导管直径对水下混凝土浇筑的影响研究

李先栋

（天津天科工程管理有限公司，天津 300450）

1 工程概况

重庆港龙头作业区二期工程位于重庆市涪陵区龙桥镇北拱社区，长江上游航道里程554Km，距涪陵主城区约17km，上距重庆朝天门107km。施工范围为二期5#、6#泊位水工建筑物、接岸框架平台工程、前沿护岸工程施工。主要包含以下施工内容：水工平台、引桥、接岸、前沿护岸。其中码头平台桩基：Φ2500mm桩基30根、Φ2200mm桩基95根、Φ2000mm桩基15根，合计140根；引桥桩基：Φ1800mm桩基11根、Φ2000mm桩基6根，合计17根；接岸桩基；Φ1600mm桩基47根。

2 地质情况

通过工程地质测绘及钻探，场地内地层有第四系人工素填土、残坡积粉质黏土、冲洪积碎石土、冲洪积粉质黏土、冲洪积淤泥质粉质黏土、下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组砂岩和泥岩。

3 混凝土原材料及配合比设计

3.1 原材料选用情况

（1）该工程桩基所用混凝土为C30水下混凝土。混凝土所用水泥采用符合国标规定的硅酸盐水泥，并按不同标号分别储存于干燥、防风雨、防潮湿的水泥罐内，以保证水泥不硬化变质。

（2）细骨料采用质地坚硬、粒径在5mm以下的岩石颗粒（砂）。

（3）粗骨料采用质地坚硬的碎石，其强度用压碎指标进行检验。

（4）混凝土中采用的外加剂，提供外加剂生产厂家的证明材料和试验资料，并报业主和监理工程师批准，外加剂的使用量，必须符合生产厂家的规定，并经试验验证。

（5）拌合用水：地下水，pH≥5；硫酸根离子含量≤600mg/L；氯离子含量≤500mg/L。

3.2 配合比设计

（1）该工程配合比试配时选用0.50、0.55、0.60三种水胶比进行，为了确保混凝土强度，同时满足施工工作性能要求。通过试验数据比对，故确定水胶比为0.55。

（2）为了提高混凝土和易性，改善施工性能和混凝土耐久性，试配时掺入适量粉煤灰和外加剂。

（3）桩基混凝土中选用聚羧酸高性能减水剂，关键是防止施工过程中坍落度的经时损失，延长混凝土的缓凝时间，改善混凝土的工作性能，同时保证混凝土的强度和耐久性。

（4）设计坍落度180～220mm，实测坍落度210mm，实测扩展度595mm。

（5）设计混凝土容重2350kg/m3，实测混凝土容重2370kg/m3；设计28d强度38.2MPa，实测28d强度47.4MPa。

（6）坍落度1h几乎没损失，2h损失了30mm。

4 导管水密性试验

水密承压试验采用氧气加压法，先将导管接长，两端密封（各留一个出气口），从出气口往导管里加水至满，封闭一端出气口，将氧气从另一个出气口中灌入。水密性试验压力P为：

式中：P为导管可能受到的最大内压力，kPa；rc为混凝土的容重，取24.0kN/m3；rw为孔内泥浆容重，取10kN/m3；hc为导管内混凝土柱最大高度，以导管全长或预计的最大高度计，m；hw为孔内泥浆的深度，m。则P=1.3×（24.0×60-10×60）=1092kPa。

根据导管首次埋深（≥1.0m）和填充导管底部的需要。所需砼量：

式中：V为灌注首批砼所需数量，m3；D为桩孔直径，m；H1为桩孔底至导管底端间距，一般为0.4m；H2为导管初次埋设深度，m；d为导管内径，m；h1为桩空内砼达到埋置深度H2时，导管内砼柱平衡导管外（或泥浆）压力所需的高度，m，即h1=HwYw÷Yc。

可知：V≥πD2÷4×（H1+H2）+πd2÷4h1=π× 2.5×2.5÷4×（0.4+1）+π×0.273×0.273÷4×（41-1-0.4）×10÷24=6.87+0.97=7.84m3。

5 两种直径的导管对混凝土浇筑过程中产生各种状况的影响

5.1 导管直径的大小对水下混凝土浇筑速度的影响

随机各选取8根桩径相同、桩长相差不大的桩基进行试验，清孔后指标全部指标都在标准范围内，混凝土可工作性良好。

直径大的导管浇筑速度相对较快一些，如表1、表2所示。在实际大量的施工过程中会发现两种不同直径的导管浇筑不同的桩径也存在同样情况。浇筑过程中采用直径小的导管有时会发生混凝土流动受阻，特别是随着混凝土面不断接近桩顶，这种情况更加明显。而采用直径大的导管浇筑水下混凝土总体浇筑顺利。

表1 导管直径Φ280mm桩基混凝土浇筑情况表

表2 导管直径Φ310mm桩基混凝土浇筑情况表

5.2 混凝土工作性能不稳定时，不同直径导管对浇筑水下混凝土的影响

该工程施工任务紧迫，混凝土需求量大，材料的差异性导致混凝土中各种材料相互适应性变差，有时混凝土坍落度偏小、离析和缓凝时间短等现象，引起混凝土工作性能变差，因此出现浇筑不顺的状况是不可避免的。例如2017年7月14日码头平台B-12#桩基和B-7#桩基，两根桩均为ø1.8m桩基，桩基混凝土用量也相差不大，但采用的导管直径分别为Φ280mm和Φ310mm。浇筑前机械设备正常，清孔后各项指标均正常，导管埋深、桩内混凝土面上升速度均在合理的要求范围内，首罐封底混凝土工作性能良好，随即转入正常灌注阶段。当浇筑临近结束，采用Φ280mm直径导管浇筑的B-12#桩基出现堵管现象，而采用Φ310mm直径导管浇筑的B-7#桩基没有出现任何情况。当时两根桩基所使用混凝土的原材料和施工配合比都一样。找其原因，发现进场混凝土原材料不均匀以及含水量的变化导致施工过程中混凝土可工作性能略有下降。现场技术人员也采取了补救措施，采用大料斗冲压同时上下抖动导管才逐渐地恢复正常。对比分析，不难得出浇筑过程中出现该状况时，直径大的导管有利于水下混凝土的浇筑。

5.3 混凝土浇筑异常中断时，不同直径导管对浇筑水下混凝土的影响

混凝土浇筑能否顺利进行，取决于各种不确定性因素，特别是遇到人为疏忽、设备故障或工程外部干扰时，极易造成混凝土浇筑异常中断。如2017年8月24日17时35分正在采用Φ310mm直径的导管浇筑引桥E-08#桩基水下桩基混凝土，当孔内混凝土面上升到距桩顶有7m 的位置处，因机械故障导致桩基混凝土浇筑中断，20时07分机械故障消除可以正常浇筑。此时由于导管内的混凝土停留时间过长，下落的阻力增大，故采用大料斗进行冲压，在保证导管有足够的埋深前提下不停地上下抖动导管，混凝土慢慢开始流动逐渐地转变为正常流动状态。桩基成桩后，着重对该桩基进行检测，检测结果判定为I类桩。而在2017年9月17日采用Φ280mm直径导管浇注引桥E-11#桩基的水下混凝土，该桩基混凝土配合比、原材料及进场混凝土抽测结果均与引桥E-08#桩基一致。当孔内混凝土面上升到距桩顶有10m的位置处，由于涪陵区内交通临时管制，混凝土罐车无法按时抵达现场，致使混凝土浇筑中断2.5h。同样采取大料斗冲压浇筑，在保证导管有足够的埋深前提下不停地上下抖动导管方法进行处理，然而导管内混凝土仍无法流动，最终导致浇筑失败。

从以上两根桩基浇筑结果可以得出，在混凝土浇筑过程中，采用措施处理时大直径导管内的混凝土有可能从局部流动状态缓慢转变为整体流动状态，实现顺利浇筑，而直径较小的导管内混凝土由于活动空间小，即使上下抖动导管，混凝土也仅出现整体滑动现象未出现流动状态。因此，适当地增大导管有利于导管内混凝土蠕动转变为局部流动，最后带动混凝土整体流动。

6 结束语

导管直径大小很大程度上影响了孔内水下混凝土的流态。一方面，导管直径增大，可使混凝土由局部平稳流态变成完全平稳流态；导管直径减小，则会使混凝土由完全平稳流态变成局部平稳流态。另一方面，导管直径的增大一般会使孔内水下混凝土的流动速度增大，加快施工进度，提高施工效率，一定程度上节约了成本。但是需注意的是浇筑速度过快，孔中混凝土有可能呈翻滚流态冲刷孔壁或卷进泥皮，导致桩基出现夹层、缩径甚至断桩情况。为防止孔中水下混凝土出现翻滚流态，可采取适当地放缓混凝土浇筑速度、合理增加导管埋深和降低混凝土坍落度等措施加以控制。

合理采用大直径导管对控制浇筑质量、保证浇筑进度是非常有利的。处理浇筑过程中混凝土工作性能差、机械设备和其他客观因素导致浇筑不畅状况的成功率高，且处理措施相对容易，避免了出现断桩带来的经济损失，以及对后续的施工进度的影响。