試議水利工程中灌注樁施工工藝

張曉明

目前，水下混凝土的施工方法分為兩大類：一是在水上拌制混凝土拌合物，進行水下灌注，如導管法、泵壓法、柔性管法、傾注法、箱袋法、鋪石灌漿法、開底容器法和裝袋疊置法；二是在水上拌制膠凝材料，進行水下預(yù)填骨料的壓力灌漿，包括加壓灌注和自流灌注。由于施工方法多樣化和不斷發(fā)展進步，水下不但能灌注一般的水泥混凝土，還能灌注纖維混凝土、瀝青混凝土、樹脂混凝土等。水下混凝土的施工方法越來越多，工程規(guī)模越來越大，應(yīng)用范圍越來越廣，是一種極有發(fā)展前途的混凝土施工技術(shù)。

一、灌注樁的成孔

1.1 成孔設(shè)備和鉆具的要求與選擇灌注樁成孔設(shè)備多為轉(zhuǎn)盤鉆機

鉆進時，鉆頭的擺動較大，擴孔情況嚴重，不利于施工。為了消除這一不良影響，保持鉆孔的垂直度，應(yīng)采取相應(yīng)的技術(shù)措施，約束鉆具的擺動。結(jié)合灌注樁造孔鉆進的鉆頭與小口徑鉆進的鉆頭在底刃、側(cè)刃刻取地層的機理：小口徑鉆進時，鉆頭的側(cè)刃對刻取巖石起到非常重要的作用；而灌注樁鉆進的地層較軟，相比之下，側(cè)刃的作用就小得多。因此，建議在灌注樁孔鉆進時設(shè)計相適應(yīng)的鉆頭以減小鉆孔的擴孔率。

1.2 鉆進參數(shù)的選擇

1.2.1 鉆進泵量

灌注樁孔鉆進時需要較大的泵量以排出粘土粉，其泵量計算公式為：Q=FV60式中，Q——沖洗液量（m3/min）；F——環(huán)狀間隙面積（m2）；V——沖洗液上返返速度（m/s）。以灌注樁鉆進設(shè)計孔徑為500mm、鉆桿直徑為89mm、環(huán)狀面積以0.2m2計算，在采用泥漿泵的最大泵量600L/min時，其泵量使得粘土粉上返的速度是非常緩慢的，遠小于小口鉆探的泥漿的上返速度0.3m/s。

1.2.2 鉆進轉(zhuǎn)速

由于灌注樁孔的鉆進多為粘土層的鉆進，粘土層的強度與硬度等力學參數(shù)較小，鉆具易刻取粘土，所以為了保持鉆進穩(wěn)定，減小鉆進的擴孔率，必須采用較小的轉(zhuǎn)速鉆進。

二、灌注混凝土的配制

2.1 混凝土減水劑的應(yīng)用

根據(jù)目前的資源情況和外加劑性能的特點，在灌注樁混凝土的配制中使用的減水劑多為MF復(fù)合劑。其能使混凝土在滿足性能的基礎(chǔ)上，還具有高流態(tài)、較高抗凍的特點。

2.2 灌注樁混凝土的配制

灌注樁混凝土的配制與建筑混凝土相比具有特殊性，其必須具有較高的流動性，同時還應(yīng)考慮受到泥漿的侵蝕作用而影響混凝土的性能。因此，在配制時建議采取以下技術(shù)措施。

2.2.1 加大設(shè)計配合比

混凝土配制強度Rp采用大于設(shè)計標號R的50%的配合比。不僅總平均值要滿足設(shè)計標號，還應(yīng)滿足95%的強度保證率。強度離差系數(shù)Cv 取0.2，查配制強度與設(shè)計標號之比的關(guān)系曲線可得Rp/R=1.5，即Rp=1.5R。當R=200MPa，則Rp=1.5×200=300MPa。

2.2.2 選擇適合的材質(zhì)

（1）添加改善混凝土性能的處理劑。例如，添加具有表面活性劑化學性質(zhì)的MF 高效減水劑改善混凝土的性能。

（2）增加含砂率。砂率對混凝土流動及粘聚性有較大影響。一般參數(shù)為：比重為2.60，細度模數(shù)為2.89，吸水率為2%，含砂率為50%。

（3）加大混凝土的水泥含量。按建筑用混凝土配比最小水泥含量的二倍進行配制：即225×2=450（kg/m3）。

2.2.3 確定適合的水灰比

水灰比滿足以下方程：Rp=aRc（C/W-b）式中，Rp——混凝土試配制強度為300MPa；a、b——試驗系數(shù)，分別為0.5、0.58；

Rc——水泥標號，取425水泥；C/W——灰水比。計算可得，C/W=1.99。

2.2.4 確定高流態(tài)的用水量

根據(jù)實踐經(jīng)驗，坍落度控制在19.3cm至21cm 能滿足灌注樁要求，本次取坍落度為19.3cm。Gv=10/3（S+K）式中，Gv——混凝土用水量（kg/m3）；S——坍落度；K——試驗常數(shù)。當碎石粒徑為30mm，K=50.75時，用水量為234kg/m3。

三、灌注樁的灌注

3.1 灌注樁孔的清孔

首先利用撈沙卵石的鉆頭將樁孔內(nèi)的沙卵石撈出，然后泥漿循環(huán)清除孔內(nèi)的粘土。并且減小孔內(nèi)泥漿的比重，從而保證在灌注混凝土時，混凝土能順利地進入孔底，擠壓出泥漿。清孔后的泥漿比重一般為1.14。

3.2 混凝土的灌注

灌注之前應(yīng)進行試灌。在灌注過程中，混凝土將受到泥漿擠壓的反作用、導管與混凝土的摩擦阻力，此時混凝土必須以大大超過泥漿的反作用壓力才能將孔內(nèi)的泥漿擠壓出孔口。在灌注過程中，導管提升速度要慢，使得混凝土有足夠的時間克服摩擦阻力下降。同時使泥漿具有排出的通道，否則，樁基的泥漿的作用下將會出現(xiàn)縮徑、夾泥的現(xiàn)象。提升導管時，導管內(nèi)保留的混凝土要有絕對的壓力與泥漿的壓力抗衡，以防止泥漿進入導管內(nèi)。一般導管內(nèi)的混凝土柱保持在3m至4m長之間。

四、成孔過程中易遇到的問題

4.1 縮徑

4.1.1 縮徑產(chǎn)生的原因

在鉆進過程中，地應(yīng)力沿較軟巖層釋放，因而造成縮徑。在鉆進過程中，鉆進壓力大，鉆速過快，使得鉆頭很快穿過淤泥、淤泥質(zhì)土層。當鉆速過快時，淤泥便從鉆孔周圍流向鉆孔內(nèi)，導致其側(cè)壓力與孔內(nèi)泥漿力達成平衡，發(fā)生縮徑甚至卡鉆。

4.1.2 縮徑的防治

較為有效地防治縮徑的方法有：①實行嚴格的管理，鉆機由有經(jīng)驗的機長專職操作，其它人員不得隨意操作；②在鉆到淤泥或淤泥質(zhì)土層時，投入粘土泥膏，使鉆機鉆進壓力減為零；③鉆速減慢讓鉆機在無油壓狀態(tài)空轉(zhuǎn)。為確保鉆孔無縮徑現(xiàn)象，在成孔完畢后應(yīng)在易出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象的地層中掃孔一到二次。

4.2 坍孔

4.2.1 坍孔產(chǎn)生的原因分析

坍孔產(chǎn)生的原因是多方面的，主要包括：遭遇預(yù)先未料到的復(fù)雜地質(zhì)情況，以及施工中泥漿稠度過低，釋放量遠大于泥漿對孔壁的壓力等。

4.2.2 處理辦法

為了防治復(fù)雜地層情況帶來的坍孔問題，首先應(yīng)認真審閱該工程地質(zhì)勘察報告，對地層情況做到心中有數(shù)。若報告中未提及此類異常情況而導致施工過程中坍孔的話，則應(yīng)分別對待。

（1）在成孔過程中坍孔，其補救措施有二個：一是避開該樁位；二是回填原樁位，待密實后再鉆進。

（2）在灌注過程中坍孔，其補救措施為：一是回填原樁孔，并在原樁附近補加梅花樁或扁擔樁，合格即可。二是若工程質(zhì)量要求高，不允許采用上述常規(guī)方法時，可用硬片石等將原孔全部回填，待其密實后，用沖擊鉆再重新鉆進即可。防止泥漿稠度過低而造成的坍孔問題，只須加大泥漿比重到適當程度即可。一般泥漿性能指標取為：粘度為18s～22s，含沙量≤4%，膠體率≥90，比重為1.1 左右。