钻孔灌注桩穿越厚沙层的施工

 
时间日期:2007-3-7        已被阅读次:[3209]
 
佛山市房建集团有限企业 欧国贤

【摘 要】 在地表下的厚沙层进行钻孔灌注桩的施工是要冒相当大的风险,工艺和技术
      要求有一定的难度,结合去年的一个工程实例,谈谈大家的一些做法和想法,
      供同行门参考,望有助于提高钻孔灌注桩的施工质量和减少质量事故的发生。
【关键词】 泥浆 钻进 清孔 浇灌

  1、工程概述
  该工程是位于佛山市南海区一个旧城改造项目,是一栋22层的商住楼,1-3层作商业用
房,4层以上作住宅,面积约15000m2,框架剪刀墙结构,施工场地和通道狭窄,基础采用钻
孔灌注桩,桩径从D1200到D1600不等,进入中,微风化岩作持力层,桩长约26m。据地质资
料反映,该场地地表下1-2m开始到18-20m不等是各种厚薄不同的沙层。施工难度相当大。
具体地质情况如下:
  (1)第四系人工填土层-杂填土,分布于标高1.1-2.0m以上,呈松散状态,不均匀结
构。
  (2)第四系上部冲积层,分布于标高1.8-12.4m之间:
  1)粉沙:厚度2.1-5.3m不等,呈深灰-灰-浅灰色,松散-中密状,含水饱和。
  2)细沙:厚度1.8-4.3m不等,呈灰-深灰色,松散-稍密状,含水饱和。
  3)中沙:厚度1.6-3.8m不等,呈灰-深灰色,松散-稍密状为主,局部中密,含水饱
和。
  (3)第四系中部冲积层,分布于标高11.8-14.2m之间:
  1)粉质粘土:厚度0.5-0.8m,呈浅灰-灰黄色,软塑-可塑状态。
  2)细沙:厚度1.3-2.8m不等,呈灰-深灰色,松散-中密状,含水饱和,
  (4)第四系下部冲积层,分布于标高13.8-20.2m之间:
  1)粉土:厚度0.8-1.1m,呈土黄色,可塑状态。
  2)粗沙:厚度1.3m,呈土黄色,密实,饱和状态.
  3)粉沙:厚度1.5-2.3m不等,呈浅灰色,稍密一中密状,含水饱和。
  4)细沙:厚度0.8-3.6m不等,呈浅灰-灰白色,松散-稍密-中密状,含水饱和。
  5)中沙:厚度1.6-2.8m不等,呈灰黄-浅灰色,中密-密实状为主,局部中密,含水
饱和。
  (5)第四系残积层-粉质粘土:厚度0.5-1.0m,呈砖红灰混灰黄色,上部可塑,下部
硬塑状态。
  (6)第三系风化带
  1)第三系强风化带:层底标高-19.5-22.94m,呈红褐、棕色、深灰、灰黄色等,层
理不清晰,泥质结构,含少量粉沙粒。
  2)第三系中风化带:层底标高-21.9-28.7m,呈红褐一褐色-棕色一深灰一灰色等,
层理不太明显,泥质及粉沙质结构。
  3)第三系微风化带:层底标高-25,9-31.5以下,呈红褐、棕色、灰色等,泥质及
粉沙质结构。
  2、施工准备
  接到工程任务后,大家仔细地分析工程地质资料,结合施工场地的具体情况和大家以往
的施工经验,觉得这个工程的难点主要是钻进厚沙层和浇灌时的泥浆护壁问题,由于上部有
较厚的粉细沙,经扰动容易变成流沙。针对这个问题,在工程的施工方案中重点准备了一些
应对措施,其中有:
  (1)加强泥浆制备管理
  (2)控制施工顺序和机组的分布,强调跳钻
  (3)用试钻桩来核对地质状况和利用桩砼的充盈系数来分析泥浆护壁的效果
  (4)准备一些应急处理方法
  3、施工情况和施工过程中的质量控制
  在试钻的第一根直径为1400的桩时,进展还顺利,流沙不严重,主要是沙层未被扰动。
而使用的泥浆是用含沙量较小的粘土来造浆,但从回流的泥浆测其含沙率是比较高的,超过
18%。从桩砼的充盈系数来看,进岩部分为1.1-1.18,中粗沙层为0.95-0.98,上部的粉
细沙为0.9-0.93,桩径最小处在地表下9-10m。从充盈量分析,泥浆的护壁作用还可以。
  在总结试桩的经验教训后安排4台钻机铺开作业,开始还算顺利,但在完成总桩数1/3后
就陆续出现明显的流沙和塌孔的情况,个别桩孔和桩报废,工程不得不暂时停了下来。检查
施工记录泥浆的质量明显下降,比重高了;粘度小了;胶体率下降,含砂率高达30%一40%
。很明显:整个场地的沙层被扰动了。针对这个难题,大家采用了应对措施,先对塌孔的桩
孔用粘土回填静置一周后再施工,对报废的桩作补桩处理,着重抓了泥浆制备、桩孔施工次
序、清孔和浇灌等几项工作:
  3.1加强泥浆制备管理
  在砂性土层和含砂较重的土层使用膨润土和粘土造浆,粘土块先行打碎,制浆一般采用
泥浆搅拌机,制成的泥浆储藏在泥浆池(钢制泥浆箱)内备用,使用时再加进适量的纯碱溶
液。加强对回流泥浆的排沙处理,以增加泥浆的粘度和降低含沙率,使泥浆所产生的液柱压
力可以平衡地下水压力,并对孔壁有一定的侧压力,成为孔壁的一种液态支撑。同时泥浆中
胶质颗粒的分子在泥浆的压力下,渗入孔壁表面的孔隙中,形成一层泥皮,促使孔壁胶结,
将孔隙填渗密实,避免内壁漏水,保持护筒内水压稳定,从而起到防止塌孔、保护孔壁的作
用。
  另外,还准备一批大块状的膨润土和袋装水泥,在塌孔桩段使用。
  3.2合理安排桩孔施工次序和工艺
  根据施工进度安排,重新安排机组的施工位置,拉大桩孔的施工距离,减低对沙层的扰
动。同时控制泥浆泵捧量不能过大,选择合适的钻进速度,钻进砂层速度减慢,在粉细沙段
投进大块膨润土强制做浆,因钻孔成桩的过程将使原来平衡的地下土层压力发生变化,而相
邻桩施工距离太近或间隔时间太短时,土中增加的应力尚未消散,致使新钻孔的孔壁土发生
流变,容易造成塌孔。当出现塌孔范围较小的情况时,应增大泥浆比重,稳住孔壁,同时减
少泵的排量,塌孔量大时应停钻,在判明塌孔位置和分析原因后,应即回填粘土混合物到塌
孔位置以上1-2米,待回填物沉积密实后,再行钻进。在钻进过程中指派专人测定泥浆的粘
度、含砂率、失水量、胶体率、静切力等参数,随时对泥浆成份进行调整。
  3.3小心进行清孔,保证清孔质量
  钻桩成孔后清孔是钻孔灌注桩施工中一项极为关键的工序,直接影响桩端承载力,必须
引起高度重视。清孔是把桩孔内原有的泥浆进行循环稀释,使比重下降,清孔的目的主要是
置换孔内已经变质的护壁泥浆、清除钻渣和沉淀层,尽可能减小孔底沉淀层的厚度,防止桩
底存留过厚的沉渣而降低桩的承载力:此外,清孔还为在泥浆下灌注混土创造良好的条件。
测定正确的孔深,使灌注顺利,保证混凝土的浇灌质量。保证清孔的质量主要看清孔的方法
是否正确。在这个项目大家使用换浆清孔法施工,即用质量好的新浆不断地从钻头、钻杆内
压入孔底,将孔底的沉渣泛起,携带土渣回流到孔外。正循环的换浆清孔法必须进行二次清
孔,大家的做法是:第一次清孔,在钻孔深度达到设计要求后,钻机停止钻进,此时稍提钻
杆,使钻头距孔底10-20cm处空转,并保持泥浆正循环,将比重为1.05-1.1的不含杂质的
新浆压入钻杆,把钻孔内悬浮较多钻渣的泥浆置换出孔外。第一次清孔到底需要多少时间,
应根据钻孔的具体情况而定。一般以孔口返浆比重在1.1左右(手触泥浆无明显的颗粒感觉
),另外孔底沉渣量测定以小于5cm为控制标准。第二次清孔,因第一次达到要求后,由于
要放钢筋及导管准备浇注水下混凝土,这段时间的间隔较长,孔底又会产生一部分新的沉渣
,所以待安顿钢筋及导管就绪后,即再利用导管进行第二次清孔。清孔的方法是在导管顶部
安设一个弯头和皮笼,用泵将泥浆压入导管内再从孔底沿着导管外置捧沉渣,复测沉渣厚度
在5cm以内,清孔就算完毕,马上进行浇灌混凝土的工作。为了缩短清渣的时间,配备了一
些设备,如空气压缩机和小径的导管、高压水泵和小径的导管。在浇灌混凝土前加压缩空气
或高压水冲击孔底,加速渣粒上浮和冲走桩底的沉渣,这个做法对大直径的桩特别有效。由
于能使清孔时间缩短,清孔时对护壁部分浆层的冲洗就会减小,减小了浇灌桩混凝土时孔壁
塌落的可能性。
  3.4加紧时间做好桩砼的浇灌
  钻孔灌注桩灌注混凝土一般在泥浆下进行,本工程采取“隔水”的工艺,也即是采用“
导管法”施工。导管使用3-5mm厚度钢管制成,直径通常在250-300mm之间。导管要准直,
不变形,内壁光滑;导管的接头采用设有止水槽的法兰盘与橡皮垫圈,并用螺栓紧固,保证
不能漏水。导管的上端混凝土的入口处设有容积较大的漏斗,漏斗的容积保证能在第一次浇
筑时,使向下输送的砼在孔底的基槽内把导管的底部埋入砼内0.8-1.2m,如桩孔直径较大
时使用多条导管。
  导管的隔水栓(球塞)使用预制园柱形砼块,砼块标号>浇砼的标号,并且必须保证能
在导管内顺利排出。复测孔底深度,复核导管总长度,随着砼面的上升,要适当地提升和拆
除导管。导管底部一般应埋入管外砼面以下1.5m以上,严禁把导管底部提出砼面。要指定专
人经常测量导管的埋深和桩孔内砼的充盈情况,特别是可能出现塌孔的桩段。当砼面灌至钢
筋笼底部附近时,要放慢灌注速度,使砼面慢慢上升,导管应避免碰撞钢筋笼,以免引起钢
筋笼上浮或碰撞孔壁。当灌注到容易塌孔或已塌孔的桩段要更小心,要慢灌和慢拔管,避免
冲刷孔壁。桩顶的灌注标高应比设计标高提高1-1.2米。桩砼碎石的粒径控制在5-40mm之
间,砂率控制在42-45%,水灰比0.5-0.55,砼初凝时间3-4小时(且不少于2小时),终
凝时间以5-6小时为宜。开始浇灌时先用一斗纯水泥砂浆和流动度较低(坍落度160—180mm
)、粘性较高的混凝土灌注,转入正常灌注后可采用流动性较大(即坍落度200-220mm)的
混凝土。
  3.5水下灌注混凝土桩断桩的预防及处理
  水下灌注混凝土的断桩现象与现场的人员管理、素质,机械设备完好有直接的关系,堵
塞导管、导管进水、导管抽出已灌的砼面、孔内塌方等是做成断桩的直接原因。因此,混凝
土开灌前,大家仔细检查并做了以下工作,检查导管底部与钻孔底的高度,以0.25-0.4m为
宜。检查球塞是否合适和其在导管内是否畅通。计算首批混凝土用量,要使首混凝土一次全
部连续投入导管内。且要封好导管底口。灌注混凝土前,应确定首批混凝土进入导管后球塞
与导管内水位的高差控制在30cm左右。认真检查混凝土的塌落度,一般以16-22cm为宜。导
管的安装和拆除,由专人负责,对变形的导管不凑合使用,对有损坏的橡皮垫作更换。安装
导管时,拧导管节间螺丝用力要均匀,橡皮垫要放平顺,防止漏水。当导管内混凝土不满时
,后续混凝土要徐徐灌入,以免在导管内形成高压气囊,挤出橡胶垫而导致导管漏水。在混
凝土浇灌过程中,常有导管堵塞、导管掉落或做成导管中混入泥浆等的现象发生,或由于大
的塌方,做成淹埋桩孔的事故,对后一种事故是无法挽救而只能报废,而对前几种事故,有
时可以经过现场的应急处理,来避免断桩事故。
  在施工过程中其中有一根桩在浇灌过程中遇到大雨确实无法继续浇灌,大家的做法是先
测出砼的已灌注深度,再推算出导管的埋置深度,然后用起吊设备缩小导管的埋置深度,一
般以70-80cm为宜。太浅会因水压力过大泥浆从导管底涌进。雨停后应马上把余下的混凝土
灌完(必须是在桩孔的砼初凝前进行)。对另一根怀疑导管提离砼面的桩的处理方法是重新
插回砼内1-2m(在桩孔砼初凝前),用吸渣泵抽清导管内泥浆,直至清除干净到原有的砼
骨料面上再重新开始浇灌,这种处理方法的关键是抓紧时机,力争在桩身混凝土初凝前的最
佳时间内完成,其次是要把导管内的泥浆、沉渣清除干净。对于因各种原因做成中途停灌的
桩孔,在桩孔内的砼初凝后要重新浇灌就要改用另一种“二次灌注法”。大家的做法是先准
备一个高压水泵和连接一条直径为D40长5-6m的钢管,另准备一个高扬程潜水泵,潜水泵工
作时的出水量要限制在让钻孔口有小许水流出,千万不能使钻孔内的水位降低。工作时先启
动高压水泵冲洗砼面1-2分钟,再启动潜水泵抽出泥浆,注意高压水泵出水口和潜水泵每工
作3-5分钟应移动一次,如此反复进行,直至清理到原浇混凝土表面干净为止。目的是利用
高压水泵的高速水流,冲刷混凝土桩上表面的泥渣和上浮浆层,力争冲洗干净后继续灌注混
凝土。对于停灌时间较长的桩孔,对半笼筋且浇灌段未达到笼筋底高度的桩身可先把上部的
钢筋笼搬走,在砼终凝后的12小时内重新下钻头钻进砼桩身1-2D后重新清孔、放钢筋笼、
重新剪塞浇灌,其实质是把两个桩段重新结合起来,减小因断桩造成的经济损失。此工艺的
关键在于清孔的质量能否得到保证。上述两种方法大家以前都使用过,效果不错,经大、小
应变检测多为一、二类桩。
  4、结果和体会
  本工程比正常施工工期拖延多40天,共报废桩孔3个和桩1根,其余的桩经大、小应变检
测和静载试验全部为一、二类桩,在这样的厚沙层地质环境下施工算是成功的,既锻炼了队
伍又考验了队伍,取得了一定的经济利益和社会效益,起码工程不亏本和造成工程烂尾。但
是教训和经验值得大家回味,本来这种地质是不应采用钻孔灌注桩的,改用大直径的予制管
桩较为合适。通过这个工程的施工,大家也学习到了不少常识,取得了不少在厚沙层施工的
经验,也得到了一定的教训,这都有利于大家队伍以后的发展,希翼这个工程实例能对同行
们的工作起到启发的作用。
  参考资料
  1、国标《ca88地基基础设计规范》GB50007-2002
  2、行标《ca88桩基技术规范》JGJ94-94
  3、国标《ca88地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2002
  4、省标《ca88地基基础设计规范》GBJ15-31-2003
     
 
 
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