冲孔桩施工充盈系数大的分析

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  摘要:根据“东莞市搜于特服装股份有限公司-总部建设项目工程-基础工程”已完成155根冲孔灌注桩砼充盈系数统计,最大砼充盈系数为2.01,平均砼充盈系数1.41,相对一般地质砼充盈系数为1.1,本项目有必要针对具体的地质情况进行研究,采取有效的措施改善砼充盈系数过大,从而降低工程施工成本。
  中图分类号:TU74文献标识码: A
  一、工程概况
  东莞市搜于特服装股份有限公司-总部建设项目工程占地面积55337.87平方米;用地为不规则型,被规划道路及万江水系环绕,独立而相对封闭,地势较低洼;基地内现状已被平整,在基地的东部为百代五金厂有污染,对项目有一定的影响。
  本工程地上部分独立分为九栋:1#研发楼,2#办公楼,3#食堂及宿舍楼,4#宿舍楼,5#宿舍楼,6#职工活动楼,7#产品展示楼, 8#变配电房,9#门卫室。其中1#研发楼,2#办公楼地下部分连通,地下共一层,供地下停车和设备用房。本工程桩基础采用钻(冲)孔灌注桩,桩端持力层3-3层中风化泥岩,桩径为800及1000mm两种,混凝土强度为C30,桩长20~25米,总根数为975根。
  二、工程地质
  1、场地工程地质条件
  1)、场地位置及地形地貌
  场地位于东莞市道滘镇大岭丫村。场地为河流冲积阶地地貌单元,场地地形经人工推填平整,场地较为平坦。场地地面高程最大值2.04m,最小值1.51m,地表相对高差0.53m。孔口平面坐标采用珠坐标系,85国家高程基准。
  2)、区域地震
  东莞区域内历史上地震运动以微震为主,一般震级1~3级。东莞于1372~1621年间发生过7次有感地震。邻近的深圳在1567~1770年间发生过6次有感地震,其中1969年12月发生M=2.5级地震。1970~1975年在深圳、南头、九龙、沙头角、大鹏湾及东莞长安等地发生过11次地震,震级1~2.4级。
  3)、场地地层结构
  根据地质成因,在勘探深度内,场地地层为填土层、冲积层,下伏基岩为侏罗纪泥岩,各岩土层分布情况及工程地质性能按自上而下作如下阐述:
  (1)人工填土层〖Qml〗:
  ①、素填土层(第1层):灰黄、灰黑、灰色,湿,主要由粘性土、砂粒、碎石、砖块等组成,结构松散,近期堆填。场区普遍揭露到,揭露厚度:0.20~2.00m,平均1.01m;层顶标高:1.51~2.04m,平均1.67m;层顶埋深:0.00m。
  本层土质不均匀,未完成自重固结,具低强度。
  (2)冲积层〖Qal〗:根据其成分,沉积韵律及其纵向接触关系分为如下5个亚层:
  ①、淤泥(第2-1层):灰黑、深灰色,饱和,流塑,含粉、粘粒及粉细砂粒,局部含贝壳残骸,味臭,污手。场区在ZK1~ZK14、ZK18、ZK19、ZK21~ZK32、ZK35~ZK47、ZK51~ZK70、ZK72、ZK74孔揭露,揭露厚度:0.50~6.20m,平均3.33m;层顶标高:-0.47~1.43m,平均0.68m;层顶埋深:0.20~2.00m,平均1.00m。
  本层为高压缩性土,低强度,建议其地基承载力特征值为:fak=40(kPa)。
  ②、细砂(第2-2层):灰白、黄色、灰色,饱和,松散,局部稍密,主要由粉、细粒石英砂组成,含粉、粘粒,分选一般。局部含淤泥质。
  本层具中等强度,建议其地基承载力特征值为:fak=120(kPa)。
  ③、中砂(第2-3层):灰黄、灰白、灰色,饱和,稍密,局部稍密, 主要由
  中粗粒石英砂组成,含粉、粘粒,分选一般。
  本层具中等强度,建议其地基承载力特征值为:fak=160(kPa)。
  ④、淤泥质土(第2-4层):灰黑、深灰色,饱和,流~软塑,含粉、粘粒及粉细砂粒,局部含贝壳残骸,味臭,污手。
  本层为高压缩性土,低强度。建议其地基承载力特征值为:fak=50(kPa)。
  ⑤、粉质粘土(第2-5层):灰黄、灰白、灰色,湿,可塑,主要由粉、粘粒及少量砂粒组成,粘性好,稍有光泽,干强度高。
  本层为中压缩性土,中等强度,建议其地基承载力特征值为:fak=160(kPa)。
  (3)基岩〖J〗:根据其风化程度及工程力学性质分为如下4个亚层:
  ①、泥岩全风化带(第3-1层):灰黑、灰色,岩质软,风化裂隙极发育,岩体极破碎,原岩结构构造已完全改变,岩芯呈坚硬土状,手可捏碎,泡水易软化,失水易碎裂,干钻钻进较难。
  本层为较低压缩性,较高强度。建议其地基承载力特征值为:fak=380(kPa)。
  ②、泥岩强风化带(第3-2层):灰黑、灰色,岩质软,风化裂隙极发育,岩体极破碎,原岩结构构造大部分改变,岩芯呈半岩半土状,手可折断,泡水易软化,失水易碎裂,干钻钻进困难。
  本层为较低压缩性,较高强度。建议其地基承载力特征值为:fak=600(kPa)。
  ③、泥岩中风化带(第3-3层):灰黑、灰色,岩质较软,风化裂隙发育,岩体破碎,原岩结构构造部分改变,岩芯呈碎块状,圆饼状,短柱状,敲击易沿节理面裂开,钻进较难。
  本层为软岩,较破碎,岩体基本质量等级为Ⅴ类;为高强度,根据岩石天然湿度下单轴抗压强度试验,综合考虑其裂隙发育、岩石风化程度、破碎程度等情况,建议其地基承载力特征值为:fa=1500(KPa)。
  ④、泥岩微风化带(第3-4层):灰黑、灰色,岩质较硬,风化裂隙稍发育,岩石裂面较新鲜,岩体较完整,岩芯呈短柱状,敲击声脆,泥质胶结,钻进困难。
  本层为较软岩,较破碎,岩体基本质量等级为Ⅳ类;高强度,根据岩石天然湿度下单轴抗压强度试验,综合考虑其裂隙发育、岩石风化程度、破碎程度等情况,建议其地基承载力特征值为:fa=2500(KPa)。
  2、场地水文地質条件
  1)、场地岩土层渗透性:
  场地岩土层中,第2-2层细砂层、第2-3层中砂层属强透水性地层,其余岩土层属弱~微透水性地层。
  2)、场地地下水类型:
  场地地下水砂层为承压水类型,其余为孔隙潜水类型,下层为基岩裂隙水。场地地下水受大气降水、地表水及地下水体的垂向、横向渗透补给为主,以蒸发及向地势较低处排泄。
  3)、场地地下水位:
  场地地下水埋藏随地形起伏有一定变化,初见水位0.50~1.00m;测得地下水水位埋深0.60~1.00m,平均0.72m,稳定水位标高0.87~1.07m,平均0.95m,其稳定水位随地形及季节性气候影响而波动,地下水变化幅度约为1.00m。
  三、砼充盈系数过大的原因分析
  结合场地的地质情况,通过对施工现场情况的分析:桩孔在冲孔施工过程中产生的扩径、坍塌及砼灌注中产生的扩径等缺陷,是导致砼充盈系数增大最主要的直接原因;由于本场地存在深厚淤泥层,淤泥承载力小、低强度、高压缩性、触变性强、有坍塌和流动的性质,冲孔桩砼灌注时压力大,对孔壁挤密造成桩径增大;桩锤的直径过大造成成孔直径超过设计桩径;泥浆相对密度不够及其他指标不符合要求,泥浆护壁未起到应有的作用;冲击成孔操作错误形成扩径等。
  四、针对各种因素采取的应对措施
  1、桩锤直径选取
  桩锤直径大小直接影响成孔直径,选用适当的钻头直径,是控制充盈系数的一个重要因素,为避免充盈系数过大,根据本项目地质情况复杂,针对不同的地质选择不同的钻头直径。如淤泥、砂层等容易塌方地层,选用的钻头直径比设计桩径小8~10cm相对适宜。施工中钢筋笼下放顺利,灌注混凝土时,混凝土面上升均匀,实用方量与设计方量偏差不大,充盈系数在1.15~ 1.30,证明选用的钻头能保证桩径不小于设计,同时避免孔径超大造成混凝土浪费。
  2、泥浆性能指标选择
  冲孔灌注桩对泥浆的要求较高,泥浆质量差的后果是:形成不了护壁泥膜或形成的泥皮粘附力差,易于脱落,导致孔壁稳定性差,易产生塌孔或缩颈;泥浆稠度大,比重大,含砂率高,形成的泥皮质量差,厚度大,大大降低桩的侧摩阻力。结合本项目地质情况,在冲孔施工过程中随时调整泥浆性能指标,有效控制充盈系数。淤泥、砂层易塌方,泥浆比重选用1.3~1.5,并加入片石加强护壁;粉质粘土以粉粘粒为主,粘性一般,泥浆比重选用1.2~1.4;强风化泥岩质地稍硬,互挤易碎,泥浆比重选用1.3~ 1.5;中风化泥岩质地坚硬,泥浆比重选用 1.4~1.6。冲孔至设计标高后调整泥浆比重进行清孔。此方法护壁效果较好,不会造成大的混凝土浪费。
  3、冲程控制
  结合本项目地质情况,在淤泥、砂层、粉质粘土层冲击时,钻头应采用中小冲程(0.75~1.5m)反复冲击,以加强护壁,冲程过高就会扰动孔壁而引起坍孔、扩孔,经常清除钻头上的泥块,提高钻进效率。在质地稍硬的强风化泥岩时应以中冲程(2.0~3.0m)冲击,在质地坚硬的中风化泥岩时应以中大冲程(3.0~4.0m)冲击,要勤掏渣,加大冲击能量。冲击钻进时,必须准确控制松绳长度,避免打空锤。使钢丝绳在每次冲击过程中始终处于拉紧状态,避免放多了使钻头在落到孔底后向孔壁倾斜,撞击孔壁造成扩孔、塌孔事故。
  4、成孔速度
  应根据不同地质情况选取相应的成孔速度,速度过快,孔壁未形成有效泥浆护壁,易出现孔壁坍塌,造成扩孔,影响桩基质量且浪费混凝土。粉质粘土、淤泥、砂层等地质较软,如果成孔速度过快,造成的桩孔将很不规则,会产生桩的径向摆动,而发生孔壁坍塌现象,进尺以2m/h 以内为宜;强风化以1m/h 以内为宜,中风化以 0.5m/h 以内为宜,以桩机不发生跳动为准。如果速度太快,击碎的岩渣未及时清除干净,出现二次破碎,影响成孔速度。
  5、防范偏孔、斜孔、塌孔
  采用在滚筒下垫枕木使钻机底座平整、稳固,确保在钻进过程中不发生倾斜和位移,精确放样桩位,根据桩中心在周边按十字交叉线设置4 根护桩,便于钻孔过程中随时检查是否偏孔。如出现钻机倾斜、偏位,应及时调整,防止打偏孔。如遇表面不平整或者倾斜的岩层时,应先回填适量片石,将表面垫平,再冲击钻进,防止发生斜孔事故。当冲孔倾斜时,在孔内回填粘土或风化岩块至偏孔处上部0.5m,再重新冲进。施工过程中,随进尺情况及时增加相应密度的泥浆,在冲孔排渣、提钻头焊锤或因故停钻时,应保持孔内具有规定的水位和泥浆比重。由于地质情况发生变化等原因,将会出现因漏水、漏浆等导致的孔壁坍塌的质量事故,应观察孔内水位有无突降、冒泡等情况,冲进中如遇塌孔,应立即停冲,回填夹片石的粘土块,加大泥浆比重,待孔壁稳定后反复小冲程冲孔,以补缺塌孔位置护壁,减少混凝土浪费。
  6、清孔方法
  目的是使孔底沉碴(虚土)厚度、泥浆液中含碴量和孔壁泥垢厚度符合质量要求和设计要求,为在泥浆中灌注混凝土创造良好的条件。当冲孔达到设计深度后停止冲进,用制作好的简易探孔器进行扫孔,确保桩基直径不小于设计,又能把护壁上多余的泥浆清理掉。然后把泥浆管绑在钻头上放至孔底,采用循环泥浆的方法进行清孔,并根据渣样情况调整泥浆浓度,直至孔底沉渣厚度满足吊装钢筋笼要求。钢筋笼吊放好以后利用导管进行二次清孔,使孔底沉渣厚度、泥浆比重、含砂率均满足设计及规范要求。同时,要注意避免射水压力过大,破坏钻孔护壁的完整,长时间清孔易造成孔径超大。
  7、钢筋笼改进与安装
  由于淤泥承载力小、低强度、高压缩性、触变性强、有坍塌和流动的性质,冲孔桩砼灌注时在砼的重力作用下,砼会产生向四周的挤压力,对孔壁挤密造成桩径增大,故在钢筋笼外周包裹一层能阻止砼向四周扩散且能满足设计桩径的东西对钢筋笼进行改进,对控制砼充盈系数过大也是行之有效的方法。
  安装钢筋笼之前先用制作好的简易探孔器进行扫孔,钢筋笼制作应顺直,保护层采用焊接耳形钢筋来保证,每隔 2m 一组,每组 4 个均匀设于钢筋笼四周。通过吊车的大小钩采用两点吊放,在钢筋笼水平起吊后,通过调节吊车大小钩的起吊速度使钢筋笼竖立,下放时要注意缓慢均匀,根据下笼深度,随时调整钢筋笼入孔的垂直度,尽量避免其倾斜及摆动;不得紧靠着孔壁下放,避免把泥浆护壁刮落造成扩孔;缓慢下放到达标高后,调整钢筋笼垂直中心线与4 根护桩的交点重合,在孔口地面上平放几根枕木,扩大受力面积,然后将对称焊在钢筋笼顶部主筋上的两根吊筋通过钢棒吊挂在枕木上,避免因钢筋笼过重使护筒或地面沉陷,造成孔口塌方;避免鋼筋笼上浮,分别在两根吊筋上套一根钢管。
  8、控制桩头砼超灌高度
  为保证桩顶混凝土质量和有效桩长,灌注混凝土时一般会比设计桩顶超灌一定的高度,本项目在施工时,精确测量护筒顶标高,现场人员随时检测灌注高度,控制灌注混凝土顶面标高,一般比设计桩顶高 0.5m~0.8m,有效避免了混凝土超灌过高造成浪费。
  结束语
  降低充盈系数是钻孔灌注桩节约成本最重要的手段,本文根据“东莞市搜于特服装股份有限公司-总部建设项目工程-基础工程”冲孔灌注桩施工的经验,分析了影响充盈系数的因素,包括钻头直径选取、泥浆性能指标选择、冲程控制、成孔速度、防范偏孔、斜孔、塌孔、清孔方法、安装钢筋笼、控制桩头超灌高度,并提出了相应的防范和处理措施。 本项目通过对影响灌注桩充盈系数因素的有力控制,经统计分析,本项目已成桩的 32 根桩基充盈系数平均为1.24,桩基检测结果显示桩基质量良好,均为I 类桩。保证了工程质量,并取得了良好的经济效益,节约了施工成本,对今后的类似工程有一定的参考价值。
  参考文献
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