冲孔灌注桩的施工及质量控制

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  【摘 要】 本文从施工质量控制的角度,较为详尽的阐述了冲击钻孔灌注桩的施工技术及质量控制的要点,并对现阶段桩基质量评定中存在的问题提出了个人意见。
  【关键词】 冲击钻孔灌注桩;施工;质量;控制;评定
  一、引言
  随着我国基础设施建设的飞速发展,作为基础承力普遍采用的一种形式——灌注桩,在现阶段的施工中得到了广泛应用。冲击钻成孔灌注桩由于施工所需的设备构造简单、操作方便、受施工场地限制较小、噪音和振动较小等优点在设计和施工过程中被广泛的采用。但在施工过程中因工艺落后、地下施工,地质情况不明确等原因仍存在较多问题,本文着重从工程实践的角度,对冲击钻成孔灌注桩的主要问题进行探讨。
  二、冲击钻成孔灌注桩的施工
  按照国家现行有关规范冲击钻孔桩的施工并不存在什么困难,然而施工质量却常常达不到要求,如施工单位在施工中能对最薄弱的环节给予关注和控制,就能收到事半功倍的效果。下面对钻孔灌注桩施工过程中的每一个质量控制要点作一剖析。
  (一)平整施工场地
  在正式開工前认真平整施工场地,做到“三通一平”为桩基施工创造有利条件。
  (二)施工放样
  按照设计文件要求计算出要施工桩位具体坐标(注意自检和互检),采用全站仪在实地精确放样出施工桩位中心点(先打木桩,然后在木桩上钉钉子),并采用钢尺量距的方法,对桩的排间距和桩间距进行常规检验,再检验无误后做好护桩。施工放样工作是质量控制的第一步也是关键一步,由于施工放样错误造成返工的现象在施工中也时有发生。
  (三)埋设护筒和钻机就位
  为了保证冲击钻孔桩成孔质量,必须埋设4-8mm厚、高1-1.5m且孔径大于桩径20mm的圆形钢板护筒,作为控制钻头方向和保证护壁稳定的有力措施。为了能够快速、稳定进入冲孔工作和保证成孔桩位精度,埋设护筒前一般先采用人工挖孔的方式,挖深1m左右埋设护筒(预留部分高度防止孔口散土落入孔内和排浆孔外劣质泥浆倒流)。为了真正起到导向作用护筒必须埋设平稳,如果出现倾斜现象必须立即调整。护筒埋设完毕后,调整钻机位置,保证钻头自由下落时对准护筒中心,调整完毕后必须设法固定钻机在冲孔过程中保持稳定。
  (四)冲击造孔
  1.冲程控制
  一般开孔时,应低锤密击,如表土为淤泥、细砂等软弱土层,可加粘土块夹小片石反复冲击造壁,孔内泥浆面应保持稳定。正常施工时为了保证成孔质量一般要求:护筒刃脚以下2m以内,应采用1m左右小冲程施工;粘性土层,应采用1-2m中、小冲程施工;粉砂或中粗砂层,一般采用2-3m中冲程施工;砂卵石层,常采用2-4m中、高冲程施工;在软弱土层或塌孔回填重钻时,一般采用小冲程反复冲击。
  施工间歇过程中,为了防止孔壁坍塌造成卡钻,应将钻头提出孔外,提钻时应先缓慢提起数米,如果未遇阻力,再按正常速度提升。下钻时应注意先将钻头垂直调稳后,再导正下入孔内,进入孔内后严禁高速将钻头放下。
  2.孔的垂直度控制
  钻孔灌注桩的垂直度是保证承载能力的重要一环,斜率超标,桩的受力状态将被改变,桩头偏位,影响上部结构质量,严重影响钢筋笼的安置;在砂土类地层中容易造成孔壁塌孔,沉渣难以清除等质量问题。
  为避免钻孔倾斜,在钻机就位时和钻孔过程中,要随时注意校核钻锤吊线的垂直度,发现倾斜及时纠正。处理大孤石和坚硬岩石,宜采用高低冲程交替冲击将大孤石击碎或挤入孔壁。终孔后再发现孔斜纠正起来费时费力,且修孔常使桩的充盈系数增大。
  3.孔深控制和检验
  在恶性工程事故的桩基工程中,孔深不到位的例子很多,对于孔深的量测应是检测工作的重点,实际操作中应注意的问题有:
  (l)测量有误达不到设计深度。一般施工队常用的测绳一经水泡就会出现收缩现象,更大的测量误差是由于测绳易断引起的,断了以后不知道的人仍以断处为起点继续使用,往往可差数米。彻底避免误测的办法是在施工现场或附近地面上设置长度标记作为准绳,每次终孔一定把测绳拿去核实。
  (2)钻孔入岩深度达不到设计要求,更多的是由于地层分布不均匀,如岩层分布成倾斜状或起伏变化剧烈导致判断失误。因此入岩深度的控制应引起设计、施工和质检部门的共同重视。冲击钻成孔的桩,一般采用岩样鉴别法即在冲孔过程中随时注意地下岩样变化。
  4.孔径控制和检验
  在湖、塘、沟、谷与河漫滩地段新近沉积的粘性土和粉士中钻孔容易出现缩孔现象。尤其要重视液性指数IL>0.75呈软塑状态和流塑状态的粘性土而在IL>1.0呈流塑状态的淤泥质软土层成孔缩孔现象更不可避免。与孔径有关的质量问题有:
  (l)由于孔径小于规范要求,桩的截面缩小,承载能力降低,实际上降低了桩的安全系数。
  (2)软弱土层一般都在地层上部,缩颈现象也发生在此段,而桩的内力也是上段大,容易造成桩身抗压强度不够而破坏。
  (3)由于孔径达不到要求,导致钢筋笼无保护层,桩的抗压弯能力削弱或丧失。防治的主要措施是加强对孔径的检测与控制,提高泥浆质量,增大泥浆比重和粘性及稠度。钻头直径应适当加大,在易于产生缩孔的土层中施工,减少空孔时间也是非常有效的措施。
  5.泥浆比重控制
  在钻孔灌注桩的施工中,无论对于成孔质量还是最终对桩的承载能力的发挥,泥浆的质量都是相当重要的因素。目前桩基施工队伍绝大多数缺乏对泥浆质量和泥浆管理的重视,泥浆质量差,其后果是:
  (1)形成不了护壁泥膜或形成的泥皮粘附力差,易于脱落,导致孔壁稳定性差,在砂性土地层易于塌壁,在流塑状粘土层则易于缩孔。
  (2)泥浆稠度大、比重大,含砂率高,形成的泥皮质量差、厚度大,大大降低桩的侧摩阻力。
  (3)稠浆在钢筋笼钢筋上沉积粘附,导数钢筋与砼握裹力降低。泥浆比重过大,使得砼水下灌注阻力增大,降低砼的流动半径,使砼骨料大部分堆积在桩芯部位,而钢筋笼外几乎无骨料,不仅桩身质量不好而且桩的侧摩阻力也难以发挥。因此,对于泥浆的质量一定要按规范要求严格控制。   6.沉淤控制与沉渣清除
  一般把沉渣与沉淤混为一谈,凡是孔底的沉积物统称沉渣,实际上是有区别的。沉渣是钻孔过程中钻机切削和孔壁塌落的岩士,主要是砂、砾石和碎岩硝等,而沉淤则是比重大、稠度大的劣质泥浆由于空孔时间过长沉淀而成的流塑状混合物,沉淤的厚度往往大于沉渣,沉渣与沉淤均在桩底形成软弱隔层,能导致端承力丧失殆尽。沉淤的控制主要是提高泥浆质量和减少空孔时间。沉渣的清除可采用抽渣筒或泥浆循环清孔的工艺每1-3m抽渣一次。采用任何方法,关键是控制好孔内泥浆面的落降,落降快、落差大则易塌孔,因此补浆要跟上,而且抽渣时间要短。
  砼灌注前的清孔,一方面能够抽出一定的沉渣,另一方面由于泥浆的抽吸作用导致一部分沉渣、沉淤上浮,而且短时间内不会沉淀。此时灌注砼,砼坠落的巨大冲击力还能溅除最后残余的部分沉渣与沉淤,可基本上将孔底沉渣清除干净。
  (五)吊放钢筋笼
  清孔完毕检验桩底沉渣厚度合格后,应立即吊放安置钢筋笼,放置过程中注意避免碰撞到护壁且保证钢筋笼位于护筒中间,并将钢筋笼固定在护筒上,防止浇注过程中出现钢筋笼上浮或下沉。
  (六)砼灌注
  砼灌注是最后一道也是最关键的一道工序。首先必须严格按设计强度配制砼,其次要注意灌注前检测砼的塌落度和和易性。
  在保证砼质量合格的前提下,目前国内施工中常采用导管法水下灌注砼,其质量难以控制的主要原因有:1)无法像其他上部结构砼施工那样逐层振捣;2)由于导管埋在泥浆和砼中,砼的灌入阻力是相当大的,灌入阻力可按下式估算:
  R=π(D2—d2)(l1rw+l2rh)/4(l)
  式中,D为桩直径;d为导管直径;rw为泥浆重度;rh为砼重度;
  要克服灌入阻力保证砼桩身质量,首斗砼必须有相当大的冲击力,冲击力越大,完成每一斗砼灌注的时间越短,砼桩身越均匀。由于砼是由水泥、砂、石子配制的混合料,不同材料、不同粒径则摩擦系数不一样,因此仅靠静力平衡产生的超压力缓慢流淌,则易造成砼粗骨料在桩芯堆积,随半径增大而递减。桩身不匀,影响桩的抗压强度。
  目前水下砼灌注法存在通病是:
  (l)导管距离桩底太高,形成桩底淤泥不能完全被首斗砼完全冲破和砼对导管埋深不够,影响桩基承载力和其他功能降低。
  (2)在向料斗投料过程中,砼的绝大多数势能在撞击大斗壁的碰撞中损耗掉,砼料落人导管中不连续,形不成较大的冲击能量,使砼没有足够的力量向四周挤压、扩散,容易造成桩身不均匀和桩的摩阻力降低。
  (3)砼料绝大多数要经过反弹再落入导管,容易造成砼离析和堵管。
  (4)吊臂上下移动速度慢,产生不了大的加速度,因此砼料的下落没有足够的超压,造成砼料在导管附近堆积成钟形断面。由于不能将隔浆层水平顶升,在钟形断面塌落时容易裹入泥浆,造成夹泥芯。
  (5)由于导管上下移动过于频繁,导致泥浆不断沿导管壁渗入砼中,影响桩身砼质量。
  (6)由于导管提升速度过快、高度过大,导致在桩基中形成断层和沟槽。
  鉴于以上缺点,施工中应倡导使用大体积砼冲击灌注法,比如像在初斗砼灌注一样,每一斗灌注都是将2至3方砼在大斗中积蓄够量,出料口直接插入导管,然后打开活门一次连续冲击下去,其优点是:
  (l)动能大,冲击力强。物体的冲击能量与质量和速度有关,在速度相同的情况下就取决于质量。
  (2)首斗砼灌注冲力大,沉渣、沉淤被冲开,桩端与持力层能较好地结合,确保桩端承力的发挥。
  (3)灌注时间短,桩身段骨料分布均匀,桩身段强度能得到保证。但用大体积砼冲击灌入法也要特别注意以下几个方面:
  (l)排气技术,防止形成气堵,使砼料灌不下去。
  (2)砼要有较好的和易性,避免发生出料困难,导致导管堵塞。
  (3)砼灌注时,吊车司机要注意听从现场技术人员指挥,当砼料下落时,必须随砼料的下落適当的向上缓慢提动导管。
  (4)当砼灌注到桩顶部位时,为了保持足够的冲力,必须注意导管要留有一定的长度,灌注时及时上拨,保证高度产生冲力,使桩头部分的砼坚实无松散现象。此外,导管在灌注使用前要用清水和沙浆进行必要的冲洗,减少堵管的发生率;同时最后量测已浇注混凝土标高时,一定要高于设计桩顶标高(即充盈系数大于1)50cm左右,保证桩头混凝土质量和桩的有效长度。
  (七)成品保护
  (l)对于中心距离小于3.5倍桩径的群桩基础,采用套管法成孔时,应采用间隔施工,避免影响已灌注砼的邻桩质量。
  (2)凿除高出设计标高的桩顶混凝土时,必须自上而下施工,不能横击,以免桩受水平力冲击遭到破坏。
  三、桩基质量评定
  由于桩基属于隐蔽工程,混凝土试件的抗压强度并不能完全说明桩基本身的质量和是否满足设计对受力等方面的特殊要求,所以工程桩一般要通过单桩承载力和桩身完整性抽样检查,来综合评定桩基质量。在我国常用的检测方法有:单桩竖向抗压静载试验、单桩竖向抗拔静载试验、单桩水平静载试验、高应变法、钻芯法、低应变法和声波透射法共七种方法;前四种方法常用来判断桩基是否满足受力方面的要求,后三种方法常用来判断桩身完整性。当设计对桩承载力没有特别要求或需要研究桩基本身质量时,一般采用钻芯法、声波透射法和低应变法等对桩身完整性进行检查,综合评定桩基质量。除钻芯法外其余六种方法规范和设计要求比较具体和详细,一般专业鉴定机构采用专用仪器设备测试后的检测结果比较客观,容易被人接收;同时由于完全采用仪器观测,我们能够看到的只是信号信息,无法直接看到像其他混凝土工程那样直观的施工质量问题。钻芯法一般采用钻具钻取桩基芯样,通过对芯样连续性、完整性、胶结情况、断口吻合程度以及混凝土的气孔、蜂窝麻面、沟槽、夹泥和试件强度等情况的分析,综合判断桩身完整性;但是由于客观判断因素相对直观和简单,除Ⅰ类桩外最终评定结果受主观因素影响较多,造成检测人员难下定论。
  由于技术上的原因各种检测方法都有一定的适用范围,在判断桩基质量时在某些方面缺乏统一指标(每种方法侧重均不同),所以单独采用一种不能覆盖各个标准和满足桩基设计综合要求,多种方法并用又容易导致主次难分,各方(施工、监理、质检、业主等)分歧较大。为了正确评价桩基质量和查找原因提高施工质量,建议桩基质量评定时多种方法并用,同时加大客观方法评判力度,减少钻芯法对桩基总体质量的评判力度;将钻芯法作为对其他方法的补充,减少主观因素造成的分歧,尊重专业检测机构的鉴定成果。将钻芯法的重点放在查找施工质量原因,提高桩基施工水平上。
  四、结束语
  综上所述,为了不断提高建设工程钻孔灌注桩的质量,应从以下几个方面进行严格控制并不断进行研究、改进和提高:
  (l)对钻孔设备钻头的切削性能、泥浆的处理设备等与施工效率和质量有关的机具、仪器等都应进行检查。
  (2)不同的施工方法其效率和质量有很大差异,应从施工方法着手进行预先控制。
  (3)认真研究质量检测设备的准确性和可靠性,如大小应变动测的适用范围等。检测结果不准确易引起纠纷,处理不当会降低安全度,留下工程隐患。
  (4)提高和完善管理水平,应以工序控制和事前控制为主,建立系统化的科学管理制度和方法。
  (5)桩的施工过程中要做到严格检查,把质量隐患消除在萌芽中。
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