后压浆旋挖钻孔灌注桩的施工工艺及其效果分析.pdf

后压浆旋挖钻孔灌注桩的施工工艺及其效果分析 钟正伟1 王俊茹1 马云鹏2 (1 1 石家庄经济学院资源环境与工程系,石家庄 050031 ; 21 石家庄新纪元工程装饰有限公司,石家庄 050031) 收稿日期: 2003202203 1 引言 后压浆旋挖钻孔灌注桩是近年来伴随钻孔机械的发展而产生的一种新桩型,它包括旋 挖钻孔工艺和后压浆施工技术两部分。旋挖钻孔施工工艺是通过钻杆带动特制的旋挖钻 头,在孔底全断面切削土层,用旋挖钻头在孔底直接取土后由钢索提升钻杆至地面,如此 循环成孔;后压浆施工技术,是通过预埋压浆管,在灌注混凝土之后的一定时间范围内, 用适宜的压力对桩侧或桩底进行压力注浆,以提高桩的承载力,从而减小桩径、桩长、降 低工程造价。它在石家庄会堂工程及西安绕城高速公路桥墩桩基础的成功应用便是例证。 2 工程概况 石家庄会堂位于石家庄市长安公园内。拟建建筑物地下一层,地上四层,高2217m , 地下室埋深418m。主体为框架结构,采用桩基础。承台标高为- 518m。承台底部50m范 围内大部分为砂性土层,夹有3层粉质粘土和1层粘土。桩基础设计中,设计桩数878 根,设计桩径分别为110m 和 112m两种,桩长从14m到22m不等。考虑到冲击和回 转钻进方法的钻进效率及钻进质量都受到一定限制,另外场区大部分为砂性土层,人工挖 孔存在很大安全隐患,特别是扩底端位于中砂层时,即使采用锚杆支护,安全问题仍不能 从根本上解决。因此采用了旋挖钻孔灌注桩,并辅以后压浆施工新技术。 3 施工工艺 后压浆旋挖钻孔灌注桩的施工工艺流程:成孔施工 钢筋笼制作与安放 混凝土灌注 桩头清理 后压浆施工。 311 成孔施工 工程选用r - 518和r - 412hd两种不同型号的旋挖钻机,成孔时采用制备的孔壁稳 定液进行护壁,施工前应进行稳定液循环系统的布置。稳定液采用优质膨润土加烧碱和聚 丙稀制成化学泥浆,同时配备泥浆振动筛,对灌注过程中回收的稳定液进行处理,处理后 的稳定液继续重复使用,以节约工程造价。制备好的稳定液性能应满足比重在1105111 之间,粘度在1825s ,含砂量 6 %的要求。钻进时要及时补充制备好的稳定液,保证在 钻进过程中和提钻后液面高于护筒底面,成孔达到设计深度后进行清孔换浆,保证在浇灌混 凝土时孔底500mm以内的泥浆比重112 ,粘度 28s,含砂率 4 %,方可终孔提钻。 第15卷 第2期 2003年6月 北 京 地 质 beij ing geology vol115 no12 june12003 图1 后压浆管布置图 312 钢筋笼制作与安放 在成孔的同时进行钢筋笼的制作。制作中主筋的焊 接、钢筋笼的成型、以及钢筋的绑扎都要严格按具体的 施工质量要求进行。钢筋笼制作完毕,便可入孔安放。 采用两点起吊,保护层用混凝土滚轴式定位轮定位,用 吊环将钢筋笼固定到设计标高。 313 混凝土灌注 工程采用导管法灌注混凝土。首先进行导管下设, 并保证导管下端距孔底3050cm。孔底沉渣厚度不满 足要求时进行二次清孔,至合格为止,灌注过程应连 续,中间不得停顿。灌注混凝土应在最短时间内完成。 根据经验本工程要求时间不超过2小时。当确认满足混 凝土灌注至桩顶等要求后,将桩顶清理至设计桩顶。 314 后压浆施工 工程为桩侧压浆。桩侧压浆管共2根,对称配置, 其中一根下至距桩端1/ 3处,另一根下至距桩端1/ 2 处,压浆管底部接三通,优质塑料管绕钢筋笼一周后与 三通连接,塑料管上每间隔4cm设置出浆口,直径为 5mm。下设前用橡胶带封死。后压浆管与钢筋笼绑在一 起下放,钢筋笼安放固定完毕后,用橡胶带将上口封住 (详见图1) ,施工时先进行 号管压浆,后进行 号管 压浆。压浆时间确定为成桩后48小时,先通过深压浆 管完成规定压浆量的2/ 3 , 6小时后通过浅压浆管将剩 余浆液全部压完。 4 工程效果检测与分析 411 基桩静载荷试验分析 工程共进行了七组静载荷试验,施工时对其中的六组进行了后压浆,一组未进行后压 浆。对进行后压浆的六组试验桩,要求加载量为设计承载力的1. 7倍,其静载荷试验结 果及对应沉降量如表1。 表1 后压浆的六组试验桩静载荷试验结果及对应沉降量 桩号 单桩设计承载力及对应沉降量要求加载量及对应沉降量 设计承载力(kn)对应沉降量(mm)要求加载量(kn)对应沉降量(mm) jz- 012300018539101170 jz- 021960019333321197 jz- 031610014727370194 jz- 041910016832471119 jz- 052500017442501134 jz- 061610016627371130 22钟正伟,等:后压浆旋挖钻孔灌注桩的施工工艺及其效果分析 第2期 由表1可见,当加载至设计承载力时,其沉降量均不足1mm ,既使加载至设计承载 力的117倍时,其沉降量还不足2mm ,桩基沉降量满足设计要求。为了检验后压浆技术 对基桩承载力的影响,做了一组未进行后压浆的试验桩jz - 7 ,桩型同jz - 6 ,试验结果 如表2。 表2 进行后压浆与未进行后压浆的基桩沉降量对比 载荷(kn)010961644219227403288383643844710 jz- 060013801661101131176212621783144 jz- 07001891136119321523134413851255189 对比发现,未进行后压浆的基桩沉降量明显大于进行后压浆施工的基桩沉降量,相同 加载量时,沉降量约大一倍。通过对单桩静载荷试验得知,基桩的变形主要为弹性变形, 充分反映了基桩良好的承载性状;在相同荷载作用下,所产生的沉降量相差不大,说明本 工程的桩基承载能力是均匀的。另外对单桩的桩身应力分布图分析:随桩顶荷载的增加, 桩身各截面的轴力也不断调整变大,同时随着深度的增加,桩身各截面轴力逐渐减小,符 合应力衰减规律;在加载至设计承载力的117倍时,距桩底2m处钢筋应力为距桩顶2m 处桩身钢筋应力的1813 %2813 % ,说明在该荷载下桩所受的阻力主要来自中上部桩侧 摩阻力,可见桩的承载力设计是合理的。 412 基桩高、低应变动力检测 工程共进行了23根基桩的高应变动力检测。检测结果表明,其允许承载力均高于设 计值;对857根工程桩进行了低应变动力检测。850根桩为 类桩, 7根桩为 类桩,没 出现 类桩、 类桩,合格率为100 % ,优良品率为99118 %。 413 后压浆效果检测与分析 在后压浆施工中,各桩均能达到设计压浆量。按理论计算压进的浆液可增大桩径1 2cm。从暴露的桩头来看浆液扩散有两种形式:其一,沿桩周与土层的接触面均匀上升, 形成水泥浆硬壳,减少了混凝土与土层的接触缝隙,从而增大侧摩阻力,提高桩承载力; 其二,在地层中顺土层裂隙向外延伸,形成伸入地层中的浆脉,使地基土的性能得以改 良,使桩产生了许多细小的类似树根的结构,从而增大了桩侧阻力,提高了桩的承载力。 5 后压浆旋挖钻孔灌注桩的技术经济分析与评价 511 技术经济分析 旋挖钻机在操作室内配置了自动整平、垂直度校准、钻孔深度测量等控制仪,使影响 桩基施工质量的技术参数得到了有效控制,可保证成孔质量;钻机本身自带动力,整体置 于可自动行走的履带式底盘上,并配置了世界知名品牌的发动机,低噪音,功率大,可为 建设单位节约由于配电增容而花费的费用。旋挖钻机不使用循环泥浆可节约大量排污费 用;孔壁不形成泥皮,钻头多次上下往返可保证孔径符合要求,使孔壁粗糙,从而使之比 常规灌注桩的桩土咬合效果更好;旋挖钻头可形成平底钻孔,提高了桩端阻力,从而使桩 承载力较预估承载力提高很多,有实测试桩结果证实,实际基桩承载力可比预估基桩承载 力提高20 % ,本工程基桩静载荷试验结果也证实了这一点。与人工挖孔桩相比,旋挖钻 32第15卷 北 京 地 质 孔灌注桩更具安全性和施工效率高的优势。从造价角度分析,就该工程而言,当人工挖孔 桩的单价考虑护壁及锚杆支护费用时,尽管旋挖钻孔灌注桩与人工挖孔桩相比单价略高, 但工程总造价是低的。既使考虑承台的造价,与人工挖孔桩相比也基本持平。因此,采用 后压浆旋挖钻孔灌注桩的基础形式,从技术经济角度考虑是科学的,是 种最优方案。 512 施工工期的对比分析 石家庄会堂工程的桩基施工的实际工期为55天,每日平均完成混凝土体积23715m3, 最多时完成421m3。制作钢筋笼每日平均完成钢筋1412t ,这样的施工效率是人工挖孔桩 所无法比拟的。应特别指出,按全国统一建筑安装工程工期定额测算,完成本工程需 要153天的时间,因此与定额工期相比,本工程提前了近100天。施工单位曾在现场进行 了人工挖孔桩的施工进度试验。按当时的进度。在挖工程桩时,若按50个挖孔班组计划, 完成17500m3的人工挖孔量至少需要100天。因而采用旋挖钻孔灌注桩比人工挖孔灌注 桩至少提前工期45天,这更是无法用造价来衡量的经济效益。 513 安全性评价 人工挖孔桩遇到砂性土等易坍塌地层时若不采用护壁措施,施工安全将得不到保证。 石家庄会堂工程在设计桩长范围内大部分为砂性土,特别是扩底部分也位于砂层,因此在 砂层扩底仍有较大的安全隐患。特别当塌孔严重时,无法在原桩位成孔,如果不允许改变 桩位补桩,就可能导致工程失败。而旋挖钻孔灌注桩采用了目前世界先进水平的成孔机 械,没有任何安全隐患。 514 环境效益评价 由于旋挖钻孔灌注桩成孔的原理是用特制的桶式钻头,直接切削提运土体形成钻孔, 而不是常规钻孔使用泥浆携带出土颗粒形成钻孔,根据条件还可进行干法作业,即使遇到 地下水或坍塌的地层,也只须用特制的稳定液稳定孔壁,不需要循环泥浆。因此不产生大 量泥浆,对环境污染小。这是旋挖钻孔灌注桩对环境保护事业的一大贡献。按经验常规钻 孔产生的泥浆量大约为成孔体积的215310倍,按这样比例,石家庄会堂若采用常规钻 孔灌注桩,产生的泥浆量大约为3700048000m3,这样大数量的泥浆无疑会对环境产生 极大的污染。石家庄会堂工程没有外运泥浆,证明该技术的环境效益是非常高的。 6 建议 (1)无论从施工质量、节约工程造价、缩短工期方面考虑,还是从安全性、环境效益 方面考虑,后压浆旋挖钻孔灌注桩比常规钻孔灌注桩更具先进性和优越性,特别当地层为 砂性土层,后压浆旋挖钻孔灌注桩可成为首选桩型。 (2)后压浆工艺是一种新技术,单