鉆孔樁基礎(chǔ)的施工技術(shù)和水下混凝土質(zhì)量的全面控制

王宏源

（甘肅長達(dá)路業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

目前鉆孔灌注樁樁基礎(chǔ)是國內(nèi)外橋梁設(shè)計中采用比較廣泛的基礎(chǔ)形式，其施工技術(shù)和質(zhì)量控制是成樁非常重要的環(huán)節(jié)，直接影響到一個橋梁的使用年限及抗震防洪能力。

1 樁基礎(chǔ)施工技術(shù)

1.1 準(zhǔn)備工作

樁位測量放樣的偏差在平面上應(yīng)小于5 cm。鉆機定位時，應(yīng)使鉆頭的鉆尖與放樣樁位重合，同時檢查鉆機轉(zhuǎn)盤，調(diào)整鉆機使之水平。

鉆孔中泥漿不僅能保護(hù)孔壁不塌，更重要的是回旋鉆成孔時還有排渣功能，所以，在正回旋成孔時，一般在粘性土中，用1.3左右比重的泥漿即可，在砂性土中，特別是砂石中其濃度要求大，一般采用1.4～1.6比重的泥漿。而在反循環(huán)鉆機鉆孔時，出渣是靠真空泵或泥漿泵負(fù)壓吸力將鉆渣通過鉆干排出，此時，泥漿不承擔(dān)浮排渣作用，泥漿比重若大于1.3，泥漿泵的抽渣能力將降低，所以宜采用比重為1.1的泥漿為宜。由此可見泥漿的比重和粘度要根據(jù)鉆孔的土質(zhì)情況，鉆渣大小，所采用的鉆孔設(shè)備而定，泥漿的制備通常采用塑性指數(shù)大于25，小于0.005 mm的顆粒含量大于50%的粘土，再加以適量膨潤土。

在砂類土，沙礫或石中鉆孔時，泥漿中粘土的用量可參照下式計算：

式中：q——每立方米泥漿所需的粘土重量，t；

V——每立方米泥漿所需的粘土體積，m3；

P1——粘土的容重，t/m3；

P2——要求的泥漿容重，t/m3。

其中：P3為水的容重，P3=1 t/m3。

在開鉆時要對所需材料和設(shè)備進(jìn)行檢查清理。一般在開鉆一個孔時，應(yīng)備兩個樁的水泥、碎石、砂子。最少有一臺備用發(fā)電機和一臺備用攪拌機。對導(dǎo)管進(jìn)行打壓實驗，一般要求導(dǎo)管可通過0.15倍導(dǎo)管長度（M）個大氣壓的檢查。若采用水壓試驗時，壓力應(yīng)不小于灌注時導(dǎo)管可能承受最大壓力的1.3倍，可參照下式計算：

式中：PW——導(dǎo)管壁可能承受的最大壓力，t/m2；

rc——混凝土容重，用2.4 t/m3；

hc——導(dǎo)管內(nèi)混凝土最大高度，采用導(dǎo)管全長，m；

rw——鉆孔內(nèi)泥漿容重，t/m2；

Hw——鉆孔內(nèi)泥漿深度，m。

1.2 鉆孔

準(zhǔn)備工作完成后，埋置護(hù)筒，一般設(shè)計護(hù)筒的長度為1.5 m～2.0 m,但也因地質(zhì)情況不同而異。護(hù)筒的作用為固定樁位，引導(dǎo)錐方向，隔離地面水流入井孔，保護(hù)孔口不塌，保證孔內(nèi)泥漿水位高出地下水位或施工水位一定高度形成靜壓力（水頭），以保護(hù)孔壁不坍，主要是形成了向外的滲流壓力。

水頭高度值與土層類別和滲水情況有關(guān)，還和泥漿比重、濃度、成孔方法、機具、地形等有關(guān)。如泥漿濃度大時，可比清水略低一些，沖擊成孔時，可比循環(huán)鉆略低一些，山坡地區(qū)時，可比平地略高一些，但也不是越高越好，過高的水頭除了多用材料外，主要是在護(hù)筒底腳外發(fā)生冒水，土力學(xué)叫做管涌。理論和實踐證明，在穩(wěn)定的粘土中，不發(fā)生管涌的水頭高度應(yīng)和護(hù)筒的埋置深度相等，而在砂類土中，還應(yīng)低些。筆者在西蘭公路堡子坪大橋鉆機施工中（樁長55m，直徑1.5m），由于上層黃土是飽和黃土，地下水豐富，故設(shè)置了10～16 m長，厚5 mm鋼護(hù)筒，以保證不塌孔。

在鉆孔過程中，應(yīng)以設(shè)計提供的地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆進(jìn)的實際情況，采用不同的鉆速、鉆壓。如在沙層中，要放慢鉆速，泥漿相對加濃，以防塌孔，若在巖層中鉆進(jìn)，要適當(dāng)加壓，使鉆頭更容易破碎巖層。如遇大孤石時，要先放慢鉆速、減輕鉆壓，使鉆尖將孤石頂部磨平或磨出凹，再加壓鉆進(jìn)，這樣可以防止鉆頭偏向一方，造成偏孔，同時采用的鉆頭形式也極為重要，直接影響鉆進(jìn)速度。在堡子坪橋施工中，循環(huán)鉆機一開始使用的是圓籠式魚尾鉆頭，進(jìn)尺緩慢。經(jīng)分析原因，發(fā)現(xiàn)圓籠式鉆頭在黃土中鉆孔，極易糊鉆，而不進(jìn)尺，后改進(jìn)為三翼式魚尾鉆頭，擴大了進(jìn)尺面，減少了糊鉆。改進(jìn)前與改進(jìn)后的進(jìn)展見表1所列。

說明鉆頭改進(jìn)后，成孔時間由改進(jìn)前的10～14 d加快到5～7 d。

1.3 鉆孔完成后立即進(jìn)行清孔

不同的鉆孔方法，清孔方式也就不同。掌握正確有效的清孔方法是提高清孔質(zhì)量和速度的前提。目前來說常用換漿法、抽漿法和掏渣法三種清孔方式。

換漿法主要在正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆孔中采用，一般是終孔后，停止進(jìn)尺，稍提鉆頭，將較純漿壓入孔中，使其中的鉆渣泥漿換出。這種方法，不需另外設(shè)備，不易塌孔，但清孔不徹底，時間長。調(diào)查統(tǒng)計，一般50 m深的孔需8 h。由于此方法不易保證質(zhì)量，故較少采用。

抽漿法主要在反循環(huán)回轉(zhuǎn)和沖擊孔中采用。利用自帶或另備的吸漿設(shè)備。清孔速度快，一般花40～80 min，就可完成清孔。對不同粒徑的鉆渣有較好的清孔效果，特別是柱樁和嵌巖樁效果最好，但在不穩(wěn)定地層中要慎重使用。

掏渣法是沖抓和沖擊成孔時利用掏渣筒反復(fù)進(jìn)行，直至泥漿中無2～3 mm顆粒為止，并使泥漿濃度減少為1.2～1.25比重濃度。這種方法操作簡單，但人工勞動強度較大，沉淀易超限。

清孔不單是指將清孔中的鉆渣清除，更大范圍上講還包括使孔內(nèi)形成一個既保證護(hù)壁又能在一定時間內(nèi)不發(fā)生急劇沉淀的泥漿，一般也叫穩(wěn)定液，它的與否不光影響基樁承載力，還對樁的水下混凝土灌注防止縮徑，夾泥與其他隱患，都有一定保證作用。

1.4 鋼筋籠的安置就位

第一次清孔后，將鋼筋籠用卷揚機或吊車吊起，校正垂直，緩緩放入孔內(nèi)，保留頭部1 m左右露出泥漿外面，以備與第二節(jié)焊接，焊接按《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行，一般宜采用搭接焊。鋼筋籠下完后，應(yīng)通過鋼管等受力構(gòu)件將鋼筋籠壓在鉆機基座下面，以防止豎向位移和平面上的移動。完成此項工作后，進(jìn)行第二次清孔。

1.5 灌注水下混凝土

灌注水下混凝土要注意開盤拌制混凝土灰漿，按設(shè)計配合比嚴(yán)格控制材料用量，保證拌合時間（一般約90 s），最好再摻入一定比例木素磺酸鈣，使其有較好的和易性和流動性；施工用儲料斗的容積必須滿足一次封底保證導(dǎo)管位置埋置深度1 m以上。灌注用漏斗和料斗的尺寸：

式中：V——漏斗和料斗容量，m3;

H1——樁孔底至導(dǎo)管底端間距，一般為0.4 m;

H2——導(dǎo)管初次埋置深度；

D——鉆孔直徑,m；

d——導(dǎo)管內(nèi)徑,m；

rw——孔內(nèi)泥漿容重,t/m3；

rc——混凝土拌合物容重，取2.4 t/m3。

h1——樁孔內(nèi)混凝土達(dá)到埋置深度H2，導(dǎo)管內(nèi)混凝土柱平衡導(dǎo)管外壓力所需的高度。

從剪球（或開閥門）的瞬間到泥漿的涌出應(yīng)一氣呵成，無間歇，（如有間歇一般要按斷樁處理）；混凝土灌注要連續(xù)不斷，并隨時測量灌注深度、記錄導(dǎo)管長度，推算導(dǎo)管埋置深度，計算拆管長度。最好將導(dǎo)管按節(jié)編號。

孔內(nèi)混凝土灌注頂面高度要超出樁頂設(shè)計標(biāo)高50～80 cm,拔出導(dǎo)管時，作輕輕震動，使導(dǎo)管附近的混凝土充分密實。最后拔出鋼護(hù)筒。

2 水下混凝土施工質(zhì)量的全面控制

鉆孔灌注樁水下混凝土是關(guān)系到鉆孔樁基礎(chǔ)工程質(zhì)量的關(guān)鍵工序。如何保證自下而上混凝土的質(zhì)量均勻，控制坍落度損失，保證混凝土和易性，在灌注過程中自始至終確保先澆混凝土有一定的塑性，不致發(fā)生凝結(jié)而造成提管困難或發(fā)生斷樁事故，必須對水下混凝土從原材料、外加劑、配合比設(shè)計到施工管理等實行全面質(zhì)量控制。

表1 鉆頭改進(jìn)前后進(jìn)展對比表

2.1 原材料的選擇及質(zhì)量控制

合格的原料是配制優(yōu)質(zhì)混凝土的前提。

2.1.1 水泥

配制混凝土所用水泥必須滿足《橋規(guī)》規(guī)定。盡量采用一個廠家生產(chǎn)的水泥，在正式施工前應(yīng)對水泥分別分批取樣進(jìn)行試驗。宜采用快速強度和標(biāo)準(zhǔn)強度試驗相結(jié)合的辦法進(jìn)行，進(jìn)行快速強度測定，可初估水泥標(biāo)號，根據(jù)鄭州黃河公路大橋的資料，采用促凝壓蒸技術(shù)1 h就可推定28 d水泥標(biāo)號，誤差僅為4%左右，對未得出試驗結(jié)果的水泥或不合格的水泥，嚴(yán)禁投入工程使用。

2.1.2 細(xì)骨料（砂）

砂對水下混凝土的影響至關(guān)重要。河砂（特別是石英砂）最適合用作拌制水下混凝土。要制成均勻密實的混凝土、拌制時必須用足夠的水泥漿將砂粒包裹，起潤滑和膠結(jié)作用，砂礫間的空隙也要用水泥漿填滿，為此宜采用顆粒級配好，石英含量高，顆粒渾圓，具有平滑篩分曲線的中砂。根據(jù)實驗，最佳級配范圍見表2所列。

表2 砂的最佳級配范圍表

此外，為了滿足水下混凝土流動性要求，水下混凝土拌合物的含砂率宜采用40%～50%。

2.1.3 粗骨料

為了保證水下混凝土的流動性，粗骨料宜采用礫石。當(dāng)需要增加水泥砂漿與粗骨料的膠結(jié)力時，可摻入20%～25%碎石。其他應(yīng)滿足《橋規(guī)》有關(guān)規(guī)定，為保證混凝土較好的和易性，在運輸和水下澆筑時不發(fā)生分層和離析現(xiàn)象。宜采用顆粒大小由大到小的連續(xù)分級，每一級骨料都占適當(dāng)比例的連續(xù)級配，組成具有平滑凸形的篩分曲線。

2.1.4 水

拌制水下混凝土的水應(yīng)滿足《橋規(guī)》之規(guī)定。

2.1.5 外加劑

為了改善混凝土的和易性，提高水下混凝土的抗?jié)B抗凍，抗侵蝕能力，節(jié)約水泥，常用的水下混凝土外加劑有堿水劑、加氣劑、膨脹劑、早強劑、緩凝劑五種，其中減水劑和緩凝劑用的最多。由于水泥成份、礦物組成等影響，各種外加劑對不同的混凝土產(chǎn)生的效果也不同，有時差異很大。根據(jù)筆者在堡子坪大橋施工的經(jīng)驗，在水下混凝土中摻入0.25%的減水緩凝劑——木質(zhì)素硫酸鈣，具有緩凝、早強、減水、坍落度損失小，保塑性好等優(yōu)點。

2.2 混凝土強度的控制

2.2.1 混凝土施工強度的確定

混凝土施工強度要力求合理，過高會造成浪費，過低達(dá)不到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?！稑蚝┕な謨浴芬?guī)定“混凝土實際配置標(biāo)號宜比設(shè)計標(biāo)號提高10%～15%。這個數(shù)值定得是否偏低，筆者認(rèn)為有待于探討，參考水下混凝土施工規(guī)范 SDJ—207—82第4.2.2條，強度保證率可取80%～95%，則以強度均方差作為控制。施工質(zhì)量指標(biāo)的施工配制強度為：

式中：R配——混凝土配合比設(shè)計時的配制強度；

R標(biāo)——工程設(shè)計標(biāo)號；

Z——保證率系數(shù)(見表3)；

σ——均方差，其值可由混凝土生產(chǎn)與管理正常情況下取得的混凝土強度資料。按下式計算：

式中：n——混凝土試塊組數(shù)，一般不小于50；

Ri——任意一組的試驗結(jié)果的平均值；

R——混凝土強度平均值。

當(dāng)工地?zé)o資料時，R配可按下式計算：

式中：CV為離差系數(shù)，其值可參照表4。

表3 保證率與保證系數(shù)的關(guān)系表

表4 離差系數(shù)CV值一覽表

筆者認(rèn)為，上述確定混凝土配制強度的方法有以下優(yōu)點：

（1）因水下混凝土強度的保證率達(dá)80%～95%，使混凝土質(zhì)量有了可靠的保證。

（2）由于混凝土配制強度考慮了強度均方差（或離差系數(shù)CV）、從中可衡量出施工單位混凝土施工技術(shù)與管理水平之好壞，可促使施工單位在水下混凝土施工的全過程中開展全面質(zhì)量管理。

2.2.2 混凝土強度現(xiàn)場控制

在鉆孔樁水下澆注施工完工后，通過檢測，確定混凝土強度是否合格，是保證混凝土質(zhì)量的一個重要方面，但它是事后檢查，不能隨時發(fā)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)過程中影響質(zhì)量的異常因素?？刂茍D能夠幫助人們識別在混凝土質(zhì)量波動中，那些是允許的隨機波動，那些是不允許的異常波動，以便分析查清原因，采取措施。

2.3 粉煤灰的摻入及質(zhì)量控制

在混凝土中摻入一定比例的粉煤灰（20%左右），可以提高混凝土的和易性，降低混凝土水化熱，改善混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、耐堿性和抗硫酸鹽腐蝕，后期強度增長較大，減少水泥用量等優(yōu)點，國內(nèi)外均有大量資料介紹其使用情況。但粉煤灰用于水下混凝土是否會帶來危害呢？

水下混凝土在受樁周圍約束作用和上部擠壓下凝結(jié)硬化，強度有所提高，而且，因混凝土處于三向應(yīng)力狀態(tài)，其強度要比進(jìn)行單軸標(biāo)準(zhǔn)試驗混凝土更高，其提高幅度視側(cè)壓力大小而已。一般規(guī)律為：

式中：R'——三軸極限強度；

R——單軸極限強度；

K——系數(shù)，取5～9。

同時，樁基完工后到承受荷載之間的時間較長，后期強度才是更重要的力學(xué)指標(biāo)。而摻入粉煤灰恰恰具有這一優(yōu)點。但在摻入粉煤灰時應(yīng)注意粉煤灰質(zhì)量，摻量摻用方法的控制，最好與木鈣（MCQ）復(fù)合使用。此外，摻加粉煤灰是否影響混凝土抗碳化性能，還需進(jìn)一步探討。

3 鉆孔灌注樁施工中常出現(xiàn)的問題分析

3.1 鉆孔中的坍塌

主要是由于鉆進(jìn)速度控制不好，開鉆后時間過長，泥漿濃度，比重不好等原因造成。清孔中坍孔是由于清孔時間過長或清孔時震動太大，孔內(nèi)泥漿欠佳造成。上述情況發(fā)生后，應(yīng)立即提出鉆頭或清孔導(dǎo)管、鋼筋籠，回填粘土，重新再鉆。

3.2 剪球失敗的應(yīng)急處理

剪球是灌注混凝土的第一步，成功的剪球意味著混凝土灌注成功了一半，在施工中發(fā)生剪球后，料斗中混凝土灰漿時下時停、孔內(nèi)泥漿時翻時停，或干脆料斗中的混凝土下去一些后不再下，這些表明剪球失敗。此時應(yīng)將導(dǎo)管，鋼筋籠迅速拔出，啟用反循環(huán)鉆機，一邊鉆進(jìn)，一邊將孔內(nèi)混凝土吸到孔外。清除完孔內(nèi)混凝土，重新清孔，重新灌注混凝土。

3.3 卡管現(xiàn)象的應(yīng)急處理

卡管就是導(dǎo)管內(nèi)的混凝土灰漿卡在導(dǎo)管內(nèi)某處，它的原因很多：（1）碎石偏大；（2）混凝土灰漿離析；（3）天氣氣溫過高，混凝土凝結(jié)速度加快；（4）混凝土灌注過程中拆管或其它原因停頓時間過長，孔內(nèi)混凝土初凝等原因。

卡管后應(yīng)及時分析原因，以便采取應(yīng)急措施。首先可用鉆機上的卷揚機上下抖動導(dǎo)管，迫使料斗和導(dǎo)管內(nèi)的混凝土下行，消除卡管。如若不行可用混凝土棍輕輕敲打?qū)Ч?，判斷卡管是否在孔?nèi)泥漿面之上，若在孔內(nèi)泥漿面以上，可將導(dǎo)管從該處拆掉，將導(dǎo)管內(nèi)卡住的混凝土清除干凈，再重新上緊，密封導(dǎo)管，上料繼續(xù)灌注混凝土。此過程務(wù)必迅速緊張,以最快速度完成，以免孔內(nèi)混凝土初凝造成混凝土上翻困難，引起斷樁。

若卡管處在孔內(nèi)泥漿面以下較深處，抖動導(dǎo)管也不起作用，應(yīng)立即停止混凝土的灌注，以斷樁論處。在此緊急處理的同時，要分析卡管原因：

（1）碎石偏大，就更換小號碎石；（2）混凝土離析，拌制過程就應(yīng)嚴(yán)格掌握配合比，嚴(yán)格執(zhí)行攪拌90 s的時間要求，也可適當(dāng)加入一些水泥，調(diào)配混凝土灰漿的和易性；（3）氣溫過高，可用清水沖洗碎石，砂子，做降溫處理。

總之分析原因，及時處理，確?；炷晾^續(xù)灌注順利、正常。

3.4 斷樁處理

斷樁一般有下面兩種情況：

（1）導(dǎo)管底口提出孔內(nèi)混凝土面，引起斷樁；

（2）卡管造成混凝土灌注無法繼續(xù)，引起斷樁。

斷樁的處理根據(jù)不同的情況采取不同的處理方法：

從開盤到斷樁，時間較短，沒有超過混凝土的初凝時間，此時應(yīng)立即拔出導(dǎo)管，拔出鋼筋籠啟動備用的反循環(huán)鉆機，將孔內(nèi)的混凝土清除干凈，重新清孔，待以后重新灌樁。

從開盤到斷樁，時間較短，孔內(nèi)混凝土已經(jīng)凝結(jié)，鋼筋籠已無法拔出，這時應(yīng)先將導(dǎo)管拔出，然后再調(diào)用沖孔鉆機在原樁位處進(jìn)行處理，沖孔鉆機的鉆頭將孔內(nèi)的混凝土擊成碎屑，通過泥漿浮出鉆渣，清除到孔外，待到達(dá)設(shè)計標(biāo)高后，重新清孔，重新灌注混凝土。

4 結(jié)語

總之鉆孔灌注樁施工，是一個技術(shù)復(fù)雜和影響質(zhì)量因素較多的施工過程。以上是筆者通過學(xué)習(xí)、實踐得出的一些看法和體會，其中難免有不妥之處，歡迎批評指正，以利共同提高。