真空負(fù)壓斷樁的機(jī)理分析與應(yīng)用研究

趙明時(shí)

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

在灌注樁施工過(guò)程中，混凝土澆注是最重要的環(huán)節(jié)，90 %左右的斷樁事故發(fā)生在這一施工工序。一旦斷樁，勢(shì)必會(huì)造成資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染[1]。工程中，人們往往將斷樁原因歸結(jié)于在灌注樁澆注過(guò)程中導(dǎo)管提出混凝土頂面。然而事實(shí)上，隨著灌注樁施工工藝的成熟，導(dǎo)管提出混凝土面發(fā)生的幾率非常低。在低應(yīng)變速度～時(shí)程曲線圖上，我們所見的斷樁常伴隨著下方的擴(kuò)頸，即灌注樁出現(xiàn)“先縮頸后擴(kuò)頸”的現(xiàn)象。

為了降低灌注樁斷樁風(fēng)險(xiǎn)、減少工程損失，合理解釋灌注樁“先縮頸后擴(kuò)頸”現(xiàn)象，研究在灌注樁混凝土澆注過(guò)程中斷樁的機(jī)理和影響因素是非常必要的，具有直接的工程意義和理論價(jià)值。

1 工程背景

1.1 項(xiàng)目背景

灌河某高樁碼頭總長(zhǎng)513 m，碼頭前沿頂高程確定為4.40 m。碼頭采用高樁梁板結(jié)構(gòu)型式，引橋共3座，從下游往上游方向，分別為1#、2#、3#引橋，引橋?qū)挾葹?5 m。引橋基礎(chǔ)采用Φ1 000 PHC管樁和Φ1 000 PHC鉆孔灌注樁。根據(jù)設(shè)計(jì)平面圖，每座引橋打設(shè)灌注樁15根，共45根灌注樁，灌注樁頂高程為2.40 m，灌注樁樁底高程為-55.0～-45.0 m，高程-2.02 m以下混凝土強(qiáng)度為C30，在高程-2.02 m以上部位至樁頂混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30F250，如圖1所示。

圖1 引橋斷面示意

1.2 斷樁事故概況

本工程引橋 P-B9#灌注樁在施工過(guò)程中出現(xiàn)異常：P-B9#灌注樁在混凝土澆注至距樁頂約15 m時(shí)，導(dǎo)管埋入混凝土頂面6 m，如圖2所示，此時(shí)混凝土面突然下降4 m左右，發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象后迅速進(jìn)行混凝土澆注，直至澆注到設(shè)計(jì)高程處后停止作業(yè)。

低應(yīng)變檢測(cè)判定該樁為Ⅲ類樁，如圖3所示，距樁頂20 m處樁身有明顯缺陷、對(duì)樁身結(jié)構(gòu)承載力有影響。

圖2 混凝土澆注示意

圖3 低應(yīng)變速度～時(shí)程曲線

1.3 斷樁事故產(chǎn)生的不利因素

1）天氣條件

該灌注樁成孔及澆注時(shí)連降大雨，導(dǎo)致成孔采用的泥漿比重、粘度等指標(biāo)下降，從而降低了孔壁的穩(wěn)定性。

2）水文地質(zhì)條件

根據(jù)本工程地質(zhì)勘查報(bào)告，灌注樁成孔范圍內(nèi)②2層淤泥質(zhì)黏土，軟土，強(qiáng)度低，壓縮性高，且具有流塑性，易引起較大的沉降變形，不良工程地質(zhì)層。該層土靈敏度約3.16，為中靈敏土。

灌注樁成孔范圍內(nèi)地下水類型主要為孔隙潛水，孔隙潛水主要賦存于②層土以淺土層孔隙中，與灌河水有強(qiáng)烈的水力聯(lián)系?？紫稘撍饕艽髿饨邓肮嗪铀a(bǔ)給，以自然蒸發(fā)和側(cè)向逕流方式排泄。

灌河口附近海域受黃海潮波系統(tǒng)控制，屬非正規(guī)半日潮。潮波傳入灌河河道后，潮波逐漸轉(zhuǎn)為前進(jìn)波與駐波的混合型潮波，具有明顯往復(fù)流性質(zhì)。灌河沿程高、低潮位和潮差變化不大，潮波變形使河道內(nèi)漲潮歷時(shí)縮短，落潮歷時(shí)延長(zhǎng)。

3）荷載條件

灌注樁孔壁及灌注樁樁體，除承受上部垂直向荷載外，還承受水平動(dòng)荷載，水平動(dòng)荷載主要來(lái)自兩個(gè)方面：一是打樁船施工時(shí)產(chǎn)生的水平振動(dòng)力；二是工程區(qū)存在的潮汐，由于漲落潮以及船舶行駛產(chǎn)生的波浪，進(jìn)而對(duì)施工灌注樁所搭設(shè)的鋼平臺(tái)樁基產(chǎn)生往復(fù)水平推力，鋼平臺(tái)樁基類似于一豎直的彈性地基梁，在水平動(dòng)荷載反復(fù)作用下工作，對(duì)地基土必將產(chǎn)生往復(fù)震動(dòng)，而使土層的抗剪強(qiáng)度等物理性質(zhì)指標(biāo)降低，致使鋼平臺(tái)樁基附近土體力學(xué)指標(biāo)降低，進(jìn)而影響灌注樁孔壁的穩(wěn)定性[2]。

2 斷樁事故分析

2.1 真空負(fù)壓斷樁的概念

灌注樁混凝土澆注過(guò)程中，由于孔壁附近混凝土突然缺失，導(dǎo)致孔壁內(nèi)側(cè)形成短期“真空”狀態(tài)，孔壁在外側(cè)土壓力作用下失穩(wěn)，土體進(jìn)入混凝土中，致使灌注樁樁體截面受損，形成斷樁，如圖 4所示。

2.2 機(jī)理分析

在灌注樁混凝土初凝前，已澆注部分的孔壁由外側(cè)土壓力和內(nèi)側(cè)混凝土、泥漿壓力平衡。當(dāng)孔壁內(nèi)壓大于外壓時(shí)，孔壁失穩(wěn)，混凝土進(jìn)入土體，失穩(wěn)層上方孔壁的混凝土“瞬間”下落，形成“真空”狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致“真空負(fù)壓斷樁”的情況發(fā)生。

圖4 真空負(fù)壓斷樁

2.3 案例分析

引橋 P-B9#灌注樁在混凝土澆注至距樁頂約15 m時(shí)，距樁頂20 m處的混凝土尚未初凝；且根據(jù)混凝土導(dǎo)管埋設(shè)情況，距樁頂21 m處正為混凝土澆注下口，該位置的孔壁除了受內(nèi)外壓的靜荷載外，還要承受來(lái)自混凝土橫向流動(dòng)的水平?jīng)_擊力；同時(shí)，該位置恰處在②層土，該層土的孔隙潛水與灌河水有強(qiáng)烈的水力聯(lián)系，流動(dòng)性較大，致使孔壁泥皮物理化學(xué)穩(wěn)定性較差，從而使泥漿或混凝土更容易進(jìn)入土體。

事故發(fā)生時(shí)，距樁頂21 m處的孔壁由于以上諸多不利因素發(fā)生失穩(wěn)，混凝土短時(shí)間內(nèi)流入土體及含水層，致使上方孔壁內(nèi)側(cè)形成短期“真空”狀態(tài)，距樁頂20 m處的孔壁發(fā)生二次失穩(wěn)，土體進(jìn)入混凝土，形成“真空負(fù)壓斷樁”。

2.4 預(yù)防措施

“真空負(fù)壓斷樁”形成于混凝土澆注過(guò)程中，它不同于成孔過(guò)程中的孔壁失穩(wěn)，是不可逆的工序，一旦發(fā)生斷樁，不但會(huì)影響工程實(shí)體質(zhì)量，對(duì)工期及成本也都會(huì)造成不良影響。

針對(duì)“真空負(fù)壓斷樁”形成的機(jī)理和影響因素，提出以下預(yù)防措施：

1）灌注樁在不良水文地質(zhì)條件下澆注混凝土，一方面減少埋管深度，以降低對(duì)混凝土的擾動(dòng)，加快已澆注混凝土的初凝，也就是說(shuō)從混凝土初凝角度來(lái)看，埋管越淺越利于孔壁的穩(wěn)定。另一方面適當(dāng)降低澆注速度，減少混凝土橫向流動(dòng)對(duì)孔壁產(chǎn)生的沖擊。然而，在實(shí)際施工過(guò)程中，混凝土澆注速度往往由埋管深度決定，即導(dǎo)管埋深越大、混凝土澆注速度越慢，也就是說(shuō)從混凝土橫向沖擊角度來(lái)看，埋管越深越利于孔壁的穩(wěn)定。這就需要工程技術(shù)人員根據(jù)工程所在地天氣、水文地質(zhì)條件、施工工藝等具體情況合理調(diào)整導(dǎo)管埋深，以平衡混凝土初凝和混凝土橫向沖擊對(duì)孔壁造成的不利因素。

2）水上施工灌注樁采用的鋼護(hù)筒長(zhǎng)度盡可能穿越工程地質(zhì)性質(zhì)較差的土層。

3）灌注樁施工過(guò)程中，減少外界施工振動(dòng)干擾，例如：當(dāng)灌注樁和預(yù)制管樁同時(shí)存在時(shí)，盡量先施工管灌注樁，再進(jìn)行預(yù)制管樁的打設(shè)，以減少孔壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

4）灌注樁在不良水文地質(zhì)條件下施工，泥皮物理化學(xué)性質(zhì)較差，因此泥皮的滲透系數(shù)較低，因此勤于檢測(cè)泥漿指標(biāo)，特別是泥漿的比重和粘度，注意新漿的補(bǔ)充和廢漿的排除。這不僅僅有利于灌注樁成孔施工，而且能夠增加泥皮的穩(wěn)定性，有利于灌注樁的完整性和承載力。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行灌注樁施工，工程技術(shù)人員要綜合考慮天氣、水文地質(zhì)條件及其它施工條件等對(duì)灌注樁“真空負(fù)壓斷樁”的影響。結(jié)合本工程實(shí)際情況確定灌注樁澆注混凝土?xí)r，埋管深度為3～5 m；另外根據(jù)本工程水文地質(zhì)條件，鋼護(hù)筒長(zhǎng)度選取24 m；打樁施工和灌注樁施工的安全距離要大于200 m。

2）“真空負(fù)壓斷樁”理念的提出，不僅僅保證了灌注樁的完整性和適應(yīng)性，增強(qiáng)了灌注樁在建筑市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力；更重要的是對(duì)灌注樁低應(yīng)變曲線圖中常見的“先縮頸后擴(kuò)頸”的現(xiàn)象做出了合理的解釋，完善了灌注樁的斷樁理論。