砂卵石土层下深长混凝土灌注桩施工质量控制探讨

2023-03-16刘春吉

黑龙江交通科技 2023年2期

关键词：离心机卵石钻机

刘春吉

(中电建建筑集团有限公司，北京 100120)

0 引言

对于深长灌注桩的施工，现在多采用旋挖成孔灌注桩。这种成桩方法适用范围广，可以应用于多种土层，如粉土、淤泥质土、密实砂土和含部分碎石等地质条件，成孔速度快，成桩质量高[1]。

1 项目概况

1.1 大型土工离心机试验室建设项目

本项目为位于北京市延庆区康庄镇西康路48号大型土工离心机升级改造及试验研究平台工程，建筑面积6 626 m2，距北京市区约80 km。临近京藏高速，交通便利。基地北侧为康庄大道，东、南面均与相邻单位用围墙隔开，西侧为规划路(玉龙路)，基地入口设在北侧。试验室主要由大型离心机和高速离心机舱室组成，两个离心机室对基础桩承载要求较高，且本工程地质多为砂卵石层，基坑平面近长方形，东西长约76 m，南北宽约56 m，基坑周长约256 m，基础桩的施工较其他传统实验楼类建筑工程较为特殊，见图1。

图1 现场混凝土灌注桩施工

1.2 水文地质情况

场地勘察深度范围内有1层地下水，稳定水位埋深41.6～42.3 m，相应标高500.03～500.57 m。地下水类型为第四系孔隙潜水，在场地内普遍分布，通过蒸发、径流和人工开采等方式排泄。经调查收集场地相关资料，历年最高水位接近自然地表。本工程基坑施工过程中无地下水影响。

场地内钻探揭露地层主要为第四系人工堆积层(Q4ml)、第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)及蓟县系(Zjw4)角砾状白云岩风化层。

1.3 施工重难点

(1)基础桩总计103根，标高多样，从-2.90～-15.40 m，变化较大，场地狭小，施工受场地制约影响大，容易造成窝工。

(2)在地面施工的基础桩钢筋笼较长，最长达32.0 m，钢筋孔吊放时容易变形，特别是在起吊过程中容易导致钢筋孔变形，吊装难度大。

(3)旋挖钻机在施工过程中遇大粒径卵石及入岩，基础桩质量控制难度大。

2 施工方案设计与优化

2.1 基础桩主要参数

基础桩为混凝土灌注桩，强度等级C30，水灰比不大于0.45，抗渗等级P8。大离心机基础下采用32根群桩，桩距3.6 m正三角形布置。高速离心机基础下采用31根群桩，桩距3.0 m正三角形布置。主楼框架柱下采用一柱一桩，框架柱下桩端伸入6层卵石层长度不小于1倍桩径，桩长满足图纸最小桩长，桩顶嵌入筏板内长度100 mm。筏板混凝土保护层厚度为50 mm，桩基础为50 mm。

为保证在业主要求工期范围内完成施工任务，需合理安排施工顺序，由于本工程与基坑工程交叉作业，为保证交叉施工顺利进行，将灌注桩施工分为-2.4 m和-12.4 m两个施工作业面施工。在-2.5 m施工平台上施工完成全部深基坑外基础桩，同时施工支护护坡桩，在-2.5 m平台位置投入2台桩机加快施工进度，待支护及土方施工至-12.5 m 时，采用2台桩机施工剩余的全部基坑内基础桩。

2.2 混凝土灌注桩质量标准和检测要求

混凝土灌注桩质量标准如表1所示，质量检测要求如下。

(1)桩身完整性检测：采用低应变动测法检测桩身完整性，检测桩数不宜少于总桩数的20%，且不少于10根。

(2)桩身强度检测：每台班的试验数量不应少于1组。若台班浇筑量超过50 m3混凝土，应不少于2组，以此类推。

(3)基础桩单桩承载力检测：当符合下列条件之一时，应采用单桩竖向抗压静载试验进行承载力验收检测。检测数量不应少于同一条件下桩基分项工程总桩数的1%，且不应少于3根；当总桩数小于50根时，检测数量不应少于2根。

表1 混凝土灌注桩质量标准

2.3 旋挖成孔灌注桩

基础桩采用钢筋混凝土钻孔灌注桩。基础桩桩身范围内以粘性土层、砂层和卵石层为主，局部桩端进入基岩，适合于湿作业成孔工艺，能充分发挥出泥浆护壁的优势，不会产生塌孔等不良影响[2]。结合本工程水文地质、土层条件和桩的参数(桩径、桩长)考虑，选用旋挖钻机作为成孔机械，成桩工艺为泥浆护壁湿作业成孔[3]。

2.4 泥浆性能指标及测试方法

采用膨润土泥浆进行护壁。泥浆比重参数为1.1～1.25，胶体率不小于95%，同时控制含砂率不大于8%。泥浆性能指标及测试方法如表2所示，泥浆的选择标准如表3所示。

表2 泥浆性能指标及测试方法

现场制备的泥浆需要静置24 h，经过测试，各项指标合格后方可应用。对孔内泥浆的浆面下1 m处及离孔底以上1 m处各取一次试样测试。若达不到标准规定，要及时调整泥浆性能。旋挖斗提升出地面时要及时补浆，以保持孔内泥浆面高度。在清孔结束后测一次粘度和比重，浇筑混凝土前再测一次，并做好原始记录。

表3 泥浆的选择标准

3 砂卵石土层下深长混凝土灌注桩施工质量控制

3.1 提高桩基承载力及减少桩基沉降

本工程中抗压桩为超长、大直径钻孔灌注桩。为控制成桩质量，在施工中采取以下各种有效措施，以弥补超大型灌注桩的缺陷，达到提高桩基的承载力、减少桩基沉降的目的。

(1)改善及消除泥皮

灌注桩泥皮影响桩的承载能力，在灌注过程中桩周泥皮会越来越厚。在本工程中采取以下措施改善泥皮对桩的不利影响。根据现场地质水文情况，合理安排机械，调整泥浆比重，缩短灌注桩成孔时间，减少泥皮厚度，提高桩载力。保证所用泥浆质量，严格按照标准配备泥浆，针对部分土层，做好人工造浆，同时及时清理泥浆池[4]。

(2)解决沉渣问题

桩底沉渣压缩性大，承载力低，工程力学性质差，当桩顶受压时，其存在将直接影响桩端承载力的正常发挥，使桩产生较大的沉降变形，甚至桩端发生刺入破坏，影响上部结构的安全和使用。结合本工程中基础桩的长度和深入土层条件，以30 m为界限，采用不同的清孔工艺。基础桩深小于30 m时，以泵吸旋挖清孔的方式；桩深大于30 m时，以泵吸旋挖、气举旋挖组合工艺清孔，根据调研，能够达到较为理想的效果，有效降低桩底沉渣累积厚度[5-7]。

3.2 针对基础桩特点采取的施工技术措施

本工程中基础桩的部分，基础桩打桩工作面距离桩顶标高为3.0 m，增大了钻孔的深度，其基础桩的垂直偏差控制采取以下措施。为了确保钻机正对开钻和护筒方向，在基础桩上端设置大于4 m的导向护筒。当钻进至桩顶设计标高时，再次检测钻杆垂直度。发现偏差，及时调整。在钻机钻进过程中，需严格控制钻进的速度，以免遇到坚硬地层导致钻头偏向边侧。

3.3 钢筋笼标高控制及抗浮措施

利用专用定位装置进行控制，在钢筋端部焊接卡具，钢筋笼吊放时，利用两根定位装置卡住钢筋笼顶部架力筋，当钢筋笼标高调整至设计位置时，在定位装置露出地面的部位插入钢管固定，使得钢筋笼停在设计位置，见图2。进行混凝土灌注成桩时，观测到定位装置向上浮动，就需要调整钢筋笼的位置，使钢筋笼恢复到原有的设计位置[8-10]。

图2 现场吊装钢筋笼

3.4 旋挖钻机入岩判定方法

离心机桩基础施工过程中，部分需入岩，如何判断入岩情况是本项目卵石地基混凝土灌注桩施工技术处理难点之一。

遇到大粒径卵石时，小于40 cm的大粒径卵石，使用筒钻将卵石提出。在钻进时遇到大于40 cm的卵石，需要改变施工工艺。通过一边钻进一边抛黏土的工艺提升泥浆比重至1.6，增强泥浆护壁能力。在钻进过程中将黏土挤入卵石层，增加卵石的黏结力，放慢旋挖速度且并用360破碎岩石功能，破碎卵石后旋挖清渣，确保成孔、成桩的施工质量。

一般可以通过钻进速度、振动和出孔口的岩石碎渣特征对岩石进行初步判定。但钻机速度和振动只能对岩层坚硬程度进行区分，不同地层的岩石碎渣有相似的可能。根据相关文献，在施工过程中依据旋挖钻机钻进参数随钻检测与控制系统，基于旋挖钻机钻进工况的特性分析，采用地层比功预测模型，把地质条件和钻机的工况参数联系起来，实现对地层的自动识别与归类[7]。