试议水利工程中灌注桩施工工艺

张晓明

目前，水下混凝土的施工方法分为两大类：一是在水上拌制混凝土拌合物，进行水下灌注，如导管法、泵压法、柔性管法、倾注法、箱袋法、铺石灌浆法、开底容器法和装袋叠置法；二是在水上拌制胶凝材料，进行水下预填骨料的压力灌浆，包括加压灌注和自流灌注。由于施工方法多样化和不断发展进步，水下不但能灌注一般的水泥混凝土，还能灌注纤维混凝土、沥青混凝土、树脂混凝土等。水下混凝土的施工方法越来越多，工程规模越来越大，应用范围越来越广，是一种极有发展前途的混凝土施工技术。

一、灌注桩的成孔

1.1 成孔设备和钻具的要求与选择灌注桩成孔设备多为转盘钻机

钻进时，钻头的摆动较大，扩孔情况严重，不利于施工。为了消除这一不良影响，保持钻孔的垂直度，应采取相应的技术措施，约束钻具的摆动。结合灌注桩造孔钻进的钻头与小口径钻进的钻头在底刃、侧刃刻取地层的机理：小口径钻进时，钻头的侧刃对刻取岩石起到非常重要的作用；而灌注桩钻进的地层较软，相比之下，侧刃的作用就小得多。因此，建议在灌注桩孔钻进时设计相适应的钻头以减小钻孔的扩孔率。

1.2 钻进参数的选择

1.2.1 钻进泵量

灌注桩孔钻进时需要较大的泵量以排出粘土粉，其泵量计算公式为：Q=FV60式中，Q——冲洗液量（m3/min）；F——环状间隙面积（m2）；V——冲洗液上返返速度（m/s）。以灌注桩钻进设计孔径为500mm、钻杆直径为89mm、环状面积以0.2m2计算，在采用泥浆泵的最大泵量600L/min时，其泵量使得粘土粉上返的速度是非常缓慢的，远小于小口钻探的泥浆的上返速度0.3m/s。

1.2.2 钻进转速

由于灌注桩孔的钻进多为粘土层的钻进，粘土层的强度与硬度等力学参数较小，钻具易刻取粘土，所以为了保持钻进稳定，减小钻进的扩孔率，必须采用较小的转速钻进。

二、灌注混凝土的配制

2.1 混凝土减水剂的应用

根据目前的资源情况和外加剂性能的特点，在灌注桩混凝土的配制中使用的减水剂多为MF复合剂。其能使混凝土在满足性能的基础上，还具有高流态、较高抗冻的特点。

2.2 灌注桩混凝土的配制

灌注桩混凝土的配制与建筑混凝土相比具有特殊性，其必须具有较高的流动性，同时还应考虑受到泥浆的侵蚀作用而影响混凝土的性能。因此，在配制时建议采取以下技术措施。

2.2.1 加大设计配合比

混凝土配制强度Rp采用大于设计标号R的50%的配合比。不仅总平均值要满足设计标号，还应满足95%的强度保证率。强度离差系数Cv 取0.2，查配制强度与设计标号之比的关系曲线可得Rp/R=1.5，即Rp=1.5R。当R=200MPa，则Rp=1.5×200=300MPa。

2.2.2 选择适合的材质

（1）添加改善混凝土性能的处理剂。例如，添加具有表面活性剂化学性质的MF 高效减水剂改善混凝土的性能。

（2）增加含砂率。砂率对混凝土流动及粘聚性有较大影响。一般参数为：比重为2.60，细度模数为2.89，吸水率为2%，含砂率为50%。

（3）加大混凝土的水泥含量。按建筑用混凝土配比最小水泥含量的二倍进行配制：即225×2=450（kg/m3）。

2.2.3 确定适合的水灰比

水灰比满足以下方程：Rp=aRc（C/W-b）式中，Rp——混凝土试配制强度为300MPa；a、b——试验系数，分别为0.5、0.58；

Rc——水泥标号，取425水泥；C/W——灰水比。计算可得，C/W=1.99。

2.2.4 确定高流态的用水量

根据实践经验，坍落度控制在19.3cm至21cm 能满足灌注桩要求，本次取坍落度为19.3cm。Gv=10/3（S+K）式中，Gv——混凝土用水量（kg/m3）；S——坍落度；K——试验常数。当碎石粒径为30mm，K=50.75时，用水量为234kg/m3。

三、灌注桩的灌注

3.1 灌注桩孔的清孔

首先利用捞沙卵石的钻头将桩孔内的沙卵石捞出，然后泥浆循环清除孔内的粘土。并且减小孔内泥浆的比重，从而保证在灌注混凝土时，混凝土能顺利地进入孔底，挤压出泥浆。清孔后的泥浆比重一般为1.14。

3.2 混凝土的灌注

灌注之前应进行试灌。在灌注过程中，混凝土将受到泥浆挤压的反作用、导管与混凝土的摩擦阻力，此时混凝土必须以大大超过泥浆的反作用压力才能将孔内的泥浆挤压出孔口。在灌注过程中，导管提升速度要慢，使得混凝土有足够的时间克服摩擦阻力下降。同时使泥浆具有排出的通道，否则，桩基的泥浆的作用下将会出现缩径、夹泥的现象。提升导管时，导管内保留的混凝土要有绝对的压力与泥浆的压力抗衡，以防止泥浆进入导管内。一般导管内的混凝土柱保持在3m至4m长之间。

四、成孔过程中易遇到的問题

4.1 缩径

4.1.1 缩径产生的原因

在钻进过程中，地应力沿较软岩层释放，因而造成缩径。在钻进过程中，钻进压力大，钻速过快，使得钻头很快穿过淤泥、淤泥质土层。当钻速过快时，淤泥便从钻孔周围流向钻孔内，导致其侧压力与孔内泥浆力达成平衡，发生缩径甚至卡钻。

4.1.2 缩径的防治

较为有效地防治缩径的方法有：①实行严格的管理，钻机由有经验的机长专职操作，其它人员不得随意操作；②在钻到淤泥或淤泥质土层时，投入粘土泥膏，使钻机钻进压力减为零；③钻速减慢让钻机在无油压状态空转。为确保钻孔无缩径现象，在成孔完毕后应在易出现缩径现象的地层中扫孔一到二次。

4.2 坍孔

4.2.1 坍孔产生的原因分析

坍孔产生的原因是多方面的，主要包括：遭遇预先未料到的复杂地质情况，以及施工中泥浆稠度过低，释放量远大于泥浆对孔壁的压力等。

4.2.2 处理办法

为了防治复杂地层情况带来的坍孔问题，首先应认真审阅该工程地质勘察报告，对地层情况做到心中有数。若报告中未提及此类异常情况而导致施工过程中坍孔的话，则应分别对待。

（1）在成孔过程中坍孔，其补救措施有二个：一是避开该桩位；二是回填原桩位，待密实后再钻进。

（2）在灌注过程中坍孔，其补救措施为：一是回填原桩孔，并在原桩附近补加梅花桩或扁担桩，合格即可。二是若工程质量要求高，不允许采用上述常规方法时，可用硬片石等将原孔全部回填，待其密实后，用冲击钻再重新钻进即可。防止泥浆稠度过低而造成的坍孔问题，只须加大泥浆比重到适当程度即可。一般泥浆性能指标取为：粘度为18s～22s，含沙量≤4%，胶体率≥90，比重为1.1 左右。