水庫除險(xiǎn)加固中混凝土灌注樁施工技術(shù)研究

范財(cái)權(quán)

(福建宏宇工程管理有限公司，福建 漳州 363000)

水庫是江河防洪體系的基礎(chǔ)構(gòu)造之一，水庫的建造主要是積極發(fā)揮攔蓄洪水的作用，與此同時(shí)還能夠保障周邊居民用水，對(duì)當(dāng)?shù)厮Πl(fā)電均具備重要的作用。由于時(shí)間的累積以及流水侵蝕，水庫局部位置容易出現(xiàn)病險(xiǎn)情況，嚴(yán)重危害水庫安全。病險(xiǎn)水庫容易導(dǎo)致支流水位升高、農(nóng)田淹沒、洪水災(zāi)害等。因此需要在固定的時(shí)間內(nèi)定期檢查水庫，及時(shí)清除水庫內(nèi)部的安全隱患，對(duì)水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固。在除險(xiǎn)加固的過程中，最常用的施工材料就是混凝土，這種材料價(jià)格便宜，但是在使用后會(huì)存在很多后期問題。尤其是在水汽濃郁的地方，很容易由于濕度過大導(dǎo)致承載力降低，進(jìn)而造成路基坍塌、基地滑坡等現(xiàn)象，因此可以使用灌注樁的方式，避免此類問題[1-2]。灌注樁施工是一種較為常用的混凝土施工方法，其施工工序較為繁瑣，難度較大，但是可以適用于各種不同的地質(zhì)條件，且承載力較高，成型之后形變量較小，十分適用于水庫的除險(xiǎn)加固工程。

因此，本文結(jié)合實(shí)際水庫加固工程，采用混凝土灌注樁施工技術(shù)，針對(duì)水庫除險(xiǎn)加固施工展開研究，綜合探討其最佳的配合比，并對(duì)原有的施工結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 工程概況

本文研究水庫內(nèi)的大壩以均勻土質(zhì)為基礎(chǔ)，長約630m，壩頂?shù)母叨葹?82.37m，壩高的最大值為40.3m，迎水坡坡比為1∶2.63，背水坡坡比1∶2.55。副壩長約42m，壩頂?shù)母叨燃s為120.39m，壩高的最大值為5.9m，位置處于溢洪道側(cè)方。當(dāng)?shù)氐耐临|(zhì)主要為壤土，呈現(xiàn)出褐色的形態(tài)，略微偏黃，有些區(qū)域偏向棕褐色和灰褐色。下層區(qū)域含有少量卵礫石。其最大干密度為1.36～1.74g/cm2，壩體的土壓實(shí)系數(shù)在0.81～0.97之間，平均值為0.89[3]。本次除險(xiǎn)加固的內(nèi)容主要包括加高大壩以及移動(dòng)到的高度，其中大壩架高1.3m，副壩架高0.6m，溢洪道加高約1.1m，這可以增加水庫容量約63.19萬m3。建筑物內(nèi)的樁基極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為31.5kPa，其阻力端標(biāo)準(zhǔn)值則為4250kPa。

2 混凝土灌注樁施工技術(shù)

2.1 原材料準(zhǔn)備

在水庫除險(xiǎn)加固過程中，為保證工程的安全性與穩(wěn)固性，需要對(duì)原材料的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測與控制，所有混凝土所適用的材料均需要符合工程標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.1粗集料

粗集料一般指粒徑大于4.75mm的碎石等材料，在收集粗集料時(shí)，需要保證其中不含有生活垃圾或者樹葉、草根等有機(jī)物質(zhì)[4-5]。按照質(zhì)量指標(biāo)，粗集料可以分為3類，分別為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)，這3個(gè)等級(jí)所能夠包含的有害物質(zhì)含量見表1。

表1 有害物質(zhì)含量表

在表1中，使用比色法測定粗集料中的有害物質(zhì)含量是否符合質(zhì)量指標(biāo)，通過該方法，需要保證所有粗集料內(nèi)的有機(jī)質(zhì)含量均在及格線以上。且在Ⅰ級(jí)粗集料中，不能有泥塊，其含泥量以及硫化物含量均在整體質(zhì)量的0.5%以下。在Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)粗集料中，其硫化物含量的質(zhì)量指標(biāo)相等，均需要保持在0.5%～1.0%之間。在檢測粗集料時(shí)，可以使用篩分、壓碎等方式，對(duì)于碎石的壓碎指標(biāo)分別為10%、20%和30%對(duì)于卵石的壓歲指標(biāo)則分別為12%、16%和18%[6]。在使用粗集料時(shí)，可在C60或以上等級(jí)的混凝土中混入Ⅰ類粗集料；在C30—C60等級(jí)混凝土中混入Ⅱ類粗集料；如果該類型的混凝土需要更高的抗棟性能或者抗?jié)B性能，同樣可以直接摻進(jìn)適量的粗集料；在C30或以下等級(jí)混凝土中混入Ⅲ類粗集料；一般的施工工程中基本都會(huì)使用Ⅱ類粗集料，但是在大多數(shù)區(qū)域，都需要使用Ⅰ類粗集料制造的混凝土[7]。

2.1.2細(xì)集料

相比于粗集料，細(xì)集料則表示經(jīng)過篩分后，粒徑小于4.75mm的小型材料，如石屑、沙粒等。這些細(xì)集料需要保證質(zhì)地堅(jiān)硬以及干燥潔凈，其中絕不能出現(xiàn)人工垃圾等物質(zhì)。按照細(xì)集料的細(xì)粒度，可以將其分為3個(gè)等級(jí)，其中粗砂是最好的一個(gè)等級(jí)，其細(xì)度模數(shù)為1.6～2.1，中砂的細(xì)度模數(shù)為2.3～3.0，而細(xì)度模數(shù)為3.1～3.7的細(xì)砂等級(jí)最差。其內(nèi)所能夠包含的有害物質(zhì)含量質(zhì)量指標(biāo)見表2。

表2 細(xì)集料內(nèi)有害物質(zhì)含量質(zhì)量指標(biāo)

表1中對(duì)于3個(gè)等級(jí)的細(xì)集料，輕物質(zhì)與有機(jī)質(zhì)含量的質(zhì)量指標(biāo)相同，其中輕物質(zhì)要求含量小于等于1.0%，有機(jī)質(zhì)含量的質(zhì)量指標(biāo)需要在比色法下達(dá)到及格線。對(duì)于硫化物含量以及氯化物含量，表格中分別標(biāo)注了不同的標(biāo)準(zhǔn)，在云母的含量中，粗砂的質(zhì)量指標(biāo)為1.0%以下，而中砂和細(xì)砂的指標(biāo)相同，均為1.0%～2.0%[8]。3個(gè)等級(jí)的細(xì)集料同樣可以對(duì)應(yīng)不同等級(jí)的混凝土材料，其中粗砂和中砂分別與Ⅰ級(jí)粗集料和Ⅱ級(jí)粗集料相同，分別對(duì)應(yīng)強(qiáng)度大于等于C60的混凝土和強(qiáng)度等級(jí)在C30—C60之間的混凝土。細(xì)砂則不僅可以適用于強(qiáng)度等級(jí)小于等于C30的混凝土，還可以在砌筑砂漿等工程中使用。

2.1.3膠凝材料與外加劑

膠凝材料與外加劑均為混凝土混合過程中使用的，可以使混凝土在灌注樁施工中質(zhì)量更好的物質(zhì)。在和水成漿后，凝膠材料可以在空氣中或者水中直接硬化，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的凝膠材料可以進(jìn)一步加強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度，在此過程中需要保證其顆粒的細(xì)膩度，并達(dá)到干縮性的規(guī)范要求。在本工程中，外加劑主要為減水劑，該類外加劑可以在減小水膠比的同時(shí)增加強(qiáng)度[9]。在本次水庫除險(xiǎn)加固的混凝土灌注樁施工工程中，將減水劑的質(zhì)量設(shè)定為混凝土整體質(zhì)量的1%，這樣一來，減水劑的應(yīng)用效果能夠達(dá)到25%以上。

2.1.4拌合水

拌合水需要作為凝膠材料以及一系列其他物質(zhì)的中間材料，因此其化學(xué)指標(biāo)有著較高的要求。拌合水的PH值需要大于等于4.5，且其中的不溶物含量需要保證在2000mg/L以內(nèi)。

2.2 配合比計(jì)算

首先需要計(jì)算本文水庫除險(xiǎn)加固工程所需要的混凝土強(qiáng)度，計(jì)算公式為：

qn=qs+1.645×δk

(1)

式中，qn—該工程中實(shí)際應(yīng)用的混凝土強(qiáng)度，MPa；qs—混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，MPa；δk—混凝土強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。混凝土的水膠比的計(jì)算公式如下：

(2)

式中，σb—1個(gè)參數(shù)，即混凝土的水膠比，%；λs—混凝土配合比的回歸系數(shù)；jd—凝膠材料在實(shí)際施工過程中的強(qiáng)度系數(shù)；λp—凝膠材料的回歸系數(shù)[10]。此時(shí)所需要的拌合水的用水量為：

(3)

式中，mwater—拌合水的整體用水量，kg/m3；m′water—被減水劑減去的水量，kg/m3；φk—減水率，%。通過以上公式，可以調(diào)整得到更準(zhǔn)確的混凝土配合比。由此可以得到該工程內(nèi)使用的水泥、砂、碎石、水、外加劑(減水劑)的配合比為356∶712∶1135∶124∶3.9。在此基礎(chǔ)上，可以適當(dāng)增加或減少1%以下的碎石比例，以提高或減小混凝土的強(qiáng)度[11]。

2.3 施工過程

2.3.1施工平臺(tái)與設(shè)備

首先需要對(duì)施工現(xiàn)場進(jìn)行平整與清掃，清除堤壩平臺(tái)上的污物與不平整區(qū)域，然后在該場地內(nèi)使用全站儀進(jìn)行坐標(biāo)定位，并放置樣本編號(hào)。在各個(gè)坐標(biāo)區(qū)域埋設(shè)厚鋼板護(hù)筒，以便儲(chǔ)存更多的粘土，作為造漿的主要材料。且提前設(shè)置的工作平臺(tái)需要保證足夠的穩(wěn)定，不能在鉆機(jī)工作時(shí)發(fā)生晃動(dòng)等情況。

2.3.2鉆孔

在開孔過程中，需要及時(shí)對(duì)混凝土灌注樁的底部平面進(jìn)行清潔整理，當(dāng)使用的泥漿是塑性指數(shù)較高的類型時(shí)，需要即使在其中添加粘合劑，以便提高泥漿的粘性。由于水汽蒸發(fā)的原因，泥漿的性能每時(shí)每刻都在發(fā)生變化，因此需要每天兩次測量泥漿的指數(shù)，以防止在使用時(shí)的性能與初始配置的性能差距過大，導(dǎo)致施工出現(xiàn)錯(cuò)誤。完成鉆孔工作后，還需要仔細(xì)檢查每一個(gè)孔洞的位置、深度、樁徑以及垂直系數(shù)，并清理整潔，這是因?yàn)楣嘧对试S的偏差程度極小。其中孔洞位置和樁徑的允許偏差均在50mm以內(nèi)，垂直系數(shù)的偏差值則為1%，孔洞深度的偏差值為500mm[12]。使用清理設(shè)備對(duì)空洞內(nèi)的泥漿進(jìn)行清理，保持泥漿比重為1.03～1.06，當(dāng)達(dá)到該參數(shù)時(shí)，停止泥漿的清理工作。

2.3.3鋼筋籠

施工過程中制作的鋼筋籠需要完全依據(jù)圖紙需求，其內(nèi)徑需要大于外徑接頭100mm以上，鋼筋骨架外徑和主鋼筋間距的偏差值不能過高，按要求不可超過10mm，加強(qiáng)筋間距以及螺旋筋間距允許存在的偏差相對(duì)寬松，一般保證在20mm內(nèi)。鋼筋籠的安裝需要使用吊車，并實(shí)時(shí)保證鋼筋籠的穩(wěn)定性，防止其與灌注樁緊密接觸，并在成功安裝鋼筋籠后，及時(shí)澆筑混凝土，防止坍孔現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.3.4混凝土灌注樁澆筑

在灌注樁上方澆筑混凝土?xí)r，需要及時(shí)安裝導(dǎo)管，作為引導(dǎo)混凝土方向的裝置。且在澆鑄前需要及時(shí)檢查灌注樁孔底的沉渣厚度，若厚度過大，需要再次使用清孔儀器對(duì)孔洞進(jìn)行清理。封底澆筑過程中的混凝土匯報(bào)沉渣沖開，因此需要提前設(shè)定封底混凝土的體積Vh：

(4)

式中，Df—灌注樁直徑，mm；Hn和Hm—導(dǎo)管深度與孔底高度，mm；Tp—沉渣厚度，mm。當(dāng)?shù)玫交炷馏w積以后，可完成混凝土的水下澆筑工程，按期進(jìn)行過灌注樁的施工進(jìn)程。

3 質(zhì)量檢測

在工程施工結(jié)束以后，使用超聲波對(duì)本工程內(nèi)的混凝土灌注樁進(jìn)行完整性的監(jiān)測。檢測結(jié)果見表3。

表3 質(zhì)量檢測結(jié)果

通過表1所示的數(shù)據(jù)中可知，該水庫除險(xiǎn)加固工程內(nèi)的灌注樁樁身沒有明顯的斷樁現(xiàn)象，也沒有離析或者夾泥的情況，灌注樁的截面也沒有出現(xiàn)縮徑和擴(kuò)徑的現(xiàn)象。灌注樁本身具備較好的均勻性以及完整性，且所有待檢測的灌注樁均符合檢測標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了最初設(shè)計(jì)的基本要求。

4 結(jié)語

本文借鑒了以往混凝土灌注樁施工的一些應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及研究數(shù)據(jù)，對(duì)混凝土灌注樁在水庫除險(xiǎn)加固過程中的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了分析，并探討了其在先期需要準(zhǔn)備的原材料情況，以及灌注樁施工過程中的技術(shù)原理。在該施工技術(shù)下，本文的水庫除險(xiǎn)加固技術(shù)在工程檢驗(yàn)時(shí)完整地通過了檢測，并在一段時(shí)間后同樣能夠保證基礎(chǔ)部分的完好無損，這證明了本文施工技術(shù)的有效性。

但是由于時(shí)間的限制，本文僅對(duì)施工后的混凝土灌注樁的完整性進(jìn)行監(jiān)測，因此在后續(xù)的研究中，將補(bǔ)充對(duì)混凝土灌注樁承載力的測試，以實(shí)現(xiàn)水庫加固的目的，為我國水利工程的安全性與穩(wěn)定性提供技術(shù)支持。