水下混凝土灌注桩空桩段泥浆固化处理技术

2022-03-17 03:31胡联锐
山西建筑 2022年6期
关键词:灰浆孔内压浆

胡联锐

(中南勘察基础工程有限公司,湖北 武汉 430040)

1 概述

自凝灰浆、固化灰浆技术是在塑性混凝土墙的基础上发展起来的,多用于水利工程防渗墙施工,特别是在临时围堰防渗施工中,以其实施性强、经济性高、可靠性强、环保、施工便捷,在水利工程中应用极其广泛[1]。

在水利工程防渗墙施工中,根据项目实际状况,先进行防渗墙槽段划分,再进行布孔,采用成孔设备造孔,成孔后对孔内泥浆进行置换,并清除孔内残渣及泥皮,先向孔内吹气,再向孔内投固化料,同时气动搅拌,形成防渗墙。该技术对孔内泥浆固化所形成的防渗墙体的强度可达到0.5 MPa 以上,其固化体渗透系数可达到10-5cm/s ~10-7cm/s。

自凝灰浆和固化灰浆都是以护壁泥浆为基本浆材,在泥浆中加入水泥等固化材料后凝固而成防渗墙墙体。所不同的是,自凝灰浆在制浆时就加入了固化材料和缓凝剂,在造孔挖槽时起护壁作用,在造孔结束后的一定时间内自行凝固成墙; 而固化灰浆是在单槽造孔结束后才在护壁泥浆中加入固化材料[2]。为了不影响造孔,对自凝灰浆的稠度有所限制,因此其密度和强度也相对较小。自凝灰浆和固化灰浆均具有水泥土的性质。

2 工程概况

武汉某边坡加固工程的支护桩采用水下混凝土灌注桩,设计采用直径1 000 mm 后压浆钻孔灌注桩,设计桩顶标高-20.000 m ~-27.500 m,成孔深度65 m ~70 m,采用大动力旋挖钻机施工。为确保钻机施工及行走安全,对场区地表铺设30 cm 厚的混凝土进行硬化。地面硬化后,空桩段深度约为19 m ~27 m,扣除2 m ~3 m 的混凝土超灌高度后,实际空桩段长度仍达17 m ~25 m。

桩位平面图中,设计基桩中心距离为3.0 m,理论净间距仅2. 0 m。单根工程桩成桩后,桩位孔内仍有17 m ~25 m 深的残余泥浆,泥浆在较长时间静滞后,逐步渗透至周围土体,使土体软化,进而造成孔壁坍塌,随着坍塌范围的扩大,影响相邻未施工的桩成孔;如相邻桩已施工,则导致相邻孔位处形成串通,混凝土路面下出现空洞而形成裂缝,严重影响旋挖钻机施工及行走安全[3]。

在混凝土路面出现裂缝后,项目现场即停止在该部位的施工,对出现坍塌的孔位采取回填黏性土和细砂,但由于空孔段较深、成桩后孔内残余泥浆较浓,黏性土和砂回填后不能下沉至17 m ~25 m 深的孔底,加上孔内有后压浆注浆管、声波透射管、钻芯取样管、地热管及桩身检测等数据导线,用桩基施工完后的渣土或杂填土回填不能满足施工要求,必须进行固化处理[4]。

3 回填处理方案比选

3.1 空桩段地层土质较差

在空桩段影响深度范围内,自上而下分布有素填土、软塑~可塑黏性土、3 m ~9 m 厚软塑~可塑淤泥质黏土和粉质黏土、粉砂、粉砂互层土,且成桩后孔内有残余泥浆,旋挖钻机在施工及行走过程中使土体产生变形和沉降,造成孔壁失稳,进而引发地表塌陷; 此外由于孔壁坍塌,易将后压浆注浆管、声波透射检测管折断,影响后压浆施工和桩基检测。

3.2 空桩泥浆加固方案比选

根据以上情况,项目本着安全、经济、可行的原则,结合现场实际作业情况,寻求解决方案,并从处理方案的可行性、经济性、施工便捷性等方面综合考虑对比,能迅速有效地解决空桩段的塌孔问题[5-6]。

泥浆处理方案应考虑以下因素:

1) 处理措施及时有效,能有效防范现场安全风险,能防止坍孔。

2) 处理措施不能影响现场桩基施工。

3) 处理方案不能对空桩孔内的后压浆注浆管、声波透射管及其他检测元件、地缘热泵管等造成破坏。

4) 处理后的泥浆不能影响后续基坑开挖,不增加后期处理难度,不增加较大的处理代价。

根据以上要求,现场对几种方案进行了比选。

方案一:黏性土、黄砂回填方案。

该方案其优势较为明显,可就地、就近取材,造价成本较低,施工操作简单便捷。但该方案的劣势极为明显,其一,由于孔内有残余泥浆,经一段时间沉淀后,桩位孔底部泥浆密度较大,黏性土在泥浆浮力作用下,不能完全回填到孔底,导致回填不密实。如需回填密实,需把泥浆抽除出场外,但由于泥浆较浓,且深度较大,实施困难,且在抽排泥浆过程中,易引发再次坍孔风险,进而引发次生灾害; 其二,回填时,极易对压浆管、声测管等造成损坏。

方案二:注水泥浆固化。

该方案是套用灌注桩后压浆的方法。其优势是:1) 固化效果明显;2) 操作简单便捷,对桩基施工影响较小;3) 费用相对较低。

但其劣势也较为明显:

1) 固化后泥浆与水泥浆混合固化物抗压强度较高,影响后续地缘热泵管、检测数据线的剥离,且检测数据线的成活率不高;2) 影响后续土方开挖;3) 溢出的泥浆需外排,增加成本且不环保;4) 后续剥离地热管、检测数据线的人工成本高、时间长。

方案三:采用C10 混凝土对孔内泥浆充填置换。

该方案优势明显:简单易操作,固化效果直接、迅速、明显。

其劣势与方案二类似,且成本更高,影响现场桩基施工。

方案四:自凝固化灰浆。

该方案的优势是施工操作简单、便捷,固化较为迅速,无需外排泥浆,施工环保,成本相对较低,泥浆固化后的固化物强度不高,类似于水泥土搅拌桩,不会对地热管、数据线等造成破坏,对后续施工产生的影响较小。

但该方案也有劣势:对桩基施工同步交叉进行,相互之间有一定影响。

综合以上方案对比,采用固化灰浆方式方案从技术、经济、安全等方面均优于其他方案,能满足施工要求。

4 工艺流程及操作要求

4.1 工艺原理

固化灰浆施工工艺源自防渗墙施工技术,是膨润土或黏性土、水泥、砂、粉煤灰、水玻璃等材料通过一定配比混合而成,混合方式采用气动搅拌或机械搅拌方式。

泥浆中掺入固化料后,即开始产生水化反应,但其与纯水泥浆所产生的水化反应慢。水化过程中,水泥各成分开始水化,水泥与膨润土、孔内黏性土颗粒周围有凝胶体,随着时间的延长,胶凝态水化物与小颗状水化物也增加,并充填于固化结合体中的孔隙中,形成固化灰浆的骨架结构,从而达到固化孔内泥浆的目的。

4.2 影响固化物效果的主要因素

根据自凝固化灰浆的工艺原理,项目现场进行了配合比设计,并反复试验,通过室内试验,最终确定了固化掺量配合比及施工工艺参数。

室内试验结果表明,桩位孔内泥浆的浓度、水泥用量、水玻璃的掺量和搅拌时间对固化效果都有较大关系,且不同的掺量,对固化物的强度也产生直接影响。

按配合比向空孔内投入水泥、砂,并注入水玻璃等,同时通过插入孔底的空压机风管吹动孔内泥浆翻滚,以起到气动搅拌的作用。孔内灰浆在搅拌后3 h ~5 h 内达到固化的效果,进而对周边土体起到稳固的作用,防止塌孔现象的发生[7]。

4.3 工艺流程

工艺流程见图1。

图1 工艺流程

4.4 施工工艺

4.4.1施工准备1) 技术准备。

在进行固化灰浆处理前进行了室内配合比试验,确定固化灰浆各类材料用量参数。水泥宜采用早期强度较高的P.O42.5 级硅酸盐水泥。

2) 生产准备。

a. 施工机具: 空压机、风管、电动提升支架等。风管管径宜不少于25 mm,底部加装长度为0.5 m 的水平“工”字形钢管,“工”字形钢管侧壁应预留气孔。

b.材料准备:水玻璃、中粗砂、水泥等。

4.4.2施工工艺过程

1) 在工程桩身混凝土浇筑完毕之后即可进行。

2) 测量孔内泥浆深度,据此计算泥浆量。根据泥浆计算方量,计算出所需各类固化料的理论用量。

3) 先在桩位孔上方安装气动风管工作支架,再将风管安放至孔底,开启空压机,向桩位孔内吹气,空压机的风压不应小于孔底最大泥浆柱压力的1.5 倍。

4) 气动搅拌30 min 后,向孔内加入设计用量2/3 水玻璃,再将预拌后水泥、砂投入孔内,并保持吹气。

5) 加料结束后,再加入剩余1/3 的水玻璃,再继续用风搅拌30 min,灰浆固化施工完毕,作业完成,进行下一孔位施工。

5 施工注意事项

5.1 风管安放

1) 支护桩混凝土浇筑完成后,由于孔内泥浆密度较大,风管可能安放不到位,此时可加适量配重,确保风管底部下沉至孔底。

2) 风管底端为“工”字形,为确保底管不受孔内压浆、声波透射管、钻芯取样管等影响,可适当调整底管的大小,或调整为“十”字形或“丁”字形。

3) 送风深度:风管采用人工投放,沿孔壁边而下,易受压浆管、声测管等因素限制,大部分不能放置于孔底,造成干料未搅拌均匀即沉至风管下方。可采用吊具,将风管置于孔口中心点,并上下活动,直至孔底。

5.2 材料用量控制

由于各桩位桩顶设计标高不一、桩身混凝土超灌高度不一,在投料前应测量空孔深度,并计算材料用量。

材料用量控制,首先是保证泥浆固化效果,同时也是为了确保泥浆固化后固化物强度不超过预期设计值,防止影响后续施工。

5.3 风管清洗

气动搅拌过程中,应观察送风压力及孔内拌合物翻滚状况,防止气管堵塞。一旦堵塞,应及时将风管提出孔内进行清洗; 每施工完一根桩,应对风管进行清洗,确保气动搅拌效果。

6 结论

武汉某边坡加固工程的支护桩采用水下混凝土灌注桩,本文介绍了空桩段回填处理方案比选、工艺流程、操作要求及施工注意事项等,得出以下结论:

1) 本项目通过采用固化灰浆技术,有效遏制了塌孔现象的发生,确保了灌注桩施工正常进行。泥浆经固化灰浆处理后,再进行后压浆施工及声波透射检测。

2) 基坑开挖后,泥浆固化物单轴抗压强度经检测,均值在0.5 MPa ~0.8 MPa,达到了预期效果。

3) 本项目固化灰浆施工技术,为同类工程提供了经验借鉴。

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