復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆孔灌注樁試樁效果分析及關(guān)鍵措施

吳曄暉，章邦超，陳偉強(qiáng)，楊文顯，李上雄

（1、廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣州510335；2、中鐵建華南建設(shè)有限公司 廣州511458；3、中鐵十九局集團(tuán)廣州工程有限公司 廣州511458；4、廣東工業(yè)大學(xué) 廣州510006）

0 引言

鉆孔灌注樁是指在施工現(xiàn)場通過鉆機(jī)鉆孔在地基中形成樁孔，并在孔內(nèi)放置鋼筋籠，然后在水下灌注混凝土形成的樁。目前我國多采用直升導(dǎo)管法灌注水下混凝土。導(dǎo)管法的施工過程是將導(dǎo)管居中插入孔中，導(dǎo)管上口接儲(chǔ)料斗，混凝土從儲(chǔ)料口倒入管中，這時(shí)孔中水位驟漲。若混凝土數(shù)量足夠則可將導(dǎo)管內(nèi)泥漿全部壓出。隨著混凝土不斷倒入，孔內(nèi)初期灌注的混凝土及其上面的泥漿不斷被頂高，相應(yīng)地不斷提升和拆除導(dǎo)管直到灌注工序完畢［1］。

在復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)，經(jīng)常會(huì)遇到深厚的軟弱淤泥層和砂土層，進(jìn)行水下混凝土灌注常常會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)孔，造成混凝土超方。而且穿越此類土層施工，易造成混凝土澆筑完后，樁基縮徑的現(xiàn)象，形成安全隱患以及帶來經(jīng)濟(jì)損失［2］。本文結(jié)合某工程鉆孔灌注樁中的3根試樁水下混凝土灌注施工實(shí)例，進(jìn)行了復(fù)雜地質(zhì)條件下試樁水下混凝土灌注的工效分析，同時(shí)對(duì)試樁混凝土灌注過程中出現(xiàn)的縮孔、擴(kuò)孔和超方進(jìn)行了原因分析，并且提出了對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施，提高了工程質(zhì)量。

1 試樁工況

某鉆孔灌注樁的3根試樁均為鉆孔灌注樁，所處位置地質(zhì)條件比較復(fù)雜，3根試樁SJ-1、SJ-2、SJ-3均采用C35混凝土進(jìn)行水下灌注，具體試樁參數(shù)如表1所示。

表1 試樁參數(shù)Tab.1 Test Pile Parameters

根據(jù)地質(zhì)勘查資料，SJ-1試樁工程區(qū)從表層往下分別為回填土，層厚1.6 m；淤泥，層厚17.4 m；中砂，層厚3 m；淤泥質(zhì)土，層厚5.6 m；粉質(zhì)黏土，層厚4.3 m；粉細(xì)砂，層厚6.2 m；粗圓礫土，層厚3.9 m；強(qiáng)風(fēng)化巖，層厚2.2 m；弱風(fēng)化巖，層厚1.06 m。SJ-2 試樁工程區(qū)從表層往下分別為回填土，層厚1.55 m；淤泥，層厚16.99 m；中砂，層厚3.67 m；淤泥質(zhì)土，層厚6.48 m；粉質(zhì)黏土，層厚4.58 m；粗圓礫土，層厚13.73 m；強(qiáng)風(fēng)化巖，層厚14.28 m。SJ-3試樁工程區(qū)從表層往下分別為回填土，層厚2.46 m；淤泥，層厚13.09 m；粉細(xì)砂，層厚3.05 m；中粗砂，層厚4.58 m；淤泥質(zhì)土，層厚15.26 m；中粗砂，層厚2.03 m；強(qiáng)風(fēng)化巖，層厚2.13 m；中風(fēng)化巖，層厚1.5 m。

從3 根試樁的地質(zhì)資料可知，試樁工程區(qū)的地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜。該工程試樁以下部的風(fēng)化花崗巖作為樁端持力層，樁基鉆孔需穿過淤泥和淤泥質(zhì)土等軟弱層，容易塌孔。在軟弱層進(jìn)行水下混凝土灌注容易形成擴(kuò)孔，從而導(dǎo)致超方。

2 混凝土灌注工效分析

本工程存在復(fù)雜的地質(zhì)狀況，采用直升導(dǎo)管法進(jìn)行水下混凝土的灌注。

2.1 水下混凝土灌注

3 根試樁的水下混凝土灌注具體情況如表2 所示，采用直徑為300 mm的導(dǎo)管，如圖1所示。

圖1 混凝土灌注導(dǎo)管Fig.1 Concrete Pouring Conduit

2.2 水下混凝土灌注工效分析

SJ-2混凝土補(bǔ)方等待時(shí)間比較長，補(bǔ)方實(shí)際等待時(shí)間為1小時(shí)20分鐘，大規(guī)模施工應(yīng)盡可能避免補(bǔ)方等待。由表1 和表2 可知，對(duì)于樁徑1 m 的樁，使用5～7 m 長度護(hù)筒時(shí)，混凝土的超方量不超過14%；大規(guī)模施工時(shí)，同一批次澆筑的首根樁混凝土量可以預(yù)先攪拌其理論用量的1.14 倍，多余混凝土調(diào)配給其他樁使用，最后一根樁再根據(jù)實(shí)際情況補(bǔ)方，可以減少補(bǔ)方等待時(shí)間。

SJ-3 混凝土實(shí)際澆筑時(shí)間最短，為1 小時(shí)57 分鐘；SJ-2 減去補(bǔ)漿等待的1 小時(shí)20 分鐘，實(shí)際澆筑時(shí)間為3小時(shí)27分鐘；SJ-1實(shí)際澆筑時(shí)間為3小時(shí)27分鐘。根據(jù)施工技術(shù)交底，澆筑混泥土?xí)r混凝土含管深度2～6 m 最為合理。從表2 可知，SJ-1 和SJ-2 混凝土含管深度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于技術(shù)交底要求，導(dǎo)致混凝土在導(dǎo)管內(nèi)堵塞，需要不斷提高導(dǎo)管才能使混凝土灌入孔中。這不僅增加了混凝土澆筑的時(shí)間，還增大了導(dǎo)管觸碰聲測(cè)管和取芯管的風(fēng)險(xiǎn)。SJ-2 和SJ-3 的1 根取芯管以及SJ-3 的1 根聲測(cè)管都在灌注過程中損壞。而且，導(dǎo)管的頻繁升降更容易擾動(dòng)泥漿與混凝土接觸面，使樁頭質(zhì)量下降，所以規(guī)模施工時(shí)現(xiàn)場技術(shù)人員要指導(dǎo)好施工隊(duì)伍合理地拆除導(dǎo)管，提高混凝土的澆筑速度和質(zhì)量。

3 縮徑、擴(kuò)孔和超方

通過混凝土澆筑情況，可以判斷樁孔是否縮徑和擴(kuò)孔。

3.1 縮徑

試樁SJ-1 和SJ-2 縮徑非常嚴(yán)重，試樁SJ-1 孔底以上20.3 m 處縮徑比為0.907；試樁SJ-2 孔底以上51.58 m 處縮徑比為0.938，兩者均不符合規(guī)范［3］要求。SJ-3 孔底以上32.1 m 處也出現(xiàn)縮徑，但還在規(guī)范［3，4］要求范圍內(nèi)。3根樁縮徑部位均在淤泥層以下。

經(jīng)過分析，縮徑原因可總結(jié)如下：

⑴地質(zhì)構(gòu)造中含有淤泥和淤泥質(zhì)土形成的軟弱層，當(dāng)鉆孔通過軟弱層時(shí)，在土壓力的側(cè)壓作用下，軟弱層被擠壓，形成縮徑現(xiàn)象［5，6］；

⑵地質(zhì)構(gòu)造中塑性土層（粉質(zhì)黏土）遇水膨脹，形成縮徑；

⑶鉆頭磨損，未及時(shí)更換鉆齒和補(bǔ)焊，從而形成縮徑。試樁SJ-2 鉆頭直徑為96.5 cm，而試樁SJ-3 鉆頭更換鉆齒后直徑為98 cm，鉆孔結(jié)束后試樁SJ-2 縮徑比例大于試樁SJ-3；

⑷灌注時(shí)孔內(nèi)泥漿比重和粘度大，吸附孔壁從而產(chǎn)生較厚的泥皮。

經(jīng)過實(shí)踐可采取以下措施預(yù)防縮孔：

⑴根據(jù)地質(zhì)鉆探資料及鉆進(jìn)過程中的土質(zhì)變化，若發(fā)現(xiàn)含有軟弱層或塑性土?xí)r，要注意經(jīng)常進(jìn)行掃孔；

⑵減少成孔至混凝土澆筑之間的時(shí)間，達(dá)到減小長時(shí)間造成孔徑變化的目的；

⑶經(jīng)常檢查鉆頭，當(dāng)鉆頭出現(xiàn)磨損時(shí)要及時(shí)補(bǔ)焊和更換；

⑷準(zhǔn)確檢測(cè)孔內(nèi)泥漿指標(biāo)，成孔后立即進(jìn)行清孔，清孔后孔內(nèi)泥漿指標(biāo)要符合要求［7，8］。

3.2 擴(kuò)孔和超方

3 根試樁混凝土澆筑過程中，明顯擴(kuò)孔部位都處于淤泥層。通過混凝土澆筑分析，隨著混凝土澆筑高度的增加，擴(kuò)孔比例逐漸增大。澆筑至護(hù)筒位置時(shí)，計(jì)算的混凝土截面尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于護(hù)筒直徑，說明混凝土?xí)o(hù)筒底部流動(dòng)，將護(hù)筒以下孔徑擴(kuò)大。根據(jù)地質(zhì)情況，擴(kuò)孔比最大的部位應(yīng)該在淤泥層［9］。擴(kuò)孔導(dǎo)致的直接后果就是混凝土超方，如表3所示。

表3 試樁超方統(tǒng)計(jì)Tab.3 Oversquare Statistics of Test Pile

隨著混凝土澆筑高度的增加，混凝土在自重作用下對(duì)軟弱土層及孔壁附著的松散泥皮進(jìn)行擠壓，造成孔徑外擴(kuò)，從而導(dǎo)致混凝土澆筑越高，擴(kuò)孔越大，混凝土超方越多。在提拔護(hù)筒過程中，振拔錘的震動(dòng)擾動(dòng)淤泥層和混凝土，使淤泥和混凝土的流動(dòng)性增大，造成孔徑繼續(xù)增大，所需要的混凝土更多。而護(hù)筒越長擾動(dòng)范圍就越大，所以試樁SJ-1 比試樁SJ-2 和試樁SJ-3混凝土超方更多，比例更大。

混凝土超方難以避免，但可以減小，經(jīng)工程實(shí)踐以下幾個(gè)方面可減小混凝土超方比例：

⑴縮短護(hù)筒長度，減少拔護(hù)筒過程中淤泥層的擾動(dòng)；

⑵控制好超灌高度，澆筑高度增加會(huì)造成淤泥層擴(kuò)孔比例增大；

⑶控制好混凝土塌落度，淤泥層澆筑時(shí)塌落度越小越好（合格范圍內(nèi)）；

⑷使用吊車或挖機(jī)代替振拔錘拔護(hù)筒；

⑸澆筑混凝土?xí)r勤拆導(dǎo)管，避免導(dǎo)管過長使混凝土澆筑壓力不足，從而來回升降導(dǎo)管，攪動(dòng)樁內(nèi)混凝土，使孔壁壓力變化而導(dǎo)致擴(kuò)孔。

4 結(jié)論

本文結(jié)合某工程3根鉆孔灌注樁試樁的水下混凝土灌注施工，進(jìn)行了復(fù)雜地質(zhì)條件下試樁水下混凝土灌注的工效分析，同時(shí)對(duì)試樁混凝土灌注過程中出現(xiàn)的縮孔、擴(kuò)孔和超方等現(xiàn)象進(jìn)行了原因分析，并且提出了對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施，獲得了一些經(jīng)驗(yàn)，可為其他類似工程提供借鑒。

⑴采用信息化管理，優(yōu)化每一批次混凝土澆筑的補(bǔ)方量，減少補(bǔ)方等待時(shí)間。

⑵優(yōu)化導(dǎo)管中混凝土的含管深度及升降頻率，提高混凝土澆筑速度和質(zhì)量。

⑶采用及時(shí)掃孔、清孔，監(jiān)測(cè)泥漿指標(biāo)等方法預(yù)防縮徑［10］。

⑷控制套筒長度、混凝土坍落度、超灌高度等指標(biāo)，減少擴(kuò)孔和超方比例。