复杂地质条件下提高灌注桩承载力的技术措施

2012-08-15夏国春翟高明

中国水利 2012年8期

夏国春，翟高明，吴昊

（江苏省水利建设工程有限公司，225002，扬州）

一、工程概况

镇江市引航道水利枢纽工程位于镇江市北部内河与长江镇扬河段六圩弯道之间的引航道上，其主要功能是挡洪、排涝、蓄水、引排水（换水）、控制内江水位与水质并满足小型船只的通航要求。工程由水闸、节制闸，双向流的泵、船闸、公路桥以及景观塔楼、堤防等组成。主体建筑物采用钻孔灌柱桩基础，设计桩径120 cm，桩长 50 m，共356根。

该工程在灌注桩施工完35根后，选择了4根桩进行了两次大应变检测、两次静载试验、一次自平衡仪检测共5次载荷试验，测得其实际承载力在5 422~6 531 kN之间，达不到设计值9 150 kN要求。经研究将桩径调整为130 cm，每根桩预埋3根注浆管，并进行后注浆，在两根试验桩达到强度后经自平衡仪检测，承载力平均为14 097 kN，满足了设计要求。因建筑物允许沉降量很小，最终确定桩长调整为63~66 m，桩径为130 cm，桩的根数和桩位同原设计，混凝土总方量约28 000 m3，在桩成型后7天内对桩基进行后注浆处理。前期施工的灌注桩进行桩底压密注浆处理。

设计变更后，桩比原来的更深，桩径更大，原先使用的16台GPS—15型钻机不能满足施工要求，后调整为18台GPS—20型回旋钻机成孔。但每根桩成孔还需4~5天，清孔需2~3天，单桩完成需7天左右，远不能满足工期的要求。现场又增加了1台套AF—220旋挖钻机钻孔进行施工，该钻机施工速度快，平均一天成孔1~2孔，大大地加快了工程进度。

二、灌注桩施工存在的问题及难点

该工程濒临长江，闸室中心距长江边仅500m，围堰上游距长江约350 m，下游约750 m。围堰底部及工程地基土主要为砂性土，但砂土中夹有中粗砂混碎（砾）石层，土体孔隙率大，地质条件复杂。土的渗透系数较大，地下水为承压水，承压水头比成桩平台要高一些。成桩过程中有动水压力产生，灌注桩成孔困难，施工中采用普通的黏性土护壁，泥浆的比重必然加大，否则钻孔极易扩孔、坍塌。泥浆比重加大，造成泥皮比较厚，桩侧的摩擦阻力降低；而且由于泥浆比重大，含砂量大，清孔时间长，孔内沉渣很难清至设计要求，沉渣较厚，桩端承载力必然下降。为解决施工中的难题，该工程采取了一些施工措施。

三、灌注桩的施工措施

1.深基坑梯级降水，降低地下水水位

通过观测井观测，地下水水位高，且随长江水位变化极为明显，土体渗透力强，渗水量大，施工中采用了三级降水：在闸塘基坑四周布置第一级降水，在主基坑四周布置第二级降水，在基坑最深的中墩位置布置第三级降水。现场共布设深井近200口，轻型井点400多延米，有效地降低了地下水水位，减小了孔内外水头差，减少了塌孔现象的发生。

2.换填黏土，填筑施工平台，减小承压水头

上下游围堰虽然采用了高喷桩防渗处理，基坑第一节降水也已形成，地下水水位有了明显下降，但在整个降水系统尚未完全建立前，地下水水位、承压水水头都很高，不易成孔。因此在河道清淤后,在河道内填筑2 m厚黄黏土（填筑后顶面高程约为-0.5 m），既为灌注桩的施工提供了平台，又减小了承压水水头，为桩基在高水位状况下顺利施工创造了条件,加快了工程进度。

3.采用特殊的护筒形式，减少塌孔现象发生

因灌注桩位于砂土层中，地下水水位高，在试桩过程中多次出现塌孔现象，施工中采用以下两种特殊的护筒形式，以减少塌孔现象发生：

①双层钢护筒。钻孔前在桩的位置先埋设外层钢护筒，钻至8 m深时停机，再安放内层钢护筒。内层护筒顶部焊接吊环与桩机基座连接，以防塌落下沉。

②用压密注浆加固桩位孔口周边土体，代替加长钢护筒。在桩的位置设5个注浆孔，注浆直径1 m，注浆孔深8 m，其中上部2 m不注浆，下部6 m范围注浆，注浆施工完成后7天进行灌注桩成孔施工。

4.采用膨润土减小泥皮厚度，采用分离技术降低泥浆含砂率

由于场地上全是砂性土，造浆采用膨润土，并适当加入CMC稳定剂及纯碱，膨润土形成泥皮薄而密，具有较高的黏结力。钻进过程中经常测定泥浆浓度，过浓影响钻进速度，过稀不利于护壁、排渣。根据施工经验，比重控制在1.15~1.30之间。泥浆采用高压正循环施工方法。由于泥浆浓度高，含砂量较高，成孔过程中采用泥砂分离振动筛和泥砂分离离心泵两种方法进行过滤，再经多个泥浆池过滤沉淀后循环入造浆池使用，大大地降低了沉渣厚度。

5.控制钻机的速度

初钻时，以低挡慢速钻进，使护筒刃脚处形成坚固的泥皮护壁；钻至护筒刃脚下2～4 m，速度控制在每小时1.5 m左右，这样既能保护孔壁完好，又有利于保持循环泥浆钻渣含量基本稳定，使排渣顺畅、均匀。正常钻进时，合理调整钻进速度但不随意提动孔内钻具，并减小钻具的晃动。

6.采用反循环清孔、泥砂分离机或多个泥浆池过滤

因泥浆中砂土淤积速度快，沉渣厚，在钻孔到达设计深度清孔时，将钻头慢慢放到孔底先开动泥浆泵，进行冲洗，2～3 min以后，再开动钻机，让钻头在原位旋转，进行循环换浆。观察清出的泥浆比重及含砂量，逐步注入较稀的泥浆。每台钻机配备一套反循环机械辅助清孔，泥浆中的砂采用泥砂分离机或多个泥浆池过滤，再用挖掘机或泥浆泵清除。清孔时间控制在30~90 min之间。泥浆比重应在1.15~1.25之间，砂率为小于6%，黏度在17~20 s之间。清孔结束后，稍停机5~10 min，用测绳进行沉渣厚度的测定。若沉渣厚度符合规范要求，停止清孔；否则，进行二次清孔。

四、灌注桩桩端后注浆技术

1.注浆管制作

选用直径48 mm、壁厚3.5 mm钢管作注浆管。注浆头制作：先将注浆钢管底端5～10 cm范围加工成圆锥形，钢管锥形以上40 cm范围4个方向各打上1排直径为8 mm小孔，间距5 cm，然后在每个小孔上放上图钉(作简易逆止阀)，再用绝缘胶布加硬包装袋缠绕包裹，以防小孔被浇桩的混凝土堵塞。在注浆范围上下各设钢环保护，以防止包裹物在埋入时脱落。

2.注浆管埋设

每根灌注桩设3根注浆管，注浆管与主筋平行，沿钢筋笼箍筋内侧均匀布设，并与钢筋笼加强筋焊接牢固，注浆管之间采用丝扣连接，避免焊接。连接处满足强度和密封要求，以防泥浆侵入管内。入孔时随钢筋笼徐徐放入孔内，入孔后及时在注浆管内注水检查其密封性，全部入孔后立即向管内注满清水，观测水位变化无异常后，在其上口拧上堵头。注浆管底端比配筋的钢筋笼长500 mm，管顶超出1 000 mm。

3.注浆泵的选择

注浆泵选用最大注浆压力20 MPa以上，排浆量为 50～300 L/min，性能稳定、操作方便的高压注浆泵。注浆作业于成桩3天后开始。

4.压水试验

在桩端注浆前，通过压水试验来探明并疏通注浆通道，确认桩底可灌性。压水按2～3级压力顺次逐级进行，开塞压力采用8～10 MPa压力打开，压水量控制在0.6 m3左右，并根据具体情况随时调整，如压水能连续下灌则表示已开通，即可停止，随即初注。对混凝土浇筑过程中塌孔、扩孔、充盈系数过大的灌注桩，必须提前进行压水试验。

5.初注

在压水试验之后，将配制好的水泥浆通过高压泵和注浆管注入桩端土层中。初注时压力较小，浆液由稀到稠。注意注浆压力、注浆量和压力软管变化，并注意注浆节奏。同时，用百分表监测桩的上抬量。注浆完毕或较长时间停泵时，须对高压注浆泵、浆液拌和机及地面管路系统等认真清洗，以防水泥浆结块，堵塞管路和泵体。完成注浆后须立即将注浆管顶端用堵头封闭，以免回浆而降低注浆效果。

6.注浆参数的选择

注浆包括注浆量、注浆压力、注浆浓度3个参数。设计注浆量每根桩水泥用量为3 t，注浆流量控制在75 L/min以下；注浆压力根据注水试验数据和以往类似工程的施工经验确定，当注浆压力长时间低于正常值、地面出现冒浆或周围桩孔串浆时，改为间歇注浆，间歇时间为30～60 min；注浆浓度根据土的饱和度、渗透性确定，由于地基土为砂性土，渗透性好，水灰比选用0.45～0.65，先用稀浆，随后渐浓，最后注浓浆。

7.终止注浆

注桩顺序先外围桩、后内部桩，注浆时同一根灌注桩的注浆导管实施等量注浆。终止注浆以注浆量为主控条件，注浆压力为辅控条件。在施工过程中当注浆总量和注浆压力均达到设计要求或注浆总量已达到设计值的75%时，且注浆压力超过设计值满足条件之一时终止注浆。

五、先期施工的灌注桩桩底压密注浆措施

1.注浆管制作、埋设

注浆管与后注浆法的注浆管制作基本相同，不同之处在于注浆头只在管径90度角内开3排孔，呈梅花形布置。注浆孔采用钻头直径20 cm小型钻机成孔，每根桩周围埋设3根注浆孔，距桩中心1~1.1 m，互成120度夹角，孔深至-54.5 m，钻孔垂直度保证小于1%。成孔后将注浆管放入孔中，注浆头放入孔底，管顶露出地面,注浆管尾节开孔正对桩中心，在注浆管下放完毕后，在注浆管四周用黏土封闭，在管内注满清水，管顶加上堵头封闭，以防堵塞。