利比里亚某港口码头钻孔灌注桩设计及其施工技术.pdf

2 0 1 4年第 4 1 卷第 4期 探矿工程( 岩土钻掘工程) 6 7 利 比里亚某港 口码头钻孔灌注桩设计及其施工技术 李 可 ， 李开洋 ， 陈永前。 ， 李凤 ( 1 中交第二航务工程局第一分公司， 湖北 武汉4 3 0 0 1 2 ； 2 中国地质大学( 北京) 工程技术学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 3 中国地震局地壳应力研究所( 地壳动力学实验室) ， 北京 1 0 0 0 8 5 ； 4 河北省地震局， 河北 石家庄 0 5 0 0 2 1 ) 摘要： 某码头改建工程位于利比里亚蒙罗维亚港内， 场地内淤泥、 淤泥质粘土地层厚度大、 压缩性高、 触变性强。 考虑场地地层条件 、 施工设备 、 项目工期以及工程造价后， 按规范对钻孔灌注桩进行设计 ， 同时根据场地条件及钻 孔灌注桩特点制定了施工流程。对钻孔灌注桩施工 中出现的问题， 如护筒 冒水、 卡钻 、 堵管等， 提出了相应的质量 控制措施。 关键词： 钻孔灌注桩； 港 口码头； 设计施工 ； 质量控制 中图分类号 ： T U 4 7 3 1 文献标识码 ： B 文章编号： 1 6 7 2 7 4 2 8 ( 2 0 1 4 ) 0 40 0 6 7 0 4 D e s i g n a n d C o n s t r u c t io n T e c h n o l o g y o f B o r e d P i l e in a Wh a r f in R e p u b l i c o f L i b e r i a L K e ， L 1 K a i y a n f， C H E N Y o n g q i a n ， L I F e n g 4 ( 1 T h e S e c o n d H a r b o r E n g in e e r i n g C o m p a n y ， Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 1 2 ，C h in a ； 2 S c h o o l o f E n g i n e e r - i n g a n d T e c h n o l o g y ，C h i n a U n i v e r s it y o f G e o s c i e n c e s ， B e i j in g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 3 K e y l a b o r a t o r y o f C r u s t a l D y n a mi c s ， I n s t i t u t e o f C r u s t a l D y n a mi c s ， C h i n a E a r t h q u a k e A d m in is t r a t i o n ， B e i j in g 1 0 0 0 8 5 ， C h i n a ； 4 H e b e i E u t h q u a k e A d mi n i s t r a d i o n ， S h i j ia z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 2 1 ，C h i n a ) A b s t r a c t ： A w h a r f r e c o n s t r u c t i o n p r o j e c t l i e s in M o n r o v ia ，R e p u b l i c o f L i b e r i a ， w h e r e t h e s i l t a n d s il t c l a y f o r m a t i o n s a r e t h ic k w it h h ig h c o mp r e s s ib il it y a n d t h ix o t r o p ic C o n s id e r in g t h e f a c t o r s o f s t r a t u m c o n d it io n s ， c o n s t ru c t io n e q u ip me n t s ，p r o j e c t p e rio d a n d p r o j e e t c o s t ， t h e b o r e d p il e is d e s ig n e d a c c o r d in g t o t h e r e l a t e d s t a n d a r d a n d a c c o rdin g t o t h e s i t e c o n d i t io n s a n d t h e c h a r a c t e r is t ic s o f t h e b o r e d g r o u t in g p il e ，a n d t h e c o n s t ru c t io n p r o c e s s is f o rm u l a t e d T h e q u a l it y c o n t r o l me a s u r e s a r e p u t f o r wa r d f o r t h e p r o b l e ms o f w a t e r o o z in g f r o m c a s in g，d r il l in g t o o l s t ic k in g a n d g r o u t in g p ip e b l o c k in g in b o r e d gro u t in g p il e c o n s t r u c t io n Ke y wo r ds：b o r e d g r o ut in g p il e；wha r f ；d e s ig n a nd c o ns t ru c t io n；q u a l it y c o nt r o l 钻孑 L 灌注桩具有不受地域 、 地质条件 、 气候条件 、 地下水位 的高低 、 桩径大小及桩身长度等条件 的限 制， 承载力高、 费用低等优点 ， 且能够很好地将上部的 荷载传到深层稳定的岩土层上 ， 从而减少基础的沉降 和建筑物 的不均匀沉 降， 近年来被广泛用于高层建 筑、 重型厂房、 桥梁港 口、 码头 、 水利工程中 J 。 1 工程概况 某港 口工程位于利 比里亚首都蒙罗维亚布什罗 德岛蒙罗维亚 自由港 内， 港 区现状难 以满足利 比里 亚战后重建的需要 ， 需要对码头进行改建 。工程拟 恢复和改造 、 加 固现有码头 ， 利用其作为 5万 1 级矿 石 出口码头和 2万 t 级件杂 、 油码头 ， 新建相应 的配 套设施 。考虑工程位于海边 ， 各方面条件复杂， 选用 钻孑 L 灌注桩作为施工方案。 2 工程地质条件 蒙罗维亚港位于两条河流人海 口之间， 港 口北 侧防波 堤 以北 约 2 5 k m 为 利 比里 亚 最 大 的河 流圣保罗河( S T P U A L ) 人海 口， 港 口南 防波堤 外侧为 Me s u r a d o河人海 口。受沿岸输沙作用 的影 响 ， 南侧防波堤外侧根部 已沿堤身形成大面积 淤积 沙滩 ， 堤内沙滩大面积 出露。而北侧防波堤无沙滩 淤积体形成。除南 、 北防波堤 附近水域外 ， 码头 、 港 池处水深均较深 ， 一 般水深 l O m。港 区后方陆域 地形平坦 、 绵延开阔， 微波起伏 ， 地势平缓 ， 属海岸平 原地貌。码头周边环境如图 1 所示。 按照 港口岩土工程勘察规范 ( J T S 1 3 3 1 2 0 1 0 ) 和 岩土工程 勘察规 范( G B 5 0 0 2 12 0 0 1 ， 2 0 0 9年版) ， 本工程一共 布置 1 7个勘察钻孔 ， 其 中 水域钻孔 3个 ， 陆域钻孔 1 4个。 勘察钻孔揭示勘区内岩土层情况如表 1 所示 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 11 4 ；修 回日期 ： 2 0 1 4 0 32 1 作者简介： 李可( 1 9 7 9一 ) ， 男( 汉族) ， 湖北武汉人， 中交第二航务工程局第一分公司工程师， 港口及航道工程专业， 从事港口及航道工程方面 工作 ， 湖北省武汉市解放大道 2 6 4 3号 ， k e n n y l i k e s o h u C O B； 李开洋 ( 1 9 9 0一) ， 男 ( 汉族 ) ， 广西柳州人 ， 中国地质大学( 北京 ) 硕士研究生在读 ， 地质工程专业 ， 从事工程地质方面研究工作 ， 北京市海淀 区学 院路 2 9号 中国地质大学 ( 北京 ) 工程 S 1 2班 ， l i k a i y a n g 1 9 9 0 1 2 6 C O B 6 8 探矿工程( 岩土钻掘工程) 2 0 1 4年第 4 1卷第 4期 圈 1 拟改建码 头位置 项 目场地周 围地势平坦开阔 ， 2 0 k m范围 内无 断层和断裂发育 ， 当地资料显示场地为非地震 区， 区 域稳定性 良好 ， 适合进行工程活动。 3 钻孑 L 灌注桩设计 本工程 中， 场地覆盖有厚度较大 的淤泥层和粘 土层 ， 地基承载力不足。而码头承重大 ， 要求基础能 够提供足够的承载力 ， 再考虑到工程造价等因素 ， 最 表 1 土层综合评述表 后决定选用钻孔灌注桩作为本工程的基础形式。 勘察资料显示 ， 中风化片麻岩岩层标高平缓 ， 力 学强度 高 ， 适 合作 为钻孔 灌注 桩 的持 力层。根据 港口工程桩基规范 ( J T S 1 6 7 4 2 0 1 2 ) J ， 灌注 桩的轴向抗压承载力设计值可以按下式计算 ： q a =( 1 y n ) ( U q “ f f + q A ) 式中： Q 单桩轴 向承载力设计值 ， k N； 单 桩轴 向承载力分项 系数 ； L桩身 截面周 长 ， 1I 1 ； 、 桩侧阻力 、 端阻力尺寸效应系数 ； q f i 单桩第 i 层 土 的单位 面积极 限侧 摩 阻力标 准值 ， k P a ； l i 桩身经过第 i层土的长度 ， m； q a 单桩 单位面积极 限端 阻力标准值 ， k P a ； 桩端截 面 面积 ， m 。 徐伦焕 指出， 指定场地钻孔灌注桩 的设计只 有桩长和桩径 2个变量 ， 其余都可以看为定量 ， 并指 出内河中小码头采用 中等桩径 ( 0 81 0 m) 灌 注 桩 、 沿海码头采用大桩径( 0 81 5 m) 灌注桩 比较 经济 。 在桩基础中， 桩长一定时， 桩的承载力就主要 由 桩端承载力和桩侧摩阻力决定 。对于数量相同的材 料 ， 桩长一定时 ， 桩底 面积相同， 桩径越小 ， 桩数越 多， 桩周面积越大 ， 能获得更大的侧摩阻力 ， 材料所 能提供的承载力就越大。反过来， 要获得同样大小 的承载力， 小直径桩密集排布比大直径桩稀疏排布 更能节省材料。但是 ， 桩数越多 ， 需要投入更多的资 金去开挖桩孔 ， 而且工期也加长。 根据工程可研 阶段水质分析试验结果， 勘察区 内海水对混凝土呈 中等腐蚀性 ， 对钢筋混凝 土结构 中钢筋在干湿交替条件下具强腐蚀性 ； 地下水对混 凝土结构具弱腐蚀性 ， 对钢筋混凝土结构 中钢筋在 干湿交替条件下具微腐蚀性。为了保证灌注桩 的有 效工作年限 ， 钢筋需要较厚的保护层 ， 选用桩径大一 些 ， 保护层也厚一些。 所以选择灌注桩桩径时， 要综合考虑各方面因 素 ， 包括地层地质条件 、 施工设备 、 项 目工期以及工 程造价等。根据这些认识及规范要求 ， 设计灌 注桩 桩径为 1 2 m， 桩长根据持力层埋深设计 。中风化 片麻岩层岩面标高平缓 ， 设计桩端进入持力层 2 m， 所以确定桩长为 3 0 m。 按照公式计算得单桩承载力 。单桩轴 向承载力 分项系数 =1 6 ， 桩侧 阻力效应 系数 = 0 9 2 2 ， 端阻力尺寸效应系数 = 0 9 0 3 ， 则单桩承载力 ： Q a=( 1 y R ) ( q “ z + g R A ) = ( 1 1 6 ) 3 1 4 1 2 0 9 2 2 ( 0 8 6 4 0 + 4 2 2 X 1 0+1 5 7 4 0+8 5 3 X2 0 +5 0 7 7 0+8 2 23 0+2 0 7 0 +0 9 0 3 3 1 4 0 6 4 0 0 0 2 =3 6 0 0 k N 满足设计要求。 当选择压缩性高的土层作持力层时， 如硬塑状态 粘土层， 需作桩的沉降计算。桩基的沉降计算方法与 天然地基相似， 将桩与桩间土看作一个整体， 桩底看 2 0 1 4年第 4 1 卷第 4期 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 6 9 作基底， 附加应力从桩底起算， 附加应力等于 自重应 力2 0 处的深度作为桩底压缩层的计算厚度 J 。 当选择基岩作桩端持力层时， 基岩的承载力很 大， 变形很小， 若孔底浮土清理干净， 桩受荷载之后 沉降很小 ， 这种情况往往不需作沉降计算 。本工程 中 ， 选择力学强度很高的片麻岩地层作为持力层 ， 变 形很小 ， 不需要再计算沉降。 筋问距 筋 问距 本工程桩基主要承受竖 向荷载， 水平荷载和弯 矩都比较小， 且大部分都由基础梁承担或由承台传 到土中 ， 所 以桩身纵筋 可按构造配筋。规范规定最 小配筋率 0 6 ， 则钢筋截面积应大 于 0 6 A= 0 0 0 6 7 8 m ， 本工程配 2 6 0 2 5 m l l l ， 选用 I级钢。箍 筋间距应加密为 1 0 1 0 0 m m， 以提高桩 的水平承 载力 。钻孔灌注桩配筋如图 2所示。 图 2 钻 孔灌 注桩配筋图 即使在施工前进行 了充分 的技术准备 ， 施工过 4 钻孔灌注桩施工工艺及质量控制 4 1 施工流程 由于工程场地位 于海边 ， 淤泥层厚 ， 含水量高 ， 钻孔灌注桩 的施工难度很大。施工 中， 钻孔顺利成 孔是保证工程质量的关键 。本工程钻孔施工需要解 决的关键技术难题就是如何在淤泥质地层中钻进成 孔并保证孔壁的稳定 。施工前对其技术要点进行充 分考虑和准备， 按照以下流程进行施工( 见图3 ) 。 厂 面蕊 _ 1 挖坑 埋护筒 测量放线 控制标商 设备材料进场 制作钢筋笼 由 二 壶 二 二 I l 赢 _ 1 图 3 钻 孔灌注桩 施工流程图 4 2 施工 中遇到的问题及解决措施 程中还是遇到了诸多问题 ， 现将其讨论如下。 4 2 1 护筒 冒水 施工过程中， 护筒外壁冒水 ， 导致护筒倾斜 ， 位置 也有偏移。发生冒水的原因可能是埋设护筒的周 围 土不密实 ， 或护筒水位差太大以及钻头起落时碰撞。 针对这些原 因， 在埋设护筒时 四周选用最佳含 水量的粘土分层夯实； 在护筒的适当高度开孔， 使护 筒内保持 1 0 1 5 m的水头高度； 钻头起落时， 应 防止碰撞护筒。发现护筒 冒水时 ， 应立即停止钻孔 ， 用粘土在四周填实加固； 若护筒严重下沉或移位时， 则应重新安装护筒。 4 2 2 卡钻 卡钻主要是 由于冲锤磨损未及时补焊 、 钻孔直 径变小而新钻锤又过大 、 冲锤倾倒 、 遇到探头石或者 塌孔落石等原因造成 。 针对这些原 因， 施工过程中应及 时更换修补钻 锤 ， 注意直径尺寸； 新 下钻锤 冲程要小 ， 慢慢加大 冲 程 ； 钻进过程中注意钢丝绳在水面的情况 ， 发现钢丝 绳划水应立即探明原 因； 卡钻后不宜强提 ， 可用小锤 冲击的办法将卡锤周围的钻渣松动后再提出； 由探头 石引起的卡钻现象， 可适当下放钻锤 ， 而后强力快速 上提， 使探头石受瞬间冲击缩回， 从而JJ sl 提起钻锤。 4 2 3 堵管 在往桩孔 中灌注混凝土 的时候 ， 导管堵塞导致 灌浆无法继续 。发生这种现象 的原 因主要有 ： 导管 盛 、 、 一 一， E 3、 ：1 委 ：)、 一喜 7 0 探矿工程( 岩土钻掘工程) 2 0 1 4年第 4 1卷第 4期 变形或导管内壁有水泥浆块硬化 ； 水泥浆离析， 粗骨 料卡人隔水塞 ； 灌注时导管埋深过大。 针对这些原因 ， 灌注前对导管进行检查 ， 看是否 有变形或硬块堵塞 ； 加强对混凝土搅 拌时间和坍落 度 的控制 ； 灌注时注意导管埋深不要太大。 4 2 4 塌孔 塌孔是钻孔灌注桩施工 中较为常见 的问题。塌 孔发生的原 因主要有地质情况复杂 ； 在松软地层钻 进时 ， 进尺太快 ； 泥浆稠度小 ， 起不到护壁作用； 起下 钻时钻头、 钻具对孔壁的扰动等。 针对这些原 因， 当轻度塌孔时， 采用粘土回填至 塌孔位置以上 2 3 m， 并采取加大泥浆密度 、 改善 泥浆性能 、 提高水位等措施 ， 待孔壁稳定后低速继续 慢慢钻进 ； 塌孔位置不深 时， 可采用加深 护筒 的方 法， 将护筒周围回填土夯实， 重新开钻； 随时注意坍 塌量的变化 ， 如塌孔严重 ， 应全部 回填 ， 待回填物沉 淀密实后采用低钻速重新钻进。 5 施工效果 本项 目施工完成之后 ， 用低应变反射波法对其 中的 3 2根灌注桩进行检测 ， 结果显示所有灌注桩的 桩身完整 ， 均为 I 类桩 ， 取得 了良好的效果。 6 结 语 在港 口码头工程中， 淤泥质土层是常见的地层 ， ( 上接第 5 5页) 井架结构设计合理性、 安全性得到了验证。可以为 该型井架其他工况的分析研究提供很好 的借鉴 ， 对 井架的优化设计具有一定的指导价值。 此外 ， 本文还对井架进行 了模态分析 ， 从井架前 9阶的振型分析中看 出， 井架的刚度 和质量分布较 为均匀 ， 无明显的薄弱部位和过剩部位。因此 ， 井架 的整体结构设计是合理的 ， 为后续 的动力学仿真和 优化设计提供 了基本保证。 本文的研究方法对类似工程的有限元分析具有 很好 的参考作用。 参考文献： 1 高荣霞 Z J S 0 3 1 5 0 L D B钻机井架的设计和有限元仿真分析 D 北京 ： 中国石油大学 ， 2 0 0 8 合理地运用钻孔灌注桩可以很好地解决工程中的难 题。本工程针对淤泥、 淤泥质粘土层厚 、 力学性质差 等特点 ， 选择力学强度高的片麻岩层作为持力层 ， 能 够提供高承载力 ， 同时还能控制沉降。根据地层条 件、 施工设备 、 项 目工期以及工程造价确定桩径 ， 根 据持力层埋深确定桩长 ， 最后确定灌注桩的配筋率 。 通过前期的技术准备 ， 很好地解决 了施工 中遇到的 护筒 冒水 、 卡钻 、 堵管等问题。 参考文献 ： 1 T a r e k M Z a y e d ， D a n i e l W Ha l p i n P i l e c o n s t r u c t io n p r o d u c t iv i t y a s s e s s m e n t J J o u n a l o f C o n s t ruc t i o n E n g i n e e r in g a n d Ma n a g e me n t ， 2 0 0 5， 1 3 1 ( 6 ) ： 7 0 5 7 1 4 2 付祖 良 钻孔灌注桩水下混 凝土灌注技术研究 与应用 D 湖 北武汉 ： 华 中科技大学 ， 2 0 0 6 3 J T S 1 6 7 42 0 1 2， 港 口工程桩基规范 s 4 徐伦焕 灌注桩在港 口建设应用 中的几个 问题 J 港 l =_ j 科技 动态 ， 1 9 9 5， ( 8 ) ： 4 6 5 林 齐云 钻孔 灌 注 桩 的设 计 和应 用 J 工 程 建设 与 设 计 ， 2 0 0 6 ， ( 7 ) ： 5 4 5 9 6 佟东明 灌注桩施工 质量控 制与事故 预防 D 北 京