鉆孔灌注樁缺陷處理技術(shù)探討及工程應(yīng)用

方巽科,王玉松,吳映棟,李小玲

(1. 浙江綠城建筑設(shè)計有限公司,浙江 杭州 310007；2. 浙江省天正設(shè)計工程有限公司,浙江 杭州 310005)

1 概 述

鉆孔灌注樁具有適應(yīng)性強(qiáng)、入巖便捷、剛度大、承載力高、擠土效應(yīng)小等優(yōu)點,是目前用途最廣泛的一種樁基礎(chǔ)。但由于鉆孔灌注樁其施工工藝的多樣性、地基地質(zhì)條件的差異性以及鉆孔灌注樁本身的沉樁效應(yīng),施工控制易出現(xiàn)偏差,質(zhì)量事故頻繁發(fā)生。

通過調(diào)查分析,鉆孔灌注樁的主要問題,是樁身的混凝土質(zhì)量不易控制和保證,在地下、水下灌注混凝土過程中,容易出現(xiàn)縮頸、溝槽、夾泥、樁底沉渣過厚等現(xiàn)象,以致嚴(yán)重影響了樁身混凝土質(zhì)量和單樁承載力。因此,如何處理樁底沉渣和設(shè)法對樁身、樁端進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),已成為鉆孔灌注樁施工中一個亟待解決的問題。

2 常見質(zhì)量問題原因分析及處理措施探討

樁基工程各種事故的發(fā)生,往往都不是孤立存在的,而是互為因果或多因一果,因此調(diào)查分析鉆孔灌注樁常見問題原因、預(yù)防措施和事故后處理,顯得尤為必要[1]。

2.1 樁身縮頸

主要原因：地質(zhì)存在流砂，淤泥層厚；灌注混凝土過程中孔壁變形內(nèi)擠、坍塌；鋼筋籠外混凝土離析,充填不緊密。

預(yù)防措施：改變護(hù)壁施工工藝；縮短成孔和澆注混凝土之間的?？讜r間；加快澆注混凝土進(jìn)程。

事故后處理對策：須充分評估其縮頸程度,核算其實際承載力,如嚴(yán)重影響樁身承載力時,需考慮旋噴加固或補(bǔ)樁處理。

2.2 樁身混凝土蜂窩、溝槽、離析

主要原因：樁身縱筋過密,箍筋間距過小,混凝土骨料難以擠出鋼筋籠外；樁身混凝土局部嚴(yán)重離析,鋼筋籠體制作、焊接不直；鋼筋籠與孔壁間隙過小或過大,保護(hù)層缺損。

預(yù)防措施：加強(qiáng)鋼筋籠制作的質(zhì)量控制；改變布筋方式,加大鋼筋間距,加設(shè)籠外導(dǎo)向鋼筋,使得鋼筋籠對中；改變混凝土坍落度。

事故后處理對策：需充分評估其混凝土質(zhì)量缺陷程度,核算其實際承載力,根據(jù)需要采取壓漿加固處理或補(bǔ)樁處理。

2.3 鋼筋籠上浮或下沉

主要原因：鋼筋籠定位措施不力,受二次清孔掏渣筒和導(dǎo)管上下碰撞或拖帶而移動；灌注混凝土?xí)r沖力大而使鋼筋籠上浮。

預(yù)防措施：加強(qiáng)鋼筋籠定位措施,設(shè)置高程監(jiān)測器監(jiān)視其位置,一有偏差,便采取復(fù)位措施,比如借助鉆機(jī)上的卷揚(yáng)機(jī)反復(fù)提拉導(dǎo)管,使上浮的鋼筋籠緩慢回落至已澆筑的混凝土中。

事故后處理對策：一般情況下,如混凝土質(zhì)量較好時可不做特殊處理；如有水平承載需要或者抗拔需要時,需充分復(fù)核抗彎承載力以及抗拔承載力,并采取相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施,比如鉆芯設(shè)置型鋼等。

2.4 樁底沉渣太厚

主要原因：泥漿相對密度過小；孔壁坍塌；清渣措施有誤；清渣力度不夠；下鋼筋籠時碰撞孔壁使土掉落。

預(yù)防措施：用反循環(huán)法鉆孔,用正循環(huán)法清孔；縮短?？讜r間,清孔后立即澆注混凝土。

事故后處理對策：既成事實的厚沉渣,可用鉆孔后壓漿方法擠密、固結(jié)沉渣,并使其改性。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

本工程地處舟山市臨城新區(qū)下朱家,場地四周均為空地,南側(cè)約100 m為大海?？偨ㄖ娣e約2萬m2,地面以下為1層地下室,地上為4～9層的辦公樓,根據(jù)建筑大空間布局需要采用框架剪力墻寬扁梁結(jié)構(gòu)體系?；A(chǔ)設(shè)計等級為甲級,采用鉆孔灌注樁,考慮到單柱荷載達(dá)到5 000 kN左右,設(shè)計要求樁端進(jìn)入-2層中風(fēng)化凝灰?guī)r。本工程所在場地各土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 場地各土層的物理力學(xué)參數(shù)

3.2 樁基問題及處理措施

樁基工程施工完畢,檢測后發(fā)現(xiàn)的問題及設(shè)計處理意見如下：

1)樁身混凝土存在離析,有蜂窩、溝槽及夾泥現(xiàn)象。

針對建設(shè)單位提供的低應(yīng)變檢測有疑問的14根樁采取了鉆芯檢測,檢測發(fā)現(xiàn)其中Ⅰ類樁5根,Ⅱ類樁4根(出現(xiàn)輕微溝槽),Ⅲ類樁3根(局部蜂窩,溝槽明顯),Ⅳ類樁2根(樁頂往下5 m以內(nèi)嚴(yán)重缺陷,無完整芯樣,局部浮漿,基本無粗骨料)。

設(shè)計處理意見：鉆芯檢測隨機(jī)加抽10%(10根)；Ⅱ類樁和Ⅲ類樁采取高壓注漿處理,待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后再做低應(yīng)變檢測樁身完整性；Ⅳ類樁破除至空洞位置,重新澆筑高一等級標(biāo)號的混凝土,待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后再做低應(yīng)變檢測樁身完整性。

2)靜載試驗承載力不能達(dá)到設(shè)計要求。

考慮到本工程靜載試驗單位具有較為成熟的地區(qū)經(jīng)驗以及工程進(jìn)度的需要,本次試驗采用快速維持荷載法,按1/10預(yù)估單樁極限承載力作為荷載分級標(biāo)準(zhǔn),首級荷載為其他加載值的2倍。本次試驗終止加載條件為：試樁在某級荷載作用下的樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍,且樁頂總沉降量已超過40 mm。

根據(jù)靜載試樁結(jié)果,局部區(qū)域工程樁單樁豎向抗壓極限承載力不能達(dá)到設(shè)計要求,現(xiàn)選取77#樁的靜載試驗結(jié)果見表2。由表2可知,77#樁最大試驗荷載對應(yīng)的沉降量為64.77 mm,極限承載力為5 310 kN,不能滿足設(shè)計要求的最大試驗荷載5 900 kN。針對靜載試樁達(dá)不到設(shè)計要求的樁,進(jìn)行鉆芯檢測,檢測發(fā)現(xiàn)樁底有150 mm以上的沉渣。

設(shè)計處理意見：根據(jù)建設(shè)單位反饋情況,該區(qū)域承載力有問題的樁,均由同一臺樁基施工完成,故決定鉆芯檢測隨機(jī)加抽30%；對于樁底沉渣超過設(shè)計要求的鉆孔灌注樁,均須采用樁底高壓注漿進(jìn)行加固。

表2 77#樁單樁豎向抗壓靜載試驗匯總表

3.3 樁基受荷作用下變形分析和后壓漿加固機(jī)理

1)豎向荷載作用下單樁沉降由以下三部分組成：

①樁身彈性壓縮引起的樁頂沉降；

②樁側(cè)荷載傳遞到樁端平面以下引起土體壓縮,樁端隨土體壓縮而產(chǎn)生的沉降；

③樁端荷載引起土體壓縮所產(chǎn)生的樁端沉降。

2)鉆孔灌注樁在樁頂受荷時,荷載傳遞一般可以分為四個階段：

①樁側(cè)摩阻力自上而下逐漸增大,樁端無沉降,此時樁端阻力為零；

②樁側(cè)摩阻力自上而下逐漸增大,上半部分已達(dá)極限,樁端阻力開始發(fā)揮,樁頂荷載由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力共同承擔(dān),樁端開始出現(xiàn)沉降,但在彈性壓縮階段；

③樁側(cè)摩阻力發(fā)揮到極限值,樁頂荷載的進(jìn)一步增加,則其增量全部由樁端阻力承擔(dān),樁端沉降進(jìn)一步發(fā)展,樁端土體逐步屈服；

④樁端持力層達(dá)到塑性狀態(tài)或樁身被壓壞而破壞。

通過以上分析可知,樁基受荷后沉降變形特點為：緩變性,沒有明顯的破壞特征點,在樁頂沉降較小時樁側(cè)阻力發(fā)揮并不充分,而端阻力隨沉降增大而逐漸發(fā)揮。因此,極限承載力特征值的確定一般都以位移控制,對于試樁結(jié)果不理想的情況,一般是沉渣控制不好[2]。

3)后壓漿加固技術(shù)機(jī)理分析

鉆孔樁后壓漿技術(shù)是最近發(fā)展起來的用于泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁以提高其承載力的一種行之有效的新技術(shù)。后壓漿技術(shù)提高樁承載力的機(jī)理如下：沉渣和松動土體被重新膠結(jié),裂隙被充填,從而有效地提高樁底的剛度和強(qiáng)度；因漿液的擴(kuò)散滲透,在樁端附近形成一定范圍的膠結(jié)囊體,增大持力層的受力面積,起到了端承擴(kuò)大頭的作用；在壓力作用下,部分漿液沿樁土界面上浸,使下部樁體與泥皮及土體膠結(jié)成整體,使樁端下部樁側(cè)摩阻力得到正常發(fā)揮；在漿液中摻入膨脹劑或采用膨脹水泥,樁底的膠結(jié)體在固結(jié)過程中產(chǎn)生微膨脹,對樁端產(chǎn)生一定的預(yù)壓力,尤其是在高壓作用下,樁端介質(zhì)的壓縮變形提前完成,從而減少了樁在同一樁頂荷載作用下的樁頂豎向位移,從而達(dá)到提高單樁承載力的目的[3]。

3.4 壓力注漿對樁基的加固設(shè)計與施工

1) 設(shè)計方案簡述 采用壓力灌漿法一般是用工程鉆孔至設(shè)計處理的深度后,將管桿下入孔底,用水泵注入清水洗孔后再進(jìn)行高壓循環(huán)壓漿,將純水泥漿壓入孔內(nèi),使水泥漿壓入樁身空洞或與樁底經(jīng)沖洗以后殘留的較大顆粒骨料混合,以達(dá)到提高樁身、樁底與基巖的膠結(jié)度,達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)的目的。該方法對樁基進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理的主要影響因素是水泥漿液的水灰比、注漿壓力及注漿量。本工程經(jīng)過分析比較及參照類同的工程,確定水泥漿液由稀至濃進(jìn)行灌注,水灰比為1∶1→0.8∶1→0.6∶1,采用525#普通硅酸鹽水泥,同時為促進(jìn)水泥漿的早強(qiáng)早凝,另加入1.5%的氯化鈣,注漿壓力從小到大逐漸增強(qiáng)。

2)清孔 采用高壓水流沖洗具體方法是：在樁上鉆2個孔(可以采用取芯孔),然后向其中一個孔下入洗孔管桿至巖面上,并與水泵連接,壓入清水,而另一個孔排泥渣,如此反復(fù)循環(huán)交替,把充填于孔底及孔壁裂隙中的細(xì)砂、雜質(zhì)排出孔外,直至孔口泛出無砂無色的清水為止。

3)放置鋼管 洗孔結(jié)束后,將制作好的Φ48×3.5鋼管垂直放入孔內(nèi),保證鋼管下至設(shè)計深度,允許誤差50 mm；在鋼管內(nèi)設(shè)置Φ25鍍鋅管,同鋼管一起下至灌注樁樁底。

4)全孔段高壓循環(huán)灌漿 灌漿壓力為1～5 MPa,開始應(yīng)盡量將壓力控制在1 MPa左右,灌漿過程應(yīng)根據(jù)吃漿量和壓力變化來改變水灰比,這是保證灌漿質(zhì)量的關(guān)鍵。灌漿要持續(xù)進(jìn)行,不能中斷,如因特殊原因中斷,應(yīng)在水泥初凝前半小時恢復(fù)灌漿；若不能恢復(fù),則應(yīng)用低壓水進(jìn)行清洗,正常后再重新灌漿。灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為：壓力5 MPa穩(wěn)壓持續(xù)時間5 min；樁身停止吸漿或吸漿量不大于0.2 L/min。其中：注漿時若遇不明原因出現(xiàn)冒漿時需及時與建設(shè)單位、設(shè)計單位聯(lián)系,注漿量應(yīng)根據(jù)場地實際情況調(diào)整,注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用壓力控制標(biāo)準(zhǔn),注漿量特別大的樁,應(yīng)采用雙液高壓注漿。

5)封孔 灌漿完畢檢查合格后,注漿孔采用環(huán)氧樹脂封孔。

6)高壓注漿后檢測結(jié)果 通過高壓注漿加固后的樁,經(jīng)過低應(yīng)變檢測后均為Ⅰ類樁；對高壓注漿后的樁進(jìn)行抽檢靜載試驗,承載力提高十分顯著,基本在40%以上。

4 結(jié) 語

1)在鉆孔灌注樁的施工過程中,由于施工隊伍的素質(zhì)、技術(shù)水平和施工工藝的限制,樁身容易出現(xiàn)蜂窩、溝槽等質(zhì)量問題；如清孔不徹底,樁底極易形成沉渣,樁底沉渣對單樁的豎向承載力影響較大,樁底沉渣厚度越大,樁端持力層的承載力越小,單樁的豎向承載力亦越小。

2)高壓注漿加固后樁的檢測結(jié)果表明,后壓漿技術(shù)是缺陷樁加固非常有效的方法,采用后壓漿技術(shù)不僅可以補(bǔ)強(qiáng)樁身溝槽裂縫提升樁身強(qiáng)度,而且能有效提升樁端阻力和樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮水平。

3)采用高壓注漿對鉆孔灌注樁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理的方法,對如何確定灌漿的壓力以及滲入樁基的水泥量,目前大都憑借于施工經(jīng)驗,因此有必要對此進(jìn)行專門的試驗研究。