起吊就位安装是在钻孔完成,验孔合格后进行,制作时应保证各部尺寸及焊接符合规范要求,安装时谨防碰撞孔壁,避免塌孔卡笼事故。

(8)桩混凝土采用泥浆下导管法灌筑,这一环节应注意导管的提升节奏与时间,导管为Φ 250 mm～Φ 300 mm的钢管,导管使用前要做水密、承压和接头抗拉等试验,保证导管不漏水。导管内壁做到光滑、顺直、和无局部凹凸,各节导管内径大小一致,偏差不大于±2 mm。导管顶部应设漏斗、储料斗。储料斗储放灌筑首批混凝土必须的储量,保证导管的埋深不小于1m。

(9)成桩检测主要对混凝土桩承载力进行检测。

3 质量问题分析

在混凝土灌注桩施工中常常会因为孔位不准,钻孔偏斜,孔径缩小,孔壁坍塌,孔深不到位,混凝土内发生泥水夹层而断桩,钢筋笼变形和因固定不牢发生浮笼等问题[6,7,10],从而造成废桩,进而影响工期,使投资增加。所有的质量问题都潜在于各个工艺环节中,既有技术方面的,也有管理方面的[7]。

西河花园12#楼在试桩作业中,也发生了上述类似的一些质量问题。具体问题有:①钻至各砂层时都有不同程度的塌孔,其病因主要是饱和砂层无粘结胶结力,易流动,稳定性差,试桩时试用了黄土泥浆和静水压孔两种方法护壁,筒内水位不高,平衡地层侧压力强度低,固壁效果不好;钻头钻速过快,故出现塌方。②出现孔斜现象。主要是地面最初没有硬化,在钻进中由于机械的振动而发生地面不均匀下陷,机身歪斜所致。③在21 m深处Q3lal+pl粉质粘土层中出现了缩径现象。其病因是压水自成的泥浆性能欠佳,形成疏松、蜂窝状厚层泥皮;孔壁软土流变,提钻速度过快。④孔底沉渣过多,沉积厚度达8 m之余,其成因主要是采用的黄土成浆或水压自成泥浆,两者稳定性都较差,出现沉淀,护壁能力不足,发生孔壁坍塌,清孔未净。⑤出现卡笼,其成因是钻孔偏斜、沉渣与缩径等所致。

由上述问题分析可以看出,这些问题的成因是复杂的,有些是多因素叠合造成的,有些是单一因素引起的,相同问题却有可能出现于几个工艺环节中。针对出现的质量问题,进行质量成因分析,明确质量控制要点,经过严格控制工艺技术操作,加强工艺管理措施,在随后工程桩的施工中再没有发生质量问题。

4 施工质量控制要点

4.1 施工准备工作中的质量控制要点

在相对疏松的地基中,钻孔过程中会不会发生钻孔偏斜问题,关键要看钻杆是否调整铅直,钻机是否支实稳固[1]。钻机的稳固性主要取决于机位处的地基不发生任意沉陷。所以,防止钻孔偏斜的主要途径就是加强施工现场的管理,开钻前一定要支稳、调平钻机,并保证立轴的垂直度,同时,钻进过程中要随时观察、判断,不断校核钻杆垂直度,发生偏斜时应及时调整[11]。但要强调的是,对垂直度的简易测量不能完全反映桩孔的垂直度,况且处于施工进度的要求,每个桩孔不可能在钻进过程中用测斜仪频繁地来检测,因此,为保证钻孔不发生偏斜,在施工准备环节除应按照准备工作内容和要求做好相应工作之外,最为关键的是必须做好基面的平整与旋挖机位处的地面硬化。本工程在施工中,在场地开挖到设计标高-5 m的位置,即对基面进行抛毛翻松,然后在翻松土上撒灰经翻拌形成 3∶7灰土,再整平压实,这样就有效地避免了地面在钻孔过程中因震动等原因发生局部不均匀沉陷的问题。

4.2 泥浆制备的质量控制要点

泥浆在成孔与混凝土浇筑过程中起着固壁的关键作用,应具有较好的稳定性和粘性[1],对此,选择适宜的制浆材料和配制适宜的浆液浓度就成为这一环节的关键。对于该工程,由于地基中夹有砂层,地下水位较高,良好的泥浆性能指标尤为重要。在第一个试桩钻孔时,最先采用黄土配制浆液,由于土料含沙量偏大,在孔内易失水沉淀,又因人为原因,施工过程中发生了较长时间的停歇,在12 m～17 m处的砂层孔段出现了坍塌现象。随后又采用压水法,就是通过提高孔内的自由水位,试图以此增加孔内的水压以达到稳定孔壁的目的,但由于地下水位以上的砂层渗透性大,充入孔中的水很快就会渗漏掉,照样出现了塌壁问题,效果不很理想。之后改用膨润土配制泥浆,配制时在泥浆中还掺入约为膨润土量2.5%的GSP护壁剂,从而使泥浆失水率大为降低,稳定性良好。所配泥浆密度为1.02 g/cm3～1.1 g/cm3,砂率小于4%,粘度为20～36,泥皮厚度小于2 mm,pH值为7。因砂层与粉质粘土层的疏松程度不同,孔壁侧压力不同,所以,针对不同地层,采用不同性能指标的泥浆。粉质粘土层的泥浆浓度略低,浓度为4%～6%,粘度20～33,砂层的泥浆浓度略高,浓度7%～9%,粘度32～38。但该工程地层呈现粉质粘土与砂层交替叠加状态,且砂层厚度一般也不很大,在施工过程中,如果要频繁往返改变泥浆浓度就很费工费时,所以,当钻孔每到砂层部位时,可以按需求浓度计算好泥量,在孔内直接加入泥球,经过钻机转动直接将粘稠泥浆抹糊在砂层孔壁上。另外,当孔内有过大的渗漏时,可在泥浆里掺入1%(占膨润土量)的锯木屑。由于泥浆配制材料选用正确,浓度适宜,在随后整个施工过程中,未出现孔内泥浆沉淀、沉渣和孔壁坍塌问题。

4.3 钻孔的质量控制要点

钻孔环节的质量目标主要是保证钻孔的孔径、垂直度、孔深符合要求,并在钻孔过程中不出现坍塌和缩径等事故。本项目采用SD10型旋挖机成孔,保证成孔质量的关键就是对旋挖机的控制操作和钻进作业过程中的检查管理,具体在以下几个方面作重点控制:①孔内泥浆自由面应不低于护筒底部,以保证泥浆侧压力满足要求和孔口的稳定。②钻机安装就位后应调试使钻杆垂直度在1%内,并用铅垂线测试。③开钻初应严格控制钻速,一般为10 r/min,并应轻压低速慢进,使钻机受力均衡,避免因钻速过快失衡而发生钻头偏歪,确保开孔段钻孔的垂直度。④钻进中根据不同地层,随时调整钻压及钻速,禁止高速钻进,一般控制在30 r/min。⑤出现孔斜时,应及时纠偏,当偏斜位置在地下水位以上时可采用人工纠斜,发生在地下水位以下时可在孔斜段采用反复慢钻的方法或扩径纠斜的方法处理。⑥钻进过程中严格控制钻斗提升速度,以免因提升过快而冲击泥浆,导致泥浆冲刷孔壁和缩径,钻斗提升速度一般控制在0.7 m/s～0.8m/s。⑦改善钻斗护壁能力,在第一个试桩钻孔开始之初,出现料筒提升力偏大,同时伴随有缩径现象,经分析其主要原因是筒式钻斗无护壁作用,筒壁与孔壁几乎紧贴,提升时底部产生负压,从而发生吸钻,造成孔壁缩径,随后对筒壁做了适当改造,在筒壁上加焊曲面护壁钢板,沿筒壁表面对称布置,双曲面护壁钢板直径要小于孔径,以防止升降或钻头旋转时擦坏孔壁面,通过实践,其效果良好。⑧严格控制一次钻进深度,避免埋钻事故发生,在较厚砂层段一次钻进深为0.5 m。⑨初次灌入泥浆时,应垂直向桩孔中心灌入,避免泥浆沿着筒壁冲刷其底部而导致护筒底部土质发生疏松。⑩钻孔过程中可采用检孔器及时检查孔斜,检孔器为一与钢筋笼直径相同的钢筋骨架,长度5 m,大约是孔径的8倍,每钻进10 m检查一次,特别是当接近易缩径土层或在更换钻头前都要检孔[11],检查时,将检孔器用吊车吊起,然后垂直稳定地放入孔内,避免碰坏孔壁,发生坍塌而出现废桩。

4.4 钢筋制作与安装的质量控制要点

钢筋加工制作应严格控制各部位的尺寸,将误差控制在规范标准允许的范围内。为使钢筋笼形成整体骨架,避免吊运时散架,加工时应加强钢筋连接点的焊接,钢筋主筋两端应切齐取直,主筋头按规范要求相间错开,主筋与螺旋筋间点焊连接,加劲筋主筋采用搭接焊连接。钢筋笼挂吊部位辅筋要加固,以避免吊装时变形脱落。钢筋笼保护层厚度采用支承卡来保证,支承卡是用直径8 mm的圆钢筋沿钢筋笼外围焊制,纵向每4 m设置一组,相邻两组之间错开45°布置。

钢筋笼采用2点一索起吊,钢筋笼入孔时应缓慢,以免碰撞孔壁而引起坍塌,同时也可以避免因钻孔倾斜而受卡,钢筋笼入孔后,可用吊筋固定在孔口横梁上,将其压稳,以避免发生浮笼。

4.5 混凝土灌注的质量控制要点

混凝土浇筑采用泥浆护壁导管法,这一环节的关键就是掌握好导管的操作技术。灌注混凝土前应复测已成孔底标高和沉渣厚度,用旋挖机清孔并置换泥浆,使泥浆稠度满足浇筑混凝土的要求,其密度为1.02 g/cm3。导管采用Φ 30,每节管长2m,最低端管的导管长度应满足管口埋入混凝土的深度要求,同时保证最下一个管节连接点始终能露在混凝土面以上,不致影响导管的提升,其长度采用5 m。导管安装时应进行吊前试拼,检查接口是否严密牢固,防止在灌注混凝土时孔内水反渗进入管内而发生断桩事故。吊装时,导管应位于桩孔中央,在导管口上端连接混凝土进料漏斗,进料漏斗应有足够的容量,以满足孔内首次浇筑高度所需混凝土总量的要求,同时有足量混凝土在管内下滑到底部时能产生较大冲击力,以便达到清除孔底沉渣的目的,这里所说的混凝土总量是指混凝土排完管内泥浆并保证管口被埋入混凝土顶面以下1 m～1.5 m,避免孔内水倒流入导管内所需的量。导管口下放至离孔底300 mm～400 mm为宜,以利于混凝土能方便地排出管口,同时又能很快、充分地排挤孔底泥浆,掩埋管口,顶起泥浆,不出现夹泥现象。混凝土卸料时应缓缓倒入漏斗,避免因下料过快在导管内形成高压气塞而影响混凝土下滑扩散或导致断桩。浇筑混凝土要连续,有节奏地进行,混凝土每灌注一次就提升导管一次,每次在孔内混凝土灌注的高度与导管一次的提拔高度要保持一致,以避免管口埋置过浅而发生露头问题。混凝土浇筑过程中,因某些原因如有短时停歇时,要不断地起动导管,以保持混凝土的流动性。导管每提升一节后,在顶部就及时拆除,拆除时间力求要短,一般控制在15 min以内,以保证能在规定的时间完成全孔混凝土的浇筑。提升导管时应保持竖直、居中、缓慢,防止导管偏移造成管节连接点拉挂钢筋笼。

5 成桩效果

由于在各工艺环节中针对存在的问题进行了有效控制,在相应工序完成后,按验收规范标准进行了成孔质量检测。成孔质量测试采用的仪器设备主要有JJC-1A型孔径仪、JNC-1型沉渣测定仪、JJX-3A型井斜仪、深度记录仪(充电脉冲发生器)、电动绞车、孔口轮等组成。分别对成孔的孔深、孔径、孔斜及沉渣厚度进行了检测。检测结果:设计孔深介于35 m～35.10m,实测孔深介于 35.05 m～35.15 m,所有检测桩均大于设计要求孔深。实测局部最小孔径介于585 mm～610 mm,局部最大孔径介于624mm～633 mm,无最小孔径＜550 mm的桩孔。实测垂直度介于0.68%～0.97%,均小于1%。实测孔底沉渣厚度介于80 mm～100 mm,均小于100 mm。数据统计分析表明,桩孔成孔质量检测4项指标(孔深、孔径、孔斜、沉渣厚度)均能够达到规范要求。为成桩质量控制提供了必要条件。

桩基完工后对桩的完整性与桩的承载力分别进行了低应变动力与高应变动力检测。对工程桩中的40根桩进行了低应变动力测试,检测结果:其中:Ⅰ类桩38根,满足设计要求;Ⅱ类桩2根,满足设计要求。高应变动力检测本次工程中共对工程桩中的10根桩进行了高应变动力测试,检测结果:所检测的10根桩的单桩竖向极限承载力基本值均位于4 278 kN～4 342 kN之间,单桩竖向极限承载力平均值为4 360 kN,故根据本次高应变检测结果综合判定单桩极限承载力为4360kN。满足设计单桩承载力特征值4 000 kN的要求。

6 结 语

旋挖钻机施工混凝土灌注桩是在有砂地层最为优越的一种施工方法。做好地面整平硬化,采用膨润土并添加GSP泥浆护壁剂配制浓度适宜的泥浆,严格控制旋挖机转速与提升速度,孔口横梁固定钢筋笼,有节奏地控制导管浇筑混凝土等做法,是在粉粘土与砂交互相处的地层中,保证混凝土灌注桩质量的基础和有效途径,是含砂地基中进行混凝土灌注桩施工质量的控制要点,在施工中应予重视。

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