鉆孔灌注樁的施工與質(zhì)量控制

鉆孔灌注樁的施工與質(zhì)量控制概述鉆孔灌注樁，作為提高基礎(chǔ)整體性和剛度，能承受更大的豎向荷載和水平荷載，已廣泛運(yùn)用于高層建筑、大橋、高聳塔架、海洋平臺、高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施。但在施工過程中，因工藝落后、施工人員存在違規(guī)操作，地質(zhì)情況不明確等原因，使鉆孔灌注樁的質(zhì)量仍存在較多問題，本文著重從工程實(shí)踐的角度，對鉆孔灌注樁的主要問題進(jìn)行探討。鉆孔灌注樁的質(zhì)量要點(diǎn)按照國家現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范，施工并不存在什么困難；然而施工質(zhì)量卻常常達(dá)不到要求，如施工單位在施工中能對最薄弱的環(huán)節(jié)予以關(guān)注、予以加強(qiáng)，就能收到事半功倍的效果。下面對鉆孔灌注樁施工質(zhì)量要點(diǎn)及施工中影響承載力因素作一剖析。1、成孔機(jī)具的選用鉆孔灌注樁成孔機(jī)具一般分為沖擊鉆、沖抓鉆、回旋鉆和潛水鉆，對于采用何種機(jī)具成孔，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況來選用。通常情況為：沖擊鉆成孔，采用十字形鉆頭宜為堅(jiān)硬土、卵石、漂石、巖石層；管形鉆頭適用于砂粘土、粘砂土、砂和砂礫石層；正、反循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆孔適用于粘性土、砂類土及含少量碎石、卵石和石塊等土層；套管鉆機(jī)成孔適用于砂性土或粘性土層。2、泥漿在鉆孔灌注樁的施工中，無論對于成孔前的質(zhì)量還是最終成孔后樁的承載能力的發(fā)揮，泥漿質(zhì)量都是相當(dāng)重要的因素。目前，樁基施工隊(duì)伍大多數(shù)缺乏對泥漿質(zhì)量和施工工藝的重視，造成泥漿質(zhì)量差，其后果是：=1\*GB2⑴泥漿稠度大，比重大，含砂率高，形成泥皮質(zhì)量差、厚度大，大大降低樁的側(cè)摩阻力。不同泥皮厚度時(shí)樁側(cè)摩阻力發(fā)揮的曲線160140qsk/kpa120=1\*GB3①1008060=2\*GB3②40201020304050607080樁頂相對位移/mm=1\*GB3①反循環(huán)成孔泥皮較薄的正常樁=2\*GB3②正循環(huán)成孔泥皮較厚的樁圖1=2\*GB2⑵泥漿比重偏低，孔內(nèi)泥漿面低于孔外水位，造成坍孔現(xiàn)象。=3\*GB2⑶泥漿在鋼筋籠鋼筋上沉積粘附，導(dǎo)致鋼筋與砼握裹力降低。泥漿比重過大，使得砼水下灌注阻力增大，降低砼的流動(dòng)速度，使砼骨料大部分堆積在樁芯部位，而鋼筋籠外幾乎無骨料，不僅樁身質(zhì)量不好而且樁的側(cè)摩阻力也難以發(fā)揮。有的工程計(jì)算承載力為14000KN以上，而靜載試驗(yàn)不到5000KN就破壞，其中就有泥漿的影響。因此，對泥漿質(zhì)量的控制決不能輕視，施工單位一定要按規(guī)范要求嚴(yán)格控制。3、孔深在惡性工程事故的樁基工程中，孔深不到位的例子很多。對于孔深的量測，實(shí)際操作中應(yīng)注意的問題有：（1）測量有誤達(dá)不到設(shè)計(jì)深度。一般施工隊(duì)常用的測繩一經(jīng)水泡就會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，有的收縮量可達(dá)1cm/1m左右，測50m的孔深就會產(chǎn)生0.5m左右的誤差。更大的測量誤差是由于測繩易斷引起的，斷了以后不知道的人依然以斷處為起點(diǎn)繼續(xù)使用，往往可差數(shù)米。采用細(xì)鋼絲測繩要當(dāng)心數(shù)標(biāo)松動(dòng)錯(cuò)位。徹底避免誤測的辦法是在施工現(xiàn)場或附近地面上設(shè)置長度標(biāo)記作為準(zhǔn)繩，每次終孔一定把測繩拿去核實(shí)。(2)鉆孔入巖深度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，大多的是由于地層分布不均勻，如巖層分布成傾斜狀或起伏變化劇烈導(dǎo)致判斷失誤。入巖深度的控制因鉆孔工藝不同而有所區(qū)別。反循環(huán)工藝和沖擊鉆成孔的樁，可采用巖樣鑒別法。正循環(huán)工藝成孔的樁由于取不到完整巖樣確定嵌巖深度很困難。較可靠的辦法是認(rèn)真分析鉆探資料，根據(jù)各鉆孔土層分布情況綜合評判場地地質(zhì)概況，然后做出巖層分布的等高線圖，按等高線圖確定成孔深度。因本法有一定的隨機(jī)性，應(yīng)適當(dāng)加大安全系數(shù)，有時(shí)尚需適當(dāng)補(bǔ)充鉆探孔，在某些缺少鉆孔的控制區(qū)域，也可用鉆機(jī)換取芯鉆頭直接取巖芯判定。4、孔的垂直度鉆孔灌注樁的垂直度是保證承載能力的重要一環(huán)，目前絕大多數(shù)的施工現(xiàn)場不檢查垂直度，有的單位則因測孔斜費(fèi)時(shí)費(fèi)力而不愿多此一舉。斜率超標(biāo)，樁的受力狀態(tài)被改變；樁頭偏位，影響上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量，嚴(yán)重影響鋼筋籠的安置；在砂土類地層中孔壁極易塌孔，沉碴不宜清除。為避免鉆孔傾斜，在鉆機(jī)就位和鉆孔過程中，要隨時(shí)注意校核鉆桿的垂直度，檢查樁架安裝是否牢固，并對導(dǎo)架進(jìn)行水平和垂直校正。對于地基不均勻、土層中夾有大孤石或基巖傾斜等情形，施工前必須作好準(zhǔn)備。在不均勻地層鉆孔時(shí)，如遇有探頭石、宜用鉆機(jī)鉆透，用沖孔機(jī)應(yīng)低錘密擊，把石擊碎；基巖傾斜時(shí)，投入塊石填平，用錘密打；傾斜過大時(shí)，投入粘土石子，重新鉆進(jìn)，控制錘速，慢慢提升下降往復(fù)掃孔糾正。實(shí)踐表明，終孔后再發(fā)現(xiàn)孔斜，糾正起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且修孔常使樁的充盈系數(shù)增大，最大達(dá)1.6以上。5、孔徑在湖、塘、溝、谷與河漫灘地段新近沉積的粘性土和粉土中鉆孔容易出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象。尤其要重視液性指數(shù)IL≥0.75呈軟塑狀態(tài)和流塑狀態(tài)的粘性土而在IL≥1.0呈流塑狀態(tài)的淤泥質(zhì)軟土層成孔縮孔現(xiàn)象更不可避免。與孔經(jīng)有關(guān)的質(zhì)量問題有：（1）由于孔徑小于規(guī)范要求，樁的截面縮小，承載能力降低，實(shí)際上降低了樁的安全系數(shù)。（2）軟弱土層一般都在地層上部，縮頸現(xiàn)象也發(fā)生在此段，而樁的內(nèi)力也是上段大，容易造成樁身抗壓強(qiáng)度不夠而破壞。由于孔徑達(dá)不到要求，導(dǎo)致鋼筋籠無保護(hù)層，樁的抗壓彎能力削弱或喪失。防治的主要措施是加強(qiáng)對孔徑的檢測與控制，提高泥漿質(zhì)量，增大泥漿比重和粘性及稠度。鉆頭直徑應(yīng)適當(dāng)加大，也可采用處理孔斜的導(dǎo)正器法，在導(dǎo)正器上焊一定數(shù)量的合金刀片，在鉆進(jìn)或起鉆的過程中起掃孔作用。此外在易于產(chǎn)生縮孔的土層中施工，減少空孔時(shí)間也是非常重要和有效的措施。6、沉碴與沉淤一般把沉碴與沉淤混為一談，凡是孔底的沉積物統(tǒng)稱沉碴，實(shí)際上是有區(qū)別的。沉碴是鉆孔過程中鉆機(jī)切削和孔壁塌落的巖土，主要是砂、礫石和碎巖硝等；而沉淤則是比重大、稠度大的劣質(zhì)泥漿由于空孔時(shí)間過長沉淀而成的流塑狀混合物。沉淤的厚度往往大于沉碴，沉碴與沉淤均在樁底形成軟弱隔層，能導(dǎo)致端承力喪失殆盡。有的試驗(yàn)結(jié)果表明確，厚度超過30cm的沉渣，在極限狀態(tài)下可使端阻力損失90％，使側(cè)摩阻力損失70％以上。沉淤的控制主要是提高泥漿質(zhì)量和減少空孔時(shí)間；沉碴的清除采用反循環(huán)成孔工藝能達(dá)到較好的效果，速度能達(dá)到2～3m/s，是正循環(huán)的40倍以上，故攜碴能力強(qiáng)。為此，可采用正循環(huán)成孔，反循環(huán)清孔的工藝，此法現(xiàn)場只需增加一臺6m3的空壓機(jī)即可，費(fèi)用不大、簡便易行、效果良好。采用該法，關(guān)鍵是控制好孔內(nèi)泥漿面的落降，落降快、落差大則易塌孔；因此，補(bǔ)漿要跟上，而且抽碴時(shí)間要短。實(shí)踐證明，應(yīng)用得當(dāng)，樁的承載力能大幅度提高。無論采用反循環(huán)還是正循環(huán)成孔工藝，都應(yīng)重視混凝土灌注前的清孔。灌注前抽吸二分鐘左右，一方面抽出一定的沉碴，另一方面泥漿的抽吸作用導(dǎo)致一部分沉碴、沉淤上浮，而且短時(shí)間內(nèi)不會沉淀。此時(shí)灌注混凝土，混凝土墜落的巨大沖擊力還能濺除最后殘余的部分沉碴和沉淤，可基本上將孔底沉碴清除干凈。7、混凝土灌注混凝土灌注是最后一道也是最關(guān)鍵的一道工序。首先必須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)強(qiáng)度配制混凝土，許多施工單位都是現(xiàn)場攪拌混凝土，其常見問題有：砂石的含泥量偏大；配料的計(jì)量不準(zhǔn)確；水泥保管不善而受潮。水下混凝土灌注由于阻力大不易流暢灌入，于是施工單位常隨意加大水灰比，增大坍落度便于混凝土灌注，結(jié)果混凝土的強(qiáng)度等級嚴(yán)重降低，技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)督，決不能輕易相信試塊的試驗(yàn)結(jié)果。導(dǎo)管法水下灌注混凝土質(zhì)量難以控制的主要原因是：1）不能象上部結(jié)構(gòu)施工那樣逐層振搗；2）由于導(dǎo)管埋在泥漿和混凝土中，混凝土的灌入阻力是相當(dāng)大的，灌入阻力可按下式估算R=π(D2－d2)（11rw＋12rh）/4式中D為樁直徑、d為導(dǎo)管直徑、rw為泥漿重量、rh為混凝土重量。要克服很大的灌入阻力，保護(hù)混凝土樁身質(zhì)量，就必須有相當(dāng)大的沖擊力，沖擊力越大、完成每一斗混凝土灌注的時(shí)間越短，混凝土樁身越均勻。由于混凝土是由水泥、砂、石子配制的混合料，不同材料、不同粒徑則摩擦系數(shù)不一樣，因此僅靠靜力平衡產(chǎn)生的超壓力緩慢流淌，則易造成混凝土粗骨料在樁芯堆積，隨半徑增大而遞減；造成樁身不勻，則影響樁的抗壓強(qiáng)度。目前，最常見的水下混凝土灌注法的缺點(diǎn)是：（1）在向大斗投料過程中，混凝土的絕大多數(shù)勢能在撞擊大斗壁的碰撞中損耗掉，混凝土料落入導(dǎo)管中不連續(xù)，形不成較大的沖擊能量，使混凝土沒有足夠的力量向四周擠壓、擴(kuò)散，樁的摩阻力嚴(yán)重降低，此外，還容易使樁身不均勻。（2）混凝土料絕大多數(shù)要經(jīng)過反彈再落入導(dǎo)管，容易造成混凝土離析和堵管。（3）吊臂上下移動(dòng)速度慢，產(chǎn)生不了大的加速度，因此混凝土料的下降沒有足夠的超壓，造成混凝土料在導(dǎo)管附近堆積成鐘形斷面。由于不能將隔漿層水平頂升，在鐘形斷面塌落時(shí)容易裹入泥漿，造成夾泥芯。（4）由于導(dǎo)管上下移動(dòng)次數(shù)過于頻繁，使得泥漿不斷沿導(dǎo)管壁滲入混凝土中，影響樁身混凝土質(zhì)量。鑒于以上缺點(diǎn),混凝土澆灌時(shí)應(yīng)注意如下問題：（1）功能大、沖擊力強(qiáng)。物體的沖擊能量與質(zhì)量和速度有關(guān)，在速度相同的情況下就取決于質(zhì)量。根據(jù)動(dòng)量原理可得，自由落體的平均沖擊力公式如下F=mg[(2h/gt2)0.5＋1]式中m為落體質(zhì)量、t為作用時(shí)間、h為落體高度、g為重力加速度；假設(shè)大斗方量為2.5m3、混凝土容重為22KN/m3，則m約為5.5t，假設(shè)h＝30m，t＝1.0s，可求得F＝1872.679KN。平均沖力是混凝土自重的34倍、與混凝土灌入阻力相比大6倍。實(shí)際瞬時(shí)沖力的峰值比平均沖力高達(dá)一倍以上。在巨大沖力的作用下，混凝土的向上頂升力和側(cè)向擠壓力就有了保證，樁的摩阻力和樁身混凝土密實(shí)性都得以提高。（2）首斗混凝土灌注沖力大，沉碴、沉淤被濺開，樁端與持力層能較好地結(jié)合，確保了端承力的發(fā)揮。（3）混凝土澆灌要一氣呵成，不得中斷，間歇時(shí)間一般控制在15min內(nèi)，任何情況下不得超過30min。用大體積混凝土沖擊灌入法應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：⒈必須注意排氣技術(shù)，防止形成氣堵，使混凝土料灌不下去。大斗出料口與導(dǎo)管不可用螺扣連接成一體，會形成氣堵。應(yīng)改為插入式連接方式，大斗出料口外徑比導(dǎo)管內(nèi)徑小2～3cm。另外，還要在出料管活門的下方焊上比導(dǎo)管外徑大2～3cm的法蘭盤。⒉混凝土料最好通過網(wǎng)篩（網(wǎng)眼8～10cm左右）進(jìn)入料斗，防止夾雜大直徑塊石、水泥塊等造成卡管。⒊混凝土和易性要好，如混凝土離析，則容易在料斗下部和出料口處形成堆積，導(dǎo)致出料困難，同時(shí)也容易堵塞導(dǎo)管。（4）混凝土灌注時(shí)，吊車司機(jī)的配合也至關(guān)重要。當(dāng)打開活門混凝土料下落時(shí)，必須隨混凝土料的下落不斷向上提動(dòng)導(dǎo)管，提動(dòng)量要小，注意掌握時(shí)機(jī)。實(shí)際證明，有經(jīng)驗(yàn)的吊車司機(jī)對縮短混凝土的灌注時(shí)間，防止卡管、堵管事故，起相當(dāng)大的作用。⒌當(dāng)混凝土灌注到樁頂部位時(shí)，為了保持足夠的沖力，必須注意導(dǎo)管要留有一定的長度，一般位10m左右，灌注時(shí)及時(shí)上拔，保證高度產(chǎn)生沖力，使樁頭部分的混凝土質(zhì)量不至降低。此外，不可忽視大斗和導(dǎo)管的保養(yǎng)，內(nèi)壁光滑可大大減少摩擦阻力，同時(shí)也減少堵管的發(fā)生率。當(dāng)施工單位機(jī)械化程度低時(shí)，現(xiàn)場攪拌砼可采用臥式大斗，在地面裝滿料，再用吊車吊起與導(dǎo)管連接進(jìn)行灌注。在保證上述砼材料質(zhì)量合格的前提下，如每一斗砼灌注下去孔口返漿激如泉涌，則灌注質(zhì)量一定好；如孔口返漿弱如滲流，甚至反復(fù)升降導(dǎo)管不見泥漿返流，則灌注質(zhì)量必定欠佳。(5)在混凝土澆灌過程中，要隨時(shí)用探錘測量混凝土面的實(shí)際標(biāo)高，（至少三次，取平均值）計(jì)算混凝土的上升高度，導(dǎo)管下口與混凝土的相對位置，統(tǒng)計(jì)混凝土澆灌量，及時(shí)做好記錄。三、工程管理鉆孔灌注樁質(zhì)量控制按地面作業(yè)和隱蔽作業(yè)兩部分劃分。隱蔽作業(yè)的質(zhì)量控制關(guān)鍵是檢測的準(zhǔn)確性和施工作業(yè)配合的適時(shí)性?？删幹朴沙蓸哆^程的不同時(shí)段表示的動(dòng)態(tài)控制表，無論對進(jìn)度還是質(zhì)量的動(dòng)態(tài)控制都十分有效。四、技術(shù)問題1、嵌巖深度①巖石力學(xué)性狀在確定嵌巖深度之前，應(yīng)對巖石的力學(xué)形狀有所了解，尤其是抗壓強(qiáng)度。微風(fēng)化軟質(zhì)巖如粘土巖，其飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度一般在10～12Mpa之間，相當(dāng)于C15～C20砼；硬質(zhì)巖如微風(fēng)化砂巖，其飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度一般在50～60Mpa,高于C60砼。這是根據(jù)鉆探取芯試驗(yàn)的結(jié)果得來的，實(shí)際上未擾動(dòng)巖層的抗壓強(qiáng)度比這還要高。事實(shí)上，當(dāng)嵌巖深度設(shè)計(jì)很深時(shí)，把強(qiáng)度高于或相當(dāng)于砼強(qiáng)度的巖層鉆空，然后灌入砼顯然是不值得的。=2\*GB3②嵌固力與端阻力的關(guān)系在計(jì)算嵌巖樁時(shí)，嵌入基巖部分的樁與基巖的相互作用比較復(fù)雜，嵌巖段的嵌固力與底部的端阻力發(fā)揮的過程是不同的。實(shí)測資料說明，當(dāng)嵌巖深度為3倍樁徑時(shí)，樁的嵌固力與端阻力可以得到很好的配合，嵌固力占總承載力的75％以上，可以用最少的工程量獲得最佳的承載效果。③施工工藝水平加大樁的嵌巖深度，主要目的是增加側(cè)摩阻力。要使入巖段樁的側(cè)摩阻力能充分發(fā)揮，必須使砼與巖石孔壁很密實(shí)地結(jié)合為一體，這就需要清除泥皮，目前國內(nèi)施工水平還解決不了這個(gè)問題（日本在導(dǎo)管端部外周圍安裝一環(huán)形管，可噴射高壓水，噴射力能達(dá)2000N/cm2以上，在比重1.2左右的泥漿中，射程達(dá)1.5m以上，此法可用來清碴、清淤和清洗孔壁），因此，片面強(qiáng)調(diào)增加嵌巖深度有時(shí)效果適得其反。2、極限承載力確定樁的極限承載力主要是依據(jù)規(guī)范GBJ7（89）和JGJ94，由于這個(gè)問題至今還未圓滿解決，所以在規(guī)范中都未作嚴(yán)格的規(guī)定。在實(shí)際工程中，對于Q-s曲線在s≤40mm時(shí)即出現(xiàn)陡降的情況，以上兩規(guī)范結(jié)果一致；而對于s≥40mm的緩變形曲線，則因設(shè)計(jì)人員