復(fù)雜巖溶地質(zhì)條件下零沉渣樁基施工關(guān)鍵技術(shù)研究*

茍澤東,簡(jiǎn) 正,杜海明,蔡鑫敏

(中建八局第一建設(shè)有限公司,山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

目前應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)能電池是鋰離子電池,由于鋰離子電池的安全性能要求很高,因此在電池制造過程中對(duì)鋰電設(shè)備的精度、穩(wěn)定性和自動(dòng)化水平都有極高的要求。

基于上述條件,在新能源電池廠房建設(shè)中,對(duì)于地面沉降要求極高,不允許地面在使用工況下出現(xiàn)塑性變形導(dǎo)致的開裂和沉降。地面零沉降前提是首先保證樁基礎(chǔ)施工時(shí)必須達(dá)到零沉渣。

巖溶地區(qū)普遍存在地質(zhì)條件復(fù)雜、地下水豐富、溶洞發(fā)育等情況,給樁基施工帶來很大困難。覆在溶洞上方的紅黏土層及強(qiáng)風(fēng)化層易引起孔壁坍塌,起伏傾斜的溶洞頂板容易造成鉆孔偏斜,溶洞形狀差異導(dǎo)致成孔措施多變,充填物的形態(tài)直接影響樁基成孔質(zhì)量。當(dāng)前的旋挖干成孔施工工藝,無法有效確保樁基底部無沉渣,尤其是在復(fù)雜地質(zhì)條件下。本文以實(shí)際工程為例,在樁基施工時(shí),針對(duì)已有成樁工藝進(jìn)行改進(jìn),成樁時(shí)采取預(yù)埋注漿管,成樁后通過高壓沖洗樁底沉渣,然后對(duì)樁底進(jìn)行二次注漿,從而確保樁基滿足零沉渣的要求,最后闡述了成樁過程中的質(zhì)量控制要點(diǎn)及注意事項(xiàng)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

工程位于貴州省貴陽市貴安新區(qū)百馬大道輔道旁,項(xiàng)目地處盆式高回填、高紅黏土區(qū),地下溶洞率20%,場(chǎng)地由素填土(硬骨料占比65%)、紅黏土(弱透水性和弱漲縮性)、強(qiáng)風(fēng)化白云巖及中風(fēng)化白云巖構(gòu)成,其中素填土厚度0.20～17.40 m,場(chǎng)地地表匯水面積較大,巖溶強(qiáng)發(fā)育、裂隙水豐富,主要存在于回填土和紅黏土交界處及各巖層縫隙。地勘建議樁基礎(chǔ)嵌入中風(fēng)化基巖不小于0.5 m。根據(jù)原始地貌及前期考察,該地區(qū)原地形中間部分為山谷地帶、魚塘等地形,在場(chǎng)地平整處理過程中進(jìn)行了大量挖填工作。

1.2 巖溶分布情況

項(xiàng)目所在地屬于巖溶強(qiáng)發(fā)育場(chǎng)地,溶洞分布遍布全場(chǎng)區(qū),且分布無規(guī)律,地下溶洞率20%,溶洞填充物多為紅黏土夾碎塊。成樁施工時(shí)遇溶洞,需確認(rèn)持力層≥5m,若溶洞頂蓋持力層厚度<5m,需揭穿頂蓋,頂板厚度不滿足持力層要求的須揭穿巖溶溶洞頂板基巖,將基礎(chǔ)置于溶洞底板中風(fēng)化基巖之上。主廠房溶洞分布情況如圖1所示。

圖1 主廠房溶洞分布情況(紅圈為溶洞)Fig.1 Distribution of karst caves in main workshop (red circle is karst caves)

1.3 樁基情況

本項(xiàng)目樁基設(shè)計(jì)為嵌巖端承樁,總計(jì)工程樁2 481根,地坪樁合計(jì)3 964根,總樁數(shù)6 445根,采用旋挖鉆機(jī)干作業(yè)鉆孔灌注樁。樁基入中風(fēng)化持力層嵌巖深度為1.5D(D為樁徑),樁型分為地坪樁和工程樁兩種,地坪樁主要以700 mm為主、工程樁主要以800 mm為主,其中700 mm樁占總樁數(shù)的69%,800 mm樁占總樁數(shù)的16%。

2 沉渣對(duì)樁基沉降的影響

在豎向荷載作用下,樁頂沉降由以下3部分組成:①樁本身的彈性壓縮量;②樁側(cè)摩阻力向下傳遞引起樁端下土體的壓縮量;③樁端荷載引起的樁端下土體的壓縮量。結(jié)合已有研究,巖溶區(qū)無沉渣嵌巖樁在豎向荷載作用下的樁基荷載-沉降關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 無沉渣常規(guī)樁的荷載-沉降曲線Fig.2 Load-settlement curve of conventional pile without sediment

從圖2可以看出,在樁底無沉渣的情況下,樁頂受到荷載時(shí),樁基曲線呈線性變化,正常工況下,樁基在完全彈性狀態(tài)下工作。而當(dāng)樁底有沉渣時(shí),在不同沉渣厚度的情況下,樁基曲線如圖3所示。

圖3 沉渣不同時(shí)荷載-沉降曲線Fig.3 Loading-settlement curves of sediment at different times

對(duì)比圖中不同沉渣厚度情況,可以明顯看出樁底沉渣對(duì)樁基沉降有較大影響,且樁底沉渣越厚,相同荷載工況下的樁基沉降值越大。近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)樁土共同作用的研究成果如下:①西南交通大學(xué)在某大橋樁基試驗(yàn)中進(jìn)行了空底樁、實(shí)底樁對(duì)比試驗(yàn),研究表明2根實(shí)底樁的側(cè)摩阻力比空底樁的側(cè)摩阻力分別大11.1%和19.2%。②20世紀(jì)70年代,北京市樁基研究小組對(duì)空底樁和實(shí)底樁的側(cè)摩阻力進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)底樁樁側(cè)摩阻力較空底樁高8%～17%。③拓莉娜于2009年在論著中認(rèn)為樁端的沉渣缺陷不但會(huì)在一定程度上降低樁端阻力,而且會(huì)影響樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮,樁端阻力損失最大可達(dá)80%以上,樁體下半部樁側(cè)摩阻力最大損失可達(dá)70%。

上述研究標(biāo)明,樁底沉渣厚度、樁端阻力和樁側(cè)阻力是相互影響、相互促進(jìn)的,它們之間存在著某種耦合關(guān)系。而由于樁底沉渣的存在,很大程度上降低了樁端承載力,同時(shí)也影響了樁側(cè)阻力的發(fā)揮,進(jìn)而降低了整個(gè)樁體的承載能力,使得樁基在正常使用工況下,產(chǎn)生更大沉降。

3 復(fù)雜巖溶地質(zhì)下樁底沉渣成因分析

3.1 沉渣成因分析

對(duì)該工程數(shù)千根樁的鉆芯取樣結(jié)果進(jìn)行分析,對(duì)于復(fù)雜巖溶地質(zhì)條件下,得出樁底沉渣主要有以下成因。

1)高填方區(qū)域由于填土結(jié)構(gòu)松散、易塌孔,成孔后未及時(shí)澆筑,導(dǎo)致沉渣產(chǎn)生。

2)有溶洞樁基因溶洞填充物為流塑形紅黏土夾碎塊,充填物形態(tài)直接導(dǎo)致樁基成孔時(shí)無法有效清除沉渣。

3)紅黏土區(qū)域由于地下水作用,樁機(jī)在成孔進(jìn)尺過程中,由于機(jī)械作用,導(dǎo)致紅黏土與水作用形成泥漿,成孔過程中孔壁易坍塌,且孔底淤泥狀泥漿無法清除干凈,形成沉渣。

4)成孔后下鋼筋籠時(shí),鋼筋籠與側(cè)壁碰撞,造成側(cè)壁坍塌形成沉渣。

5)孔口護(hù)筒未設(shè)置正確,凸出地面高度不足,導(dǎo)致地表土在雨水作用下進(jìn)入已成樁孔內(nèi)。

6)混凝土澆筑時(shí),首次灌注方量不足,導(dǎo)致沉渣無法翻起。

7)成孔驗(yàn)收后未及時(shí)澆筑混凝土,孔壁塌落導(dǎo)致沉渣累積。

3.2 沉渣厚度測(cè)量方法

現(xiàn)場(chǎng)樁基施工過程中,在清孔完成后,需要準(zhǔn)確判定沉渣厚度。傳統(tǒng)的單測(cè)繩法所測(cè)數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際偏差較大。而在實(shí)際施工中,準(zhǔn)確測(cè)量沉渣對(duì)于樁基沉渣控制至關(guān)重要,本工程同時(shí)采用2根測(cè)繩對(duì)沉渣進(jìn)行精確測(cè)量,其中一根測(cè)繩底部系上圓形平底鋼板,另一根測(cè)繩底部系上鋼釬(底部保證尖銳)。在旋挖成孔后,2根測(cè)繩結(jié)合使用,精確判斷樁底沉渣厚度。

1)測(cè)量原理 測(cè)量沉渣時(shí),將2根測(cè)繩同時(shí)放入樁孔中,其中圓形鋼板停留在沉渣上無法下墜,能夠釬入沉渣底部。通過對(duì)比2根測(cè)繩長(zhǎng)度差,就能準(zhǔn)確測(cè)量出沉渣厚度。

2)注意事項(xiàng) 為保證鋼釬能有效釬入沉渣底部,需在鋼釬上部增加足夠配重。測(cè)量時(shí)需要反復(fù)提拉,確保鋼釬完全釬入沉渣底部。

4 零沉渣施工工藝

4.1 工藝特點(diǎn)

鉆孔灌注樁零沉渣技術(shù)是在旋挖樁成樁時(shí),提前在樁身兩端埋設(shè)2根注漿管,待樁身達(dá)到一定強(qiáng)度后,通過高壓洗孔,將底部沉渣充分沖洗干凈,然后利用高壓注漿方法(一般為水泥漿),選用注漿漿液將樁底注滿。后注漿法是有效從根源上解決樁底沉渣的辦法。

鉆孔灌注樁洗孔后注漿解決樁底沉渣主要通過兩方面實(shí)現(xiàn):一是通過高壓洗孔清洗掉樁底與巖體間泥漿及碎渣。二是通過高壓注漿用漿液注滿清洗完成后的樁底空隙,同時(shí)還能將樁底基巖裂隙一并填充,待注漿漿液凝固后,注漿體將樁身和底部基巖充分融合成一個(gè)整體,起到補(bǔ)強(qiáng)效果,從而有效提升樁基承載力,同時(shí)還能徹底解決樁基沉降問題。灌注樁后注漿過程如圖4所示。

圖4 灌注樁后注漿過程Fig.4 Grouting process after filling pile

灌注樁零沉渣后注漿過程可分為5步。

1)第1步 鋼筋籠加工時(shí)同時(shí)安裝注漿管,注漿管同鋼筋籠一同下到樁孔內(nèi),注漿管底部確保比鋼筋籠短30 cm。

2第2步 樁身具有一定強(qiáng)度后,沿注漿管鉆透灌注樁底部,鉆入持力層深度不小于1 m。

3)第3步 使用高壓力水流反復(fù)沖洗樁底部沉渣,過程中不斷調(diào)節(jié)水壓力,直到回漿管出水清澈透明,方可停止注水。

4)第4步 使用低濃度漿液再次沖洗樁底,沖洗過程中逐步提高漿液濃度,直到達(dá)到注漿設(shè)計(jì)濃度,確保底部積水充分排出。

5)第5步 堵住回漿管,使用預(yù)先設(shè)計(jì)濃度漿液持續(xù)注漿,直到注漿壓力穩(wěn)定,待注漿壓力穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值并持續(xù)一段時(shí)間后,停止注漿,封堵注漿口。

4.2 注漿工藝參數(shù)

在施工前,應(yīng)通過試驗(yàn)確定注漿參數(shù),本工程通過試驗(yàn)樁提前進(jìn)行注漿試驗(yàn),并通過堆載驗(yàn)證樁基的承載力值和沉降情況。經(jīng)過驗(yàn)證后確認(rèn)工藝參數(shù)如下。

1)洗孔壓力及流量控制 洗孔壓力0～2 MPa,流量50～200 L/min。

2)漿液水灰比(W/C) 根據(jù)樁底基巖情況采用水灰比分別為1∶1,0.5∶1的素水泥漿漿液。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,采用水灰比為0.67～0.7的比例具有較佳的注漿效果。

3)添加劑 水玻璃(模數(shù)3.0,40°Bé),添加量為水泥漿液質(zhì)量的3%～5%(當(dāng)注漿過程中出現(xiàn)漏漿或長(zhǎng)時(shí)間不上壓時(shí)選用)。

4)注漿壓力 終孔壓力不小于2 MPa,持續(xù)時(shí)間不小于10 min。

5 復(fù)雜地質(zhì)下鉆孔灌注樁沉渣控制及檢測(cè)

鉆孔灌注樁施工應(yīng)根據(jù)施工區(qū)域的地質(zhì)情況、設(shè)計(jì)樁徑、樁深以及工期要求等做好前期準(zhǔn)備工作,并且以保證質(zhì)量為前提進(jìn)行樁基施工。由于復(fù)雜地質(zhì)的突發(fā)情況較多,現(xiàn)場(chǎng)需要有針對(duì)性地設(shè)置預(yù)案,以確保突發(fā)情況下能按照一定的施工組織進(jìn)行施工。旋挖鉆孔灌注樁的施工工藝流程如圖5所示。

圖5 施工工藝流程Fig.5 Construction process flow chart

5.1 施工過程沉渣控制要點(diǎn)

1)場(chǎng)地清理、整平到位,場(chǎng)地周邊不能過高堆土,樁芯土方需及時(shí)清走,確保場(chǎng)地周邊整潔,避免樁基施工地面渣土進(jìn)入成型樁孔內(nèi)。

2)3臺(tái)樁機(jī)配置1臺(tái)挖機(jī)、出土車,配套的退場(chǎng)道路建立后方可打樁。樁基施工前必須確保道路通暢,保證樁孔成型后混凝土能夠及時(shí)澆筑。

3)鉆孔前準(zhǔn)備好護(hù)筒及鋼筋網(wǎng)片至鉆孔點(diǎn)方可開始鉆孔,孔口護(hù)筒及時(shí)插入,并做好安全圍欄,作業(yè)結(jié)束后立即蓋好鋼筋防護(hù)網(wǎng)片。

4)終孔后,清孔完成后驗(yàn)收,終孔到澆筑的時(shí)間須控制在2 h內(nèi),澆筑前務(wù)必復(fù)測(cè)沉渣小于5 cm,大于5 cm的立即清孔重新檢測(cè),檢測(cè)合格后澆筑。

5)所有鋼筋籠均設(shè)置三角形加強(qiáng)箍筋,吊裝時(shí)吊點(diǎn)只能固定在加強(qiáng)箍筋上。吊裝鋼筋籠時(shí)必須確保鋼筋籠垂直度,避免鋼筋籠與樁孔側(cè)壁發(fā)生碰撞,導(dǎo)致沉渣產(chǎn)生。

6)導(dǎo)管到樁底距離嚴(yán)格控制在300～500 mm,導(dǎo)管首次埋入混凝土液面以下≥1 m。料斗中先裝一定體積混凝土(根據(jù)樁徑計(jì)算確定),再打開料斗閥門,一次性澆筑至樁底,將樁底的沉渣沖起。

為了最大限度控制沉渣過厚,在施工過程中應(yīng)做到及時(shí)清理沉渣、及時(shí)下放鋼筋籠、及時(shí)澆筑混凝土,在澆筑混凝土?xí)r必須保證澆筑連續(xù)。

5.2 沉渣檢測(cè)

目前只有通過鉆芯檢測(cè)方能有效判定樁底沉渣情況,但在工程中由于樁基施工提前預(yù)埋了注漿管,因此只能等待樁基施工完成后,沿注漿管鉆透灌注樁底部,然后利用孔內(nèi)成像輔助確定樁底是否有沉渣。

6 結(jié)語

1)造成樁底沉渣的因素復(fù)雜多樣,不同地質(zhì)情況下可能會(huì)因不同原因產(chǎn)生沉渣。樁基施工時(shí)首先要找準(zhǔn)沉渣產(chǎn)生的原因,方能有針對(duì)性地制定防治措施。在注漿料的選擇上,還需根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行具體論證。

2)沉渣缺陷是旋挖成孔灌注樁與生俱來的缺陷,在施工過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)都可能會(huì)造成樁底沉渣過厚,在施工過程中采用二次清孔來最大限度地清理沉渣,在成樁后采用沉渣補(bǔ)強(qiáng)加固法來處理軟弱沉渣。

3)樁底沉渣處理目前沒有較好的技術(shù),對(duì)于有零沉渣需求的樁基,仍需要在施工過程中加強(qiáng)對(duì)沉渣的管控。提前預(yù)埋注漿管僅僅是針對(duì)樁底沉渣在施工過程中無法清理干凈的一種補(bǔ)充措施。