導管直徑對水下混凝土澆筑的影響研究

李先棟

（天津天科工程管理有限公司，天津 300450）

1 工程概況

重慶港龍頭作業區二期工程位于重慶市涪陵區龍橋鎮北拱社區，長江上游航道里程554Km，距涪陵主城區約17km，上距重慶朝天門107km。施工范圍為二期5#、6#泊位水工建筑物、接岸框架平臺工程、前沿護岸工程施工。主要包含以下施工內容：水工平臺、引橋、接岸、前沿護岸。其中碼頭平臺樁基：Φ2500mm樁基30根、Φ2200mm樁基95根、Φ2000mm樁基15根，合計140根；引橋樁基：Φ1800mm樁基11根、Φ2000mm樁基6根，合計17根；接岸樁基；Φ1600mm樁基47根。

2 地質情況

通過工程地質測繪及鉆探，場地內地層有第四系人工素填土、殘坡積粉質黏土、沖洪積碎石土、沖洪積粉質黏土、沖洪積淤泥質粉質黏土、下伏基巖為侏羅系中統沙溪廟組砂巖和泥巖。

3 混凝土原材料及配合比設計

3.1 原材料選用情況

（1）該工程樁基所用混凝土為C30水下混凝土。混凝土所用水泥采用符合國標規定的硅酸鹽水泥，并按不同標號分別儲存于干燥、防風雨、防潮濕的水泥罐內，以保證水泥不硬化變質。

（2）細骨料采用質地堅硬、粒徑在5mm以下的巖石顆粒（砂）。

（3）粗骨料采用質地堅硬的碎石，其強度用壓碎指標進行檢驗。

（4）混凝土中采用的外加劑，提供外加劑生產廠家的證明材料和試驗資料，并報業主和監理工程師批準，外加劑的使用量，必須符合生產廠家的規定，并經試驗驗證。

（5）拌合用水：地下水，pH≥5；硫酸根離子含量≤600mg/L；氯離子含量≤500mg/L。

3.2 配合比設計

（1）該工程配合比試配時選用0.50、0.55、0.60三種水膠比進行，為了確保混凝土強度，同時滿足施工工作性能要求。通過試驗數據比對，故確定水膠比為0.55。

（2）為了提高混凝土和易性，改善施工性能和混凝土耐久性，試配時摻入適量粉煤灰和外加劑。

（3）樁基混凝土中選用聚羧酸高性能減水劑，關鍵是防止施工過程中坍落度的經時損失，延長混凝土的緩凝時間，改善混凝土的工作性能，同時保證混凝土的強度和耐久性。

（4）設計坍落度180～220mm，實測坍落度210mm，實測擴展度595mm。

（5）設計混凝土容重2350kg/m3，實測混凝土容重2370kg/m3；設計28d強度38.2MPa，實測28d強度47.4MPa。

（6）坍落度1h幾乎沒損失，2h損失了30mm。

4 導管水密性試驗

水密承壓試驗采用氧氣加壓法，先將導管接長，兩端密封（各留一個出氣口），從出氣口往導管里加水至滿，封閉一端出氣口，將氧氣從另一個出氣口中灌入。水密性試驗壓力P為：

式中：P為導管可能受到的最大內壓力，kPa；rc為混凝土的容重，取24.0kN/m3；rw為孔內泥漿容重，取10kN/m3；hc為導管內混凝土柱最大高度，以導管全長或預計的最大高度計，m；hw為孔內泥漿的深度，m。則P=1.3×（24.0×60-10×60）=1092kPa。

根據導管首次埋深（≥1.0m）和填充導管底部的需要。所需砼量：

式中：V為灌注首批砼所需數量，m3；D為樁孔直徑，m；H1為樁孔底至導管底端間距，一般為0.4m；H2為導管初次埋設深度，m；d為導管內徑，m；h1為樁空內砼達到埋置深度H2時，導管內砼柱平衡導管外（或泥漿）壓力所需的高度，m，即h1=HwYw÷Yc。

可知：V≥πD2÷4×（H1+H2）+πd2÷4h1=π× 2.5×2.5÷4×（0.4+1）+π×0.273×0.273÷4×（41-1-0.4）×10÷24=6.87+0.97=7.84m3。

5 兩種直徑的導管對混凝土澆筑過程中產生各種狀況的影響

5.1 導管直徑的大小對水下混凝土澆筑速度的影響

隨機各選取8根樁徑相同、樁長相差不大的樁基進行試驗，清孔后指標全部指標都在標準范圍內，混凝土可工作性良好。

直徑大的導管澆筑速度相對較快一些，如表1、表2所示。在實際大量的施工過程中會發現兩種不同直徑的導管澆筑不同的樁徑也存在同樣情況。澆筑過程中采用直徑小的導管有時會發生混凝土流動受阻，特別是隨著混凝土面不斷接近樁頂，這種情況更加明顯。而采用直徑大的導管澆筑水下混凝土總體澆筑順利。

表1 導管直徑Φ280mm樁基混凝土澆筑情況表

表2 導管直徑Φ310mm樁基混凝土澆筑情況表

5.2 混凝土工作性能不穩定時，不同直徑導管對澆筑水下混凝土的影響

該工程施工任務緊迫，混凝土需求量大，材料的差異性導致混凝土中各種材料相互適應性變差，有時混凝土坍落度偏小、離析和緩凝時間短等現象，引起混凝土工作性能變差，因此出現澆筑不順的狀況是不可避免的。例如2017年7月14日碼頭平臺B-12#樁基和B-7#樁基，兩根樁均為?1.8m樁基，樁基混凝土用量也相差不大，但采用的導管直徑分別為Φ280mm和Φ310mm。澆筑前機械設備正常，清孔后各項指標均正常，導管埋深、樁內混凝土面上升速度均在合理的要求范圍內，首罐封底混凝土工作性能良好，隨即轉入正常灌注階段。當澆筑臨近結束，采用Φ280mm直徑導管澆筑的B-12#樁基出現堵管現象，而采用Φ310mm直徑導管澆筑的B-7#樁基沒有出現任何情況。當時兩根樁基所使用混凝土的原材料和施工配合比都一樣。找其原因，發現進場混凝土原材料不均勻以及含水量的變化導致施工過程中混凝土可工作性能略有下降。現場技術人員也采取了補救措施，采用大料斗沖壓同時上下抖動導管才逐漸地恢復正常。對比分析，不難得出澆筑過程中出現該狀況時，直徑大的導管有利于水下混凝土的澆筑。

5.3 混凝土澆筑異常中斷時，不同直徑導管對澆筑水下混凝土的影響

混凝土澆筑能否順利進行，取決于各種不確定性因素，特別是遇到人為疏忽、設備故障或工程外部干擾時，極易造成混凝土澆筑異常中斷。如2017年8月24日17時35分正在采用Φ310mm直徑的導管澆筑引橋E-08#樁基水下樁基混凝土，當孔內混凝土面上升到距樁頂有7m 的位置處，因機械故障導致樁基混凝土澆筑中斷，20時07分機械故障消除可以正常澆筑。此時由于導管內的混凝土停留時間過長，下落的阻力增大，故采用大料斗進行沖壓，在保證導管有足夠的埋深前提下不停地上下抖動導管，混凝土慢慢開始流動逐漸地轉變為正常流動狀態。樁基成樁后，著重對該樁基進行檢測，檢測結果判定為I類樁。而在2017年9月17日采用Φ280mm直徑導管澆注引橋E-11#樁基的水下混凝土，該樁基混凝土配合比、原材料及進場混凝土抽測結果均與引橋E-08#樁基一致。當孔內混凝土面上升到距樁頂有10m的位置處，由于涪陵區內交通臨時管制，混凝土罐車無法按時抵達現場，致使混凝土澆筑中斷2.5h。同樣采取大料斗沖壓澆筑，在保證導管有足夠的埋深前提下不停地上下抖動導管方法進行處理，然而導管內混凝土仍無法流動，最終導致澆筑失敗。

從以上兩根樁基澆筑結果可以得出，在混凝土澆筑過程中，采用措施處理時大直徑導管內的混凝土有可能從局部流動狀態緩慢轉變為整體流動狀態，實現順利澆筑，而直徑較小的導管內混凝土由于活動空間小，即使上下抖動導管，混凝土也僅出現整體滑動現象未出現流動狀態。因此，適當地增大導管有利于導管內混凝土蠕動轉變為局部流動，最后帶動混凝土整體流動。

6 結束語

導管直徑大小很大程度上影響了孔內水下混凝土的流態。一方面，導管直徑增大，可使混凝土由局部平穩流態變成完全平穩流態；導管直徑減小，則會使混凝土由完全平穩流態變成局部平穩流態。另一方面，導管直徑的增大一般會使孔內水下混凝土的流動速度增大，加快施工進度，提高施工效率，一定程度上節約了成本。但是需注意的是澆筑速度過快，孔中混凝土有可能呈翻滾流態沖刷孔壁或卷進泥皮，導致樁基出現夾層、縮徑甚至斷樁情況。為防止孔中水下混凝土出現翻滾流態，可采取適當地放緩混凝土澆筑速度、合理增加導管埋深和降低混凝土坍落度等措施加以控制。

合理采用大直徑導管對控制澆筑質量、保證澆筑進度是非常有利的。處理澆筑過程中混凝土工作性能差、機械設備和其他客觀因素導致澆筑不暢狀況的成功率高，且處理措施相對容易，避免了出現斷樁帶來的經濟損失，以及對后續的施工進度的影響。