氣舉反循環(huán)清孔技術(shù)在大橋深樁基礎(chǔ)中的應(yīng)用

高新學(xué),周憲偉

(1.山東省交通工程監(jiān)理咨詢公司;2.黑龍江工程學(xué)院)

1 工程簡(jiǎn)介

國(guó)道 205線濱州黃河公路大橋是一座三塔斜拉索特大橋。主橋采用雙柱式索塔,橋面以上不設(shè)橫梁,橋式結(jié)構(gòu)為42m+42m+300m+300m+42m+42m,中塔高140.25m,南、北邊塔高 90.778m。計(jì)算行車速度為120km/h。主橋范圍全橋?qū)?32.8m,其中橋面凈寬 2× 11.75m,中央分隔帶寬 3m,兩側(cè)防撞護(hù)欄 2×0.5m,其余為拉索錨固區(qū),主梁采用雙邊箱預(yù)應(yīng)力混凝土主梁,采取落地支架現(xiàn)澆與前支點(diǎn)掛藍(lán),懸臂澆筑施工。其中邊跨現(xiàn)澆,中跨懸澆,主梁在中塔處與橫梁團(tuán)結(jié),邊塔處半飄浮支承。

本工程主塔地下樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)115m,樁徑 1.50m,中距4.0m。地下樁布置為 5×5布置,雙塔共計(jì) 50棵地下樁,在設(shè)計(jì)文件中,明確要求孔底沉淀厚度設(shè)計(jì)不小于 15cm,比現(xiàn)行規(guī)范要求高許多。本工程地質(zhì)條件復(fù)雜,主要穿越地層為分砂層、亞砂層、粘土層,其間交替夾雜有膠結(jié)礫巖薄層,因此,清孔質(zhì)量是成孔質(zhì)量控制的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

2 二次清孔的必要性

鉆孔灌注樁因孔底沉渣過厚往往會(huì)導(dǎo)致承載力折減,并且根據(jù)以往工程對(duì)地下樁超聲波檢測(cè)結(jié)果分析,在樁基混凝土灌注正常情況下,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)樁基混凝土邊緣部位有缺陷的情況,多數(shù)是混凝土內(nèi)局部有夾塊造成的。經(jīng)分析認(rèn)為:夾塊由兩部分組成,即泥漿中的砂礫沉淀物以及鋼筋籠下放過程從井壁上刮落的粘泥塊過厚,在灌注樁時(shí),沉淀物隨著混凝土上升,因有鋼筋籠或井壁阻隔,使沉淀物停滯在局部范圍內(nèi),并最終造成成樁中局部缺陷。

本工程鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)文件中,明確要求沉渣厚度小于15cm,比現(xiàn)行規(guī)范要求高許多,且工程地質(zhì)條件復(fù)雜。從提鉆到灌注混凝土,對(duì)于百米深樁來說通常需要 12h以上,在這個(gè)過程中,因?yàn)槟酀{靜置時(shí)間過長(zhǎng),會(huì)產(chǎn)生一部分的沉淀,鋼筋籠下放過程中也會(huì)從井壁上掛落部分泥塊,這些就構(gòu)成沉渣,經(jīng)常超過設(shè)計(jì)要求,如果不采取二次清孔措施就灌注,容易引發(fā)各種質(zhì)量事故。因此,在灌注前進(jìn)行二次清孔就尤其重要。

3 傳統(tǒng)二次清孔技術(shù)的弊端

正循環(huán)清孔(以往工程):泥漿帶動(dòng)沉淀物上浮,在重力作用下泥漿中砂礫等沉淀物有下沉的趨勢(shì),如果泥漿泵流量偏小,將出現(xiàn)大顆粒砂礫懸浮在一定高度以下;另外因?yàn)榫谔幠酀{比井中心部位流速慢,造成泥漿含砂率不均勻,最終不能將泥漿中砂礫完全置換到井外去,因此本工程不采用這種方法。

反循環(huán)清孔(以往工程):真空泵與導(dǎo)管相連,啟動(dòng)真空泵后,在鉆桿或?qū)Ч苄纬梢粋€(gè)負(fù)壓區(qū),泥漿和沉淀物等自孔底沿著導(dǎo)管排到孔外,但由于本工程的鉆孔樁的實(shí)際深度達(dá)115m,離心泵的泵壓較小,不能滿足本工程的需要。

表1 鉆孔用泥漿泵的主要性能

灌筑混凝土?xí)r可以發(fā)現(xiàn):孔內(nèi)底部的泥漿比重及含砂率指標(biāo)均大于上部,并且在灌筑后期,井口泥漿常伴有粘泥塊流出,粘泥塊是由混凝土上翻過程中沉淀太多,沉淀物裹入混凝土內(nèi)形成的。所以地下樁超聲波檢測(cè),發(fā)現(xiàn)邊緣部位局部有缺陷就不足為奇。

4 氣舉反循環(huán)二次清孔技術(shù)

為克服以上弊端,我們?cè)诒竟こ讨胁捎谜h(huán)鉆進(jìn),正循環(huán)清孔和二次反循環(huán)清孔技術(shù),成功的把沉渣厚度控制在設(shè)計(jì)值以內(nèi),保證了鉆孔灌注樁的施工質(zhì)量。

4.1 氣舉反循環(huán)二次清孔工作原理

安裝完成氣舉反循環(huán)設(shè)備后,啟動(dòng)空壓機(jī)送風(fēng),在出漿管內(nèi)形成負(fù)壓區(qū),孔底泥漿及沉淀物的混合物沿著導(dǎo)管上升,補(bǔ)充到風(fēng)管內(nèi)負(fù)壓區(qū),并排到孔外。

4.2 制作氣舉反循環(huán)設(shè)備

鋼筋籠及導(dǎo)管下放安裝完畢后,安裝氣舉反循環(huán)設(shè)備,出漿軟管接泥漿泵,檢查密封性合格后,啟動(dòng)泥漿泵,利用正循環(huán)工藝清孔 0.5h,將孔底沉淀物浮起。

檢查泥漿各項(xiàng)指標(biāo),清孔由正循環(huán)工藝轉(zhuǎn)換到氣舉反循環(huán)工藝上,啟動(dòng)大功率空壓機(jī)(9m3/min)向風(fēng)管內(nèi)送風(fēng),風(fēng)管內(nèi)的空氣與泥漿混合物密度(約為 0.6)小于導(dǎo)管內(nèi)泥漿密度(1.1),形成負(fù)壓區(qū),結(jié)果:孔底泥漿及沉淀物的混合物沿著導(dǎo)管上升,補(bǔ)充到風(fēng)管內(nèi)負(fù)壓區(qū);為防止孔中泥漿水頭過小,及時(shí)用泥漿泵將優(yōu)質(zhì)泥漿(含砂率低)補(bǔ)充到孔內(nèi),并形成循環(huán)系統(tǒng)。

4.3 施工注意事項(xiàng)

(1)開始工作時(shí),應(yīng)先向孔內(nèi)補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)泥漿或水。

(2)需要一臺(tái) 9m3/h空壓機(jī),風(fēng)壓(MPa)可按公式H/10+0.05計(jì)算,H為風(fēng)管口入水深度(m)。通過計(jì)算以及考慮到風(fēng)管接頭密實(shí)性等因素,需要0.6～0.8MPa風(fēng)壓。

(3)在氣孔初期,可適當(dāng)加大送風(fēng)量(因送風(fēng)量大,則漿渣上升速度也大,沉淀物易被吸上),并轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)管,改變導(dǎo)管在孔底位置。

(4)泥漿流量計(jì)算

式中:q為泥漿流量,m3/h;q1為每小時(shí)凈土量,按理論狀態(tài)的體積計(jì),m3/h;γ1為土在理論狀態(tài)下的比重;γ0為土顆粒的比重,γ0取 2.6;W為每立方土變?yōu)槟酀{所需水量,m3。

(5)清孔時(shí)間一般控制在 0.5～1h,根據(jù)情況確定。

(6)清孔結(jié)束后,應(yīng)先停送風(fēng),后停補(bǔ)充的泥漿,并測(cè)量孔底標(biāo)高,拆除清孔設(shè)備,應(yīng)立即準(zhǔn)備灌注水下混凝土。

5 結(jié) 論

(1)清孔徹底,初期管口流出的泥漿含砂率及比重明顯較高;后期經(jīng)取樣檢測(cè),孔內(nèi)泥漿上、中、下部位泥漿指標(biāo)基本一致,含砂率小于 1%,沉淀厚度比氣舉反循環(huán)二次清孔前減少約20～50cm,完全控制在15cm內(nèi)。

(2)縮短了二次清孔時(shí)間,與正循環(huán)相比,工效提高 3倍以上。氣舉反循環(huán)二次清孔一般 1h內(nèi)即可完成,經(jīng)過氣舉反循環(huán)二次清孔后,沉淀厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求。

(3)轉(zhuǎn)換迅速,可在 10min之內(nèi)由清孔狀態(tài)轉(zhuǎn)換到混凝土灌注狀態(tài)。

(4)施工成本增加不高,只需添加空壓機(jī)組即可完成。

在混凝土灌注過程中,在井口沒有發(fā)現(xiàn)淤泥及粘泥塊等現(xiàn)象,最后聲測(cè)管超聲波檢查質(zhì)量完全合格。實(shí)踐證明,氣舉反循環(huán)施工技術(shù)在濱州黃河大橋工程的運(yùn)用是成功的,值得在類似深樁工程中推廣。

[1] 楊榮全,高永青.濱州黃河大橋主橋施工組織設(shè)計(jì).

[2] 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTJ041-2000).

[3] 王文豪 .氣舉反循環(huán)清孔工藝及工程體會(huì).第三屆浙江省巖土力學(xué)與工程學(xué)術(shù)討論會(huì),1997.

[4] 余志文.鉆孔灌注樁氣舉反循環(huán)二次清渣工藝 .地質(zhì)工程, 2004.

[5] 賈兆兵,解玉洋.氣舉反循環(huán)二次清孔技術(shù)在百米深樁施工中的應(yīng)用.交通科技,2007.

[6] 喻榮華.氣舉反循環(huán)清孔在大口徑鉆孔灌注樁的應(yīng)用.西部探礦工程,2005.