李 斌

(四川经纬天成建筑工程有限公司,四川 绵阳 621000)

0 引 言

桩基础属于传统且应用广泛的深基础形式,对各种复杂地质条件和各类荷载情况均普遍适用,尤其在软弱地基加固方面应用较广泛。当前,国内学者对钻孔灌注桩承载力性状和荷载传递机制展开大量研究,也取得了丰硕的成果。基于此,文章依托已有的理论成果及实践经验,对某水库大坝除险加固中混凝土灌注桩的应用展开分析探讨,以期为该水库堤坝稳定提供借鉴思路。

1 工程概况

某水库大坝长650m,坝顶高183.41m,迎水坡和背水坡坡比分别为1∶2.63和1∶2.45;副坝长43m,坝顶高120.34m,设置于溢洪道侧。该水库大坝建成于2001年,运行至今未实施大规模加固,为确保大坝运行的安全与稳定,水库管理部门决定对其展开坝体加高、加固等处治,其中主坝、副坝、溢洪道分别加高1.3m、0.6m和1.1m,此举还会使水库库容增大63.21×104m3。该水库待加固大坝土层物理力学参数取值情况见表1。

表1 各土层物理力学参数取值

2 原材料及混凝土配合比

2.1 原材料

2.1.1 粗集料

根据质量指标,可将水库除险加固所用粗集料分成Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级,其有害物质含量见表2。表中有害物质含量通过比色法测定,确保有害物质含量均达到合格水平。根据试验结果,Ⅰ级粗集料中应不含泥块,含泥量和硫酸盐含量均应控制在整体质量的0.5%以下;Ⅱ级和Ⅲ级粗集料中硫化物含量均应控制在整体质量的0.5%～1.0%之间。

表2 粗集料内有害物质含量

粗集料性能检测时,应综合应用压碎、筛分等技术。在C60及以上混凝土中掺加Ⅰ级粗集料,在C30～C60等级混凝土中掺加Ⅱ级粗集料,在C30及以下混凝土中掺加Ⅲ级粗集料。

2.1.2 细集料

细集料经过筛分后粒径位于4.75mm以下,硬质洁净且干燥。根据粒度,可分成粗砂、中砂、细砂三个等级,对应的细度模数分别为1.6～2.1、2.3～3.0、3.1～3.7,有害物质含量检测结果见表3。不同等级的集料必须应用在相应等级混凝土材料中,此外,粗砂、中砂、细砂等集料依次适用于强度C60以上、强度C30-C60、强度C30以下的混凝土材料。

表3 细集料有害物质检测结果

2.1.3 胶凝材料和外加剂

待混凝土成浆后,胶凝材料可以直接硬化,增强混凝土结构强度,期间必须确保其颗粒细腻度,干缩性也应符合《水工混凝土配合比设计规程》[1]。外加剂主要为减水剂,能减低水胶比并增大混凝土强度。该水库除险加固工程中,按照混凝土整体质量的1.0%掺加减水剂,从而将混凝土强度提升25%。

2.2 混凝土配合比计算

该水库除险加固工程混凝土强度按qn=qs+1.645×δk确定,其中qn为混凝土实际强度,MPa;qs为混凝土设计强度,MPa;δk为混凝土强度标准差,MPa。

结合该水库除险加固工程实际,应用以上公式可以得出,该工程水泥∶砂∶碎石∶水∶减水剂为356∶712∶1135∶124∶3.9。基于此配合比,可按照±1%的幅度调整碎石比例,以增强混凝土强度。

3 混凝土灌注桩施工要点

3.1 混凝土灌注桩施工参数的确定

3.1.1 桩的尺寸

结合该工程地勘资料所给出的地层结构,主要以⑤粉质黏土充当桩端持力层,为保证结构稳固,还必须展开受力稳定验算。验算结果表明,该结构层粉质黏土材料埋设深度平均达到38.6m,桩端进入持力层的深度达到2.0m及以上,所对应的钻孔灌注桩桩长平均值为40.6m。

3.1.2 设计承载力

沿用《建筑基桩检测技术规范》相关规定,对于桩径在0.8m及以上的钻孔灌注桩结构而言,其单桩极限承载力应当按照标准公式展开量化计算。由此得出该加固工程拟使用的相应直径桩体结构的极限承载力特征值。根据计算结果,相应的钻孔灌注桩应使用C35混凝土,由此所对应的单桩结构承载力达到17.5N/mm2。进一步比照技术规范看出,对于该加固工程而言,依次按照1.0m和1.2m的尺寸设计钻孔灌注桩直径的情况下,结构受力及稳定性均满足设计规范要求,如果将钢筋的加固作用考虑进去,则稳定性将进一步得到增强[2-4]。

该水库除险加固过程中,所设定的钻孔灌注桩施工流程见图1,文章仅对施工平台、钻孔、钢筋笼、混凝土浇筑等技术要点展开分析。

①埋设护筒;②钻孔及泥浆循环;③成孔清孔;④吊放钢筋;⑤钢筋就位;⑥下放混凝土导管,二次清孔;⑦安放排水栓并浇筑第一斗混凝土;⑧控制导管埋深;⑨边浇筑混凝土边拔管;⑩完成图1 钻孔灌注桩施工流程

3.2 施工平台

彻底清扫施工现场,处理堤坝平台上不平整区域,并使用全站仪在场地内测量放样,并按要求埋设钢护筒,以增大黏土储存量,为造浆提供材料。施工平台必须足够稳定,不得出现钻机工作期间晃动等情形。

3.3 钻孔

钻孔期间应及时清理桩底,在使用塑性指数较高的泥浆时必须按设计要求掺加黏合剂,提升泥浆黏性。因施工期间环境温度较高,水分蒸发大,故泥浆性能也存在较大变化,必须在每日早晚各检测1次泥浆指数,避免其性能与初配性能发生较大偏差,影响加固效果。待结束钻孔施工后,还应对孔位、孔深、桩径、垂直系数等展开一次全面检测,将桩径偏差及孔洞位置均控制在50mm以内,垂直系数偏差≥1%,孔深偏差<500mm。此后通过清理设备全面清理孔洞内泥浆,并待浆液比重达到1.03～1.06时,结束泥浆清理。

3.4 钢筋笼

严格按照设计要求制作钢筋笼,内径应超出外径接头至少100mm,主钢筋和钢筋骨架外径的间距偏差不得超出10mm;螺旋筋和加强筋间距均应控制在20mm以内。钢筋笼等结构的吊装全部借助吊车展开,在施吊过程中加强笼体结构相关施工参数取值情况的实时监测,同时防止笼体触碰灌注桩。此后应当立即安排混凝土浇筑施工活动展开,防止因时间间隔过长而引发笼体歪斜以及孔壁坍塌[5-7]。

3.5 混凝土浇筑施工

该加固工程钻孔灌注桩体混凝土浇筑借助导管展开,并以导管为灌注过程的引导;此外,施浇混凝土之前必须再次检查孔壁稳固性和垂直度以及桩底沉渣厚度,对于以上施工参数均不符合要求的情形,必须采取相应措施加固孔壁,并二次清孔。浇筑封底时会将沉渣冲开,故应提前确定封底混凝土体积。

4 桩体竖向承载力特性试验

4.1 试验方法

以堆重平台为主要的加载施工设备,同时将相应数量的千斤顶和承压板结构提前设置在桩顶,并按照要求组装成反力架结构;在此基础上布设相应数量的主梁及次梁,组装为反力梁。安装稳固后,按照《建筑基桩检测技术规范》流程展开加载,具体而言,主要通过以上反力系统向待检测结构施以静力荷载,直到待检测桩体结构表现出破坏。以上加载过程中,各阶段的试验参数取值情况均借助分辨率为0.01mm的XP99C振弦式应变计展开量测与记录;在桩顶200mm以下设置桩顶沉降观测平台。

试桩试验于混凝土灌注桩施工完成后展开,按照《建筑基桩检测技术规范》要求进行慢速维持荷载试验。为测定桩体质量,对现场9根试桩展开低应变和超声波检测,结果显示,所检测试桩桩径均为1.2m,桩长有69.2m和69.5m两种,完整性等级均为Ⅰ级。

4.2 静载荷试验结果

试桩加载值最大为22000kN,最小为12000kN,桩顶沉降位于68～85mm之间。按照《建筑基桩检测技术规范》,当桩顶总沉降量达到60～80mm之间时,可结束加载过程。根据情况,试验中以沉降量为60mm的荷载为灌注桩极限承载力。

4.2.1 荷载-沉降规律

通过静荷载试验中荷载-沉降规律曲线线形变化,宏观体现灌注桩桩身材料、桩周土破坏程度及破坏模式。根据该曲线的变化趋势,混凝土灌注桩荷载-沉降规律曲线呈缓降变化趋势,无明显拐点;在荷载量较小时,曲线基本呈线性变化;随着荷载的增大,曲线降速增大,逐渐过渡至非线性趋势。

各试桩的荷载和最大沉降量测试结果见表4,由表可知,试桩最大沉降为87.54mm,回弹率最大值为13.58%,回弹率均较小,意味着桩土体系已经超出弹性工作状态,并进入破坏状态。根据设计要求,整个堤坝单桩承载力特征值应不低于8100kN,混凝土灌注桩承载力全部满足。

表4 试桩的荷载和最大沉降量测试结果

4.2.2 桩身轴力

使用提前在桩身埋置的钢筋应力计测量桩身应变,根据各钢筋应力计在不同荷载等级下的频率值,推算桩身应力和断面应变。考虑到试验数据较多,限于篇幅,此处仅罗列GZ-01混凝土灌注桩轴力曲线图见图2。

图2 各级荷载下GZ-01桩桩身轴力分布曲线

根据图中结果,当荷载为22000kN时,混凝土灌注桩桩端承载力仅为1036kN,在总承载力中的占比仅为4.7%;桩顶荷载几乎全部被桩侧摩阻力承担,故该桩属于摩擦桩[8-10]。

4.2.3 桩侧阻力

混凝土灌注桩桩顶荷载在向相应方向传递的过程中,相邻结构土层侧摩阻力的释放并非同步,通常情况下,位于上部的结构土层所具备的侧摩阻力比较靠前得到释放,而位于下部结构中的土层则滞后释放;对于具体土层而言,其释放侧阻力过层的速度也不尽一致,释放速度峰值表现出减缓趋势。随着试验过程的持续进行以及荷载值的不断增大,位于上部结构中的土层侧摩阻力释放过程率先结束,此时位于下部土层中的侧摩阻力才开始释放[11-12]。在以上试验过程中施加极限荷载后不同土层侧摩阻力实测值与设计值的对比情况见表5。

表5 GZ-01桩实测侧摩阻力值与勘察报告推荐值的比较(最大荷载22000kN)

根据所得到的测值结果,实测值明显偏高,并整体呈递减趋势。通过分析原因不难看出,影响混凝土灌注桩成桩质量的因素多而复杂,不确定性较大。

5 结 论

综上所述,文章对混凝土灌注桩在水库除险加固工程中的应用展开分析,并对试桩静载荷试验结果展开分析,因原材料及施工方案切实合理,施工过程控制有效,故试桩荷载-沉降曲线无显著破坏点,荷载传递过程表现出明显的摩擦桩特性;各土层侧阻力的发挥并不同步,上、下土层侧阻力先、后发挥至极限。试桩静载荷试验结果表明,该设计方案合理有效,可在类似水利工程中借鉴应用。