钻孔灌注桩孔底沉渣厚度的控制

浅谈钻孔灌注桩孔底沉渣厚度的控制1工程实例1．1工程概况及工程地质情况110千伏果丽变电所位于玉环县沙门镇五门开发区，综合楼工程采用半地下室，地上为二层框架结构，拟建场地土层分层及主要力学指标如下表：1、粘土：灰黄色，软-流塑状态，高压缩性，平均层厚0.8米。2、淤泥：灰-深灰色，流塑状态，以高含水量、高压缩性及高灵敏度为其特点。平均厚度为23.50米。3、粉细砂与淤泥质粉质粘土互层：灰色，高压缩性，二者呈1~10mm厚的薄层状交替分布，平均厚度为1.60米。4、坡积土：灰黄色，稍-中密状态。平均厚度为2.52米。5、强风化凝灰岩：浅灰黄色，岩芯呈碎块状。平均厚度为1.14米。6、中风化凝灰岩：浅灰黄色，岩芯呈短柱状。全场地分布，在本次勘测中各钻孔均未穿透该层而终孔，平均进入该层厚度为1.70米。平均标高为-26.57米。各土层物理、力学性质主要指标见表1表2.1各层土的物理力学性质指标层号土层名称层厚（m）重度（KN/m3）含水量内摩擦角（º）粘聚力（kPa）地基承载力特征值（kPa）1粘土0.8017.346.05.39.0702淤泥22.7～24.516.757.41.46.0503粉细砂与淤泥质粉质粘土互层0.5~3.017.831.96.55.0904坡积土0.80～4.401505强风化凝灰岩0.7～1.5030006中风化凝灰岩1.50～2.507500根据拟建变电所地质条件及建筑物荷载情况，变电所基础设计采用钻孔灌注桩，桩径为￠600和￠800两种，总桩数83根，桩长为27米~31米不等，单桩竖向承载力特征值￠600为2100KN、￠800为3700KN。桩身采用C30砼，桩端持力层为第6层中风化凝灰岩，桩端进入持力层长度大于一倍桩径。1．2成桩质量问题分析桩基工程完成后，先后委托两家测试单位分别对变电所桩基工程的6枚工程桩进行了单桩竖向抗压静载试验，结果表明6枚单桩竖向抗压承载力极限值均不满足设计要求，单桩静载试验曲线为标准“z”字形；对所有工程桩作低应变动测分析，结果全部为Ⅱ类、Ⅲ类桩；对第二次静载试验的三根桩作钻探取芯，结果仅79#桩（￠800）钻芯取样成功，钻孔取芯原始记录表明在桩底（28.30~28.57m）夹有0.27m左右沉渣（沉渣为砼离析碎石及石屑），28.57m以下变为青绿色中风化基岩，基岩裂缝发育完整，岩芯呈短柱状；根据取芯砼强度试验报告，桩身砼强度达到设计要求。结合以上试验结果，笔者认为单桩极限承载力达不到设计要求的主要原因是桩底沉渣过厚。1．3质量问题补救措施针对上部建筑功能和荷载大小的分析，采取如下加固措施：1）采用预应力管桩对主荷载区域17处桩承台作补桩（双桩）加固，桩长为26m，桩径分别为￠400、￠500、￠600三种；2）适当加大上部结构刚度：部分轴线地梁高度由900改为1100，配筋作相应调整；地下室底板配筋￠12@150改为￠14@180。根据沉降观测结果，累计最大沉降量为4mm，最小沉降量为2mm。说明该桩基进行预应力管桩加固处理后效果良好。但由于桩底沉渣过厚，造成了桩基工程的费用大幅提高，工程的工期延误。1．4孔底沉渣过厚原因分析1.4.1护壁泥浆选用不当根据建筑施工手册规定：泥浆护壁成孔灌注桩除在粘土层中可以原土注水造浆护壁外，均应人工制备泥浆。但是实际施工中施工队就是采用原土造浆护壁的形式，且在施工进入各类地基层中没有按规定测定泥浆各项指标，这种施工方法就容易出现塌孔现象及钻孔过程中清渣困难。1.4.2清孔清渣程度不足首先，由于泥浆指标控制不当，且为避免塌孔，清孔程度不够，未能将孔底钻渣清除干净；另外，由于工地施工用水紧张，为节约用水孔内泥浆置换不充分，也是造成孔底沉渣厚度过大的主要原因。1.4.3施工历时过长施工工序间不紧凑，一次清孔结束至砼灌注间隔时间过长，加上施工单位对二次清孔不够重视，二次清孔只是个形式，导致孔内泥浆中的砂粒沉淀，泥浆失水、沉淀。1.4.4砼初灌量不足且未设置隔水栓建筑工地的贮料斗的容积仅为0.8m3左右，根本无法满足初灌量能使导管一次埋人混凝土面以下0.8m以上的要求；且桩基施工单位未设置隔水栓通过剪球(或者抽动隔板)进行灌注，而是直接把混凝土灌入充满泥浆的导管内进行下水混凝土灌注，造成桩端砼离析，从而增加孔底沉渣量。2.控制孔底沉渣厚度的措施孔底沉渣值的多少对于钻孔灌注桩的承载能力有着至关重要的影响。根据试验实测资料表明，桩的承载能力随着沉渣值的厚度而改变，当沉渣的厚度超过一定数值时，桩端极限阻力Qp则由沉渣性质来决定，而与持力层土质无关。为此，现行施工验收规范对钻孔灌注桩孔底沉渣厚度提出了更高的要求。GB50202-2002规定，钻孔灌注桩孔底最大沉渣厚度允许值为：端承桩≦50mm；摩擦桩≦150mm。因此，减少孔底沉渣值，把沉渣值控制在一定数值范围之内，是钻孔灌注桩质量控制的一个重要课题。减少孔底沉渣则是一个系统的综合工程，需要从钻孔开始，通过控制钻进时的转速和钻压，直到二次清孔砼灌注为止，通过中间的每一道工序的认真操作和采用合理有效的施工工艺才能达到预期目标。2．1选择合适的钻孔机具及钻孔方式根据施工地段的工程地质勘察资料，选择合适的钻孔机具。对土层松软、易坍塌的桩位，应尽量避免采用振动大、负压过低的施工机具和工艺方法。钻机钻进时的转速和钻压与钻进深度、土质、钻头型式、供浆压力和供浆量等要素有关，钻进时应根据这些要素以适宜的转速和钻压进行钻进，并随着土层的变化及时进行调整，使钻进时成孔的泥、砂、砾和渣料能随着泥浆畅通排出孔外。2.2选择合适的钻孔泥浆指标钻孔灌注桩主要靠泥浆的静压力来平衡土对孔壁的压力。因此，在施工过程中，应根据钻进过程中各土层的情况，选择合适的钻孔泥浆指标，确保在孔壁形成有效的泥皮保护层。钻孔灌注桩成孔时的泥浆，除了起护壁作用外，还是重要的排渣媒介。泥浆悬浮粘渣的能力与泥浆的密度、粘度、含砂率和胶体率紧密相关，其中泥浆的密度则是主要的。为了让钻进过程中的泥、砂和石屑排出孔外，钻进时应根据土层的变化和钻进的深度调整泥浆的密度。根据施工规范及施工经验，当采用正循环成孔工艺时，在粘土和亚粘土土层中，泥浆的密度应控制在1.1一1.2;在砂和较厚的夹砂层中，泥浆的密度应控制在1.1-1.3;在穿过砂夹卵石层或容易塌孔的土层中时，泥浆密度应控制在1.3一1.5；风化岩层中泥浆密度在1.2-1.4。根据建筑施工手册规定：除在粘土层中可以原土注水造浆护壁外，均应人工制备泥浆。泥浆制备原料一般选用高塑性粘土或膨润土，并符合以下要求：泥浆胶体率不小于90%泥浆、含砂率小于4%，粘度10~25s。同时根据不同要求可以掺入适量的外加剂，提高泥浆胶体和稳定性，增加护壁作用。2．3确保清孔彻底、充分清孔的目的是清除孔底沉渣，而孔底沉渣则是影响灌注桩承载能力的主要因素之一。因此，必须确保清孔彻底、充分。2.3.1一次清孔灌注桩成孔至设计标高或预定层面后，应充分利用钻杆或送浆管在原位进行第一次清孔，一次清孔的目的是将孔内的颗粒状物排出孔外，减少孔底沉渣，节省二次清孔时间。本次清孔一般不需调整泥浆密度，因为如果将泥浆密度过早调低，在吊笼过程中泥浆里的颗粒会很快沉淀，影响到二次清孔的效果，一般泥浆密度保持在1.2-1.4之间，在测得孔底沉渣厚度小于50mm时，及时抓紧时间吊放钢筋笼。2.3.2二次清孔第一次清孔是在终孔后进行，经过安放钢筋笼、焊接、下放导管等过程，一般需要4h，在这段时间内，由于孔内泥浆处于静止姿态，原来悬浮在泥浆中的泥、砂砾和石屑会沉人孔底，同时，安放钢筋笼和导管时也会擦碰孔壁，而使泥砂落孔内，为此，在砼灌注前利用导管进行第二次清孔。二次清孔应做到边循环清孔边测孔底沉渣，当孔底沉渣厚度符合设计及规范要求时，再在循环中调整泥浆各项指标，终止清孔泥浆指标一般控制在以下范围：相对密度在1．05~1．10之间；粘度为16~20S；含砂率4％。当测得泥浆各项指标均符合规范要求后，应立即进行水下砼的灌注工作，在等待砼过程中应继续循环清孔，直到砼到场后装料斗灌注。2．4选择合适的清孔方式施工过程应根据不同的钻孔方法、施工设备、设计要求及地层条件，来合理选用清孔方法。2．4．1抽浆法清孔抽浆法清孔较彻底，且清孔速度快，可适用于各类土层、各种钻孔方法的摩擦桩或支承桩，尤适宜于采用反循环钻孔及孔底沉渣颗粒较大桩孔的清孔。但在孔壁易坍塌的桩孔中应谨慎使用，以防坍孔。2．4．2换浆法清孔对采用正循环钻进、以粘性土及细颗粒砂性土层为主的桩孔可采用换浆法清孔。采用该法清孔不易引起坍孔，但清孔速度慢，须控制好泥浆指标及清孔时间，否则清孔效果难以保证。2．4．3掏渣法清孔对于冲击、冲抓、旋挖钻进的桩孔，应先采用掏渣法进行初步清孔，待较大颗粒沉渣清理完毕后，可换用换浆法进一步清孔，同时降低孔内泥浆密度。2．4．4喷射法清孔当导管和混凝土灌注设备已安装，实测孔底沉渣厚度超出规定或设计要求，但超出范围不大，进行二次清孔费时费力，且影响孔壁稳定的情况下，可采用喷射清孔法进行处理，并立即灌注水下混凝土。该法仅宜作为其他方法清孔的辅助手段。2．5准确测定沉渣厚度沉渣厚度测量必须使用正确的测量方法，测量方法不当，造成沉渣厚度误判，就不能对沉渣厚度进行有效控制，要准确测量孔底沉渣厚度，首先需准确测量桩的终孔深度，桩的终孔深度应采用丈量钻杆长度或钢测绳的方法测定，钻杆长度或钢测绳长度应采用标准的卷尺进行复核。沉渣厚度=终孔深度-清孔后深度，清孔直至沉渣厚度满足规范要求。目前沉渣厚度的检测方法有：测绳(重锤)检测、取样盒检测和沉渣仪检测。2．6确保混凝土首灌量水下混凝土初始灌注时，为了避免和减少从导管下口涌出的混凝土与孔内泥浆杂混和，确保桩身混凝土质量，首灌时除了要求贮料斗内的混凝土与导管内泥浆面与面之间设置隔水栓外，《建筑桩基技术规程》还规定“应有足够的混凝土储备量，使导管一次埋入混凝土面以下0.8m以上”。首灌量应根据孔径、孔深、泥浆浓度、导管直径、导管底端离孔底的距离等要素，应用连通管的原理通过计算确定。施工时尽量增大混凝土首盘初灌量，首盘混凝土至少保证埋管深度0.8m以上，且第二盘连续灌注，以增大混凝土对孔底残余沉渣的冲击力，使孔底沉渣在不间断的冲击下顺利排出孔外。在确保清孔效果的同时，应加强工序连接，提高工作效率，尽量缩短清孔至砼灌注之间的时间。3结语虽然影响钻孔灌注桩孔底沉渣厚度的因素较多，但只要在施工中根据具体施工工艺、机具设备及土层条件，认真分析、研究，并采取有效的控制措施，加强施工检测，完全可以将孔底沉渣厚度控制在规范允许范围内，确保钻孔灌注桩的施工质量及承载能力。