钻孔灌注桩可以穿越各种土质复杂或软硬变化较大的土层(如各类黏性土、砂土、碎砾石土、风化岩及多夹层的岩层) 对地基进行加固处理,其对承载力的适应范围广(为300~20000 kN) ,施工机具简单,且施工过程具有噪音低、对相邻楼宇影响小、施工安全性好等诸多优点,因而在基加固工程中得到广泛地应用。
但由于钻孔灌注桩的施工环节较多,技术要求高,工艺较复杂,需要在一个较短的时间内快速完成水下灌注混凝土隐蔽工程的灌注,无法直观的对质量进行控制,人为因素的影响较大,若稍有疏忽,很容易出现一些质量病害,甚至造成病桩、断桩等重大质量事故,危及桩基工程的安全。以下从分析桩基病害的成因入手,介绍一些控制桩身质量病害的技术方法。
1、钻孔灌注桩常见的质量通病
钻孔灌注桩在承受垂直荷载压力的时候,以桩顶位置所受的压力最大,下部承受的压力相对较小。但钻孔灌注桩的成桩工艺与实际受力状况相反,往往是上部混凝土的强度低,中下段混凝土的强度高,若不严格控制,容易出现桩上段强度达不到质量要求的情况。除此之外,还容易出现缩颈、孔壁塌落、孔底沉淤、桩身空洞、蜂窝、夹泥等质量缺陷,造成桩基承载力的下降,影响到工程结构的安全。
2 、影响成桩质量的原因分析
2. 1 影响桩身上部强度的原因分析
(1) 按照施工规范的规定,钻孔后要彻底清除孔底的淤泥,但在实际施工过程中,很难将淤泥彻底清除,于是在浇灌第一斗混凝土进行封底施工时,孔底沉积的淤泥必然混入混凝土中。由于用导管灌注的水下混凝土是从下往上顶升的,先灌入的混凝土顶升于孔的上面,这样就容易出现桩上段强度较低的现象。
(2) 浇灌混凝土时,若导管插入混凝土之内过深,浇注速度又较快,则容易在孔体深部沉积较多的骨料,加上振捣过程所造成的混凝土的离析,也容易导致桩体上部强度较低的质量问题。
(3)埋设护筒的周围土不密实,或护筒水位差太大,或钻头起落时碰撞引起质量问题。
(4)孔壁坍陷的主要原因是土质松散,泥浆护壁不好,护筒周围未用粘土紧密填封以及护筒内水位不高。钻进速度过快、空钻时间过长、成孔后待灌时间过长和灌注时间过长也会引起孔壁坍陷。
(5)钻机安装就位稳定性差,作业时钻机安装不稳或钻杆弯曲所致;地面软弱或软硬不均匀;土层呈斜状分布或土层中夹有大的孤石或其它硬物等情形,以至造成成孔后桩孔出现较大垂直偏差或弯曲。
(6)清孔不干净或未进行二次清孔;泥浆比重过小或泥浆注入量不足而难于将沉渣浮起;钢筋笼吊放过程中,未对准孔位而碰撞孔壁使泥土坍落桩底;清孔后,待灌时间过长,致使泥浆沉积,以至造成桩底沉渣量过多。
2. 2 影响其他桩身质量的原因分析
(1) 混凝土浇注施工中,若导管插入混凝土内过浅(<1.5m) ,则成桩过程中混凝土的上升就不是顶升式的,而是摊铺式的,这时,泥浆、泥块就容易混入混凝土中,进而影响到桩身的质量。除此之外,若设计的桩身直径过小,则混凝土上翻时就会受到孔壁的限制,从而使桩体产生空洞、蜂窝缺陷。
(2) 钻孔灌注桩的承载力主要表现为桩周摩阻力,而桩周摩阻力与孔壁形状和护壁质量密切相关。在施工过程中,孔壁的形状是由钻头旋转速度、钻杆下降速度和土质等因素决定的,泥浆性能(包括容重、黏度胶体率、砂率等指标) 愈好、高程越高,越能保护好护壁,其桩周摩阻力愈大,但施工难度加大,费用也相应提高。
(3) 在钻孔成孔、拆除钻杆泥浆、停止循环至吊放钢筋笼、浇灌水下混凝土的全过程中,施工环节多,时间长,会在孔底淤积较厚的淤泥而影响成桩质量。静置的时间越长,淤积的淤泥越多。
(4) 混凝土在水下浇灌的过程中,其流动性、初凝时间、黏聚性能会变得更差,若稍有疏忽,很容易产生空洞、蜂窝、离析、夹泥甚至断桩的质量缺陷。
3 、成桩质量的控制
3. 1 桩上段强度的保证措施
为保证桩上段强度达到要求,应从下述几方面采取相应的质量保证措施:
(1) 依据桩径和桩底的浓度,正确确定出第一斗混凝土的体积,一般可取1. 5~2. 0 m3 ,也可以按桩身的设计体积的10%加以控制。
(2) 成桩质量与桩身的浇注高度有关,一般控制成桩高度高出设计桩顶标高0. 5~1. 0 m.待凿去高出部分的混凝土后,剩余部分不应有浮浆和夹泥,混凝土标号应符合设计要求,否则要返工重浇。
(3) 导管插入混凝土内的长度应适宜,一般为2~6 m ,长桩可相应有所增加。
3. 2 桩身质量的保证措施
(1) 工程施工前,应先做2个以上的试验钻孔,通过检测钻孔的孔径、垂直度、孔壁稳定性和孔底沉淤等指标,用以核对所选设备、工艺方法是否符合技术要求。检测时,孔壁的稳定时间应≮12 h ,检测数目≮2 个。对一些重要工程,可视情况相应增加测径数量。
(2) 护壁用的泥浆应满足护壁要求,液面需高于地下水位0.5m 以上,有条件时,以高于地下水位2m以上更好。若护壁的泥浆胶体率低、砂率大,则不仅护壁性能差,而且因其容重较大,势必产生沉淀速度过快的问题。
一般来讲,当在黏土或亚黏土中成孔时,可注入清水以原土造浆护壁,控制排碴泥浆的相对密度在1.1~1.2之间;当在砂性土质或较厚的夹砂层中成孔时, 应控制泥浆的相对密度在1.1~1.3之间;在砂夹卵石或容易坍孔的土层中成孔时,应控制泥浆的相对密度在1.3~1.5 之间。
施工过程中,应经常测定泥浆的相对密度、黏度、含砂率和胶体率等指标,使浇注前孔底500 mm 以内泥浆的相对密度≯1. 25 ,含砂率≯8 %,黏度≯28 Pa.s.对一些直径< 1 m 的小直径桩,即使在泥浆停止循环期间,也要使孔内保持合理的泥浆液面。
(3) 在混凝土灌注前的一段时间里,须保证孔壁的稳定性,不能有缩颈或孔壁塌落现象发生。为保证孔底沉渣厚度达到规范的技术要求( 端承桩≤50 mm、摩擦端承桩及端承摩擦桩≤100 mm、摩擦桩≤300 mm) ,以免影响桩的承载力,钻孔到设计持力层以后,要对泥浆进行循环稀释来降低相对密度,以清除泥浆中悬浮的砂子、石渣。除此之外,还要使用真空泵通过管道伸向桩底吸走端部沉渣,要求严格时,在安放钢筋笼后、下放导管之前仍要进行吸渣处理。
(4) 吊放入孔的钢筋笼不得碰撞壁孔,不得有变形损坏。吊放后,先将钢筋笼在垂直位置上固定好,然后进行第二次清孔,检测孔底的淤泥厚度,符合规定后,于0.5 h 之内开始混凝土的灌注施工。
(5) 使用的隔水栓直径应与导管内径相配,同时具有良好的隔水性能,保证顺利排出。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。水下混凝土必须具备良好的和易性,配合比应通过实验室确定,坍落度宜为18-22cm,粗骨料的最大粒径不得大于导管直径和钢筋笼主筋最小净距的1/4,且应小于40mm.为改善混凝土的和易性和缓凝,水下混凝土宜掺外加剂。
应确保导管连接部位的密封性,导管使用前应试拼装、试压,试水压力为0.6-1.0MPa,以避免导管进水。在混凝土浇筑过程中,混凝土应缓缓倒入漏斗的导管,避免在导管内形成高压气塞。在施工过程中,应时刻监控机械设备,确保机械运转正常,避免机械事故的发生。
(6) 钢筋笼初始位置应定位准确,并与孔口固定牢固。加快混凝土灌注速度,缩短灌注时间,或掺外加剂,防止混凝土顶层进入钢筋笼时流动性变小,混凝土接近笼时,控制导管埋深在1.5-2.0m.灌注混凝土过程中,应随时掌握混凝土浇注的标高及导管埋深,当混凝土埋过钢筋笼底端2-3m时,应及时将导管提至钢筋笼底端以上。
导管在混凝土面的埋置深度一般宜保持在2-4m,不宜大于5m和小于1m,严禁把导管提出混凝土面。当发生钢筋笼上浮时,应立即停止灌注混凝土,并准确计算导管埋深和已浇混凝土面的标高,提升导管后再进行浇注,上浮现象即可消失。
(7) 成孔后,必须认真清孔,一般是采用冲洗液清孔,冲孔时间应根据孔内沉渣情况而定,冲孔后要及时灌注混凝土,避免孔底沉渣超过规范规定。灌注混凝土前认真进行孔径测量,准确算出全孔及首次混凝土灌注量。
混凝土浇注过程中,应随时控制混凝土面的标高和导管的埋深,提升导管要准确可靠,并严格遵守操作规程。严格确定混凝土的配合比,混凝土应有良好的和易性和流动性,坍落度损失应满足灌注要求。
在地下水活动较大的地段,事先要用套管或水泥进行处理,止水成功后方可灌注混凝土。灌注混凝土应从导管内灌入,要求灌注过程连续、快速,准备灌注的混凝土要足量,在灌注混凝土过程中应避免停电、停水。
帮扎水泥隔水塞的铁丝,应根据首次混凝土灌入量的多少而定,严防断裂。确保导管的密封性,导管的拆卸长度应根据导管内外混凝土的上升高度而定,切勿起拔过多。
3. 3 混凝土灌注施工的技术要点
因为水下混凝土施工的隐蔽性强,很容易产生松散、离析、缩颈等混凝土质量缺陷,因此,必须着重控制水下混凝土的浇注质量,包括选好原材料、做好配合比、改进工机具、严格按操作规程施工等方面。
(1) 完成钻孔到混凝土浇灌过程的作业时间要紧凑,不宜过长;混凝土的浆体浓度要恰当,浇灌量不得低于设计值,不然会降低泥浆的置换率造成夹泥。
(2) 导管口距孔底要保持400mm 左右的距离,旋转时要精确测量,反复校核。当球塞被压出导管并灌下一定数量的混凝土后,应将导管缓慢下降100~200mm ,使灌注初期导管被混凝土埋入的深度尽可能加大,以保证底层的混凝土质量。
(3) 在灌注过程中,要严格把握施工进度和时间,经常地略微提升导管,以使混凝土均匀注入。导管埋入混凝土的深度一般控制在1~3m之间且不得< 1m ,每间隔15~20min ,要对混凝土面和导管沉入深度进行一次测量和校核。
(4) 若施工过程中发生了混凝土堵塞导管的现象,一般是由于材料规格或配合比选取不当,或者是因为导管漏水漏浆导致管内混凝土与管壁的摩擦力增大、流动性降低造成的,要分清原因有针对性地加以解决,切不要无控制地靠提管消除堵塞。
3. 4 桩身质量的验收
灌注桩质量的检验内容和方法应符合规范的规定,通常检测承载力采用桩荷试验或大应变动测法,而检验桩身质量一般是通过对钻芯样实施超声波检测进行检验,抽查数量不少于总桩数的10% ,若工程需要时,还可相应增加检验数量直至逐根检查。
4、 结语
钻孔灌注桩有许多优点,但由于施工环节多,工艺复杂,成桩质量有可能受到多种因素的干扰和制约,严重时会导致桩身承载力的明显降低,甚至造成病桩、断桩等重大质量事故。为了确保成桩质量和桩基工程的安全,必须对钻孔灌注桩的施工全过程进行严格的质量控制和检测,发现问题及时采取措施予以补救。
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