復雜巖溶地質條件下零沉渣樁基施工關鍵技術研究*

茍澤東,簡 正,杜海明,蔡鑫敏

(中建八局第一建設有限公司,山東 濟南 250100)

0 引言

目前應用最廣泛的儲能電池是鋰離子電池,由于鋰離子電池的安全性能要求很高,因此在電池制造過程中對鋰電設備的精度、穩定性和自動化水平都有極高的要求。

基于上述條件,在新能源電池廠房建設中,對于地面沉降要求極高,不允許地面在使用工況下出現塑性變形導致的開裂和沉降。地面零沉降前提是首先保證樁基礎施工時必須達到零沉渣。

巖溶地區普遍存在地質條件復雜、地下水豐富、溶洞發育等情況,給樁基施工帶來很大困難。覆在溶洞上方的紅黏土層及強風化層易引起孔壁坍塌,起伏傾斜的溶洞頂板容易造成鉆孔偏斜,溶洞形狀差異導致成孔措施多變,充填物的形態直接影響樁基成孔質量。當前的旋挖干成孔施工工藝,無法有效確保樁基底部無沉渣,尤其是在復雜地質條件下。本文以實際工程為例,在樁基施工時,針對已有成樁工藝進行改進,成樁時采取預埋注漿管,成樁后通過高壓沖洗樁底沉渣,然后對樁底進行二次注漿,從而確保樁基滿足零沉渣的要求,最后闡述了成樁過程中的質量控制要點及注意事項。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

工程位于貴州省貴陽市貴安新區百馬大道輔道旁,項目地處盆式高回填、高紅黏土區,地下溶洞率20%,場地由素填土(硬骨料占比65%)、紅黏土(弱透水性和弱漲縮性)、強風化白云巖及中風化白云巖構成,其中素填土厚度0.20～17.40 m,場地地表匯水面積較大,巖溶強發育、裂隙水豐富,主要存在于回填土和紅黏土交界處及各巖層縫隙。地勘建議樁基礎嵌入中風化基巖不小于0.5 m。根據原始地貌及前期考察,該地區原地形中間部分為山谷地帶、魚塘等地形,在場地平整處理過程中進行了大量挖填工作。

1.2 巖溶分布情況

項目所在地屬于巖溶強發育場地,溶洞分布遍布全場區,且分布無規律,地下溶洞率20%,溶洞填充物多為紅黏土夾碎塊。成樁施工時遇溶洞,需確認持力層≥5m,若溶洞頂蓋持力層厚度<5m,需揭穿頂蓋,頂板厚度不滿足持力層要求的須揭穿巖溶溶洞頂板基巖,將基礎置于溶洞底板中風化基巖之上。主廠房溶洞分布情況如圖1所示。

圖1 主廠房溶洞分布情況(紅圈為溶洞)Fig.1 Distribution of karst caves in main workshop (red circle is karst caves)

1.3 樁基情況

本項目樁基設計為嵌巖端承樁,總計工程樁2 481根,地坪樁合計3 964根,總樁數6 445根,采用旋挖鉆機干作業鉆孔灌注樁。樁基入中風化持力層嵌巖深度為1.5D(D為樁徑),樁型分為地坪樁和工程樁兩種,地坪樁主要以700 mm為主、工程樁主要以800 mm為主,其中700 mm樁占總樁數的69%,800 mm樁占總樁數的16%。

2 沉渣對樁基沉降的影響

在豎向荷載作用下,樁頂沉降由以下3部分組成:①樁本身的彈性壓縮量;②樁側摩阻力向下傳遞引起樁端下土體的壓縮量;③樁端荷載引起的樁端下土體的壓縮量。結合已有研究,巖溶區無沉渣嵌巖樁在豎向荷載作用下的樁基荷載-沉降關系曲線如圖2所示。

圖2 無沉渣常規樁的荷載-沉降曲線Fig.2 Load-settlement curve of conventional pile without sediment

從圖2可以看出,在樁底無沉渣的情況下,樁頂受到荷載時,樁基曲線呈線性變化,正常工況下,樁基在完全彈性狀態下工作。而當樁底有沉渣時,在不同沉渣厚度的情況下,樁基曲線如圖3所示。

圖3 沉渣不同時荷載-沉降曲線Fig.3 Loading-settlement curves of sediment at different times

對比圖中不同沉渣厚度情況,可以明顯看出樁底沉渣對樁基沉降有較大影響,且樁底沉渣越厚,相同荷載工況下的樁基沉降值越大。近年來國內外學者對樁土共同作用的研究成果如下:①西南交通大學在某大橋樁基試驗中進行了空底樁、實底樁對比試驗,研究表明2根實底樁的側摩阻力比空底樁的側摩阻力分別大11.1%和19.2%。②20世紀70年代,北京市樁基研究小組對空底樁和實底樁的側摩阻力進行對比,結果發現實底樁樁側摩阻力較空底樁高8%～17%。③拓莉娜于2009年在論著中認為樁端的沉渣缺陷不但會在一定程度上降低樁端阻力,而且會影響樁側摩阻力的發揮,樁端阻力損失最大可達80%以上,樁體下半部樁側摩阻力最大損失可達70%。

上述研究標明,樁底沉渣厚度、樁端阻力和樁側阻力是相互影響、相互促進的,它們之間存在著某種耦合關系。而由于樁底沉渣的存在,很大程度上降低了樁端承載力,同時也影響了樁側阻力的發揮,進而降低了整個樁體的承載能力,使得樁基在正常使用工況下,產生更大沉降。

3 復雜巖溶地質下樁底沉渣成因分析

3.1 沉渣成因分析

對該工程數千根樁的鉆芯取樣結果進行分析,對于復雜巖溶地質條件下,得出樁底沉渣主要有以下成因。

1)高填方區域由于填土結構松散、易塌孔,成孔后未及時澆筑,導致沉渣產生。

2)有溶洞樁基因溶洞填充物為流塑形紅黏土夾碎塊,充填物形態直接導致樁基成孔時無法有效清除沉渣。

3)紅黏土區域由于地下水作用,樁機在成孔進尺過程中,由于機械作用,導致紅黏土與水作用形成泥漿,成孔過程中孔壁易坍塌,且孔底淤泥狀泥漿無法清除干凈,形成沉渣。

4)成孔后下鋼筋籠時,鋼筋籠與側壁碰撞,造成側壁坍塌形成沉渣。

5)孔口護筒未設置正確,凸出地面高度不足,導致地表土在雨水作用下進入已成樁孔內。

6)混凝土澆筑時,首次灌注方量不足,導致沉渣無法翻起。

7)成孔驗收后未及時澆筑混凝土,孔壁塌落導致沉渣累積。

3.2 沉渣厚度測量方法

現場樁基施工過程中,在清孔完成后,需要準確判定沉渣厚度。傳統的單測繩法所測數值與現場實際偏差較大。而在實際施工中,準確測量沉渣對于樁基沉渣控制至關重要,本工程同時采用2根測繩對沉渣進行精確測量,其中一根測繩底部系上圓形平底鋼板,另一根測繩底部系上鋼釬(底部保證尖銳)。在旋挖成孔后,2根測繩結合使用,精確判斷樁底沉渣厚度。

1)測量原理 測量沉渣時,將2根測繩同時放入樁孔中,其中圓形鋼板停留在沉渣上無法下墜,能夠釬入沉渣底部。通過對比2根測繩長度差,就能準確測量出沉渣厚度。

2)注意事項 為保證鋼釬能有效釬入沉渣底部,需在鋼釬上部增加足夠配重。測量時需要反復提拉,確保鋼釬完全釬入沉渣底部。

4 零沉渣施工工藝

4.1 工藝特點

鉆孔灌注樁零沉渣技術是在旋挖樁成樁時,提前在樁身兩端埋設2根注漿管,待樁身達到一定強度后,通過高壓洗孔,將底部沉渣充分沖洗干凈,然后利用高壓注漿方法(一般為水泥漿),選用注漿漿液將樁底注滿。后注漿法是有效從根源上解決樁底沉渣的辦法。

鉆孔灌注樁洗孔后注漿解決樁底沉渣主要通過兩方面實現:一是通過高壓洗孔清洗掉樁底與巖體間泥漿及碎渣。二是通過高壓注漿用漿液注滿清洗完成后的樁底空隙,同時還能將樁底基巖裂隙一并填充,待注漿漿液凝固后,注漿體將樁身和底部基巖充分融合成一個整體,起到補強效果,從而有效提升樁基承載力,同時還能徹底解決樁基沉降問題。灌注樁后注漿過程如圖4所示。

圖4 灌注樁后注漿過程Fig.4 Grouting process after filling pile

灌注樁零沉渣后注漿過程可分為5步。

1)第1步 鋼筋籠加工時同時安裝注漿管,注漿管同鋼筋籠一同下到樁孔內,注漿管底部確保比鋼筋籠短30 cm。

2第2步 樁身具有一定強度后,沿注漿管鉆透灌注樁底部,鉆入持力層深度不小于1 m。

3)第3步 使用高壓力水流反復沖洗樁底部沉渣,過程中不斷調節水壓力,直到回漿管出水清澈透明,方可停止注水。

4)第4步 使用低濃度漿液再次沖洗樁底,沖洗過程中逐步提高漿液濃度,直到達到注漿設計濃度,確保底部積水充分排出。

5)第5步 堵住回漿管,使用預先設計濃度漿液持續注漿,直到注漿壓力穩定,待注漿壓力穩定在設計值并持續一段時間后,停止注漿,封堵注漿口。

4.2 注漿工藝參數

在施工前,應通過試驗確定注漿參數,本工程通過試驗樁提前進行注漿試驗,并通過堆載驗證樁基的承載力值和沉降情況。經過驗證后確認工藝參數如下。

1)洗孔壓力及流量控制 洗孔壓力0～2 MPa,流量50～200 L/min。

2)漿液水灰比(W/C) 根據樁底基巖情況采用水灰比分別為1∶1,0.5∶1的素水泥漿漿液。根據現場實際情況,采用水灰比為0.67～0.7的比例具有較佳的注漿效果。

3)添加劑 水玻璃(模數3.0,40°Bé),添加量為水泥漿液質量的3%～5%(當注漿過程中出現漏漿或長時間不上壓時選用)。

4)注漿壓力 終孔壓力不小于2 MPa,持續時間不小于10 min。

5 復雜地質下鉆孔灌注樁沉渣控制及檢測

鉆孔灌注樁施工應根據施工區域的地質情況、設計樁徑、樁深以及工期要求等做好前期準備工作,并且以保證質量為前提進行樁基施工。由于復雜地質的突發情況較多,現場需要有針對性地設置預案,以確保突發情況下能按照一定的施工組織進行施工。旋挖鉆孔灌注樁的施工工藝流程如圖5所示。

圖5 施工工藝流程Fig.5 Construction process flow chart

5.1 施工過程沉渣控制要點

1)場地清理、整平到位,場地周邊不能過高堆土,樁芯土方需及時清走,確保場地周邊整潔,避免樁基施工地面渣土進入成型樁孔內。

2)3臺樁機配置1臺挖機、出土車,配套的退場道路建立后方可打樁。樁基施工前必須確保道路通暢,保證樁孔成型后混凝土能夠及時澆筑。

3)鉆孔前準備好護筒及鋼筋網片至鉆孔點方可開始鉆孔,孔口護筒及時插入,并做好安全圍欄,作業結束后立即蓋好鋼筋防護網片。

4)終孔后,清孔完成后驗收,終孔到澆筑的時間須控制在2 h內,澆筑前務必復測沉渣小于5 cm,大于5 cm的立即清孔重新檢測,檢測合格后澆筑。

5)所有鋼筋籠均設置三角形加強箍筋,吊裝時吊點只能固定在加強箍筋上。吊裝鋼筋籠時必須確保鋼筋籠垂直度,避免鋼筋籠與樁孔側壁發生碰撞,導致沉渣產生。

6)導管到樁底距離嚴格控制在300～500 mm,導管首次埋入混凝土液面以下≥1 m。料斗中先裝一定體積混凝土(根據樁徑計算確定),再打開料斗閥門,一次性澆筑至樁底,將樁底的沉渣沖起。

為了最大限度控制沉渣過厚,在施工過程中應做到及時清理沉渣、及時下放鋼筋籠、及時澆筑混凝土,在澆筑混凝土時必須保證澆筑連續。

5.2 沉渣檢測

目前只有通過鉆芯檢測方能有效判定樁底沉渣情況,但在工程中由于樁基施工提前預埋了注漿管,因此只能等待樁基施工完成后,沿注漿管鉆透灌注樁底部,然后利用孔內成像輔助確定樁底是否有沉渣。

6 結語

1)造成樁底沉渣的因素復雜多樣,不同地質情況下可能會因不同原因產生沉渣。樁基施工時首先要找準沉渣產生的原因,方能有針對性地制定防治措施。在注漿料的選擇上,還需根據實際工況進行具體論證。

2)沉渣缺陷是旋挖成孔灌注樁與生俱來的缺陷,在施工過程中的各個環節都可能會造成樁底沉渣過厚,在施工過程中采用二次清孔來最大限度地清理沉渣,在成樁后采用沉渣補強加固法來處理軟弱沉渣。

3)樁底沉渣處理目前沒有較好的技術,對于有零沉渣需求的樁基,仍需要在施工過程中加強對沉渣的管控。提前預埋注漿管僅僅是針對樁底沉渣在施工過程中無法清理干凈的一種補充措施。