水下鉆孔樁施工工藝及鋼筋籠上浮機理分析

楊 震

(福建省新力工程監理有限公司，福建 莆田 351200)

1 工程概況

筕頭丘水閘位于泉州市晉江防洪工程(一期)永春達埔巖峰堤段工程左岸堤防樁號YFZ0+653.00處為防洪排澇閘，閘室規模為3孔-5.0m×4.5m(寬×高)，閘室底板頂高程195.50m，閘室長15.0m。主要建筑物有閘室、外引港、內引港及箱涵等。

設計防洪標準為20a一遇，相應P=5%設計洪水位為202.00m(85國家高程基準，下同)，排澇閘建筑物級別為4級，設計抗震烈度為6度。設計內澇最高控制水位為200.00m，水閘過流能力Q=91.1m3/s。

2 地質條件

根據地質勘察報告，閘址地基土層自上而下分布及各土層土物理力學參數見表1。

表1 閘址地基各土層土物理力學參數

從表1可以看出，水閘閘室地基屬軟土地基，其中存在淤泥層、中細砂層。淤泥承載力低，壓縮性高，無法滿足閘室上部結構對地基承載力和變形的要求，閘室軟土地基必須進行加固處理。

3 閘室軟土地基處理方案

工程設計采用鉆孔灌注樁方式進行軟土地基加固，鉆孔灌注樁穿透淤泥層、中細砂層，樁端置于砂卵石層中，作為承載樁，主要承載水閘上部應力和水壓力產生的水平荷載，提高抗滑穩定性。

鉆孔灌注樁混凝土強度等級為C25，樁徑800mm，設計樁長12.5m，間距4 m×4m，正方形布置，共24根，樁端持力層進入砂卵石層1.5 m。

4 鉆孔灌注樁施工

4.1 施工工序

鉆孔灌注樁施工流程為：場地平整、設備就位—泥漿制備—造孔—終孔、清孔—制作并吊放鋼筋籠—灌注混凝土，具體操作流程見圖1。

圖1 鉆孔灌注樁施工流程

4.2 重點工藝

1)泥漿制備：

為保證鉆孔的安全和質量，必須提高泥漿質量。泥漿質量與鉆孔穩定、鉆進速度和質量關系密切。該工程采用原地層+少量黏土造漿。

泥漿生產循環工序見圖2。

圖2 泥漿生產循環工序

2)清孔方法：

采用壓縮空氣換漿法施工；即鉆孔完成后，提出鉆錐，安放鋼筋籠，安置壓縮空氣吸泥機，吸出的泥漿經凈化處理后回流到孔內，直至孔內泥漿達到設計要求為止，然后進行下一工序施工。下入鋼筋籠后，即按要求下入導管，灌注導管直徑230mm，法蘭連接，導管下端口高出孔底30-50cm。下入導管后即啟動泥漿泵向孔內注入較稀泥漿進行二次清孔，直至滿足設計和規范要求。

3)水下混凝土灌注：

清孔驗收合格即進行水下混凝土灌注，混凝土由混凝土拌和車或混凝土泵送至灌注漏斗內，首批混凝土(約2.0m3)；混凝土采用導管頂塞法澆注，見圖3。

圖3 水下混凝土灌注示意圖

5 鋼筋籠上浮機理及控制措施研究

5.1 鋼筋籠上浮機理

在混凝土灌注過程中，可將鋼筋籠受力分為3個階段：①混凝土液面位于鉆孔底部，與鋼筋籠并未接觸；②導管位于鋼筋籠底部、混凝土液面接觸鋼筋籠底部；③導管、混凝土進入鋼筋籠。

階段(1)鋼筋籠上浮分析：該階段見圖4，在灌注混凝土的初期，混凝土位于鉆孔底部，與鋼筋籠并未直接接觸，此時，鋼筋籠所受浮托力主要來自于泥漿，泥漿的浮托力與鋼筋籠自身重力相比，可以忽略。同時，該階段鋼筋籠與混凝土漿液、導管之間無相互作用力[1-3]。按規范要求施工，該階段鋼筋籠即可保證不上浮。

圖4 階段(1)示意圖

階段(2)鋼筋籠上浮分析：該階段見圖5，隨著導管提升，混凝土液面進入鋼筋籠，但導管仍低于鋼筋籠，且與鋼筋籠無接觸，該階段鋼筋籠主要受力為混凝土液作用力、泥漿浮托力以及自身重力。該階段鋼筋籠上浮受混凝土影響較大，隨著混凝土液面的上升，鋼筋籠向上合力逐漸增大。混凝土液在提供鋼筋籠浮托力和側向黏結力的同時對鋼筋籠向上運動也具有摩擦力等阻力。

圖5 階段(2)示意圖

階段(3)鋼筋籠上浮分析：該階段見圖6，在混凝土繼續澆筑過程中，導管也將進入鋼筋籠。該階段鋼筋籠主要受底部混凝土錨固力、混凝土液合力、泥漿浮托力以及自身重力，在混凝土液面逐漸上升的過程中，下方混凝土對鋼筋籠的錨固作用力也逐漸增大，此時，鋼筋籠上浮可能性逐漸減小[4-6]。

通過對鉆孔灌注樁施工過程中3個階段的鋼筋籠受力進行分析，在階段(2)最易出現上浮可能，因此，需要提前進行預防。

5.2 預防控制措施

通過工程經驗總結可從3個方面進行鋼筋籠上浮預防控制：鋼筋籠結構、混凝土和泥漿質量、混凝土澆筑速度。

1)鋼筋籠結構：

鋼筋籠結構主筋應當順直，避免接頭過多，減少混凝土液面上升過程中的摩擦力和側向黏力；將鋼筋籠置入孔底，充分利用初期混凝土的錨固力；增大箍筋間距，在孔口反壓鋼筋籠。

圖6 階段(3)示意圖

2)混凝土、泥漿質量：

根據F浮=ρgh，可知降低混凝土、泥漿混合液液體密度可以有效降低其對鋼筋籠的浮力。在灌注混凝土前，首先利用泥漿將孔底的巖屑清除，降低液體密度；同時必須嚴格控制混凝土初凝時間，保證混凝土的和易性和流動性，減少與鋼筋籠之間的摩擦力。

3)混凝土灌注速度：

在混凝土液面進入鋼筋籠初期，由于受力面積大，因此可采取降低混凝土澆筑速度的方法，以降低混凝土對鋼筋籠的沖擊力；當鋼筋籠底部混凝土凝結后，可逐漸提高混凝土澆筑速度，以保證灌注樁施工進度[7-9]。

6 結 論

鉆孔灌注樁是一種常用的地基加固方法，以泉州市晉江防洪工程(一期)永春達埔巖峰堤段工程筕頭丘水閘地基加固為例，對鉆孔灌注樁的施工工序、重點工藝進行分析；通過理論分析，鋼筋籠上浮機理根據施工進程可分為3個階段，在階段(2)鋼筋籠上浮可能性最大，并從鋼筋籠結構、混凝土和泥漿質量、混凝土灌注速度3個方面對鋼筋籠上浮預防措施提出建議[10]。