如何提高粘質泥巖的樁基成孔進尺和質量控制

肖　潛

摘要:文章從具體事例入手,對如何提高粘質泥巖的樁基成孔進尺和質量控制進行了探討。

關鍵詞:粘質泥巖;粉砂質泥巖;微風化泥巖

中圖分類號:TU47 文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)20-0075-03

一、工程概況

某大橋位于南寧市邕江一橋下游約750m,主橋橫跨邕江河,河面寬約400m。主橋樁基采用鉆孔灌注樁,樁徑2.4m,平均樁長為63.8m。地質情況帶明顯的盤地地質特點,第三系巖層屬半成巖的極軟質巖,巖性主要為粉砂巖,泥質粉砂巖,泥巖,粉砂質泥巖。土層1.5~47m為弱風化泥巖,47~78m為微風化泥巖,巖質強度高。樁基嵌入微風化巖深,因此在樁機選用時采用沖擊型樁機,由于邕江汛期在6月份左右,項目部定出洪水前結構物露出水面的節點目標,樁基施工自2月中旬開工以來面臨極大的進度壓力。樁機施工過程中,進入弱風化后,進尺緩慢,基本在0.1m/h,為了加快進度,確保樁基質量,項目部成立了QC攻關小組。

二、問題分析過程

經初步分析,造成進度緩慢的主要原因是巖質堅硬,尤其是進入弱風化巖后,進尺相當緩慢,嵌巖深度過深,沖進過程中,巖渣未能充分反上泥漿池進行過濾清理,沖進中巖渣抵消了大部分的沖擊力,影響進尺。為了解決好幾個問題,首先要加大泥漿比重,讓巖渣能充分循環到泥漿池、溝沉淀清理;同時定時采用反循環清干凈孔內沉渣,并用探測錘測試孔底干凈后才繼續沖進。經過方法改進后的施工情況,雖然對進尺略有改善,但沒有明顯的改觀,反上了的巖渣也比較少。其次,向設計院申請優化設計,縮短樁長,在設計院要求下,對幾個主要墩位重新進行地質勘探,勘探結果顯示巖層為粘質泥巖,干時強度高,遇水軟化,軟化后成高粘度的、可塑性強、強度低(約為干時1/3),不能作為支承樁持力層。

在重新鉆探結果出來后,發現原來的分析是錯誤的,通過對勘探巖芯做了對比試驗后發現,造成進尺緩慢的主要原因是泥巖粘性強,泥漿比重大,樁底形成高粘度糊狀“泥潭”,樁錘在沖進中,錘擊力度已大大削減,同時泥巖的粘性嚴重影響提錘的速度,甚至經常發生粘錘事故的原因。為了提高進尺,尋找最適合該類粘質泥巖沖進的各類指標,做了一系列對比試驗。

根據沖進速度公式:Vc=0.13*Q*a*n*h/(d²*c)

式中:Q—沖錘錘重(Kg);

N—為沖擊次數;

h—沖程(m);

d—孔徑(m);

a—鉆具下落加速度,由于有巖渣的影響,沖錘在孔內下落加速度其值不為重力加速度g,而小于g,巖渣越多,阻力越大,a越小。

根據上公式,Vc沖進速度可控制參數——規程參數為:沖錘錘重、沖次、沖程、以及沖錘加速度。為確定最佳的施工參數,做了以下對比試驗:

1.不同錘重在其他指標基本相同的情況下的通過每4小時測量其進尺情況,由于受機械影響,最大錘重為6.5T,其他指標:泥漿比重1.35~1.4,含沙4%~5%,沖程4m,如下表:

2.同一泥漿指標下,同一樁機,不同沖程的對進尺的影響,沖程h越大,使時效增高,但沖擊時間變長,又使時效降低,為了使試驗簡單化,只作了沖程與頻率的對比試驗(數據10次平均數):

3.不同泥漿比重,由于在樁底黏質“泥潭”產生影響,直接影響沖進加速度,對進尺造成很大的影響(由于黏性大,比重很難調的很稀,沒有對更底比重做了試驗,以下試驗是在進入弱風化、微風化巖后取得):

同時還做了一些加速度的測試,通過a=2*h/t2以及其他一些測試,經過這些對比試驗發現,傳統的巖層施工的參數運用在黏質泥巖中產生不理想的結果,其他巖層由于巖質堅硬,需要較大的泥漿比重,才能較徹底地把孔底巖渣充分循環到泥漿池進行沉淀清理,同時通過撈渣時間間隔和次數可以增加清理孔底沉渣的效果,增大其沖擊加速度,加快進尺。在黏質泥巖中,由于泥巖遇水軟化,軟化后巖體可塑性強,顆粒狀巖渣少,增大泥漿比重,加大孔底的黏度,減少沖擊加速度。在對比試驗后,以最佳的參數指導沖進施工,錘重全部選用6T沖錘,沖程選在4~5m(均用尺量做記號),泥漿比重控制在1.2~1.3等,有效提高了進尺,加快了成孔速度,后面樁基施工平均在10~15天完成,很好地完成了節點計劃。在此類地質施工中,可考慮選用鉆機。

三、質量控制

本橋樁基設計均為摩擦樁,從摩擦樁設計原理看,其設計承載力為樁表面和周圍土壤之間的摩擦力或依附力,逐漸把荷載從樁頂傳遞到周圍的土體中。因此,對于摩擦樁的質量控制,首先,要保持樁身與土層緊密的接觸,確保摩柱力。其次,要保證樁身砼的質量,樁身強度取決于鋼筋籠的制作質量與砼質量。砼的缺陷往往是由于施工工藝不合理引起的,砼質量不僅與澆筑工藝有關,還與成孔工藝有很大關系。再次,控制沉渣量。因此,在樁基施工中必須做好每一道工序,才能確保樁基質量:

(一)施打鋼護筒

采用震動錘振入,施工中,先對導桁架準確定位,在振入過程中,用兩臺全站儀全程跟蹤、調整護筒的垂直度。鋼護筒垂直度偏差大會引起樁基施工時卡錘。

(二)開鉆

樁機準確就位后,開鉆前,在護筒內多加一些黏土、片石,借助鉆頭的沖擊把泥膏、石塊擠向孔壁,以加固護筒角。當沖進至護筒腳時,適當減慢沖擊速度,反復拋填黏土,以防漏漿,如發生護筒腳漏漿時,可拋填水泥,水泥凝固后有效地密封縫隙。為防止沖擊振動使鄰孔坍塌或影響鄰孔已灌注砼的凝固,必須等鄰孔砼灌注完畢并達到一定的強度后方可開始鉆孔。

(三)成孔

屬于常規施工,地質情況為黏質泥巖,基本沒有孔壁塌陷及縮頸的危險,本工程在施工中,主要面臨施工進度的影響,在經過對成孔中的各方面指標的調整后,有效加快沖進進尺。另外經常發生粘錘事故。

(四)清孔

采用氣舉反循環法清孔,有效縮短清孔效率,減少孔底沉渣。

(五)鋼筋籠的制作與安裝

制作鋼筋籠時,對鋼筋的調直、除銹、截斷、彎折與焊接均按設計圖紙和技術規范要求進行。鋼筋籠的主筋盡量為整根,需要對接時,采用雙面焊搭接,搭接的長度不小于5d,末端不設彎鉤。成品鋼筋籠保證其順直、尺寸準確,其直徑、主筋間距、箍筋間距及加強箍筋間距施工誤差,均不大于20mm。安裝中:

1.為保證鋼筋籠外砼保護層的厚度符合設計要求,在其上下端及中間每隔2m在一橫截面上設置四個鋼筋“耳環”。

2.鋼筋籠吊裝之前,先對鉆孔進行檢測。檢測使用的探孔器直徑和鉆孔直徑相符,主要檢測鉆孔內有無坍塌和孔壁有無影響鋼筋安裝的障礙物,以確保鋼筋籠的安裝。

3.鋼筋籠吊裝時對準孔位,盡量豎直輕放、慢放,遇障礙物可慢起慢落和正反旋轉使之下落,無效時,立即停止下落,查明原因后再安裝。不允許高起猛落,強行下放,防止碰撞孔壁而引起坍塌。

4.入孔后牢固定位,容許偏差不大于5cm,并使鋼筋籠處于懸吊狀態。

(六)砼的質量控制

本工程采用商品砼,通過加入緩凝劑后初凝時間大于10小時,塌落度控制在180~200mm,灌注采用兩臺地泵同時進行。砼施工是樁基的質量控制中最關鍵的一步,主要控制好以下幾點:

1.首批砼灌注。砼灌注量與泥漿至砼面高度、砼面至孔底高度、泥漿的密度、導管內徑及樁孔直徑有關?？讖皆酱?首批灌注的砼量越多,由于砼量大,攪拌時間長,因此可能出現離析現象,首批砼在下落過程中,由于和易性變差,受的阻力變大,常出現導管中堵滿砼,甚至漏斗內還有部分砼,此時應加大設備的起重能力,以便迅速向漏斗加砼,然后再稍拉導管,若起重能力不足,則應用卷揚機拉緊漏斗晃動,這樣能使砼順利下滑至孔底,下灌后,繼續向漏斗加入砼,進行后續灌注。

2.后續砼灌注。砼灌注工作開始后,必須連續不斷地進行并且每斗砼灌注間隔時間盡量縮短,拆除導管所耗時間嚴格控制,一般不超過15min,不能中途停工;在灌注砼過程中,隨時探測砼高度,及時拆除或提升導管,注意保持適當的埋深,導管埋深一般保持在2～4m,最大埋深不大于6m。注砼注意的幾個問題:

(1)導管下端距樁底控制為0.3～0.4m;在一切工作就緒,經量測孔底沉淀層超標時,采用射水(射風)管沖射3～5min。

(2)導管埋入砼的深度在任何時候不小于1.0m。

(3)水下灌注砼的實際樁頂標高應高出樁頂設計標高0.5m左右。

(4)嚴禁導管漏水或導管底口進水(即封不住底)而造成斷樁事故,保證施工質量。

(5)當砼灌注完畢后,待樁上部砼開始初凝,解除對鋼筋籠固定措施,保證鋼筋籠隨著砼的收縮而收縮,避免黏結力的損失。

3.后期砼的灌注。在砼灌注后期,由于孔內壓力較小,往往上部砼不如下部密實,這時應稍提漏斗增大落差,以提高其密實度。

4.灌注中意外情況的處理

(1)后續砼灌注中,當出現非連續性灌注時,漏斗中的砼下落后,應當牽動導管,并觀察孔口返漿情況,直至孔口不再返漿,再向漏斗中加入砼,牽動導管的作用如下。

1)有利于后續砼的順利下落,否則砼在導管中存留時間稍長,其流動性能變差,與導管間摩擦阻力隨之增強,造成水泥漿緩緩流墜,而骨料都滯留在導管中,使砼與管壁摩擦阻力增強,灌注砼下落困難,導致斷樁,同時,由于粗骨料間有大量空隙,后續砼加入后形成的高壓氣囊,會擠破管節間的密封膠墊而導致漏水,有時還會形成蜂窩狀砼,嚴重影響成樁質量。

2)牽動導管增強砼向周邊擴散,加強樁身與周邊地層的有效結合,增大樁體摩擦阻力,同時加大砼與鋼筋籠的結合力,從而提高樁基承載力。

(2)剪球時卡管。在灌注水下混凝土時,經常會產生剪球時卡管的情況,出現這種情況的原因有兩個。

1)剪球制作不合理。塞球直徑與導管直徑差別太小,剪球前由于砂漿或細石料滲入導管與球壁之間造成堵塞。如果是這種情況,在不浪費混凝土方量的前提下,應急處理辦法有兩個:用一定長度(一般比漏斗長2m左右)直徑為20～25mm的鋼筋捅塞球,使混凝土下落;利用機械振動使混凝土下落,這種方法要求操作技術嫻熟,以保證混凝土下落時導管回落到正常埋管的位置。

2)混凝土不合格。如果開盤后的混凝土坍落度過小或拌和不均勻,加上累積混凝土過程中粗骨料下沉,可能導致漏斗口處粗骨料相互擠壓密實而堵塞漏斗口,導致剪球后混凝土難以下落。

補救的辦法同上,同時必須注意:第一斗混凝土坍落度一般以控制在水下混凝土坍落度規范要求的高限為宜,為確保剪球順利,可適當控制石料用量,等剪球完成后再按正常配合比進行拌和。如果采取措施后混凝土仍不下落,時間又長,只能放棄這斗混凝土,適當清孔或用空壓機對孔底進行擾動后重新灌注混凝土。

(3)灌注中途卡管。因機械故障(如斷電)使混凝土在導管內停留時間過長,或者灌注時間過長,部分混凝土已經初凝使下落阻力增大而堵在導管內。這種事故應以預防為主。灌注前應全面檢修設備。盡可能使灌注連續快速,在灌注初期混凝土中摻入適量緩和劑,以避免混凝土過早初凝。如果已灌注混凝土厚度3m以內出現卡管又無法補救到繼續灌注時,建議停止澆筑,拔出導管,采用吸泥機吸出混凝土,并重新清孔再灌注,或者提起鋼筋籠,重下鉆頭,加大泥漿濃度鉆至設計標高并排出已灌混凝土,再按常規辦法清孔,重新灌注,以小的損失換取高質量工程。如果已灌注混凝土厚度較大,重鉆清孔不太可能,只能采取更換導管重新灌注的辦法,但如何保證更換導管后不斷樁值得研究。

(4)埋管。澆注過程中導管無法拔出有兩種可能:

1)鋼筋籠制作質量差,部分鋼筋脫離主筋后插入導管吊環內(這種情況一般會浮籠)。這時應正反轉動導管,使導管與鋼筋籠分離并居鉆孔中心,再繼續澆筑。

2)導管埋深過大或混凝土初凝使導管內外摩擦力增大,水下混凝土灌注應嚴格控制埋管深度,不得大于6m,且不小于1m。為防止混凝土初凝,除適當加緩凝劑外還應振動導管。

一旦埋管發生,應先查明究竟是何種原因,盡可能增大拔力拔起導管(但要防止拔漏導管),拔起過程中應正反搖動導管,使其易于拔起。

(5)浮籠。浮籠事故在灌注水下混凝土過程中并不鮮見,對于只下半籠(即鋼筋籠長度小于成孔深度)的鉆孔樁更是有可能發生。產生這種現象的原因與混凝土的頂推力有關,但預防不力是一個因素,所以下籠時應采取相對固定措施,盡可能多焊幾條主筋在鉆機底座上,增大固結力。

在灌注過程中混凝土何時接近或進入鋼筋籠應做到心中有數。在混凝土面接近和進入鋼筋籠時,應保持許可范圍之內的較深埋管,并連續灌入混凝土盡可能減少混凝土從導管底口出來后對鋼筋籠的沖擊力;當混凝土面進入鋼筋籠一定深度后,適當提升導管,以增加鋼筋籠的埋深,使得混凝土與鋼筋籠的握裹力保證鋼筋籠不至上浮。

如果出現浮籠,應盡快處理,扼制繼續上浮,最好用多根直徑6cm左右鋼管套住鋼筋籠主筋再焊在護筒上,并用鋼筋或方木成網狀壓住所焊鋼管及護筒,這樣,還能保證鋼筋籠上浮時不至過分偏位。

四、結語

該大橋主橋樁基施工中,面臨巨大的進度壓力,通過成立QC攻關小組對粘性泥巖的樁基施工指標的試驗,尋找最佳的成孔指標,有效加快成孔施工進度,同時,加強質量的控制。經過小組成員的共同努力,很好地指導樁基施工,使施工在制定工期內完工,為洪水前結構物露出水面打下堅實的基礎。樁基全部采用超聲波檢測,其中兩根樁增加大應變檢測,檢測結果全部為Ⅰ類樁。

作者簡介:肖潛(1981- ),男,中交四航局第一工程有限公司助理工程師,研究方向:施工管理。