水下鉆孔樁施工工藝及鋼筋籠上浮機理分析

楊 震

(福建省新力工程監(jiān)理有限公司，福建 莆田 351200)

1 工程概況

筕頭丘水閘位于泉州市晉江防洪工程(一期)永春達埔?guī)r峰堤段工程左岸堤防樁號YFZ0+653.00處為防洪排澇閘，閘室規(guī)模為3孔-5.0m×4.5m(寬×高)，閘室底板頂高程195.50m，閘室長15.0m。主要建筑物有閘室、外引港、內(nèi)引港及箱涵等。

設(shè)計防洪標準為20a一遇，相應(yīng)P=5%設(shè)計洪水位為202.00m(85國家高程基準，下同)，排澇閘建筑物級別為4級，設(shè)計抗震烈度為6度。設(shè)計內(nèi)澇最高控制水位為200.00m，水閘過流能力Q=91.1m3/s。

2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，閘址地基土層自上而下分布及各土層土物理力學參數(shù)見表1。

表1 閘址地基各土層土物理力學參數(shù)

從表1可以看出，水閘閘室地基屬軟土地基，其中存在淤泥層、中細砂層。淤泥承載力低，壓縮性高，無法滿足閘室上部結(jié)構(gòu)對地基承載力和變形的要求，閘室軟土地基必須進行加固處理。

3 閘室軟土地基處理方案

工程設(shè)計采用鉆孔灌注樁方式進行軟土地基加固，鉆孔灌注樁穿透淤泥層、中細砂層，樁端置于砂卵石層中，作為承載樁，主要承載水閘上部應(yīng)力和水壓力產(chǎn)生的水平荷載，提高抗滑穩(wěn)定性。

鉆孔灌注樁混凝土強度等級為C25，樁徑800mm，設(shè)計樁長12.5m，間距4 m×4m，正方形布置，共24根，樁端持力層進入砂卵石層1.5 m。

4 鉆孔灌注樁施工

4.1 施工工序

鉆孔灌注樁施工流程為：場地平整、設(shè)備就位—泥漿制備—造孔—終孔、清孔—制作并吊放鋼筋籠—灌注混凝土，具體操作流程見圖1。

圖1 鉆孔灌注樁施工流程

4.2 重點工藝

1)泥漿制備：

為保證鉆孔的安全和質(zhì)量，必須提高泥漿質(zhì)量。泥漿質(zhì)量與鉆孔穩(wěn)定、鉆進速度和質(zhì)量關(guān)系密切。該工程采用原地層+少量黏土造漿。

泥漿生產(chǎn)循環(huán)工序見圖2。

圖2 泥漿生產(chǎn)循環(huán)工序

2)清孔方法：

采用壓縮空氣換漿法施工；即鉆孔完成后，提出鉆錐，安放鋼筋籠，安置壓縮空氣吸泥機，吸出的泥漿經(jīng)凈化處理后回流到孔內(nèi)，直至孔內(nèi)泥漿達到設(shè)計要求為止，然后進行下一工序施工。下入鋼筋籠后，即按要求下入導管，灌注導管直徑230mm，法蘭連接，導管下端口高出孔底30-50cm。下入導管后即啟動泥漿泵向孔內(nèi)注入較稀泥漿進行二次清孔，直至滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

3)水下混凝土灌注：

清孔驗收合格即進行水下混凝土灌注，混凝土由混凝土拌和車或混凝土泵送至灌注漏斗內(nèi)，首批混凝土(約2.0m3)；混凝土采用導管頂塞法澆注，見圖3。

圖3 水下混凝土灌注示意圖

5 鋼筋籠上浮機理及控制措施研究

5.1 鋼筋籠上浮機理

在混凝土灌注過程中，可將鋼筋籠受力分為3個階段：①混凝土液面位于鉆孔底部，與鋼筋籠并未接觸；②導管位于鋼筋籠底部、混凝土液面接觸鋼筋籠底部；③導管、混凝土進入鋼筋籠。

階段(1)鋼筋籠上浮分析：該階段見圖4，在灌注混凝土的初期，混凝土位于鉆孔底部，與鋼筋籠并未直接接觸，此時，鋼筋籠所受浮托力主要來自于泥漿，泥漿的浮托力與鋼筋籠自身重力相比，可以忽略。同時，該階段鋼筋籠與混凝土漿液、導管之間無相互作用力[1-3]。按規(guī)范要求施工，該階段鋼筋籠即可保證不上浮。

圖4 階段(1)示意圖

階段(2)鋼筋籠上浮分析：該階段見圖5，隨著導管提升，混凝土液面進入鋼筋籠，但導管仍低于鋼筋籠，且與鋼筋籠無接觸，該階段鋼筋籠主要受力為混凝土液作用力、泥漿浮托力以及自身重力。該階段鋼筋籠上浮受混凝土影響較大，隨著混凝土液面的上升，鋼筋籠向上合力逐漸增大?；炷烈涸谔峁╀摻罨\浮托力和側(cè)向黏結(jié)力的同時對鋼筋籠向上運動也具有摩擦力等阻力。

圖5 階段(2)示意圖

階段(3)鋼筋籠上浮分析：該階段見圖6，在混凝土繼續(xù)澆筑過程中，導管也將進入鋼筋籠。該階段鋼筋籠主要受底部混凝土錨固力、混凝土液合力、泥漿浮托力以及自身重力，在混凝土液面逐漸上升的過程中，下方混凝土對鋼筋籠的錨固作用力也逐漸增大，此時，鋼筋籠上浮可能性逐漸減小[4-6]。

通過對鉆孔灌注樁施工過程中3個階段的鋼筋籠受力進行分析，在階段(2)最易出現(xiàn)上浮可能，因此，需要提前進行預防。

5.2 預防控制措施

通過工程經(jīng)驗總結(jié)可從3個方面進行鋼筋籠上浮預防控制：鋼筋籠結(jié)構(gòu)、混凝土和泥漿質(zhì)量、混凝土澆筑速度。

1)鋼筋籠結(jié)構(gòu)：

鋼筋籠結(jié)構(gòu)主筋應(yīng)當順直，避免接頭過多，減少混凝土液面上升過程中的摩擦力和側(cè)向黏力；將鋼筋籠置入孔底，充分利用初期混凝土的錨固力；增大箍筋間距，在孔口反壓鋼筋籠。

圖6 階段(3)示意圖

2)混凝土、泥漿質(zhì)量：

根據(jù)F浮=ρgh，可知降低混凝土、泥漿混合液液體密度可以有效降低其對鋼筋籠的浮力。在灌注混凝土前，首先利用泥漿將孔底的巖屑清除，降低液體密度；同時必須嚴格控制混凝土初凝時間，保證混凝土的和易性和流動性，減少與鋼筋籠之間的摩擦力。

3)混凝土灌注速度：

在混凝土液面進入鋼筋籠初期，由于受力面積大，因此可采取降低混凝土澆筑速度的方法，以降低混凝土對鋼筋籠的沖擊力；當鋼筋籠底部混凝土凝結(jié)后，可逐漸提高混凝土澆筑速度，以保證灌注樁施工進度[7-9]。

6 結(jié) 論

鉆孔灌注樁是一種常用的地基加固方法，以泉州市晉江防洪工程(一期)永春達埔?guī)r峰堤段工程筕頭丘水閘地基加固為例，對鉆孔灌注樁的施工工序、重點工藝進行分析；通過理論分析，鋼筋籠上浮機理根據(jù)施工進程可分為3個階段，在階段(2)鋼筋籠上浮可能性最大，并從鋼筋籠結(jié)構(gòu)、混凝土和泥漿質(zhì)量、混凝土灌注速度3個方面對鋼筋籠上浮預防措施提出建議[10]。