超深嵌岩灌注桩的施工技术

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  摘要:本文以会泽冶炼厂——酸库及装酸工段的装酸计量槽工程。在施工中采用了旋挖桩机与冲孔桩机相结合的施工技术,解决了嵌岩深,承载力高,质量要求高等问题,成桩质量良好,施工速度快,满足设计要求。
  关键词:旋挖钻孔;冲孔成孔;水下混凝土浇灌;质量控制;质量缺陷的预防
  
  一、工程概况
  (一)设计概况
  装酸计量槽工程:建筑面积245㎡,框架结构,一层,层高5m,横向1-10轴线8跨48米长,纵向A-B 轴线5.1米,中间⑤⑥轴线为沉降缝,屋面8个硫酸储罐,设8个装硫酸的接口,承担着每年24万吨硫酸的发货任务。
  基础设计为机械钻孔灌注桩,一柱一桩,共计20棵桩,成桩直径800mm,桩长30~40m,桩尖要求全截面嵌岩大于500mm(即进入中风化岩石层不少于500mm),岩石饱和单轴抗压强度标准值为37MPa,桩孔成型后,清孔沉渣厚度不得大于50mm,桩混凝土标号C30,钢筋HPB235、HRB335。
  2、地质概况:场地位于低中山溶蚀盆地及溶蚀斜坡地带,原始地形起伏较大,现已整坪。根据地质钻探揭露,场地内分布的地层主要有第四系全新统人工堆积层(Q4ml)素填土、植物层,冲洪积层(Q4al+pl)粘土、泥炭质土、圆砾,下伏二叠系下统栖霞、茅口组(P1q+m)泥岩、白云质灰岩。
  桩基基础设计参数及土层分布表
  
  岩土名称 状 态 泥浆护壁钻(冲)孔桩 分布深度(m) 承载力特征值 岩石饱和单轴抗压强度标准值(Mpa)
   桩的极限
  侧阻力
   标准值qsik(kPa) 桩的极限端阻力标准值qpk(kPa)
   15≤l<30 l≥30
  粘土③1 软塑 38 * * -2 — -3 100 *
  粘土③2 可塑 53 600 750 -6 — -9 120 *
  粘土③3 硬塑 84 1400 1600 -9 — -11 160 *
  泥炭质土④ 软塑 12 * * -12 — -15 70 *
  圆砾⑤ 稍密 110 2000 -17 — -20 230 *
  泥岩⑨2
  中等风化 * * -20 — -23 800 10
  白云质灰岩⑩1 强风化 160 2400 -23 — -26 500 *
  白云质灰岩⑩2 中风化 * * * -25 — -30
   4000 48.48
  
  白云质灰岩⑩21 破碎 * * * -26 — -40 2000 “21.0”
  溶洞○121
  软~可塑 38 * * * * *
  注:“”内数据为经验数据,l为桩长。
  
  白云质灰岩⑩2属力学强度较硬硬质岩,岩体较完整,岩体质量等级为IV级,中等风化岩层力学强度高,工程性能良好,是较理想的建筑物基础持力层。
  地下水位-2.5m,地下水对混凝土结构具微腐蚀性。
  二、施工工艺和技术要求
  (一)旋挖钻孔,冲击成孔灌注桩的施工工艺
  施工准备→测量定桩位→桩位清理→测量放线定桩位→埋设护筒→旋挖桩机就位→泥浆制备→钻孔至强风化岩石层→旋挖机退出→,冲击桩机就位→冲击成孔至中风化岩石层500~800→第一次清孔→沉渣检测→吊放钢筋笼→(沉渣检测)第二次清孔→安放导管→浇灌水下混凝土。
  (二)技术要求
  1.施工准备
  (1)技术准备。认真熟悉现场的工程地质和水文地质资料,查看场区内地下障碍物,管网等相关资料,结合场区情况,编制施工方案并对比,对施工人员进行图纸和施工方案交底;组织学习施工施工规程;对测量基准点交底,对水、电、泥浆池位置进行交底。
  (2)机械准备。选用2R160旋挖机一台,转运土方选用50型装载机一台,冲孔桩机4台,每小时30立方米搅拌站一套,砼输送泵一台,16T吊车一台,钢筋加工机械两套。
  (3)材料准备。浇灌谁下砼的料斗导管一套;复核要求检验合格的满足生产需要的钢筋、水泥、砂、石、水等。
  2.桩位清理
  在场坪过程中,使用了直径大于20cm以上的块石。旋挖桩机不能挖石头,因此在桩位上用挖机清挖,把石头挖运走,填上土,平整出来。
  3.护筒埋设
  护筒采用6mm钢板卷焊接而成,直径1000mm上部开设两个溢流孔,长度1.5m,埋设护筒高出地面300mm,采用坑埋设法,护筒埋设完毕应检查是否与桩中心线重合,起出允许误差(平面50mm竖直线1%)重新埋设。检查合格后,四周用粘性土回填夯实。
  4.泥浆池的设置,泥浆的调制和使用
  (1)泥浆池的设置。根据现场情况和计量槽的桩位布置图,设置两个泥浆池在A-B、3-4、7-8轴线,泥浆使用最远的为12m,挖沟排入浆池。每个60m3满足3棵桩同时换浆的需要。
  (2)泥浆的调制。护壁泥浆的作用是防止塌方。在孔内用相对密度大于1的泥浆进行护壁。
  护壁泥浆的调制采用水、膨润土和添加剂按一定比例在钻孔中搅拌均匀:膨润土用量为水量的8%;添加剂使用(CMC)羧甲基纤维素参量是膨润土的5%;重晶石细粉,参量为水量的2%,外加剂的参量先做试配,实验其掺入对外加剂后的泥浆性能指标是否有所改善并符合要求。
  5.旋挖成孔
  (1)旋挖机的工作原理。由全液压的动力头产生扭距,并由安装在自钻架上的液压油缸提供钻动力,这两部分通过伸缩式钻杆传递至钻头,钻下的钻渣充入底部设有活络挡板的钻斗,由住卷扬机提拔出孔外,旋挖是通过转盘提供扭距将一设有伸缩杆式的钻斗压入土中,钻斗底门上装有斜向斗齿用来切削土体。当土质较软时,仅靠钻杆,钻斗自重即可将旋转的斜向斗齿切入土中;当土质较硬时,可以利用设在钻斗上部的压杆将斜向斗齿强行切入土中。钻斗的底部还设有活络挡板,可以使被切下的土体进入钻斗后不会回落,待钻斗中装满土以后,停止施加扭矩,提斗旋转,就近弃渣而成孔。装载机需要清理弃渣,保持旋挖场地平整。
  (2)旋挖的技术要求。根据地质资料配备,可切削局部强风化岩石的钻头;钻孔前调整好施工机械,对钻孔准备工作进行检查;钻机就位时检查钻头与护筒中心线重合,偏差不大于20mm,钻机就位应平稳固定,保证在钻进过程中不产生位移摇晃;钻孔过程中应认真填写钻孔记录,经常对护壁泥浆进行检测核实验,及时矫正;注意土层变化并记入记录表中,与地质剖面图核对;开钻时,在护筒下一定范围内应慢速钻进,待导向部位或钻头全部进入土层后,方可正常钻进;钻进过程中应经常检查钻杆垂直度,及时补充护壁泥浆,控制钻头在孔内升降速度,防止因浆液对孔壁的冲刷及负压而导致坍塌,泥浆密度控制在1.1~1.3g/cm3,当旋挖桩机斗内出现强风化岩石且不能钻进时停止旋挖,转入下一颗桩。
  6.冲击成孔
  (1)冲击成孔的工作原理。用卷扬机悬吊冲锤,上下往复冲击,将硬质土或岩石层破碎成孔。优点是设备构造简单,操作方便,孔型较坚实,不受施工场地的限制,无噪声和振动的影响;缺点为陶泥浆较费工时费,成孔速度较慢,泥渣污染环境。
  (2)冲击成孔的技术要求。桩机就位检查,冲锤与护筒中心线重合,偏差不大于±20,护筒为旋挖时埋设护筒,在风化岩层冲孔,泥浆密度调整为1.2~1.4g/cm3,提锤高度2-3米,锤重1.5t, 冲击频率30-40次/min。排浆采用循环排浆法,冲击阶段始终保持孔内水位高出护筒底口0.5m。
  7.旋挖成孔,冲击成孔的配合施工
  旋挖采用直径 800mm的钻头,冲锤采用直径800mm的锤头,直径1000mm的护筒共用进行旋挖、冲孔。因旋挖成孔,速度快,进不了风化岩石层,冲击成孔速度慢,可以达到进入风化岩石层的设计要求,结合两种桩机的特点,用旋挖桩机挖完土层后,再用冲击桩机接着冲击成孔,施工中用一台旋挖机,四台冲击桩机配合施工,旋挖桩机还是在等冲击桩机,最佳的配合是1:8。施工11天,旋挖施工487m,冲击成孔142m。
  8.成孔的质量检查
  (1)持力层的检查。有勘察孔的,按勘察孔的绝对深度检查。无勘察孔的,根据旋挖弃渣确定是否进入强风化岩石层,根据锤击次数(时间)进尺是否有明显变化,结合泥浆中的颗粒物是否坚硬无杂质、洁白,判定是否进入中风化层。
  (2)入岩深度的检查。有勘察孔的,安勘察孔的指标检查。无勘察孔的,垂击进尺发生明显变小时测量一次,护筒顶至孔底深度,冲击下50-80cm, 后再测量一次,两次之差极为入岩深度。
  2,。
  (3)沉渣的检查。用0.5kg的吊线砣和0.5kg的杆称称砣栓测量尺测量,每孔测三个点,差值就是沉渣厚度,此次冲击岩石层,泥浆密度大,采用循环换浆孔后,泥渣厚度均小于50mm。
  9.吊放钢筋笼
  (1)钢筋笼制作。钢筋笼为预先制作好27m的一段,主筋接头错开50%,当冲击桩进入中风化层后,实测需要钢筋笼的长度和锚固长度相加,焊接制作实用于此孔的钢筋笼。
  (2)钢筋笼的吊装。钢筋笼均为一次起吊下孔,起吊方式为两点起吊转换成一点吊,分别利用吊车的两个吊钩,每个吊钩挂一个点,利用重心偏移原理,通过两吊钩上钢绳的收放,转化为一点钢筋笼中心起吊,保证钢筋笼不弯曲,并整体垂直入孔内,放钢筋笼入孔时,应对准孔位,慢放入孔,遇阻碍要查明原因,进行处理,不得强行下放。
  10.浇灌水下砼
  现场搅拌站拌制,砼输送泵泵至料斗,料斗通过导管进入孔底的施工方法。
  (1)水下砼的技术要求。配合比经冶金质监站试验室试配,坍落度140-180mm,砂选择机制砂,砂率42%,含泥量10.8%,细度模数3.1(中砂),粗骨料粒径0.5-26.5mm,水灰比0.5。每立方砼配合比(kg):水209,P42.5水泥418,掺合料粉煤灰33,泵送剂2.93,砂722,碎石1004。搅拌时间60s.
  (2)导管的技术要求。采用钢制导管,导管内径200~250mm,壁厚不小于3mm,导管之间采用丝扣连接,连接时必须加垫密封圈或橡胶垫,并上紧丝扣导管使用前应进行水密性承压和接头抗拉实验,导管安装的要求, 计算孔深确定导管总长,第一节导管长度4~6m,标准节为2~3m,上部放2~3根0.5~1.0m来调节吊罐的总长。居孔中安装放置,导管底到孔底距离30~50m。
  (3)料斗的技术要求。首斗混凝土的容量应满足导管埋入混凝土±0.8m以上。
  料斗的容积核算:
  V≥(H1+0.8)×3.14×R×R×1.2+3.14×r×r×h1
  料斗的容积V=0.5×0.5×3.14×1+1/3×0.5×0.5×3.14×0.5=0.91m3
  首斗混凝土的需要量=(0.5+0.8)×3.14×0.3×0.3×1.2+3.14×0.1×0.1×10=0.814<V,满足要求。
  公式中 ---孔底至导管端距离一般为0.3~0.5m
  ---孔桩半径
  ---平衡时导管中混凝土高度(取空桩长度的1/3m)
  ----导管半径(m)
   -----料斗容积
   1.2-----冲盈系数
  (4)灌注及拔出导管的要求
  浇灌砼采用孔外料斗装满混凝土,用吊车吊至孔上连接导管与料斗,打开闸门,砼从导管进入孔底。连续浇灌过程中,经常测探孔内混凝土面的位置,导管埋入深度以2~6m为宜,当埋入深度大于6m时拔、拆除两个2m的或一个3m的标准节,保证导管埋入深度≥2m。
  浇灌顶标高比设计高出0.5~1.0m,以保证桩头的砼强度,多余的部分,承台施工前凿除,桩头无松动散层。
  11.灌注桩的质量
  混凝土达到龄期后,开挖,破凿桩头,检查桩中心线误差30~40mm、桩直径+100mm,小应变检查,全部为A类桩,静载检验达到设计要求。
  三、混凝土灌注桩质量缺陷的原因及控制技术
  (一)第一斗砼未封底
  原因:(1)、沉渣量过大 ,(2)、导管距孔底太远 ,(3)、料斗量不够,(4)、桩底有空洞。
  控制:认真检查,采用正确的测量绳与测锤,一次清孔后,不符合要求时,要采取措施,如改善泥浆的性能,延长清孔时间,下完钢筋笼后再检查沉渣量,如沉渣量超过要求,应进行二次清孔。导管底端距离孔底高度,依据桩径大小,导管平衡时砼存量而定,最高不超过0.5m;冲孔过程中,观察泥浆的高度变化,如出现突然下降,应报告项目部、监理、地勘部门处理,如加浆后不再变化,应做好记录,记录加浆数量,孔深位置,浇灌混凝土时采取相应的措施。
  (二)导管堵塞
  原因:
  (1)浇灌时间过长,上部混凝土已经接近初凝,形成硬壳,而随着时间增长,泥浆中的残渣将不断沉淀,积累在混凝土表面,减弱了混凝土的压力,使浇筑极为困难,造成堵管。控制方法:加快砼的浇灌速度,开始浇灌时,料斗装满,开闸后产生很大的冲击力以克服泥浆阻力,快速连续浇注,使泥浆一直保持流动状态。
  
  (2)突然浇注大量的混凝土,导管内空气不能马上排出,造成堵管。控制方法:匀速快速浇灌混凝土。
  (3)混凝土的质量,混凝土活易性不好或离析使大量石子聚集在一起,流动性差导致堵管,控制方法:保证混凝土的质量符合浇灌水下混凝土的要求。
  (4)导管壁沉积混凝土导致堵管,控制方法,导管使用后及时冲洗,保证导管内干净光滑。
  (三)导管拔出混凝土面
  原因:(1)导管堵塞时,采用上下提震法使混凝土强行流出,此时导管埋深浅,容易提漏。(2)因泥浆过稠,在测量导管埋深时,对混凝土浇筑高度判断错,而在提管时多提,使导管提出砼面。
  控制:按规程规定的测锤测量混凝土表面高度,认真核对,保证提升管不出现失误。
  处理:二次导管插入法,导管底端加底盖阀,插入混凝土面1.0m左右,料斗内注满混凝土时,将导管提起0.5m,底盖阀脱掉,即可继续进行水下混凝土施工,由于要克服泥浆对导管的浮力,混凝土面较深时,不宜采用。
  (四)导管被混凝土埋住
  原因:导管埋深大,采用法兰连接,浇注时间长,增大混凝土与导管的摩擦力,在提升时连接螺栓拉断或导管破裂,会产生断桩。
  控制:埋深以2~6m为宜,如果预料到不能及时供应混凝土,除在混凝土中加入缓凝剂外,每隔15min将导管上下移动几次,幅度以2m为宜。
  (五)桩顶空心
  原因:导管插入混凝土中深度较大,混凝土落度小,拔导管时已接近初凝,导管上拔后混凝土不能及时充填,造成泥浆填入。
  控制:浇灌结束前,导管插入混凝土中深度不超过6m,灌注结束后,拔管出混凝土前,先上下活动几次,幅度不超过50cm或用人工振捣桩顶混凝土,时间不超过20秒。
  总结
  计量槽桩基桩尖进入中风化岩石层不少于500,采用了最现代的旋挖机与最古老的冲击桩机相配合,创造了在地下30m深处穿过强风化岩石的范例,满足了设计要求,施工质量符合验收标准,经第三方在施工过程及使用过程中沉降观测,没有沉降,达到了设计意图,提高了处理地基基础的能力,为类似工程提供了经验,创新了思路。
  参考文献:
  [1]《砼灌注桩质量事故的预防及处理》.王晓明等著.
  [2]《地基与基础工程施工工艺标准》.朱华强.
  
  
  
  
  
  
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