許憶東
(石城縣交通運(yùn)輸局,江西 石城 342700)
鉆孔灌注樁是一種在橋涵工程中較為常見的樁基形式,鉆孔灌注樁本身具有適應(yīng)性強(qiáng)、承載力高、樁身變形小、強(qiáng)度剛度大、入土深度大、可在水下進(jìn)行施工等特點(diǎn),被廣泛運(yùn)用在建筑工程中。但是經(jīng)常會出現(xiàn)樁頭擴(kuò)徑、縮徑、斷樁、夾泥、浮漿、沈渣等問題,混凝土配合比的設(shè)計(jì)和原材料的把關(guān)是保證整個(gè)樁基質(zhì)量的前提,不當(dāng)?shù)呐浜媳葧痘哪途眯院头€(wěn)定性造成影響,進(jìn)而影響到整個(gè)橋梁工程的服役期限和交通安全,甚至?xí)l(fā)重大交通事故和人員及財(cái)產(chǎn)的損失。橋梁工程本身設(shè)計(jì)難度大,鉆孔灌注樁作為橋梁工程的基礎(chǔ)組成部分,不僅要嚴(yán)格遵守施工工藝還要控制好施工質(zhì)量。樁基是在水下進(jìn)行施工的,一旦完工后發(fā)現(xiàn)質(zhì)量有問題,后期的修復(fù)需要很高的經(jīng)濟(jì)成本且難度很大,所以從最開始對樁基材料的選擇、設(shè)計(jì)到最后灌樁,整個(gè)過程都不容有瑕疵,因此對鉆孔灌注樁性能和工藝的研究顯得非常有意義。
為研究鉆孔灌注樁混凝土性能及工藝,該文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上[1-5]運(yùn)用理論知識從鉆孔灌注樁混凝土的耐久性、力學(xué)性能和工作性能出發(fā),分別設(shè)計(jì)相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行研究,同時(shí)結(jié)合實(shí)際工程案例對鉆孔灌注樁混凝土工藝進(jìn)行分析,希望能夠?yàn)殂@孔灌注樁在橋梁工程中的運(yùn)用提供參考價(jià)值。
在C25 的鉆孔灌注樁配合比基礎(chǔ)上,在相同質(zhì)量的前提下保持外加劑使用量、集料配比、用水量不變的情況下加入15%、20%、25%、30%的粉煤灰來充當(dāng)水泥,對鉆孔灌注樁混凝土的力學(xué)性能、工作性能和耐久性進(jìn)行試驗(yàn)分析,具體的試驗(yàn)用配合比和配合比摻量見表1~2。
表1 試驗(yàn)用配合比
表2 配合比摻量表
鉆孔灌注樁混凝土的最基本力學(xué)性能指標(biāo)為混凝土抗壓強(qiáng)度,此章節(jié)設(shè)置五種不同配合比的粉煤灰,按照試驗(yàn)規(guī)范要求制作成立方體的抗壓試件,每種成型三個(gè)試件,具體收集3 d、7 d、28 d、60 d、90 d 強(qiáng)度值,嚴(yán)格遵循《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE30—2005)的要求進(jìn)行計(jì)算收集相關(guān)數(shù)據(jù),并分析總結(jié)出每種試件類型的變化規(guī)律,強(qiáng)度值見表3。
表3 鉆孔灌注樁混凝土在不同摻量石灰比下強(qiáng)度匯總表
由表3 分析可知,早期摻入粉煤灰的混凝土強(qiáng)度都比不摻入粉煤灰的混凝土強(qiáng)度低;粉煤灰摻量較少的混凝土強(qiáng)度在低齡時(shí)段和基礎(chǔ)混凝土的強(qiáng)度差別不是很大,后期摻量增加了,對應(yīng)混凝土的強(qiáng)度下降很明顯;當(dāng)齡期到達(dá)30 d 的時(shí)候,此時(shí)混凝土的強(qiáng)度和基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度很接近,已經(jīng)可以滿足試配混凝土的強(qiáng)度要求;隨著齡期的增加,粉煤灰的活性成分和水泥水化反應(yīng)后生成的化合物把混凝土孔隙填充起來,在90 d 齡期的時(shí)候,基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度已經(jīng)比大部分摻粉煤灰的混凝土強(qiáng)度略低??傮w上,高摻量粉煤灰的混凝土強(qiáng)度還是比基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度低。所以,要想通過摻入粉煤灰量來提高基準(zhǔn)混凝土的強(qiáng)度,是有一個(gè)高峰值的,一旦過了這個(gè)值,強(qiáng)度就會降低,此次試驗(yàn)中,粉煤灰摻量的最佳比例為0.25。
此章節(jié)采用稠度試驗(yàn)方法中的大坍落度儀法來測試摻粉煤灰的鉆孔灌注樁混凝體的工作性能,經(jīng)過試驗(yàn),把五種不同粉煤灰比例的混凝土插搗難易程度、含砂、黏聚性、保水性等指標(biāo)確定出來,通過實(shí)測1 h 的坍落度變化量來研究混凝土的工作性能。五種不同配合比新拌混凝土性能見表4。
表4 五種不同配合比新拌混凝土性能評價(jià)表
結(jié)合表4 可知,從凝聚性和保水性角度分析,五種不同粉煤灰摻入比的混凝土都比基準(zhǔn)混凝土的高;從坍落度角度分析,五種摻入不同比例粉煤灰比的混凝土坍落度都有增加,摻入的比例越高,坍落度越大,總體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,在摻入比例為0.25 時(shí)達(dá)到最大值,有摻入粉煤灰的混凝土坍落度都比基準(zhǔn)混凝土大;從容重方面來分析,容重和粉煤灰的摻量成負(fù)相關(guān)關(guān)系,主要原因是水泥密度比粉煤灰密度大;從1 h 的坍落度變化量來分析,摻入粉煤灰后的混凝土坍落度都有一定的損失,摻入比例為0.25 時(shí)對應(yīng)的損失最小,主要原因是粉煤灰起到固型作用。
通常干縮裂縫會對混凝土的耐久性和強(qiáng)度造成很大影響[6],經(jīng)過大量專家和學(xué)者的研究一致認(rèn)為大部分混凝土的耐久性是由裂縫造成。
1.3.1 抗?jié)B試驗(yàn)分析
混凝土的表面或者內(nèi)部的裂縫會對其抗?jié)B性能產(chǎn)生較大影響,此章節(jié)采用水壓力法進(jìn)行試驗(yàn)研究,對五種不同摻粉煤灰配合比的混凝土制作出對應(yīng)的抗?jié)B試件,然后將它們放在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)30 d,每隔8 h 增加水壓0.1 MPa,水壓初始值為0.1 MPa,一直增加到五組試件中都有出現(xiàn)至少3 個(gè)滲水為止,經(jīng)過試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖1。
從試驗(yàn)結(jié)果圖1 可以看出,當(dāng)水壓達(dá)到0.6 MPa 時(shí),基準(zhǔn)配合比試件出現(xiàn)3 個(gè)滲水試件,F(xiàn)0.15、F0.20、F0.30在0.7 MPa 時(shí)出現(xiàn)3 個(gè)滲水試件、F0.25在水壓為0.8 MPa 時(shí)出現(xiàn)3 個(gè)滲水試件。經(jīng)過研究分析可知,摻入粉煤灰后鉆孔灌注樁混凝土的抗?jié)B能力有所提高。在此次試驗(yàn)中,粉煤灰配合比為0.25 時(shí),混凝土的抗?jié)B能力最好,如果繼續(xù)增加粉煤灰的用量,抗?jié)B能力反而有所下降。
1.3.2 干縮試驗(yàn)分析
干縮率、抗?jié)B能力都是作為評價(jià)混凝土耐久性的一個(gè)重要指標(biāo),經(jīng)過鉆孔灌注樁混凝土干縮率試驗(yàn),可以得到對應(yīng)混凝土在某一特定環(huán)境中收縮形變隨著試件變化而變化的情況。此章節(jié)試驗(yàn)試件尺寸為100 mm×100 mm×500 mm,測量基點(diǎn)的方式為預(yù)埋測頭,待試件成型后,將其放入濕度為60%+5%,溫度20℃+5℃的干縮箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù),分別在3 d、5 d、15 d、30 d、60 d、90 d 收集試件的對應(yīng)長度,利用公式(1)來計(jì)算干縮率。
式中,Sd—— 齡期d的混凝土干縮率(%);X01——試件的初始長度,包含測頭(mm);Xt1——齡期t天時(shí)干縮長度測量值,包含測頭(mm);L0——試件的測量標(biāo)距,等于混凝土試件的長度扣除兩倍測頭埋入深度(mm)。
不同粉煤灰摻量的鉆孔灌注樁混凝土都對應(yīng)制作三個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn),最終取平均值來計(jì)算,試驗(yàn)結(jié)果見表5。
表5 鉆孔灌注樁混凝土收縮率試驗(yàn)結(jié)果
由表5 分析可知,從粉煤灰摻量角度來分析,前期由于粉煤灰活性比較小,水化反應(yīng)較慢,混凝土中水化熱較低,干縮率比較??;后期隨著時(shí)間的增加,粉煤灰中的二氧化硅和三氧化二鋁逐漸和水泥發(fā)生二次化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)生成物對混凝土內(nèi)部的孔隙進(jìn)行填充,最終使干縮率變得更小。從總體上分析,基準(zhǔn)混凝土和摻入粉煤灰鉆孔灌注樁混凝土的收縮率大,對比兩種混凝土可知,在前期摻入粉煤灰的鉆孔灌注樁混凝土的干縮率變化較慢,基準(zhǔn)混凝土干縮率變化較快,后期隨著齡期增加,摻入粉煤灰的鉆孔灌注樁混凝土的干縮率變化有所提升,基準(zhǔn)混凝土的干縮率趨于平穩(wěn),總體上基準(zhǔn)混凝土的收縮率大于摻入粉煤灰鉆孔灌注樁混凝土的收縮率。綜上分析可知,鉆孔灌注樁混凝土干縮率受粉煤灰摻量的影響較大。
灌注樁的施工工藝是連續(xù)的環(huán)環(huán)相扣的操作,對施工質(zhì)量和方案嚴(yán)格把控,非常重要且很有意義。
此章節(jié)對京港澳高速河南邢臺市到臨城縣段水下灌注樁的整體工藝流程進(jìn)行分析,項(xiàng)目所屬氣候?yàn)榕瘻貛Т箨憵夂?,淺層地下水水量處中等豐富區(qū),含水層主要成分為粉砂、粉細(xì)砂、厚度約5~10 m,有些層厚小于5 m,頂板埋深10~15 m,地下水主要是靠大氣降水和地表水滲入。
該工程經(jīng)過村鎮(zhèn)較多,工程量大、工期短,前期需要大量準(zhǔn)備工作,根據(jù)水文地質(zhì)特征和項(xiàng)目施工安排,此路段采用反循環(huán)鉆機(jī)和旋挖鉆機(jī),使用2 臺HG200 型反循環(huán)鉆機(jī)、2 臺雷沃612D 旋挖鉆機(jī)以及1 臺福田 220作為施工機(jī)具,采用泥漿護(hù)壁法、導(dǎo)管法灌注水下混凝土。
結(jié)合當(dāng)?shù)厮牡乩硖卣骱屯惞こ痰氖┕そ?jīng)驗(yàn),該路段采用成孔作業(yè)方法,鉆孔灌注樁共有968 根,樁基采用反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆成孔,水下灌注樁工程施工流程包括平整場地、樁位放樣、埋設(shè)護(hù)筒、鉆孔、清孔、鋼筋籠制作和安裝、混凝土灌注、鑿除樁頭、樁基檢測等。
由于施工環(huán)境具有較厚的覆蓋層,需要設(shè)置護(hù)筒,護(hù)筒由1 cm 厚度鋼板加工而成,護(hù)筒刃腳1 m 范圍內(nèi)采用1 cm 的厚鋼進(jìn)行加固處理,采用振動沉拔錘打入埋置。
通常氣候條件和地質(zhì)條件的不同會導(dǎo)致泥漿的性能有所變化,為了保障鉆孔工作高效安全地進(jìn)行,制漿過程中要加入優(yōu)質(zhì)黏土。隨時(shí)要對泥漿的性能指標(biāo)進(jìn)行跟蹤測試,特殊情況時(shí),還可以往泥漿池中加入外加劑來改善泥漿質(zhì)量。
采用間隔鉆孔成樁,鉆頭伸進(jìn)孔內(nèi)距離孔底約5~8 cm,此時(shí)開通泥漿泵,先沖洗液循環(huán)3~5 min,再慢速回轉(zhuǎn)將鉆頭慢慢下降,慢轉(zhuǎn)幾分鐘待到進(jìn)入孔底1 m以后,才慢慢提高轉(zhuǎn)速和鉆壓,正常工作時(shí)不能隨意提升鉆頭。停鉆后將鉆具提出孔底約1 m 后清洗干凈,才能加接鉆桿。
鋼筋原材料、半成品和成品要做好標(biāo)識,科學(xué)有序地放置,同時(shí)應(yīng)該按檢驗(yàn)狀態(tài)及結(jié)果、使用的工藝等分類方法進(jìn)行標(biāo)識。鋼筋籠應(yīng)該根據(jù)實(shí)際樁長分節(jié)再進(jìn)行加工,每節(jié)鋼筋籠長度一般大于18 m,采用雙面塔接焊,焊縫長度要大于5d,主鋼筋焊接結(jié)構(gòu)在同一截面的數(shù)量需小于50%。采用25 t 騎車吊裝鋼筋籠,同時(shí)要防止其產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的變形。
采用導(dǎo)管拔栓法進(jìn)行水下混凝土灌注,導(dǎo)管直徑小于鋼板栓圓直徑約1~1.5 cm,在灌注之前應(yīng)該再次測量孔深,確定沉渣厚度,灌注應(yīng)該有條不紊地連續(xù)進(jìn)行,不能中途停下。鉆孔樁混凝土在達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照施工設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范對項(xiàng)目設(shè)計(jì)的樁基進(jìn)行竣工后的科學(xué)檢測。
從耐久性能來說,粉煤灰本身顆粒較小且可以發(fā)生二次反應(yīng)對混凝土進(jìn)行填充,對鉆孔灌注樁混凝土的抗?jié)B能力和抗干縮能力都有提升,增加了混凝土的密實(shí)度;從力學(xué)性能來說,前期由于與水泥的水化反應(yīng)較少,隨著時(shí)間推移,后期鉆孔灌注樁混凝土的強(qiáng)度會迅速增強(qiáng);從工作性能來說,由于粉煤灰本身就是很細(xì)小的球狀物質(zhì)具有潤滑作用,可以減少鉆孔灌注樁混凝土蜂窩麻面的現(xiàn)象,有助于提高其工作性能;研究得出25%的粉煤灰摻量配合比能夠最大提升鉆孔灌注樁混凝土的性能。