影响钻孔灌注桩施工技术的要点及质量控制的分析
前言
钻孔灌注桩的施工大部分是在水下进行的,其施工过程无法观察,成桩后也不能进行开挖验收。施工中任何一个环节出现技术问题,都将直接影响到整个工程的质量和进度。因此,基础施工队伍要加强施工技术和加强质量管理,认真落实施工过程中每一个环节,努力在成桩之前把隐患消除。要求施工前必须要认真熟悉设计图纸及有关施工、验收规范,核查地质和有关灌注桩方面的资料,对灌注桩在施工过程中可能出现的问题进行分析和找到解决方法,制订出施工质量标准、验收实施方案和做好每根桩的施工记录,以便有效地对桩基施工质量加以控制。本文介绍南水北调工程的某排水渡槽灌注桩基础的施工技术方案和质量控制。
1工程概况
某排水渡槽位于南水北调中线某段应急供水工程,属于左岸排水建筑物。中轴线和总干渠中心线垂直相交于某段累计桩号088+667处,设计流量107 m3/s。渡槽为3跨20多m侧墙预应力钢筋混凝土结构,槽墩为柱墩结构,基础为钢筋混凝土灌注桩结构,由承台连接。边墩设灌注桩6根,桩径1.2 m,长20 m;中墩设灌注桩6根,桩径1.2 m,长35 m;中墩盖梁为马蹄形断面,高150 cm,宽180 cm。灌注桩共设4排,单排桩与桩之间的距离是4.3 m。
2工程地质情况和机具的选择
某排水渡槽主要地质构造:黄土状砂壤土→黄土状壤土→中砂→砂卵石→黄土状壤土→全风化角闪斜长片麻岩。总体来说地质条件比较特殊,中层和底层坚硬。根据这样的地质条件,选择了2台CZ-30型冲击钻施工。
3钻孔准备
首先确定钻孔桩位,平整钻孔桩位附近场地,摆放钻机、混凝土搅拌运输车、吊车吊装钢筋笼、起吊导管。同时修通施工便道,为施工机具、材料运送提供便利。
3.1测量放样
用全站仪测出每个桩的中心点,并用木桩作上标识。放样结束后利用各桩位相互间的距离进行钢尺测距复核,测量误差≤10 mm。根据桩位的具体位置用反铲挖泥浆池和供水池,泥浆池和供水池的位置、大小必须满足
桩基施工的需要。
3.2护筒的埋设
护筒的埋设是重要的一环,起到定位、导向、靠筒内水位和泥浆比重使孔内水压力大于外部压力,防止塌孔的作用。护筒的内径比桩径大200～400 mm,护筒埋入自然地面以下2～4 m,特殊情况应加深以保证钻孔和灌注混凝土的顺利进行。护筒高出地面0.4～0.6 m,上部开设溢浆孔,外围用粘土夯实。该渡槽采用3 m高、!1.5 m的护筒,钢板壁厚4 mm。测定护筒标高的误差不大于10 mm,以此作为控制钻孔桩底高程的依据。为确保护筒埋设位置准确,护筒要垂直,其中心线应与桩中心线重合,偏差小于50 mm,垂直线倾斜不大于0.5%。护筒顶部焊加强筋和吊耳,钻进过程中要经常检查是否发生偏移和下沉,并及时纠正。
3.3冲击钻机就位
护筒埋设结束后将CZ-30冲击钻机就位,采用25 t汽车吊吊装,钻机摆放平稳,钻机底座全部用枕木支垫。钻机摆放就位后对机具及机座稳固性等进行全面检查,用水平尺检查钻机摆放是否水平,在钻锥下悬挂垂球,以保证钻孔倾斜度不大于1%,并利用交叉护桩检查钻机摆放是否正确。
4成孔质量的控制
成孔是混凝土灌注桩施工中的一个重要部分,其质量如控制得不好,则可能会发生塌孔、缩径、桩孔偏斜及桩端达不到设计持力层要求等问题,还将直接影响桩身质量和造成桩承载力下降。因此,在成孔的施工技术和施工质量控制方面应着重做好以下几项工作。
4.1造孔时注意保持安全距离
造孔时采用隔孔跳跃式流水作业,保证4倍桩径的安全距离,以防止对邻桩的影响。造孔时要随时纠偏,若产生斜孔、塌孔,立即停钻;如遇钻孔倾斜,从倾斜位置开始反复提升钻锥扫钻。本工程试钻资料显示,在钻孔10～16 m深左右有卵石存在,如钻进时出现孤石,则采取向钻孔内抛填片石,并采用中、大冲程钻进,操作时要防止打空锤和大松绳。
4.2采用优质的护壁泥浆
护壁泥浆采用高塑性黏土或膨润土,为保证中层易液化坍塌的砂质层的成孔质量,并最终能将孔底清理干净,对泥浆的比重与粘度制定了严格的指标。经过20余次的泥浆配比试验,决定采用当地的膨润土,泥浆配和比为:水∶膨润土∶粘土∶NaOH∶CMC=1 000∶100∶60∶1.5∶1.5。配制的泥浆比重为1.06～1.10,粘度18～22 Pa·s,含砂率0.3%～0.5%,pH值8～10,胶体率95%～98%,静切力1.1～1.3,失水率13～15 ml。泥浆的好坏是成孔质量的重要保证之一,优质的泥浆可使孔壁形成一层粘性好、密度大、渗透性差的泥皮,这层泥皮可防止孔内泥浆外渗,大大减缓孔内水头降低的速度,使孔壁稳定。由于配置了高质
量的泥浆,在长期停钻的情况下,沉积物很少。
4.3用检测器多次检查钻孔的孔径、垂直度
制作长7 m、!1.2 m钢筋笼检孔器,当钻孔深度达6 m左右时进行第1次孔径、垂直度检查,保证孔径不小于设计值,垂直度≤1%;钻孔深度达15～20 m进行第2次检查;终孔时进行第3次检查。检查时利用25 t吊车配合钻机提升将钻锥移至地面摆放,然后用吊车起吊检测笼检查钻孔垂直度、孔径。如遇孔径小于设计值,则对钻锥加焊刀片增加直径,并在孔径小于设计值位置反复提升钻锥扫孔。
4.4塌孔处理
如遇塌孔,应仔细分析、查明原因和位置,然后进行处理。塌孔不严重时,回填砂砾至塌孔位置,并增加泥浆稠度后继续钻进;如果塌孔严重,应立即将钻孔全部用砂或小砂石夹粘土回填,回填时用钻锥配合击实,回填完成暂停一段时间后,查明塌孔原因,采取相应措施重钻。
4.5密切注意孔内水位和泥浆相对密度、粘度,确保成孔质量
冲锥的钢丝绳同钢护筒中心位置偏差不大于2 cm,升降锥头时要平稳,不得碰撞护壁和孔壁。钻孔作业必须连续,并作钻孔施工记录,经常对钻孔泥浆进行检测和试验,不符合要求的随时改正,注意补充新泥浆。在整个施工过程中,应保持孔内水位和泥浆相对密度和粘度,可有效地防止孔壁坍塌、埋钻头的现象发生,确保钻孔桩的成孔质量和成孔速度。钻进过程中,每进5～8 m检查钻孔直径和垂直度,注意地层变化,在地层变化处捞取渣样,判明后记入记录表中并与地质剖面图核对。根据实际地层变化采用相应的钻进方式,在钻至中层砂层时,钻进速度必须放慢,以确保成孔质量。
5成孔检测、清孔
5.1成孔检测
成孔检测一般包括孔的中心位置、倾斜度、钻孔底标高、深度、直径、护筒顶标高等。孔的中心位置应在±100 mm范围内,孔径≥设计桩径,倾斜度<1%,孔深≥设计规定。
5.2清孔
只有成孔检测合格后才可清孔。清孔方法一般有换浆、抽浆、掏渣、空压机喷射等。广利渠排水渡槽采用掏渣筒进行清渣,掏渣时用潜水泵向孔内不停地供水,以保持孔内压力大于孔外压力,以免造成塌孔。掏渣筒放到孔底后,要在孔底上下提放几次,使其多进些钻渣后提出。清孔后应满足表1要求。
表1 钻孔成孔质量标准
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项目 |
允许偏差 |
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孔中心位置/mm |
<50 |
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孔径/mm |
≥设计桩径 |
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倾斜度 |
钻孔：＜0.5% |
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沉淀厚度/mm |
端承桩：≤50 |
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清孔后泥浆指标（从桩孔的顶、中、底部分分别抽样检验的平均值） |
相对密度：1.03%～1.10%； |
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粘度：17 ～20Pa·s； |
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含砂率：＜2% |
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胶体率：＞98% |
6钢筋笼的制作质量和安放
6.1制作前钢材的验收
钢筋笼制作前首先要检查钢材的质保资料,检查合格后再按设计和施工规范要求验收钢筋的直径、长度、规格、数量和制作质量。在验收中还要特别注意钢筋笼吊环长度能否使钢筋准确地吊放在设计标高上。由于钢筋吊笼吊放后是暂时固定在钻架底梁上的,因此,吊环长度是根据底梁标高的变化而改变,所以应根据底梁标高逐根复核吊环长度,以确保钢筋的埋入标高满足设计要求。
6.2具体制作
钢筋笼按设计图纸制作,采用全焊式分段制作、现场连接的方法。根据广利渠排水渡槽设计图纸的要求,每隔2 m设1道加强箍和定位筋,主筋接头采用双面贴角焊,接头错开1 m,焊缝厚度8 mm,控制在同一截面上搭焊钢筋接头根数不超过主筋总根数的50%。搭接焊长度为双面焊5 D,加强筋、箍筋搭接焊长8～10 D。焊接方式为主筋间采用搭接焊、主筋与箍筋间采用点焊,螺旋筋与主筋间采用间隔点焊。为保证基础主筋保护层,按设计要求正确设焊钢护板。制作允许偏差按钢筋加工规范执行,钢筋笼直径和主筋间距±10 mm,箍筋间距±20 mm,骨架外
径±10 mm、倾斜度±0.5%、保护层厚度±20 mm、中心平面位置±20 mm、顶端高程±20 mm、
地面高程±50 mm。
6.3钢筋笼的吊运
钢筋笼制作完成,经验收合格后方可吊运至施工现场。采用16 t吊车,将钢筋笼吊至15 m长的跑车上,用钢管和铁丝固定相结合的方法,人工推至施工现场。6.4现场吊装广利渠排水渡槽边墩桩长20 m,钢筋笼事先按设计长度制作,单根整体吊装;中墩桩长35 m,分两节安放,孔口对接的方法。每节钢筋笼主筋焊接完毕后补足接头部位的箍筋方可继续下笼。钢筋笼的现场吊装采用25 t吊车由专人指挥,为防止钢筋笼弯曲变形,起吊时笼内必须安设支撑杆,随笼的下
沉依次取出。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,以防弯曲、扭曲变形,更不能碰撞孔壁而引起坍孔。钢筋笼就位完毕后,在孔口用事先焊好的吊环筋固定以使钢筋笼定位,避免浇注混凝土时钢筋笼上浮。
6.5两次检测,保证符合要求
在吊入钢筋笼后,再检查孔内泥浆性能指标和孔底沉渣厚度,如果超过规定,要进行第2次清孔。清孔的主要目的是清除孔底沉渣,因为孔底沉渣是影响灌注桩承载能力的主要因素之一。同时要检测1次泥浆性能,检测内容包括密度、含砂率和黏度等,符合要求后方可灌注水下混凝土。
7成桩质量的控制
a)为了保证成桩质量,钢筋笼吊装完成后及时用25 t吊车吊装导管,以防孔内沉渣增厚。广利渠排水渡槽采用内径为0.3 m的钢性导管,使用前进行了水密、承压和接头抗拉等试验。吊装时导管位于井孔中央,并在灌注混凝土前进行了升降试验。导管位置居中,轴线顺直,稳步沉放,以防止卡挂钢筋笼和孔壁碰撞。导管下端口高出沉渣面50 cm,导管上端口设置1.5 m3储料斗,并挂钢丝绳将管口和料斗牢牢兜住,混凝土灌注时用25 t吊进行提升。
b)检查验收进场原材料的质保书(水泥出厂合格证、化验报告、砂石化验报告),发现实样与质保书不符,应立即取样进行复查,对不合格的材料(如水泥、砂、石、水质)严禁使用。某排水渡槽灌注桩混凝土为C20F150Ⅱ,灌注桩采用的混凝土配合比根据试验大纲确定,配料时严格按配合比秤量,水泥用量不少于360 kg/m3。由于灌注桩混凝土采用吊车配合导管灌注,混凝土的离析现象还会存在,但良好的配合比可减少离析程度,因此,现场的配合比要随水泥品种、砂、石料规格及含水率的变化进行调整。为使每根桩的配合比都能准确无误,在混凝土搅拌前都要复核配合比并校验计量的准确性,严格计量和测试管理,并及时填入原始记录和制作试件。
c)某排水渡槽灌注桩混凝土采用混凝土拌和站拌料,运距为120 m,3台混凝土搅拌车运输。混凝土运到现场后倒入吊斗中,由25 t吊提升料斗将混凝土倒入导管进行灌注,灌注工作应连续进行。当混凝土面接近和进入钢筋骨架时,保持导管较大埋深,放慢灌注速度,减少混凝土对钢筋笼的冲击。当混凝土面进入钢筋骨架一定深度后,适当提升导管,使钢筋骨架在导管下口有一定埋深。
d)为防止断桩、夹泥、堵管,在混凝土灌注时应加强对混凝土搅拌时间和混凝土坍落度的控制。因为混凝土搅拌时间不足会直接影响混凝土的强度,混凝土坍落度采用了18～22 cm,并随时了解混凝土面的标高和导管的埋入深度。导管的埋置深度一般宜保持在混凝土面往下2～6 m,且严禁把导管底端提出混凝土面。在灌注过程中,应派专人用测绳测探孔内混凝土面的位置,及时调整导管的埋深。当灌注至距桩顶标高8～10 m时,应及时将坍落度调小至12～16 cm,以提高桩身上部混凝土的抗压强度,并控制好桩顶。
e)混凝土面的高程、灌注桩顶标高应高出接桩底面0.5～1.0 m高度,用测绳经常量测混凝土面到护筒顶的高度,高程达到设计要求时应立即停止灌注,当混凝土达到一定强度后才能用吊车拔除钢护筒。
f)在施工过程中,要控制好灌注工艺和操作,抽动导管使混凝土面上升的力度要适中,保证有程序的拔管和连续灌注。升降的幅度不能过大,如大幅度抽拔导管则容易造成混凝土体冲刷孔壁,导致孔壁下坠或坍落桩身夹泥,这种现象尤其在砂层厚的地方比较容易发生。在灌注过程中必须每灌注2 m左右测1次混凝土面上升的高度,确定每段桩体的充盈系数,《建筑施工操作规程》规定桩身混凝土的充盈系数必须大于l。同时要认真记录,这对日后发现有问题的桩或评价桩的质量作用很大。
8结语
总之，钻孔灌注桩的整个施工过程属隐蔽工程项目,质量检查比较困难,如桩的各种动测方法基本上都是在一定的假设计算模型的基础上进行参数测定和检验,并依靠专业人员的经验来分析和判读实测结果。同一个桩基工程,各检测单位用同一种方法进行检测。由于技术人员的实践经验的差异,其结论发生偏差很大的情况也时有发生。通过多年来的施工实践技术,总结出一个结论:要保证钻孔灌注桩的施工质量,加强桩基工程检测只是施工的一个手段,其关键还在于现场管理人员要有高度责任心,以防为主,对桩基各个施工环节充分重视并精心施工,这样才能保证桩基的质量。