新型超灌控制儀在鉆孔灌注樁超灌控制中的應(yīng)用

白友恩（上海市地礦建設(shè)有限責(zé)任公司，上海 200436）

在工程建設(shè)中，鉆孔灌注樁以其單樁承載力高、抗震性能好、成樁直徑大等優(yōu)點(diǎn)在建筑基礎(chǔ)中得到廣泛應(yīng)用[1]。為了保證成樁質(zhì)量，消除樁頂浮漿強(qiáng)度不足的缺點(diǎn)，在灌注混凝土?xí)r都會(huì)規(guī)定需要超灌一定高度。實(shí)際澆灌過(guò)程中，由于用測(cè)繩進(jìn)行人工測(cè)定誤差大，易造成樁頂混凝土欠灌或超灌高度過(guò)大等問題[2]。對(duì)于工程量較大的樁基工程，這種超出相關(guān)規(guī)定的超灌不僅浪費(fèi)了大量混凝土，對(duì)施工單位造成一定損失，同時(shí)也為后期樁頭的鑿除帶來(lái)了一定的困難，間接提高了施工成本，延長(zhǎng)了施工工期[3]。當(dāng)前，在灌注樁超灌控制方面，不少學(xué)者更專注于對(duì)混凝土標(biāo)高監(jiān)測(cè)手段的研究[4]，缺乏對(duì)超灌高度影響因素的研究。實(shí)際上對(duì)于設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高遠(yuǎn)低于地面的鉆孔灌注樁僅僅監(jiān)測(cè)孔內(nèi)混凝土液面標(biāo)高并不一定能對(duì)超灌高度進(jìn)行有效控制。也有一些學(xué)者定性地分析了超灌高度的影響因素[5]，但缺乏定量的分析，難以對(duì)超灌高度進(jìn)行精確有效的控制。

精確控制灌注樁超灌高度首先要監(jiān)測(cè)好灌注過(guò)程中混凝土液面的位置。當(dāng)前，很多施工單位對(duì)灌注混凝土標(biāo)高的監(jiān)測(cè)依然通過(guò)在灌注過(guò)程中用測(cè)繩頻繁測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)誤差相對(duì)較大，也有一些專家和企業(yè)研制了不同結(jié)構(gòu)的超灌控制裝置，以消除測(cè)繩監(jiān)測(cè)的缺陷。這些超灌控制裝置基本工作原理都是根據(jù)混凝土和泥漿的密度不同，通過(guò)壓力傳感器或浮力感受器監(jiān)測(cè)混凝土液面位置。如李亮亮等[2]研制的超灌高度控制裝置，采用帶標(biāo)尺的桿體將傳感器插入混凝土液面控制位置進(jìn)行超灌控制；段景超等[6]、楊廣磁等[7]、殷倩倩等[8]設(shè)計(jì)的桿式浮力控制型超灌控制儀，利用混泥土和泥漿對(duì)模板的浮力不同來(lái)判斷孔內(nèi)混凝土液面標(biāo)高；韋永斌等[9]開發(fā)的可伸縮桿式超灌自動(dòng)提醒裝置，通過(guò)伸縮桿控制傳感器的位置；同時(shí)，也有一些公司或個(gè)人開發(fā)了測(cè)繩式超灌控制儀。以上對(duì)超灌控制儀的研究?jī)H僅是針對(duì)于對(duì)混凝土液面的監(jiān)測(cè)，然而僅精確監(jiān)測(cè)液面標(biāo)高并不一定可以控制好超灌高度，而且每種超灌控制裝置的適用面也存在一定的局限性，如桿式超灌控制儀及浮力式超灌控制儀容易受孔內(nèi)混凝土運(yùn)動(dòng)的干擾，且限于桿體的長(zhǎng)度，對(duì)于樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高遠(yuǎn)低于地面的樁難以應(yīng)用。測(cè)繩式超灌控制儀是利用特質(zhì)的夾具將壓力傳感器固定在標(biāo)高控制點(diǎn)處的鋼筋籠上，對(duì)不設(shè)鋼筋籠的素混凝土樁將無(wú)法應(yīng)用。鑒于此，本文通過(guò)分析混凝土在灌注過(guò)程中的受力特征，研究影響混凝土超灌量的因素；在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)適用面更廣的新型超灌控制裝置，將超灌形成原因和混凝土液面監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合，并對(duì)澆灌操作過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)對(duì)超灌高度精確有效的控制，為類似工程中混凝土的超灌控制提供參考。

1 灌注過(guò)程中混凝土的受力特征

鉆孔灌注樁的常規(guī)施工方式是在成孔結(jié)束后進(jìn)行一次清孔，之后下放鋼筋籠和導(dǎo)管，進(jìn)行二次清孔，最后進(jìn)行混凝土的灌注和導(dǎo)管的拔除?；炷翝补噙^(guò)程示意圖如圖 1 所示，料斗中的混凝土通過(guò)導(dǎo)管向孔內(nèi)灌注，成孔深度為 H，導(dǎo)管內(nèi)剩余混凝土的高度為 h1，孔內(nèi)剩余泥漿高度為 h2，導(dǎo)管埋入混凝土的深度為 h3。通過(guò)圖 1 可知，混凝土從料斗內(nèi)進(jìn)入孔內(nèi)的過(guò)程中，混凝土需克服孔內(nèi)泥漿壓力?；炷料侣溥^(guò)程中，由于其與導(dǎo)管壁及孔壁之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，這就意味著混凝土還需克服其與導(dǎo)管壁、孔壁之間摩擦力，同時(shí)，混凝土內(nèi)部顆粒之間的也存在著摩擦力、粘滯力，這些力可以統(tǒng)稱為阻力 Ff，阻力大小與混凝土流動(dòng)性、導(dǎo)管內(nèi)混凝土的高度、導(dǎo)管埋入混凝土的深度相關(guān)?；炷量朔酀{壓力和阻力，導(dǎo)管周邊混凝土液面提高，并將泥漿向上擠壓排出孔外，達(dá)到平衡狀態(tài)。達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，阻力 Ff并沒有消失，而是以靜摩擦力的形式存在。此時(shí)的受力平衡滿足：

式中：ρ砼— 混凝土密度；

h1— 平衡時(shí)導(dǎo)管內(nèi)混凝土高度；

ρ漿— 孔內(nèi)泥漿密度；

h2— 孔內(nèi)剩余泥漿高度；

Ff— 阻力。

圖1 混凝土澆灌過(guò)程示意圖

混凝土達(dá)到平衡時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)存在一定高度的混凝土 h1無(wú)法灌入孔內(nèi)，提升導(dǎo)管可以降低混凝土與導(dǎo)管壁面的摩擦力，使得管內(nèi)混凝土繼續(xù)灌入孔內(nèi)，但為防止斷樁導(dǎo)管必須埋入混凝土面一定深度，且由于泥漿壓力的存在，導(dǎo)管內(nèi)剩余混凝土的高度 h1不會(huì)因提升導(dǎo)管而降至很小值。實(shí)際灌注操作中，樁機(jī)操作工會(huì)對(duì)料斗和導(dǎo)管進(jìn)行多次快速提升、下落急停操作，使得管內(nèi)混凝土依靠慣性力 F慣進(jìn)入孔內(nèi)，這種條件下，混凝土的受力條件為:

式中：F慣— 慣性力；其余同上。

若樁工充分進(jìn)行快速提升、下落急停操作獲得較大的慣性力 F慣，可以使得管內(nèi)混凝土高度 h1變?yōu)楹苄≈瞪踔恋陀诳變?nèi)混凝土液面。但當(dāng)樁工停止快速提升、下落急停操作時(shí)，慣性力 F慣消失，此時(shí)泥漿壓力將克服阻力，使得孔內(nèi)混凝土被重新壓入導(dǎo)管內(nèi)。此時(shí)，若樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高在地面以下較深處，泥漿壓力較大時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)會(huì)剩余一定高度的混凝土，此時(shí)剩余混凝土的高度 h1最小，可稱為殘余混凝土高度，其值為：

由式（3）可見，管內(nèi)殘余混凝土高度與泥漿壓力、阻力、混凝土密度相關(guān)。樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高距離地表的深度越深，灌至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，導(dǎo)管內(nèi)殘余混凝土的高度越大；在灌至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，混凝土流動(dòng)性越差，導(dǎo)管埋入混凝土的深度越深，阻力越大，管內(nèi)殘余混凝土高度越小。管內(nèi)實(shí)際殘余混凝土高度通常都大于 h1，這是因?yàn)闃豆た焖偬嵘⑾侣浼蓖２僮鲗?dǎo)管時(shí)產(chǎn)生的慣性力并不一定能完全克服泥漿壓力及阻力。殘余的混凝土高度是導(dǎo)致混凝土超灌的主要因素之一，確定并有效地降低殘余的混凝土高度對(duì)于超灌控制較為重要。

2 新型超灌控制儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

混凝土液面標(biāo)高的監(jiān)測(cè)對(duì)于超灌控制非常重要，超灌控制裝置可以在混凝土澆筑過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)標(biāo)高控制面的液體壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土液面標(biāo)高的精確監(jiān)測(cè)。當(dāng)前，一些項(xiàng)目中鉆孔灌注樁的設(shè)計(jì)樁頂相對(duì)標(biāo)高達(dá)到 -30 m 以上，還有一些在地基加固中應(yīng)用的灌樁并沒有鋼筋籠，這就使得當(dāng)前研發(fā)的桿式或測(cè)繩式超灌控制儀無(wú)法應(yīng)用。鑒于此，本文作者在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)超灌控制儀。

本超灌控制儀包括定位裝置、壓力感受裝置、顯示報(bào)警裝置、回收裝置，具體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。使用時(shí)將壓力傳感器定位到監(jiān)測(cè)標(biāo)高處，混凝土到達(dá)壓力傳感器位置之前，壓力傳感器感受壓力值均為泥漿的壓力值 P0。由于混凝土密度大于泥漿密度，當(dāng)混凝土液面超過(guò)壓力傳感器位置后，所測(cè)壓力會(huì)增大至 P1，兩個(gè)值的差除以混凝土的浮重度即為混凝土液面超出傳感器所在位置的高度。傳感器的位置可以通過(guò)拉緊帶刻度的測(cè)繩讀出，根據(jù)兩個(gè)壓力差即可計(jì)算出混凝土液面的標(biāo)高。根據(jù)混凝土液面的控制標(biāo)高亦可以計(jì)算出停灌壓力值，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)壓力達(dá)到停灌壓力值時(shí)即可認(rèn)為混凝土液面達(dá)到控制標(biāo)高處。

圖2 超灌控制儀結(jié)構(gòu)

壓力感受裝置使用 SYGY 型振弦式滲壓計(jì)，輸出信號(hào)為頻率信號(hào)，當(dāng)液體壓力增加時(shí)，輸出頻率降低。為了適應(yīng)深部液體壓力的監(jiān)測(cè)，滲壓計(jì)量程選擇 0～1 MPa，分辨率為 0.01 級(jí)（100 Pa），考慮泥漿密度約 1.1 g/cm3，可計(jì)算出傳感器最大可下放的深度約 90 m；考慮混凝土的浮重度約 1.4g/cm3，可計(jì)算出監(jiān)測(cè)混凝土液面標(biāo)高變化的分辨率約 0.7 cm。這些計(jì)算表明該壓力傳感器可以精確監(jiān)測(cè)超深位置的混凝土液面。信號(hào)通過(guò)電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀計(jì)算并實(shí)時(shí)顯示壓力大小，當(dāng)壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)發(fā)出停灌報(bào)警?？梢姡噍^于傳統(tǒng)的測(cè)繩測(cè)量，使用超灌控制儀可以精確地測(cè)量混凝土液面標(biāo)高，信息反饋也更加及時(shí)。

對(duì)于有鋼筋籠的鉆孔灌注樁，通過(guò)裝置 a（圖 3）固定于鋼筋籠外側(cè)，測(cè)繩和回收繩均為強(qiáng)度較高的細(xì)鋼絲，且測(cè)繩上標(biāo)有刻度用于校核傳感器位置；銷釘為軟金屬銷釘，通過(guò)回收繩拉脫銷釘即可實(shí)現(xiàn)傳感器的回收。對(duì)于無(wú)鋼筋籠的灌注樁，通過(guò)裝置 b（圖 4）固定于孔壁上，孔內(nèi)下好導(dǎo)管后，將傳感器折疊好的裝置 b 下放至預(yù)定深度，上提裝置 b 利用泥漿阻力使得紙杯脫落，彈簧膨脹使裝置 b 擴(kuò)張桿自動(dòng)打開，桿端的金屬尖刺刺入土體，再通過(guò)張拉繩上提裝置 b 中間的擴(kuò)張圓盤，將擴(kuò)張桿進(jìn)一步打開，尖刺牢牢刺入土體，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的定位。由于尖刺受更大的力后可以彎曲，回收時(shí)可以繼續(xù)拉張拉繩將尖刺拉彎，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器和定位裝置的回收。

圖3 固定裝置 a 結(jié)構(gòu)

圖4 固定裝置 b 結(jié)構(gòu)

3 新型超灌控制儀的應(yīng)用方法

對(duì)于有鋼筋籠的灌注樁，使用時(shí)將傳感器通過(guò)固定裝置a 固定于樁頂標(biāo)高稍下的鋼筋籠外側(cè)，具體位置需通過(guò)計(jì)算確定。緩慢下放鋼筋籠及監(jiān)測(cè)裝置，避免損壞裝置，根據(jù)繃緊的測(cè)繩讀數(shù)及吊筋環(huán)位置判斷鋼筋籠是否下到位，鋼筋籠下到位后方可灌注混凝土。當(dāng)孔內(nèi)混凝土剛好達(dá)到傳感器處時(shí)，需放慢混凝土的灌注速度，當(dāng)傳感器壓力達(dá)到設(shè)定的停灌壓力值時(shí)預(yù)示超灌高度剛好滿足相關(guān)要求，此時(shí)停止灌注，將傳感器拉出回收。對(duì)于無(wú)鋼筋籠的灌注樁，將傳感器通過(guò)折疊的固定裝置 b 下放到合適位置，根據(jù)測(cè)繩讀數(shù)判斷傳感器位置，下放到合適位置后將擴(kuò)張桿打開，上拉使張拉繩繃緊判斷傳感器是否被固定，若被牢固固定，讀出刻度并計(jì)算出停灌控制標(biāo)高后即可進(jìn)行灌樁，否則拉出整個(gè)裝置重新下放。

超灌控制儀可以精確測(cè)量混凝土液面的位置及超灌深度，但如果壓力傳感器的固定位置較淺或灌注速度很快時(shí)，當(dāng)傳感器剛探測(cè)到混凝土?xí)r，料斗和導(dǎo)管內(nèi)過(guò)量的混凝土?xí)诙虝r(shí)間內(nèi)灌入孔內(nèi)，超出停灌控制標(biāo)高。因此，傳感器應(yīng)該置于停灌控制標(biāo)高以下的位置，且其與停灌控制標(biāo)高的最小距離 h0按式（4）計(jì)算，此時(shí)，即使傳感器接觸到混凝土?xí)r導(dǎo)管和料斗已全部充滿混凝土也可以有效控制超灌量。

式中：V料斗— 料斗的體積；

L導(dǎo)管— 料斗底至超灌控制標(biāo)高間導(dǎo)管長(zhǎng)度；

A導(dǎo)管— 導(dǎo)管橫截面積；

A樁身— 樁身橫截面積。

由于導(dǎo)管內(nèi)殘余混凝土的存在，當(dāng)傳感器接觸到混凝土?xí)r，應(yīng)停止向料斗灌入混凝土，利用慣性力將導(dǎo)管內(nèi)混凝土灌入孔內(nèi)，緩慢提升導(dǎo)管，并隨時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器壓力值，判斷孔內(nèi)混凝土超灌高度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如果還沒達(dá)到，應(yīng)該慢慢向料斗內(nèi)分多次少量投料，直至超灌高度滿足要求。

4 混凝土超灌控制措施

超灌控制儀的主要作用是監(jiān)測(cè)孔內(nèi)混凝土液面的位置，將混凝土液面位置信息及時(shí)準(zhǔn)確地傳達(dá)給操作者，要達(dá)到精確控制的目的，需要對(duì)信息作出響應(yīng)，這需要改進(jìn)施工工具及灌注操作方式。

根據(jù)對(duì)混凝土在灌注過(guò)程中的受力分析可知，由于泥漿壓力的存在，會(huì)使得導(dǎo)管內(nèi)殘留一定高度的混凝土，當(dāng)澆灌至標(biāo)高控制面后，完全拔出導(dǎo)管時(shí)管內(nèi)殘余的混凝土形成多余超灌（圖 5）。管內(nèi)殘余的混凝土的體積越小形成的多余超灌量越小，因此，對(duì)于設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高較低的樁可以選擇直徑相對(duì)較小的導(dǎo)管灌注，或者在導(dǎo)管直徑不變的情況下盡量減小導(dǎo)管內(nèi)殘余混凝土的高度。

圖5 多余超灌混凝土

根據(jù)第 1 節(jié)分析可知，殘余混凝土的高度 h1和孔內(nèi)泥漿至設(shè)計(jì)樁頂?shù)母卟?h2、泥漿密度、阻力及混凝土密度有關(guān)。對(duì)于給定的設(shè)計(jì)樁型對(duì)應(yīng)的 h2是固定的，降低泥漿高度容易導(dǎo)致塌孔現(xiàn)象。為使得 h1值減小，應(yīng)該注重清孔降低泥漿密度，同時(shí)在灌注結(jié)束時(shí)上下提放導(dǎo)管創(chuàng)造慣性力。導(dǎo)管內(nèi)剩余的無(wú)法通過(guò)灌注操作工藝消除的殘余混凝土對(duì)超灌控制的影響，可以根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)超灌控制儀補(bǔ)償或忽略不計(jì)。

對(duì)于樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高距地面較淺的灌注樁，或樁身直徑相對(duì)導(dǎo)管直徑比較大的灌注樁，導(dǎo)管內(nèi)剩余的無(wú)法通過(guò)灌注操作工藝消除的殘余混凝土對(duì)超灌控制的影響可以忽略不計(jì)，混凝土液面停灌控制標(biāo)高采用設(shè)計(jì)值（樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高+設(shè)計(jì)超灌高度）。對(duì)于樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高距地面較深的灌注樁，或樁身直徑相對(duì)較小的灌注樁，混凝土液面停灌控制標(biāo)高采用扣除 Δh 的設(shè)計(jì)值（樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高+設(shè)計(jì)超灌高度-Δh），Δh值按式（5）計(jì)算。

式中：h漿— 地面至混凝土液面控制標(biāo)高的距離；

A導(dǎo)管— 導(dǎo)管橫截面積；

A樁身— 樁身橫截面積。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析鉆孔灌注樁混凝土灌注過(guò)程受力特征、灌樁操作過(guò)程的特點(diǎn)及新型超灌控制儀在超灌控制中的應(yīng)用方式，得出以下結(jié)論：

(1) 灌注樁混凝土超灌高度受多種因素的影響，其中導(dǎo)管內(nèi)殘余混凝土體積、樁身直徑和樁頂標(biāo)高及灌注時(shí)的操作方式對(duì)其具有較大的影響。減小導(dǎo)管內(nèi)殘余混凝土體積、采用合理的灌注方式及放慢終期的灌注速度是控制混凝土超灌高度的關(guān)鍵。

(2) 新型超灌控制儀克服了傳統(tǒng)超灌控制儀的局限，特別適用于樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高很低或無(wú)鋼筋籠灌注樁的超灌控制。合理設(shè)置超灌控制儀傳感器的位置、準(zhǔn)確確定混凝土液面的停灌控制標(biāo)高并采用合理的灌注方式可以使得超灌高度得到精確有效的控制。