湿陷性黄土厚回填区内长钻孔灌注桩施工研究

2022-09-05连明

河南科技 2022年16期

连明

（甘肃第六建设集团股份有限公司，甘肃兰州 730000）

0 引言

灌注桩基础在湿陷性黄土地区的应用相对比较成熟，但对厚填方湿陷性黄土区使用的研究则相对较少，结合施工场地地质情况，在厚填方湿陷性黄土地区采用机械成孔灌注桩施工大直径、超长桩灌注桩成为首选。同时，为保证厚填方湿陷性黄土地区的成桩质量，须对厚填方区域地基进行处理，然后进行桩基施工。该场区采用SDDC 素土挤密桩对地基进行处理，可有效提高泥浆护壁成孔灌注桩的成孔率，提高成桩的施工质量。因此，研究采用孔内深层强夯法进行超厚地基处理后的桩基础施工非常有必要，研究成果对高填方超厚度湿陷性黄土地区的工程建设有着重要的现实意义。

1 拟建场地地质状况

本场地地貌单元属典型的黄土堆积和侵蚀作用形成的黄土丘陵、梁峁地貌。原地貌已破坏，现为人工回填整平场地，场地地形南高北低，地形较平坦，地面高程为1 918.15～1 924.57 m，高差约6.40 m。场地内分布的填土较厚，最大厚度约为28.00 m，黄土状粉土层底埋深最大约为38.70 m。场地内上部覆盖层主要由第四系全新统填土、黄土状粉土（含水量较大），下卧层为第三系（N）泥岩层。土层对建筑物的地基处理很不利，不能保证持力层的承载力。

2 桩基类型选择

根据场地现有地质状况，结合同类工程的施工经验，并通过试验桩的方法对桩基的类型进行选择，主要考虑桩基的承载力能够满足工程实际需要，选用桩的形式为摩擦承载桩。桩径为8 000～1 000 mm，桩长为55～65 m，确定桩的类型后进行试桩施工，并检测承载力，最后确定对桩进行二次注浆，注浆量约为2.2～2.6 t。

3 桩基工程施工难点

根据施工场区的地质特点及建筑物特性，拟选择超长的大直径钢筋混凝土灌注桩作为建筑物的基础桩，该类型的桩施工难点有以下4 个方面。第一，成孔难度大，主要表现为桩径大且桩长较大，对钻机的型号、钻杆的刚度要求较高；对成孔工艺要谨慎选择；防斜保直、清孔难度大。第二，混凝土灌注难度大，主要表现为导管长且水压力大，对导管的强度和密封性能要求高；对混凝土质量要求高，流动性较好，初凝时间较长。第三，在钻进成孔过程中，为了稳定孔内水位，防止塌孔、缩孔、便于挟带钻渣，采用高塑性黏土或膨润土制备泥浆进行护壁。第四，根据桩基形式结合场地的地质状况，对桩进行二次注浆，提高桩的承载力，因桩长较大，二次注浆施工难度较大。

4 主要施工技术及控制点

4.1 孔内深层SDDC素土挤密桩地基处理

本次研究场地属典型的黄土堆积和侵蚀作用形成的黄土丘陵、梁峁地貌，原地貌已破坏，现为人工回填整平场地，沉降固结未完成。地面下29.00～38.70 m 存在湿且饱和的黄土状粉土，该层层底埋深最大约64.00 m ，无地下水，但钻进时缩孔、塌孔严重，钻孔、成孔作业困难，所以先对原始场地采用孔内深层强夯法SDDC 素土挤密桩工艺进行预处理（有效处理深度约29 m），使钻孔周围土体消除湿陷性，具有较好的密实度，以提高基坑开挖与支护、工程桩成孔成桩的成功率。

4.2 定轴线桩位、验线

依据设计图纸及建筑红线要求，采用全站仪+钢卷尺进行放线定位。对轴线控制点埋设标志，且四周用混凝土固化30 cm深。对桩位采用钉短钢筋及白灰作为标志，深度不小于300 mm，经复核位置准确符合设计及规范要求后可进行钻孔作业。具体操作如图1所示。

图1 轴线及桩位的定位

4.3 护筒的制作与安装

4.3.1 护筒制作。护筒采用钢质护筒，用长1.5 m、厚5 mm 的钢板制作，钢板接头采用焊接方法连接，焊接缝应饱满密实、无夹渣、咬边等，制作时钢护筒的内径比桩径大200 mm。利用黏土对孔壁与护筒间的缝隙进行填实，避免出现漏水情况［1］。

4.3.2 埋设孔口护筒。桩位放样后，将钻机行驶到要施工的桩位，先用适应尺寸的钻头钻进，然后用旋挖钻机的副卷扬吊起护筒，平稳地放入孔中，人工对准护筒中心和桩位十字线的交叉点重合，同时调整护筒的垂直度，使护筒的中心竖直线与桩中心线重合，倾斜度不大于1%。测量护筒顶高程，根据桩顶设计标高，计算桩孔需挖的深度。护筒准确就位后继续钻进并用钻头下压，直至将护筒埋至所需深度。孔口护筒比桩径大200 mm，以便钻头在孔内自由上下升降。护筒高出地面约200～300 mm，以防止杂物、地表水流入孔内，同时为防止地表水渗透引起塌孔。符合要求后在护筒周围对称填土，对称夯实。四周夯填完成后，再次检测护筒的中心位置和竖直度。具体如图2所示。

图2 护筒的安装

4.4 制备泥浆与施工

泥浆护壁的作用是保持孔壁稳定，利用其黏度将钻屑悬浮物排除，起到排渣作用［2］，采用黏土或膨胀土加水调制成的泥浆，可以起到保护孔壁的作用。利用泥浆池准备泥浆，要求泥浆的量为单根桩体积的2 倍。钻进成孔过程中，为了稳定孔内水位，防止塌孔、缩孔、便于挟带钻渣，采用高塑性黏土制备泥浆进行护壁。泥浆池尺寸要满足施工需要，位置应相对固定且不影响交通。泥浆池应有可靠的防渗漏措施，且周边有安全防护措施。泥浆用泥浆泵冲调拌制，并用Ф100 mm 泥浆泵从泥浆池中抽至桩孔内，并随钻进增补，确保孔内泥浆液面始终不低于护筒顶面1 m，防止液面降低水压不足造成塌孔。高塑性黏土为泥浆的主要材料。在钻进过程中每台旋挖钻机安排1 名技术工人配合增补泥浆，并检查和调整泥浆稠度、比重等性能指标。

4.5 钻进成孔

依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）规定［3］，施工前应严格控制桩的长度及直径。

研究项目土层复杂且填土较厚，平均成桩深度为54 m、桩径为900 mm，机械旋挖泥浆护壁成孔，旋挖桩采用特制泥浆护壁—钻斗取土钻进，采用正循环钻孔、慢速持续钻进施工。旋挖钻机缓慢移至钻孔作业面调整钻机，使桩孔处于钻机的工作范围之内。同时对钻机四周有效范围进行清理，保证钻孔过程中卸渣合理、操作方便并无碰挂现象。钻机对中前，复核十字护桩中心挂线，满足规范要求后，对钻机进行调整，使钻杆、钻头的中心与桩位中心点对准，并用垂线复核。开孔时下钻速度应缓慢；钻进过程中，不宜反转或提升钻杆。

为了确保钻孔的成孔质量，成孔钻进时，根据实际情况不同土层选择不同钻速，控制进尺速度。钻进过程中，钻机操作人员应随时观察钻机垂直度控制系统，定期校核钻机垂直度，调整和控制好钻杆垂直度。

成孔过程中及时填写成孔记录，在土层变化处捞取渣样，判明土层，并与地质剖面图核对，达到设计持力层时，及时取样鉴定并留样编号，直至满足桩端进入泥岩层深度不小于4.0 m的设计要求。

4.6 清孔及验收

在成孔之后吊装钢筋笼之前进行清孔，采用钻机放慢钻速，利用双底捞渣钻头捞沉渣的方式进行。清孔结束后3～5 min，下放钢筋笼前，用标准测绳测量沉渣厚度，符合设计要求后立即进行钢筋笼安装。在清孔后，孔内的泥浆相对密度小于1.25 g/cm³、含砂率不得大于8%、黏度不得大于28 s。根据以上工艺施工，对三区段成孔质量进行抽样验收，具体数据如表1所示。

表1 三区段成孔质量抽样结果

4.7 钢筋笼、注浆管的制作与安装

4.7.1 钢筋笼制作与吊装。

①根据设计图纸，合理分段制作钢筋笼，按9 m制成标节，按1 m、2 m 等尺寸制作非标节。标节主筋采用单面焊接长，接头间距大于1 m。钢筋笼的焊接和绑扎质量以保证笼体在吊装时不变形为宜，钢筋笼经验收合格后方可吊装。

②钢筋笼长54 m，接长在孔口进行，将需要接长的钢筋笼第一节用吊车吊装在桩孔内固定，将第二节钢筋笼用吊车吊起，吊起后在井口设置工字钢横担，保证连接焊接质量及笼子的垂直度。钢筋笼入孔时应对准孔位慢慢入孔，钢筋笼入孔后应徐徐下放，不得左右转动，严禁高起猛落强行下放，防止钢筋笼触碰孔壁，钢筋笼放到设计位置时，应立即固定。

4.7.2 注浆管制作与埋设。注浆管采用两根Ф40×3 mm 钢管，注浆管进入桩底土体10～20 cm，上部高出地面20 cm，各段之间采用焊接连接，焊接密封良好。注浆管底部采用止回阀封死，底部10～20 cm 范围内梅花形布置直径8 mm 钻孔12 个左右，外用多层防水胶带密封。注浆管上端套外丝与预留外管对接，并用堵头堵死；安放之前，清除管内杂物，防止堵塞注浆管。注浆管安放时将2根钢管对称布置在钢筋笼两边内侧，并用铁丝固定，随钢筋笼同步安放，注浆管底必须下到桩底。注浆管下端要比钢筋笼低10～20 cm，注浆管上端高出地面20 cm。

4.8 桩基混凝土灌注

由于桩超长，所以桩的成孔至混凝土灌注时间间隔应经计算并严格控制，成孔后必须及时浇筑，其中提钻、吊放钢筋笼、下导管、清孔等时间间隔不得长于5 h［4］。

混凝土灌注采用导管法，采用Φ250 mm 丝扣式导管，导管应内壁光滑，连接紧密顺直，使用前应进行水密承压试验。导管下放前应在地面检查其连接的密封性，进行试装、试压，试水压力为0.6～1.0 MPa。根据导管长度按孔深和工作平台高度决定导管长度，最后漏斗安装在导管顶端。导管在下放过程中，严禁碰撞钢筋笼，导管下口距孔底的高度为300～500 mm。

停止清孔后，应立即浇筑混凝土，混凝土用量一次备足，导管埋入混凝土中的深度不小于1 m，使导管内混凝土与管外泥浆压力平衡，初灌量应不小于1.0 m³。混凝土灌注过程中导管应始终埋入混凝土内，宜为2～6 m，且应提高灌注速度，导管应勤提勤拔，并经常检测混凝土面上升情况，灌注时间应确保混凝土不初凝。

首批混凝土灌注时，在漏斗底口处设置隔离板，待混凝土将漏斗填充满时，拔除隔离板使混凝土经导管进入桩孔内。混凝土下落时有一定的冲击能量，能把导管下口埋入混凝土中。灌注混凝土的数量应满足导管初次埋置深度和填充导管底部间隙的需要，确保封底一次成功。

混凝土灌注必须连续进行，中间不得间断，提升导管时，导管位于钢筋笼中心，应慢速均匀提升［5］。灌注接近桩顶时，控制最后一次灌注量，使桩顶标高至少比设计桩顶标高高出1 m，并用测杆检查桩顶标高，直到满足要求，要求充盈系数必须满足规范要求，经检验合格后方可结束灌注。护筒可在灌注完毕后拔出。

4.9 后注浆施工

注浆用水泥选用32.5级复合硅酸盐水泥，水灰比控制在0.55～0.60，流速控制在30～40 L/min 以内，每根桩必须一次注浆完成，两根注浆管注浆时间间隔不得超过12 h。注浆顺序为：对同一承台或附近的桩同时注浆，以防注入的水泥浆包围邻桩而使邻桩不可注。

桩端注浆管沿钢筋笼内侧对称布设，注浆管与钢筋笼加强筋绑扎连接，导管端部设置注浆阀，注浆管底部长出设计桩底端20～50 cm，注浆管顶部高出地面30 cm，以利于注浆施工。注浆前压水试验是桩底注浆的一道重要工序，在桩底注浆前可以疏通注浆通道，将沉渣及泥层中的细粒部分压至加固范围内。桩基后注浆水灰比宜为0.50～0.65，注浆阀应能承受1 MPa 以上静水压力；注浆阀外部保护层应能抵抗砂石等硬质物的刮撞而不致于使注浆阀受损；注浆阀应具备逆止功能；桩端注浆终止压力宜为3～10 MPa；注浆流量不宜超过75 L/min。注浆作业宜于成桩2 d 后开始，不宜迟于成桩30 d后；桩端注浆应对同一根桩的各注浆导管依次实施等量注浆；对于桩群注浆宜先外围、后内部。具体注浆量待试桩完成后，根据试桩结果确定。注浆总量和注浆压力均达到设计要求。

5 实施效果验证

根据设计及相关规范要求，在桩身混凝土强度达到设计要求后，所有工程桩必须采用低应变动测法进行桩身完整性检测，且对不得少于3 根工程桩进行单桩竖向抗压静载试验检测工程桩承载力。经检测，本工程Ⅰ类桩为97%，Ⅱ类桩为3%，单桩承载力为4 800 kN 符合设计要求，桩身垂直度、桩位偏差等均在规范要求范围内。