超厚细砂层地质条件下钻孔灌注桩泥浆指标控制

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  摘要:钻孔灌注桩因其施工工艺简单,投入的作业人员和施工机具可根据工程量的大小而定,不受气候和不良天气影响,承载能力大、抗震性好、沉降量小等特點,在桥梁工程的基础设计被广泛采用。武(汉)--英(山)高速公路东河特大桥地质情况复杂,细砂层厚,且粒径偏细。如何保证在细砂层钻进过程中泥浆护壁的稳定,是桩基施工的关键。
   关键词:钻孔桩超厚细砂层泥浆指标 施工工艺
  中图分类号:F407.1 文献标识码:A 文章编号:
  1 前言
  武英高速公路第12合同段东河特大桥全长1300m,上跨东河。全桥共有161根钻孔灌注桩,桩径分别为1.5、1.8 m,桩长 22~30m 不等,设计为嵌岩桩。该桥位河床上层为细砂,厚约8~ 13 m;中层为细砂夹少量砾层,厚约6~11 m;下层为微风化砂岩。这种细砂层较厚的地质条件,给钻孔灌注桩钻进护壁及成桩增加了较大的施工难度。为了确保成孔及成桩质量,结合现场的地质情况,在泥浆指标控制上采用高相对密度钻进成孔,高相对密度水下混凝土灌注的成孔、成桩工艺。
  2 施工工艺
  2.1、施工准备
  将桥位墩台处的场地平整,使场地有足够的空间供机械设备安装和移位,修建拌浆池、储浆池、沉淀池和泥浆循环槽,道路、电路、水沟及附属设施布置合理。
  2.2、测量定位
  根据业主和设计院提供的控制桩,准确测设出各个墩台的中心桩以及每根桩的具体位值;由每一根桩的地面高程和桩顶设计高程确定钻孔深度。
  2.3、开孔、钻进
  2.3.1、护筒埋置
   护筒具有保持孔口稳定、固定桩位引导钻锤方向和隔离地面水、保护孔口不坍塌等作用。护筒用5mm钢板卷制而成,护筒内径为比设计桩径大20~40cm,护筒顶端留有高30cm、宽30cm的出浆口。
  护筒埋设以桩中心为圆心,采用人工方式开挖直径比护筒直径稍大的土坑以埋设护筒。开挖前用十字交叉法将桩心引至开挖区外,做四个护桩,并做好保护(直到成孔后),埋设护筒后再将中心引回,使护筒中心和桩位中心重合。
  东河特大桥位于河道内的桩基,应将护筒周围0.5~1.0m 范围内沙挖除,夯填粘质土至护筒底0.5m以下,埋放护筒时护筒埋深要求不小于4m,护筒倾斜偏差不得大于1%,平面位置的偏差不得大于5cm。
  2.3.2、钻机就位
  钻机就位时要将机座调平,钻机就位处地基应坚实,必要时将底部软土挖除换填处理,以防止场地产生不均匀沉降,造成钻机倾斜、偏移,以保证钻机作业过程中的稳定性。就位后冲击锤的钢丝绳中心和桩位中心应对正,误差控制在2cm以内。
  2.3.3钻进
  向埋设护筒时已挖成的孔内注入清水,开动钻机。开孔时即投入造浆粘土造浆。开孔及整个钻进过程中应始终保持孔内水位高出地下水位(河中水位)1.5m-2.0m,并低于护筒顶面0.3m以防溢出。
  在砂层开孔或钻进时,按1:1的比例投入粘土和小片石,小冲程、高频率反复冲砸,使孔壁坚实不坍不漏。钻至护筒脚下1m后,方可按正常冲程、频率钻进。在钻进过程中,要经常注意土层的变化,对不同土层,须采用不同的冲程、泥浆比重。
  冲程应根据土层情况分别规定:在通过坚硬密实卵石层或基岩漂石之类宜采用高冲(100cm),在通过松散砂、砾类土或卵石夹土层中时宜采用小冲程(约75cm)。冲程过高,对孔底振动大,易引起坍孔。在通过高液限粘土时,宜采用中冲程。在易坍塌或流砂地段宜用小冲程,并应提高泥浆的粘度和相对密度。在通过漂石或岩层,如表面不平整,应先投入粘土,小片石,将表面垫平,再进行冲击钻进,防止发生斜孔、坍孔事故。要注意均匀地松放钢丝绳的长度。一般在松软土层每次可松绳5cm-8cm,在 密实坚硬层每次可松绳3cm-5cm.应注意防止松绳过少,形成“打空锤”,使钻机、钻架及钢丝绳受到过大的意外荷载,遭受损坏。松绳过多,则会减少冲程,降低钻进速度,严重时使钢丝绳纠缠发生事故。
  每进尺两米或岩层变化处,应捞取样渣,查明土类。钻孔过程中,若发现钻孔位置处的地质情况与设计图纸上的描述有显著差别时,应及时向项目部工程师汇报。在监理工程师批准之前,不得进行下一步的工作。
  钻进过程中,及时捞渣补浆,在开孔阶段,为使钻渣挤入孔壁,可待钻进4m -5m后再掏渣。正常钻进每班至少应掏渣一次。并经常检查泥浆指标,随时根据地质情况控制泥浆比重。如沙粘土地层泥浆比重控制在1.05~1.15之间。认真做好钻孔记录,在钻进过程中要勤检查钻机是否移位,钻头是否偏移桩位中心,防止出现斜孔。钻孔应一次成孔,不得中途停顿。
  2.3.4、检孔
  为保证孔形顺直,应在成孔清孔前用检孔器检查。检孔器长度为孔径的4~6倍,直径小于孔径5cm。每次更换钻头时,亦必须检孔,将检孔器检到孔底方可放入新钻头。如检孔器不能下到原来已钻的深度,则可能发生了弯孔、塌孔或缩径等情况,可采用钻头上下反复扫孔的方式处理。
  2.3.5、清孔
  当钻孔至设计高程要进行孔深、孔径、孔位检查,经检查合格后即进行清孔,不得停歇过久,使泥浆、钻碴沉淀增多,造成清孔工作的困难,甚至坍孔。清孔至沉碴厚度不大于设计图纸中要求值,图纸中未作说明的按以下标准:嵌岩桩不大于50mm、摩檫桩不大于500mm。报监理工程师检查后须在最短的时间内灌注砼。
  2.4钻孔及成孔过程中泥浆指标控制
  (1)施工方法采用冲击钻钻进。
  (2)泥浆制备根据该桥位处的地质特点,施工中采用含砂率为3.2 、塑性指数为25.7 的粘性土叫作为造浆原料,并掺入 0.03 ~0.06 的羧甲基纤维素,使粘性土颗粒表面形成薄膜而强化,降低失水量,提高粘度。
  (3)钻进过程中的泥浆指标控制
  钻进过程中的泥浆主要有 3 个作用:护壁、浮渣及固孔。 控制泥浆相对密度的大小,取决于桩基地质构造的特点。在施工过程中,进行了多种泥浆相对密度情况下的钻进试验。当泥浆相对密度控制在 1.20 以下时,时有缩孔现象;在1.20~1.35 时,虽然护壁效果较好,但泥浆中的砂率过大,高达45 左右。当泥浆相对密度控制在1.40~~ 1.45 时,砂率降低,泥浆中的粗颗粒顺利上浮,钻进正常。进入基岩后,泥浆相对密度不变。经过反复试验并参照相关资料,在钻孔时,泥浆性能控制在相对密度 1.40~1.45,粘度25~35 S,含砂率≤10 。
  (4)终孔后的泥浆指标控制
  终孔后的泥浆相对密度不能过低。我们也做过这样的试验:终孔后第一次清孔时,把泥浆相对密度降至1.28,但在钢筋笼接笼完成后下不到孔底,原因是出现缩孔并有大量的砂颗粒沉淀,其沉淀厚度高达 1.1 m。在加入少量纤维素进行增稠,泥浆相对密度提高到1.30 时, 通过二次钻孔并清孔,钢筋笼被顺利放到孔底。因此,终孔泥浆性能控制在相对密度1.30~1.35、粘度20~24 S、含砂率≤5。
  2.5 高相对密度泥浆的危害及解决办法
  2.5.1 高相对密度泥浆的危害
  (1)降低桩基的侧摩阻力清孔后泥浆的相对密度高,则稠度大,在孔壁上形成的泥皮厚。灌注混凝土时,如果没有有效的推力使该部分泥皮清除,则会减小桩基混凝土与孔壁的侧摩阻力,降低桩的承载力。
  (2)降低混凝土与钢筋的握裹力清孔后的泥浆相对密度高,则在灌注混凝土时,泥浆粘符在钢筋笼上,混凝土面上升时难以推移清除干净,降低混凝土与钢筋的握裹力。
  2.5.2 高相对密度泥浆危害的解决办法
  (1)混凝土超灌至少达到1 m 。在东河特大桥施工中,考虑到在泥浆高相对密度情况下灌注混凝土,为降低各种潜在因素的影响,超灌至少达到 1 m,以利用该部分混凝土推移孔壁及钢筋笼上粘符的泥浆。
  (2)采取其他措施在灌注桩的中上部混凝土时,一方面利用水冲稀释孔内泥浆;另一方面,为防止混凝土与泥浆的压力差太小,特别提出进料口与泥浆顶面至少应有3 m 的高差;第3 方面,导管的埋深以 4~6 m 为宜,防止因超压而堵管。
  2.5.3 保证水下混凝土顺利灌注的措施
  (1)严格控制混凝土的施工质量混凝土的施工质量控制主要从配合比的设计上考虑,要能适应在高相对密度泥浆下灌注。因此要求混凝土的和易性要好,粘聚性要好,粗骨料粒径不宜过大。在坍落度控制上,以接近规范上限为宜。
  根据东河特大桥的地质特点,在选择混凝土配比时,掺入了一定量的优质粉煤灰,提高了混凝土的 粘聚性及保水性。经过室内混凝土配合比试验及现场验证,其配合比最终选定为(kg/m):水泥:水:中砂:碎石:粉煤灰:缓凝减水剂=318:202:730:1094:56:6.7。
  施工现场坍落度控制在 200~220 mm,其施工和易性很好,保证了清孔后在高相对密度泥浆情况下钻孔灌注桩的顺利进行。
  (2)灌注的连续性在混凝土灌注初期,泥浆相对密度相对较低,重颗粒沉淀较慢。随着时间延长,混凝土顶面的沉淀越来越厚,加上泥浆的重压, 灌注时导管内的混凝土上翻困难。为有效控制沉渣厚度,要尽量缩短清孔后灌注前的时间。灌注时切忌停灌等料,或慢灌等料。
  (3)稀释孔内泥浆,减小泥浆沉淀当混凝土 灌注到桩的中上部,泥浆相对密度越来越大,沉淀越来越厚,采用冲水稀释的办法,减小泥浆相对密度及沉淀厚度,以减少孔壁及钢筋笼上的泥浆粘附。 用水冲稀释孔内泥浆时,特别注意不能冲刷孔内混凝土。出水口面与混凝土顶面要有一定的距离,以30~40cm 为宜,利用拆卸导管的时间进行水冲稀释。
  (4)严格控制导管埋置深度在施工过程中, 严格控制导管埋置深度,确保混凝土灌注过程中,导管在混凝土中的埋置深度始终控制在规范的上限为 4~6m。
  2.6混凝土灌注
  混凝土初灌时采用拔球法。水下砼灌注前再次校核钢筋笼标高、孔深、孔底沉渣厚度及泥浆指标(比重、粘度、含砂率),检查有无塌孔现象,待符合要求后即开盘灌注。先向灌注斗内加一盘不低于水下砼标号的水泥砂浆于隔水球塞周围,以防止集料卡球而堵塞导管,再继续加入砼使灌注漏斗和储料斗装满。
  砼的初装量必须确保首批砼入孔后导管埋入砼中的深度不小于1.0m。第一次混凝土灌注量的计算方法如下:
  
  【式中:D——桩孔设计直径(m);H1——孔桩底端至导管底端初次埋置深度(m),一般取大于1m;d——导管内径(m);h1——钻孔内混凝土达到埋置深度H2时,导管内混凝土柱平衡导管外(或泥浆)压力所需的高度(m),即h1= 】
  水下砼的灌注工作要连续进行,不得中途停顿。灌注过程中要经常用测锤探测孔内砼顶面到达的位置,计算导管并及时调整导管的埋深(埋深控制在2~6m)。
  由于本合同段钻孔桩的灌注是采用拌合站集中拌合,混凝土搅拌运输车运送,所以在混凝土运输和养护中须注意以下几点:
  (1)、用搅拌运输车运送已拌制好的混凝土时,途中应以以2~4r/min的慢速进行搅拌,混凝土的装载量约为搅拌筒几何容量的2/3;混凝土运至浇注地点时发生离析、严重泌水或塌落度不符合要求时,应进行第二次搅拌。二次搅拌时不得任意加水,确有必要时,可同时加水和水泥以保持其原水灰比不变,如二次搅拌仍不符合要求,则不得使用。
  (2)、灌注桩混凝土的冬期施工,主要是保证混凝土在灌注时不冻结,能顺利灌注,一般情况下不需要養护,只有在桩头露出水面或虽未露出水面、地面,但在冰冻范围之内时,才进行桩头混凝土的覆盖保温养护,覆盖的厚度应考虑钢筋导热的影响。灌注桩混凝土不准掺防冻剂、抗冻剂。
  为保证成桩质量,水下砼灌注面需高出设计桩顶面标高0.5~1.0m,因为上部混凝土与水面接触,易发生离析且混凝土内含有杂质,在凿除桩顶浮浆层后,才能确保桩顶设计标高。灌注过程中要指定专人认真详细填写灌注记录。
  灌注的砼强度达到5MPa以上后即可拔出护筒,修整后可重复利用。并对场地进行清理,将钻机移至下一孔位施工,钻孔桩应间隔施工,相邻的两根桩在前一根桩砼灌注结束24小时后才能开始后一根桩的钻进工作。
  在混凝土灌注过程中,从孔中排出的泥浆一定要妥善处理。其中一部分泥浆可以通过循环槽进入造浆池中进行再利用,剩下的部分必须经事先挖好的排污沟槽排入指定的位置,或用汽车运往指定的废料池,以达到保护环境的目的。
  2.7质量保证措施
  2.7.1、提高成孔质量,防止塌孔,可采用以下措施:加长护筒,在上层土质较差的情况下,将护筒加长至6~8m,以提高护壁效果;在松散的杂填土层和流沙层成孔时,将泥浆的比重加大(1.35以上),使其形成一个较好的孔壁。
  2.7.2、保证桩孔的垂直度,可采用以下措施:桩架要安装稳固,底座保持水平,吊锤钢丝绳和桩中心要保持同一轴线;用检孔器对对孔的垂直度进行检查,对不合格的部位进行反复扫孔,直到满足设计要求。
  2.7.3、保证钢筋笼和导管的垂直度、杜绝导管挂笼,可采用以下措施:钢筋笼焊接完毕后,起吊一定的高度,用4m的检尺检查相邻钢筋笼的平直度(导管安装用同样的检查方法);钢筋笼、导管每段连接完成后,扶正中心,缓缓地放入孔中,防止撞击孔壁或导管斜插入钢筋笼中。
  2.7.4、质量检测方法:桩位的偏差用钢尺通过护桩测量或用全站仪定位;桩的成孔深度用测绳测量;桩的垂直度用检孔器测量;孔的沉渣厚度用测绳辅以铁制测饼测量,或用沉渣测定仪测定;泥浆比重用泥浆比重计测定,泥浆稠度用漏斗粘度计测定,泥浆含沙量用含沙计量器测定。
  2.7.5、注重过程控制。加强操作人员的岗前培训和操作规程、规范的学习;施工现场的技术负责人要跟班作业,加强技术指导,对关键工序要进行详细的技术交底工作。
  2.7.6、在施工中应成立TQC活动小组,在施工过程中认真分析出现的每一项新问题,认真加以解决。同时不断总结经验,进行推广,使工程质量越来越好。
  3 质量检测
  经武汉港湾岩土工程技术有限公司进行超声波声测,所有桩基全部为 I 类桩。这说明在超厚细砂层钻孔灌注桩施工中,所采取的泥浆指标是合理的。 以上是对细砂层较厚情况下,在钻孔灌注桩的成孔、成桩施工过程中对泥浆指标的控制。对类似地质情况下钻孔灌注桩的施工,有一定的参考价值。
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