下穿厚砂层的混凝土钻孔灌注桩施工关键技术研究

发布时间：2019-06-24 17:14所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次

摘要：通过昆明南站钻孔灌注桩的工程应用实例，介绍了厚砂层地基中灌注桩基施工的工程特点，并对3种施工方案进行比选，最终确定选用优化后的浅护筒加泥浆护壁工艺，该方法保证了桩基施工的安全、质量、进度。同时，对泥浆制备与循环、钢筋骨架制作与安装、混

　　摘要：通过昆明南站钻孔灌注桩的工程应用实例，介绍了厚砂层地基中灌注桩基施工的工程特点，并对3种施工方案进行比选，最终确定选用优化后的“浅护筒加泥浆护壁”工艺，该方法保证了桩基施工的安全、质量、进度。同时，对泥浆制备与循环、钢筋骨架制作与安装、混凝土灌注等施工关键技术的控制进行了论述，解决了下穿厚砂层地基中钻孔灌注桩施工的难题。

　　关键词：厚砂层,膨润土,浅护筒加泥浆护壁,混凝土灌注,后注浆工艺

　　0前言

　　目前，桩基础的利用率在我国各类建筑工程结构中所占比例高达70%，每年采用机械钻孔的灌注桩总量约60万根，已成为建筑工程结构中技术应用最活跃的领域之一。近年来，钻孔灌注桩因其桩基承载力大、抗震性好、变形小及能较好适应各种复杂地质条件和荷载情况等特点而被广泛使用[1-3]，使得我国钻孔灌注桩技术从整体设计到施工管理均得到了发展。

　　而岩溶地区及厚砂层土体对钻孔灌注桩的施工质量和进度的影响以及施工过程中的关键技术控制一直是工程界的研究热点[4-5]。本文以昆明南站钻孔灌注桩为研究背景，对厚砂层地基施工关键技术：泥浆制备与循环、钢筋骨架制作与安装、混凝土灌注等施工关键技术方法进行了论述，可供具有相似地质情况的工程借鉴。

　　1工程概况

　　昆明南站为昆明铁路枢纽内客运系统的重要组成部分，整个车站按照16台30线规模布局设计，铁路车场中心里程轨顶设计标高为1942.00m，站台高程1943.25m，桩基中桩长普遍超过45m。地质钻探资料显示，场地地层岩性较单一，按其成因和时代分类主要有：第四系全新统人工填土层(Q4ml)、第四系全新统坡洪积层(Q4pl+dl)、第四系全新统坡残积层(Q4el+dl)、上第三系(N2)黏性土(黏土岩)、砂类土、砾石土(砾岩)。此外，工程场地存在以粉质黏土为主的部分素填土，为棕红色，稍密湿，土体中局部夹杂圆棱状粗角砾，粒径范围20~60mm;局部地层下有厚达10～15m的中细砂层。

　　2施工关键技术控制

　　2.1钻机选取与施工控制

　　本工程地质条件复杂，既存在厚砂层、流沙层，也存在弱风化岩层、溶洞及溶洞串。此地质条件下施工易发生偏锤、成孔塌孔、漏浆、包砂等现象，需有别于一般地质条件下钻孔灌注桩的成桩方法。故该工程桩基成孔方式选用冲击钻成孔，平底钻头为宜。钻机安装前需检查钻机平台是否平整、稳固;安装后，先进行试运转，若不符合规范要求，应及时调整、加固。钻机安装就位后需安排专业测量人员对护筒顶、平台标高进行测量并记录，主要用于钻进过程中成孔深度的测量参考，其次在钢护筒内应放适量泥浆;钻进初期宜低档慢速进行，直至钻进深度到护筒下约1m后再以正常或设计速度钻进，但在砂层中钻进速度不宜大于7m/h。

　　进行桩基成孔过程中，若孔中泥浆大量损耗或漏失应给予新鲜浆液补充。每钻进2m或地层变化处，需在循环浆沟取样检测记录泥浆指标，并与表1指标[6]进行核对。如超出指标必须进行处理，其措施为：停止钻进，用泵抽出槽内泥浆，除砂器净化，废弃部分泥浆，同时补充新鲜浆液。

　　2.2施工方法分析与比选

　　地质勘探资料表明，部分钻孔灌注施工将在砂土层中进行，为此提出了三种施工方案。方案比选表明，若采用浅护筒进行磨钻或选用冲抓工艺，极易在磨钻抛石障碍层因长时间扰动土体而发生坍孔、流砂，导致后续施工难以进行;若采用深护筒方案施工，技术可行但灌注桩施工结束后钢护筒无法回拔再利用，产生的钢护筒费用较高;浅护筒加泥浆护壁是对前二种方案的优化改进，可达到降低施工成本、提高施工效率、提升整体质量的效果。

　　具体施工方法：先选用大钻头引钻扩孔，同时沉入厚0.008m、长2.0m的钢护筒，护筒内径需大于钻头直径0.2m。护筒上部开设一个溢浆口，尺寸为300mm×300mm，护筒顶部需高出地面300mm。当钢护筒下沉至抛石障碍层时，需进行磨钻清障工作，距离护筒底部2~4m范围内为坍孔事故高发区域段，因此，在钻进抛石障碍层后，应及时向孔内注入一定比例黄泥并充分拌和，同时将按一定比例的石膏和膨润土混合物注入孔内与黄泥充分拌和形成厚泥。该类工艺制作的泥浆具有失水量大、沉渣难清除、泥与浆分离较快及可靠性差等特点，因此，还需掺入一些改性材料用于提升泥浆护壁性状。

　　2.3泥浆制备与循环

　　2.3.1泥浆制备

　　砂土层具有内聚力弱、稳定性差等特点，进行钻孔灌注桩施工时需确保泥浆的质量。泥浆关系到孔壁稳定程度、桩身混凝土浇筑质量及桩土间摩阻力大小，是桩基整体性能的重要保障。膨润土具有密度低、黏性强、含砂量低、吸水性及固壁能力强等特性，故实际工程中常选用膨润土作为人工造浆的主要原料，并掺入部分纤维素、纯碱作为增性材料。为获取优质泥浆配比，本工程进行了改变膨润土、纯碱及纤维素含量的试验，对不同孔径桩选用不同泥浆配比，成桩后采用超声波试验检测桩基完整性，并分析三者掺量与桩基完整性的关系，Ⅰ类桩表示桩基承载力符合设计要求。

　　增加膨润土含量可提升Ⅰ类桩基比例;若要确保Ⅰ类桩桩基承载力符合设计要求的比例为98%以上，孔径为1m和1.2m时膨润土含量需在7.0%以上，可取7.5%，;孔径为1.5m时膨润土含量宜为8.0%以上，可取8.5%。在桩径相同时，增加工业碱的使用含量可提升Ⅰ类桩的比例，若需确保Ⅰ桩基比例在90%以上，工业碱含量宜取0.3%。

　　增加纤维素使用量与增加工业碱、膨润土含量的效果一样，均可提升Ⅰ类桩比例;且纤维素含量宜取0.05%。综上所述，为保证Ⅰ类桩占比超过98%，孔径为1m、1.2m时，膨润土掺量宜为7%~8%，1.5m孔径桩膨润土掺量宜为8%，可取7%～8.5%;工业碱掺量取0.3%～0.5%;纤维素掺量取0.05%。膨润土掺量可随桩孔径增大适当增加，纤维素、工业碱使用含量可保持不变。

　　2.3.2泥浆循环系统

　　整体而言，泥浆循环系统由泥浆池、沉淀池、废浆池及泥浆循环净化系统组成，将二次泥浆放置沉淀池，待泥砂沉淀后再流入泥浆池，将不能循环使用的废浆排入废浆池。该法既提高了泥浆利用率也节约了成本。

　　2.4钢筋骨架制作与安装

　　2.4.1分段制作

　　若钢筋骨架的总长度大于35m，需截分为2~3段进行制作，并制作混凝土保护层垫块。骨架底部放孔内前，需在柱底压浆管安装喷浆阀;下放过程中桩身压浆管底部需安装PVC环形喷浆阀。

　　2.4.2整段制作

　　若钢筋骨架的总长度小于35m，无需截分可整段制作，下放钢筋骨架时可选用大型吊车整体吊放。下放钢筋骨架过程中应注意对准孔位轻放、慢放，避免碰触孔壁引起土体掉落，同时不得旋转钢筋骨架，灌注完毕后方可解固。

　　2.4.3钢筋骨架下放

　　下放钢筋骨架在第二次清孔完成后进行，安装下放的时间影响桩基施工质量，下放时间过长，会造成孔底沉渣量过大致使钢筋骨架下放深度难以保证，继而引发桩孔坍塌、钢筋骨架被埋等施工事故。因此，要缩短钢筋骨架连接及安装时间，降低事故发生率。为缩减在厚砂层中完成钢筋骨架连接及安装时间，研制了一种钢筋骨架衔接的定位装置。钢筋骨架加工后需分节编号以确保各节之间衔接准确，减少由纵筋位置、长度等引起的偏差。

　　定位装置的安装依据钢筋骨架水平圈位置在钢板上进行杆位钻孔，并在每个钻孔中插入30cm长套管进行焊接，焊接位置位于钢板孔位两侧，每个套管两端各有2个固定螺杆，钢板直立安装固定于底座，以便钢筋骨架衔接定位。此外，对于厚砂层而言，还应考虑在厚砂层所对应的钢筋骨架位置加焊桩径卡，桩径卡可选用薄钢片替代，且需保证桩径卡与钢筋接触状态平直，以起到挤压砂土的作用，避免塌孔现象发生。

　　2.5混凝土灌注

　　2.5.1桩身混凝土灌注

　　灌注混凝土前应再次对孔底沉渣厚度进行测量，若沉渣厚度超标[7]，可采用喷射法处理使沉渣悬浮。浇筑桩身混凝土过程中需检测孔内浇筑混凝土面的位置，以便能及时调整导管的埋置深度(一般控制在2~6m)。提升导管时应停止灌注，取下储料斗，保持提升导管的轴线位置居中。当导管提升至孔口以上高度时用卡盘固牢，并拆除1节或2节导管，然后导管接上储料斗继续灌注施工，整个过程时间不宜过长，一般控制在15min以内。

　　为确保桩顶质量，一般灌注高度高于桩顶设计标高0.5~1.0m。接近桩顶时因导管内混凝土高度降低，导管内压力缩减，管外泥浆密度增大，致使混凝土上升较困难，此时可在孔内加入清水稀释泥浆，使灌注施工顺利进行。拔出最后一节导管时，应慢速拔出以防桩顶泥浆挤入导管下形成泥心，灌注结束后，混凝土初凝前拔除钢护筒。

　　2.5.2灌注桩后注浆工艺

　　钻孔灌注桩后注浆技术[8]是指桩身混凝土达到一定抗压强度后，通过预埋在桩身内部的注浆管道向桩体内灌注浆液(一般为水泥浆液)，以此来实现增强基桩承载力的方式，主要通过两方面实现：①利用该方法巩固桩端沉渣与桩侧泥皮;②利用桩周土体所产生的作用达到加固效果，具体步骤为：第一步：预埋钢管后进行灌注桩的施工;第二步：沿预埋钢管钻透桩身底部;第三步：沉积在桩底部的沉渣可利用高压力水流进行清除;第四步：利用钢管对灌注桩底部或桩侧进行注浆施工;第五步：钢管一侧入口用塞子堵住，并继续对柱底部或桩侧注浆。

　　成桩过程中所使用的护壁泥皮及混凝土浇筑完成进行凝结时所产生桩身缩径是影响钻孔灌注桩桩侧阻力的重要因素。采用后注浆工艺对灌注桩进行注浆可使浆液填充桩身与土体间的空隙，增强桩身与桩周土之间的摩擦力;其次，优质的护壁泥皮可加强与土体的挤密作用，增强土体、桩身间的黏聚力，提升两者之间的摩擦阻力。

　　3结语

　　昆明南站的施工实践证明，下穿厚砂层地基灌注桩施工存在较多难点，若处理不当将对整个工程带来很大影响。本工程依据场地地质条件，拟定并比选出最佳施工方案——优化后的浅护筒加泥浆护壁;通过泥浆配比试验得出了优质泥浆配比;研制了钢筋骨架衔接定位装置及针对厚砂层的加焊桩径卡;应用了灌注桩后注浆工艺，此工艺对桩基加固、提升承载力产生了明显效果。

　　参考文献：

　　[1]何金明,喻红霞.钻孔灌注桩施工技术在房屋建筑工程中的应用[J].施工技术,2016,45(S1):226-227.

　　[2]曹永佳.钻孔灌注桩施工技术在公路桥梁施工中的应用[J].黑龙江科学,2017(8):122-123.

　　[3]袁喜钦.普特拉姆煤码头中钻孔灌注桩设计与施工方法[J].中国水运,2017,17(3):177-178.

　　[4]池秀文,姚志伟,林驰.厚砂层钻孔灌注桩成孔泥浆配比分析[J].武汉大学学报:工学版,2012,45(4):477-480.

　　[5]姚志伟.厚砂层钻孔灌注桩泥浆护壁稳定性研究[D].武汉:武汉理工大学,2012.

　　[6]周红波,陈竹昌.施工规范对钻孔桩泥浆性能的规定与分析[J].施工技术,2006(1):41-43.

　　[7]王川婴,韩增强,王玉山.钻孔灌注桩沉渣厚度检测方法研究[J].岩土工程学报,2013,35(S2):1212-1215.

　　[8]王文.钻孔灌注桩桩端后注浆技术及其在台州市的应用[D].杭州:浙江大学,2008

　　相关刊物推荐：《岩土工程学报》(月刊)创办于1979年，国内外公开发行。是由中国科学技术协会主管，由中国水利学会、中国土木工程学会、中国力学学会、中国建筑学会、中国水力发电工程学会、中国振动工程学会六个全国性学会联合主办的学术性科技期刊。

　　

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