李 帥
(中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司,山西 太原 030000)
隨著科技進步,高層住宅樓和超高層建筑逐漸成為現(xiàn)代城市建筑的主體。大型建筑物通常對基礎(chǔ)深度有一定要求,但箱形和板形基礎(chǔ)往往不能符合其承載力要求,此時出現(xiàn)了具有高承載力特點的樁基[1]。上部構(gòu)筑物用樁基將荷載傳遞給樁基周圍的土體和樁端的土層,有效減少樁體變形,符合建筑物在使用過程中的抗震要求,使結(jié)構(gòu)能夠正常和安全使用。
目前,市場內(nèi)廣泛使用的樁基礎(chǔ)施工方法為鉆孔灌注樁施工,采用該技術(shù)施工時,重點是控制護壁泥漿的質(zhì)量,由于在實際施工中,很難操作,因此容易造成塌孔和縮徑等工程質(zhì)量問題,嚴重時,還會導致斷樁和廢樁等,對環(huán)境造成一定程度的污染,工程質(zhì)量問題也會影響施工進度,對項目的經(jīng)濟效益造成負面影響[2]。為解決該問題,提高樁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量,該文將以某建筑工程項目為例,從旋挖灌注樁基礎(chǔ)施工入手,對施工過程中的質(zhì)量控制進行詳細研究,以延長建筑工程項目的使用壽命。
該建筑工程項目位于市中心,與火車站距離約10km,步行至最近的地鐵站與公交站只需要10min,該工程的交通十分便利[3]。根據(jù)相關(guān)工作,結(jié)合工程方提供的項目建設(shè)資料可知,該工程項目對應±0m的絕對高程對應值為99.3m[4]。施工前,由設(shè)計方對樁基進行設(shè)計,確定該施工共涉及1670根穿越砂層的樁基結(jié)構(gòu),其中約670根的基礎(chǔ)樁為工程樁,穿過的地質(zhì)環(huán)境條件較為惡劣,該部分基礎(chǔ)樁數(shù)量約占總樁數(shù)的40%。
當旋挖灌注樁基礎(chǔ)施工時,成孔質(zhì)量會直接影響樁基施工是否合格,因此該環(huán)節(jié)十分重要。針對該工程項目,結(jié)合經(jīng)驗選定額定功率為295kW的旋挖鉆機,用該設(shè)備完成樁孔挖設(shè)[5]。根據(jù)不同鉆進深度和鉆斗的升降速度,對應的孔壁坍塌率不同,見表1。
表1 不同鉆進深度和鉆斗的升降速度對應孔壁坍塌率
由表1數(shù)據(jù)可知,在使用過程中,鉆機鉆進深度與鉆斗升降速度影響孔壁坍塌率。當鉆機每次鉆進深度小于0.4m且鉆斗的升降速度不超過0.3m/s時,施工中的樁基挖空塌孔率最低。因此,鉆機應每次鉆進深度0.4m,同時鉆斗的升降速度約0.03m/s,保證孔壁的坍塌率最低,保證施工效果。
砂層穩(wěn)定性差,在旋挖擴孔灌注樁的施工過程中,一定要控制泥漿的質(zhì)量。由于砂土層中的內(nèi)聚力較弱,因此當人工造漿時,以膨潤土作為主要原料,添加適量的純堿及羥基甲基纖維素,提高膨潤土的膠體率和黏度等[6]。膨潤土是泥漿的主要材料,主體含量為蒙脫石,具有吸水性強的特點,遇水發(fā)生水化,體積可以膨脹數(shù)十倍。工業(yè)村建可以將泥漿的酸堿度控制在9~11,酸堿度越高,膨潤土顆粒分散越快,水化作用越強,泥漿膠體率更高,穩(wěn)定性更好。纖維素能在旋挖灌注樁基孔壁砂土層表面形成薄膜,提高砂層表面黏度[7]。在膨潤土的基礎(chǔ)上,添加工業(yè)純堿可以提升泥漿的酸堿度到9~11。通過增加酸堿度能使膨潤土的顆粒分散更快,水化作用更強,提升泥漿膠體率和提高穩(wěn)定性。結(jié)合類似工程項目經(jīng)驗,工業(yè)用純堿添加量為膨潤土添加量的0.3%~0.5%。在泥漿材料中還可加入適量的羥甲基纖維素,在樁基孔壁砂土層表面形成一層致密薄膜,可以有效防止孔壁剝落。同時,薄膜能有效減少失水量,提升砂層表面黏度。羥甲基纖維素的添加量通常應設(shè)置為膨潤土添加量的0.05%~0.1%。
因為在旋挖鉆孔的過程中,旋挖鉆的鉆進速率比泥漿流進的速率高,所以,當準備泥漿時,要準備1.5倍體積的泥漿,才能進行現(xiàn)場鉆孔施工作業(yè)。須對配合比中摻加劑的加入量進行試驗,并對配合比后的泥漿進行各項性能指標測試,以達到標準[8]。泥漿的各項性能參數(shù)見表2。
表2 泥漿性能指標記錄表
分析膨潤土在泥漿中的含量對旋挖灌注樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的完整性影響,得到曲線圖結(jié)果如圖1所示。
圖1 泥漿配制中膨潤土含量與樁基類型關(guān)系圖
根據(jù)圖1,I類樁的比例會隨著泥漿中膨潤土含量增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律。為保證I類樁(樁身完整的樁結(jié)構(gòu))的比例能高于98%,泥漿中膨潤土的含量約7.5%。按照上述分析,繪制泥漿中純堿含量與樁基類型的關(guān)系和纖維素含量與樁基類型的關(guān)系,如圖2和圖3所示。
圖2 泥漿配制中純堿含量與樁基類型關(guān)系圖
圖3 泥漿配制中纖維素含量與樁基類型關(guān)系圖
根據(jù)上述分析,當泥漿配制時,確定純堿含量應取0.35%,纖維素含量應取0.05%,I類樁比例可以超過98%,符合經(jīng)濟成本要求。
在一次清孔后,應正確放置鋼筋籠。若鋼筋籠下入的時間過長,會導致孔底沉渣量過多,使鋼筋籠下入深度達不到要求,造成樁孔塌陷、鋼筋籠被埋沒等重大事故。因此,應該盡可能地縮短鋼筋籠的連接和安裝時間,提高鉆孔灌注樁的質(zhì)量,以減少施工中出現(xiàn)的事故。為在特厚沙土地層中快速制作和安裝鋼筋籠,開發(fā)一種連接鋼筋籠的定位裝置。
當采用銜接定位裝置加工的鋼筋籠時,要分節(jié)編號,保證鋼筋籠節(jié)與節(jié)間準確銜接,有效控制各節(jié)鋼筋籠銜接時縱筋的位置、長度等產(chǎn)生的偏差。按照鋼筋籠的水平環(huán)位,在鋼板上打桿位孔,將長30cm的套管放入鉆桿孔口后焊接。當穿板時,在板的兩邊均勻地排列套筒的焊點。將2顆螺釘固定在每個套管上,并分布在鋼板兩邊的套筒上,為便于銜接和定位鋼筋籠,將鋼板垂直安裝并固定在底座上。在安裝聲波測量管的過程中,一根鋼框架用于焊接,其余框架都預先固定好。在旋挖灌注樁施工的過程中,可以采用靜態(tài)泥漿護壁技術(shù),用旋挖鉆機完成砂層取土。在旋挖鉆機設(shè)備鉆孔的過程中,可以利用鉆桿和鉆頭的自重切入土層。在鉆頭回轉(zhuǎn)的過程中,斜向斗齒切下土塊并向鉆頭內(nèi)推進,完成鉆頭取土。在過程中必須要嚴格檢測以及清理沉渣,當鉆頭鉆入的深度超過20cm時,擴孔施工需要更換專用的擴大頭鉆頭,采用專用的孔徑測定裝置檢測擴孔的質(zhì)量以及沉渣的具體厚度。
完成施工后,對樁基礎(chǔ)進行靜荷載測試。按照試樁的預估承載能力,對分級加載的最大承載力進行設(shè)計與控制,每級荷載按預估最大承載力的10%加載,并采用逐級等量加載的方式試驗(例如預估試驗樁的最大承載力為100kN,首次加載的荷載力應為10kN,在加載過程中,持續(xù)加載的荷載作用力保持不變)。施加荷載后,分別在5min、15min、30min和60min統(tǒng)計與觀測樁頂沉降值。
當卸載樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)荷載時,應采用分步的方式,按等量逐級卸載。在卸載的過程中,每級都要對樁徑位移進行記錄,當卸載到0時,每30min須測讀樁徑的剩余沉降量。
記錄試驗過程的相關(guān)數(shù)據(jù)后,為更精準地掌握施工后樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的承載力情況,需要在完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計后計算承載力。按照Hooke定律,計算基礎(chǔ)樁對應樁身的軸力大小,如公式(1)所示。
式中:σ為基礎(chǔ)樁對應樁身的軸力大??;E為應力應變;ε為土體對樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施加的外界作用力。
根據(jù)公式(1)計算樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中,第i個截面的受力情況,如公式(2)所示。
式中:Ggij為樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中,第i個截面、第j級荷載條件、第g根樁基礎(chǔ)對應的受力;σgij為第i個截面、第j級荷載條件、第g根樁基礎(chǔ)對應的軸力大小;Ag為第g根樁基礎(chǔ)對應的鋼筋面積;εgij為第i個截面、第j級荷載條件、第g根樁基礎(chǔ)受到的土體作用力;Eg為第g根樁基礎(chǔ)對應的應變情況。計算εgij如公式(3)所示。
式中:f為樁身橫截面的變形情況。
完成計算后,根據(jù)基礎(chǔ)樁結(jié)構(gòu)在工程項目中的協(xié)調(diào)性原理,計算基礎(chǔ)樁結(jié)構(gòu)的最大承載力,如公式(4)所示。
式中:Qij為第i個截面、第j級荷載條件下,基礎(chǔ)樁結(jié)構(gòu)的最大承載力;n為樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的鋼筋數(shù)量。
根據(jù)工程施工提出的施工標準可知,工程項目施工完成后,基礎(chǔ)樁對應的最大承載力(極限承載力)應滿足>1000kN,根據(jù)靜荷載測試結(jié)果,樁基礎(chǔ)極限承載力滿足上述條件,說明采用的施工技術(shù)與工程控制質(zhì)量的方法可以達到預期,如果靜荷載測試結(jié)果顯示樁基礎(chǔ)極限承載力無法滿足上述條件,就說明對應的施工技術(shù)與工程質(zhì)量控制方法無法達到預期,需要對工程施工方案進行優(yōu)化與改進,統(tǒng)計試驗樁的試驗結(jié)果,見表3。
表3 樁基礎(chǔ)最大承載力(極限承載力)試驗結(jié)果統(tǒng)計
完成樁基礎(chǔ)最大承載力(極限承載力)試驗后,對工程項目施工所產(chǎn)生的效益進行分析。
該文研究的建筑工程項目對應的樁基,屬于泥漿護壁鉆孔擴底混凝土灌注樁,根據(jù)施工方的現(xiàn)場統(tǒng)計可知,樁基數(shù)量超過1600根,樁基直徑為800mm與1400mm,對應樁基長度在24m~45m。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘查與實際調(diào)研發(fā)現(xiàn),項目所在地區(qū)主要的地質(zhì)構(gòu)造為強風化泥巖等,平緩路段上發(fā)育大量的粉砂層。
在項目建設(shè)的過程中,按照該文設(shè)計的方法對砂層中的工程樁進行施工,早期施工中極易發(fā)生的塌孔、夾砂、斷樁、鋼筋籠插不進樁孔和混凝土不能連續(xù)澆筑等工程質(zhì)量事故發(fā)生率都不超過10%,而同類地質(zhì)條件下樁體施工中出現(xiàn)的不良工程樁施工事故發(fā)生率在30%以上,由此說明,按照該文提出的方法施工,可以避免施工中鋼筋籠被埋和重新灌注等事故所造成的經(jīng)濟損失,經(jīng)過技術(shù)人員估算,與傳統(tǒng)工法相比,按照該文設(shè)計的工法,可以避免超過300萬元的直接經(jīng)濟損失,為工程項目施工方節(jié)約大量的成本。
通過上述研究,得到以下結(jié)論:根據(jù)表3樁基礎(chǔ)最大承載力(極限承載力)試驗結(jié)果可知,所選的試驗樁標號#1~#10,試驗后對應的最大承載力(極限承載力)均符合>1000kN的標準,說明設(shè)計的施工技術(shù)方案在實際應用中綜合效果較好,樁基礎(chǔ)施工可以按照標準達到預期的工程效果。因此,可以在后續(xù)施工中,結(jié)合工程項目施工的具體需求,在試點工程項目中推廣與使用該方法,為建筑工程中樁基礎(chǔ)施工提供全面的技術(shù)指導與幫助。