浅谈砂砾层钻孔灌注桩的施工质量控制要点

浅谈砂砾层钻孔灌注桩的施工质量控制要点 钻孔灌注桩在我国的应用已有几十年历史，因其施工速度快、占地小，同时对各种地质条件有较强的适应性、无挤土效应，无震害、无躁音、承载力高等优点，在工程建设中得到了广泛应用，尤其在桥梁工程中更是一种主要的承重基础结构型式。 目前钻孔灌注桩的施工工艺已比较成熟，但要在施工过程中真正控制好其施工质量还是很不容易的。因为钻孔灌注桩的施工大部分都是在地下、水中进行的，看不见、摸不着，成桩后又不能进行开挖检查。施工过程中任何一个环节出现差错，都将直接影响到整个构造物的质量和进度，甚至会给工程造成重大经济损失。影响钻孔灌注桩施工质量的因素较多，有人为的因素、有施工机械的因素，也有地质条件的因素。其中地质条件的因素是比较重要的一个因素，对不同的地质条件，要采取不同的施工工艺才能收到事半功倍的效果，进而达到控制工程质量的目的。 本文结合宝鸡至天水高速公路王家庄渭河大桥砂砾层钻孔灌注桩施工的工程实践，对其施工工艺进行初步摸索与总结，认为在砂砾层中施工钻孔灌注桩的施工质量控制要点有以下几点： 1.泥浆 1.1泥浆的作用 谈到钻孔灌注桩施工，就不能不谈到泥浆，因为钻孔灌桩施工离不开泥浆。泥浆的主要作用有：一是护壁不塌孔，二是悬浮钻渣保证清孔后沉淀层厚度符合要求。特别是在砂砾层中施工钻孔灌注桩，泥浆的作用就显得尤为重要。 1.2泥浆的制备 1.2.1制作泥浆的原料 50年代初钻孔所用泥浆是由低密度固体含量起主要作用的，由于没有降低泥浆固体含量的手段，人们只是用清水和钻孔过程中由钻机削下的泥沙混入来形成自然泥浆，此种局限性小，适用于粘土地质的钻孔灌注桩。1958年开始将絮凝剂用于钻孔以实现清水钻孔，使用处理剂（即烧碱、丹宁）后能使泥浆中的固体完全絮凝，在地面上沉淀下来之后再让清水返回孔底，但清水钻只能适用于某些地层，深度也受限制。对砂砾层而言，如何寻找既经济又可靠的泥浆？要依据实际情况而定。 本来制作泥浆的原料采用彭润土加适量烧碱效果较好，因为彭润土泥浆具有比重低、粘度好、含砂量少、泥浆薄、稳定性强、固壁能力高、钻具回转阻力小、钻进率高、排渣能力强等优点；但在宝天高速王家庄渭河大桥境内粘土充足，且成本较低，所以我们在实际施工中取用粘土。同时为了确保泥浆的性能，要求施工中按以下条件取用粘土，： （1）、自然风干后，用手不易掰开捏碎； （2）、干土破碎时，断面有坚硬的尖锐棱角； （3）、用刀切开时，切面光滑、颜色较深； （4）、水浸湿后有粘滑感，加水和成泥膏后，容易搓成1mm的细长泥条，用手指揉捻，感觉砂粒不多，浸水后能有较大膨胀； （5）、胶体率不低于95%； （6）、含砂率不大于4%； （7）、制浆能力不低于2.5L/kg。 一般可选用塑性指数大于25，小于0.005mm的粘粒含量大于50%的粘土制浆。略差的粘土，可掺入30%的塑性指数大于25的粘土。若用亚粘土时，其塑性指数不宜小于15，大于0.1mm的颗粒不宜超过6%。所选粘土中不应含有石膏、石灰或钙盐类化合物。若采用较差的粘土或亚粘土调制的泥浆，其性能指标不符合要求时，可在泥浆中掺入碳酸钠（Na2CO3）、氢氧化钠（NaOH）或膨润土粉末，以提高泥浆性能指标，掺入量与原泥浆情况有关，最好是由试验确定，一般碳酸钠的掺入量约为孔中泥浆的0.1%～0.4%，加入碳酸钠可使酸碱度PH值增大，使粘土颗粒分散，使粘粒面负电增加，为粘土吸收外界的正离子颗粒提供条件，可增加水化膜厚度，提供泥浆的胶体率和稳定性，降低失水率。 1.2.2泥浆的制备数量 在粘性土层中钻孔灌注桩施工时，事先只要制作不多的泥浆，就可在钻进过程中利用该地层粘土造浆。而在砂砾层中钻孔灌注桩施工时，必须事先制备泥浆，不能靠在钻孔过程中自身产生的泥浆护壁，制作泥浆的粘土数量可按下列公式计算： q—每立方米泥浆所需黄粘土质量 (t) V—每立方米泥浆所需黄粘土体积（m3） P1—黄粘土的密度，一般取1.8（t/m3） P2—要求的泥浆密度，一般取1.1—1.3（t/m3） P3—水的密度，一般取1（t/m3） 在开钻之前，一般要制备数量为1.5倍桩体积的新鲜泥浆，一是为了保证在钻孔过程中用新鲜泥浆护壁，二是在清孔过程中只有用新鲜泥浆才能使较深的钻渣上浮保证清孔后沉淀层厚度达到设计要求。 以宝天高速公路王家庄渭河大桥18号墩为例，来说明制备足够数量的新鲜泥浆对在砂砾层中施工钻孔灌注桩的重要性。王家庄渭河大桥18号墩基础为钻孔灌注桩基础，桩径1.2m、桩长18m。施工18号墩第一根桩和第二根桩的最大工艺区别就是制备的新鲜泥浆数量不一样，其结果也不一样，主要表现为施工过程所用时间有很大差别，如表—1所示： 表—1   施 工 过 程 用 时 表 桩号 设计 深度（m） 钻孔开始时间 钻孔结束 时间 用时 清孔开始时间 清孔结束时间 用时 沉淀层 厚度 左幅 18—4 18 2006.9.29 16:00 2006.10.5 10:30 138.5 小时 2003.10.5 10:30 2003.10.5 17.40 430 分钟 50 左幅 18—1 18 2006.10.6 20:00 2006.10.10 15:30 91.5 小时 2003.10.1015:30 2003.9.16 19:45 255 分钟 10                   从上表中不难看出第一根桩无论是钻孔时间还是清孔时间以及清孔效果都不如第二根桩，主要是第一根桩施工前对制浆没有引起足够的重视，制备的新鲜泥浆数量较少。事后认为，因为没有足够的新鲜泥浆护壁、清孔，钻到设计深度后，沉淀厚度总是远远超标，最后采取反循环加真空泵吸渣清孔才使沉淀层厚度符合设计要求。施工第二根桩时改变了施工工艺，制备了约1.5倍桩体积的新鲜泥浆，就取得了明显的效果。钻孔时间是第一根桩的66％，清孔时间是第一根桩的59％，时间都缩短了三分之一左右，清孔效果也明显好于第一根桩。 ２．护筒底部的护壁　 ２.1护筒底部护壁的重要性 在砂砾层中施工钻孔灌注桩时，最重要的护壁是要将护筒底部的孔壁护住，因为这里是护筒与土衔接的部位，也是整个孔壁的最薄弱部位。而且砂砾层又有很强的透水性，实际施工中,如果这个部位没有护牢，在水下混凝土灌注完成之前任何时候都有可能因透水而发生塌孔事故。 ２.2护筒底部的护壁施工方法 由于王家庄渭河大桥下部桩基处于砂砾层，且大桥周围粘土比较充足，所以我们在施工中为了更好将护筒底部的孔壁护住，采取了比较有效的干抛粘土法。干抛粘土法就是将制泥浆用的干粘土抛入护筒内，干抛粘土体积为护筒内水的体积的二分之一到三分之二，抛完后基本能看见粘土块露出水面即可，然后静置4至6个小时，让粘土吸水胀湿，开动钻机进行搅拌，直至钻机钻动非常困难为止，再静置1至2个小时即可按正常程序进行钻孔，但一开始要慢，尤其是在护筒底部1米范围内要慢，要上下来回往返几次，使护壁效果更好，而且护筒埋置深度要比正常情况下浅一些。正是采用了这种改进方法，宝天高速公路王家庄渭河大桥80根水中灌注桩未发生一起因护壁不当透水穿孔而导致塌孔事故。 ３．钻进速度 ３.1钻进速度不是越快越好 钻孔灌注桩的成孔时间是越短越好，而成孔时间的长短取决于钻进速度，钻进速度越快，成孔时间越短；但砂砾层中施工钻孔灌注桩时，钻进速度不是越快越好，有时要对其加以控制。如果钻进速度不加以控制，极容易造成工程事故、质量隐患。因为： ① 钻进速度太快，孔壁护壁效果不好，很容易引起塌孔而造成工程事故； ② 钻进速度太快，钻具摆幅大，容易使孔壁成螺旋台阶状，有时砂砾层局部夹粘土层易造成局部缩孔，成孔后，使用探孔器验孔很难一次性成功，还得用钻头上下再次扫孔。假如不用探孔器验孔，则钢筋笼很容易被卡住下不去，有时因钢筋笼主筋插在孔壁上引起局部塌孔，造成工程事故。 ３.２钻进速度的控制 由于王家庄渭河大桥下部桩基处于砂砾层，在钻孔施工中，为了既能加快施工进度又能保证工程质量，钻进速度的控制要随着钻具的进尺，不断调整钢丝绳的松紧程度，使其承受钻具的部分自重力。而且钻进速度在刚开始时要慢一点，正常以后可以适当加快一点，进尺控制在2-3厘米/分钟为宜，这要通过具体的施工实践来确定。 ４．清孔后泥浆相对密度的控制 ４.1泥浆相对密度控制的意义 泥浆的相对密度是一个很重要的泥浆性能指标,清孔后对泥浆的相对密度必须加以控制。太小了，孔的护壁不好，容易出现塌孔，造成工程事故；太大了，灌注混凝土过程中，在混凝土上升时的阻力会增大，易出现卡管等意外事故，所以清孔后泥浆的相对密度一定要控制好。 ４.２泥浆相对密度的控制 《公路桥涵施工技术》要求清孔后泥浆相对密度值为1.03～1.10，但考虑到王家庄渭河大桥钻孔灌注桩地处砂砾层，而砂砾层又具有透水性较强的地质特点，所以此值作为王家庄渭河大桥钻孔灌注桩清孔后泥浆相对密度的控制指标有点偏小，应将清孔后泥浆相对密度指标控制在1.10～1.20之间比较符合实际。这样既可避免护壁不好而出现塌孔，又可避免出现卡管等意外事故。 ５．混凝土灌注前的准备工作 ５.1准备工作的重要性 钻孔灌注桩的混凝土灌注时间一定要严格控制，越短越好，如果时间拖得过长就容易造成塌孔、堵管、卡管等意外事故。在砂砾层中的施工灌注桩的更是如此，因为砂砾层很容易塌孔。而准备工作的充分与否直接关系到混凝土灌注时间的长短，所以相关准备工作就要特别认真、细致、全面。 ５.2混凝土灌注前相关的准备工作 ①　原材料的质量要认真检验，严把进场关； ②　各种粒径原材料的数量要备足，要以防扩孔； ③　根据现场原材料的含水量确定施工配合比； ④　混凝土的拌和能力、运输能力要有富余，还要有备用设备； ⑤　机械设备包括备用设备的完好性要认真检查，要进行试运行； ⑥要有应急预案和措施。 所有这些准备工作都要落实到位，不能有半点侥幸思想，因为这些都有可能直接影响到混凝土灌注时间的长短，进而直接影响到工程质量。 6．小结 综上所述，在砂砾层中施工钻孔灌注桩的过程中一定要注意： ①要制备足够数量的新鲜泥浆，尤其是大孔径钻孔桩，数量应不少于1.5倍桩身的体积； ②准备工作要特别认真细致全面，不能有半点马虎； ③清孔后泥浆相对密度指标控制一定要实事求是，不能教条地死扣规范，泥浆相对密度指标宜控制在1.10～1.20之间；