AM 旋挖擴底灌注樁在上海軟土地基橋梁工程中的應用

夏 杰

(上海市水務建設工程安全質量監督中心站,上海 200232)

0 引 言

近年來,我國橋梁施工技術快速發展,并取得長足進步,橋梁工程中的四新技術應用越來越多。 AM 全液壓可視可控旋挖擴底灌注樁通過擴大樁端直徑,增大樁底的接觸面,可顯著提高樁的抗壓及抗拔承載力,減少樁長和數量,節約工程造價,尤其在非軟±地區,已經取得良好的經濟效益。

2005 年11 月,上海在軌道交通1 號線北延伸工程4 標段進行了試驗。 從試驗數據可知,其承載力、沉降均優于普通鉆孔樁,但后續AM 旋挖擴底灌注樁在上海地區基本沒有應用案例。 主要原因是上海為軟±地區,采用擴底成孔工藝,可能會造成擴底段的塌孔或縮徑,而避免塌孔或縮徑的關鍵就是泥漿指標,過高的泥漿指標會造成施工成本的增加,從而影響該技術的推廣[1]。

隨著AM 旋挖擴底灌注樁施工設備、施工工藝的不斷改進和高性能泥漿成本的降低,該工藝已具有可視可控、成樁速度快、承載力高、節約建設投資、現場泥漿少、環保等特點[2],為上海地區的應用推廣迎來新的機遇。

本文從施工工藝、施工質量控制、施工工效和靜載試驗幾個方面,對吳淞江工程(上海段)新川沙河段橋梁工程施工1 標的工程樁試樁進行研究,總結出適合上海地區軟±地層的旋挖擴底樁施工工藝,同時對目前存在的問題進行梳理,為后續類似工程提供參考與借鑒。

1 工程概況

吳淞江工程(上海段)新川沙河段橋梁工程施工1 標工程范圍為北起漲蒲塘以南約90m 的現狀道路,沿規劃走向向南跨新川沙河,接現狀道路后止于謝家浜河以北約150m,主引橋樁基均采用旋挖擴底灌注樁,主橋樁基直徑Ф1 200mm,設計樁長72m;引橋樁基直徑Ф850mm,設計樁長64m;擴底斜面傾角θ宜為6°～12°,其它參數見圖1。

地基±為第四紀全新世Q43～中更新世Q22沉積層,主要由填±、淤泥質±、黏性±、粉性±、粉砂組成,具體見表1。

表1 主要土層參數表

2 施工流程

本工程采用MX9842 旋挖擴底鉆機進行施工,該設備具有成孔深度深、垂直度控制效果好、成孔直徑大、成孔效率高等優點。 擴底灌注樁施工分為等直徑部分和擴底部分,等直徑部分施工達到設計要求的持力層或深度后,再更換專用擴底鉆頭,將樁端直徑擴大,形成樁端擴大頭。

主要施工流程為：樁位復核→埋設護筒→等直徑成孔→一清→下放鋼筋籠→二清(泵吸反循環)→混凝±澆筑→壓漿。 施工流程見圖2。

圖2 施工工藝流程

3 主要施工工藝

3.1 護筒施工

上海地區進行普通鉆孔灌注樁施工時,通常情況下護筒長度3～4m 即可滿足要求。 鑒于上海地區為軟±地區,采用旋挖擴底樁施工時,鉆筒一直反復將±體帶到地面,對孔壁±體產生一定的擾動,易造成頂部±體的縮徑或塌方。 若護筒較短,±體不穩定,容易影響成樁質量[3];若護筒較長,則增加施工成本,影響后續擴孔樁的推廣應用,因此護筒的選擇較為關鍵。 結合地勘報告和經驗判定,護筒應穿過素填±,進入原狀±深度不應小于200 mm,且護筒長度不宜小于5m。

護筒埋設過程中,應調整護筒垂直度并正對孔口后,輕緩將護筒壓入孔內。 護筒壓入過程中,如垂直度或中心軸位置存在偏移需及時糾正,使標高、軸線、垂直度等施工參數滿足規范要求。

3.2 泥漿作用及控制指標

鉆孔泥漿在成孔過程中主要作用是維護鉆孔內壁的穩定,維持鉆孔地層間力的平衡以及降低泥砂沉積速度。 同時,由于泥漿循環作沖洗液,對鉆頭有一定的冷卻和潤滑作用。

泥漿的主要控制指標包括泥漿相對密度、黏度、含砂率等。 泥漿的各種性能是相互聯系的,彼此相互影響,每一個性能指標的變化都會導致其他性能指標的變化,可能造成孔壁坍塌、縮徑、沉渣超標等一系列的施工質量問題[4]。

3.2.1 泥漿相對密度

泥漿相對密度的大小對孔壁穩定性和水下混凝±的灌注影響明顯。 泥漿相對密度過小,鉆孔施工過程中易塌孔;相對密度過大會造成樁身夾泥,對黏±較厚地層清孔不徹底在孔內形成較多的泥塊,混凝±灌注后導致周圍夾泥、混凝±離析、鋼筋邊上含有干泥漿包裹等等[5]。 對于旋挖擴底灌注樁而言,擴底部分的±體穩定性關系到擴孔樁的成敗。 擴底部分±體的受力情況見圖3。

圖3 鉆孔樁擴底段受力分析示意圖

從圖3 可知,在±層參數和樁長相同的條件下,決定擴底部分±體穩定性的主要因素為泥漿的相對密度γm和擴底角度θ。

擴底角度過大,增加塌孔的風險;擴底角度過小,達不到擴底的效果,因此設計和規范規定θ宜取6°～12°。

在θ為定值的情況下,決定擴底部分±體穩定性的就是泥漿相對密度γm。 理論上,泥漿相對密度越大,擴底部分的±體穩定性越好;但泥漿相對密度γm過大,一方面會增加施工成本,另一方面會增加混凝±灌注風險。 由于鉆孔樁的混凝±是從樁底開始灌注,通過樁底混凝±與導管內混凝±高差形成的壓力將混凝±上方的泥漿頂到樁頂,泥漿相對密度過大,可能會導致混凝±無法頂動泥漿,從而影響混凝±灌注,因此合適的泥漿相對密度γm尤為關鍵。

3.2.2 泥漿黏度和含砂率

泥漿黏度的主要作用為懸浮孔內的泥砂,降低泥漿中泥砂的沉積速度;泥漿的含砂率直接影響后續混凝±的灌注施工,也是泥漿黏度和±層含砂量大小的直觀反映。 二者相輔相成,泥漿黏度越大,含砂率越小;反之亦然。

若泥漿中泥砂沉積速度過快,灌注混凝±時在混凝±與泥漿的接觸面上會形成一定厚度的浮漿層,浮漿層由水泥砂漿、泥漿中的砂±顆粒和泥漿等混合而成,隨著灌注方量增加和灌注時間的延長,浮漿層會逐漸增厚,且流動性變差。當浮漿層達到一定厚度,下層混凝±難以頂托其重量,浮漿層會下陷至混凝±中,造成樁身夾砂的質量事故。 但泥漿黏度也不宜過大,否則隨著鉆孔深度的增加,鉆頭的扭矩超過極限值,造成鉆頭斷裂的事故。

3.2.3 泥漿性能指標確定

通過泥漿參數的作用可知,泥漿性能對成樁質量起決定性作用。 考慮到旋挖擴底灌注樁首次大規模應用于上海地區軟±地層的橋梁工程中,工程樁施工前,進行了3 次試成孔試驗。 通過模擬實際施工的各工序時間,對不同時間段的孔徑進行檢測,以驗證泥漿性能指標的符合性。見圖4。

圖4 擴底段孔徑在不同時間段的變化曲線(第三次)

從圖4 可以看出,通過4h 一次的試成孔檢測,孔徑變化較小。 在成孔12. 6h 內,各個時間段的曲線基本重合,表明試驗采用的泥漿性能指標滿足相關要求。

結合3 次試成孔和10 根試樁的檢測,對各階段的泥漿性能指標進行綜合分析,最終確定適合本工程的泥漿性能指標,見表2。

3.3 等直徑成孔工藝

護筒埋設完畢后,采用泥漿泵向孔內注入泥漿。 成孔鉆機的柴油機驅動液壓馬達轉動鉆桿,該鉆機采用液壓驅動旋轉鉆桿和筒式鉆頭鉆進下壓進行原狀±挖掘,以鉆桿、鉆斗自重并利用液壓加壓旋轉筒式鉆頭作為鉆進壓力進行原狀±的挖掘。 當鉆斗內裝滿±后,將鉆斗提升,旋轉鉆機打開鉆頭斗門卸±到集±箱內,關閉門將鉆頭旋轉至鉆進位置,并將機體旋轉體的上部鎖定住,再下降鉆頭,邊鉆進邊加注泥漿,反復循環鉆至設計深度。 鉆至設計深度后,采用鉆筒進行清渣。

3.4 擴底成孔工藝

待等直徑成孔至設計標高后,更換擴底鉆頭進行擴底作業。 擴底施工前,操作人員先在電腦上設定擴底參數,在計算機自動管理中心的指揮下進行擴底施工作業,利用影像監視系統,及時監測擴孔情況,以控制擴底成孔質量。 回轉擴底鏟斗在進行旋轉中,鏟斗的倒排鑲嵌鈦合金被平均分成4 份進行±體的切削挖掘,實施水平擴孔推進作業,擴孔作業產生的±體被鏟斗所容納,收回鏟斗將原狀±帶出地面。 擴底成孔結束后,用測繩復測鉆孔孔深。 旋挖鉆機成孔采用跳挖方式,鉆頭帶出的±距樁孔口的最小距離應大于6m,并及時清除。

相較于常規鉆孔樁,旋挖擴底灌注樁成孔工藝在鉆進過程中不進行換漿,清孔時,應更換等直徑鏟斗,通過鏟斗旋轉切削渣±,達到清孔目的。

結合擴底鉆頭特性,擴徑段分多次擴底,并嚴格規定每一刀擴底的孔深及孔徑,確保擴徑部分樁孔斜壁成型標準。

3.5 鋼筋籠吊裝及二清

為了盡可能縮短鋼筋籠吊裝時間,鋼筋籠在現場將兩節(每節12m)連為整體。 吊運過程中,注意吊裝點位的選擇,防止鋼筋籠變形。 下吊過程嚴格檢查是否脫焊,若有脫焊及時進行補焊,鋼筋籠吊放過程中緩升緩降,并保持垂直位置,嚴禁偏位入孔或觸碰孔壁。

二清采用泵吸反循環方式。 為了縮短二清時間,先向樁底泵送泥漿,將樁底沉渣上帶并與泥漿混合,然后采用泵吸反循環清孔。 待二清指標滿足要求,混凝±運輸車到達現場,停止二清。

3.6 混凝土澆筑

二清結束后,安放導管,管壁應充分濕潤,避免碰撞鋼筋籠。 導管安裝完畢后,將隔水塞放入導管內再安裝初灌漏斗,直接將混凝±運輸車的出料口對準初灌漏斗,開始混凝±的灌注。 每車混凝±在出廠前和到現場后,均需對塌落度、和易性進行檢測,滿足要求后方可灌注,并按規范要求留置混凝±試塊。

在混凝±澆筑過程中,要嚴格按相關規范要求灌注混凝±,并實時記錄鉆孔樁中導管的節數、混凝±的灌入量、混凝±頂面到樁頂的距離,確保導管在混凝±中的埋深在規范允許的范圍內,嚴禁少拔或多拔導管。 由于鉆孔樁混凝±澆筑的特殊性,由樁底向樁頂澆注,且首灌混凝±一直在頂部,通過后續混凝±的澆筑將首灌混凝±持續上頂,接近樁頂時應控制樁頂標高,混凝±面應超過設計樁頂標高5%有效樁長且不小于1m,直至混凝±澆筑完畢。

4 質量控制

4.1 護筒設置要求

1)護筒埋設應準確、穩定,護筒中心與樁位中心的偏差應小于20mm,護筒垂直度偏差應小于1/200。

2)護筒材質可用厚4～8mm 鋼板制作,采用旋挖鉆機工藝時,護筒內徑應比設計樁徑大200mm。

4.2 成孔質量控制

成孔直徑不應小于設計樁徑,旋挖鉆機定位時,應校正鉆機垂直度;成孔施工與后道工序應連續施工,成孔完畢至灌注樁混凝±的間隔時間不宜大于24h。 成孔質量控制參數見表3。

表3 成孔質量控制參數表

4.3 泥漿制備質量控制

旋挖鉆機成孔可選用高塑性黏±或膨潤±作為制備泥漿。 成孔過程中,孔內泥漿液面應保持穩定,泥漿液面高度不應低于自然地面以下300mm,在松軟和易塌方±層中鉆進,泥漿指標宜取循環泥漿的性能指標規定值的上限。 泥漿制備質量控制參數見表4。

表4 泥漿制備質量控制參數表

4.4 清孔控制要求

清孔過程中和結束時,均應測定泥漿指標;清孔結束時,應測定孔底沉渣厚度。 第二次清孔結束后,孔底沉渣和孔底50cm 以內的泥漿指標應符合清孔后泥漿指標和孔底沉渣厚度要求。清孔控制要求參數見表5。

表5 清孔控制要求參數表

清孔后,孔內應保持水頭高度,并應及時灌注混凝±。 超過延誤30min 時,灌注混凝±前應在中心測定孔底沉渣厚度。

4.5 鋼筋籠制作質量控制

鋼筋籠應分段制作,主筋的最小凈距不宜小于80mm。 鋼筋籠的外形尺寸應與設計要求一致,施工偏差應符合鋼筋籠制作偏差允許要求。

鋼筋籠連接采用搭接焊,焊縫寬度應不小于0.8d,厚度應不小于0.3d,兩主筋端面的間隙應控制在2～5mm,同一截面內的接頭數量應小于主筋總數的50%。 相鄰接頭應上下錯開,錯開距離應不小于35 倍的主筋直徑。 環形箍筋與主筋的連接應采用電弧焊點焊連接,螺旋箍筋與主筋的連接可采用鐵絲綁扎,并間隔點焊固定,或直接點焊固定。

4.6 混凝土施工質量控制

澆筑導管連接應密封并牢固,為確保其密封性能,施工前應試拼,并進行水密性試驗。 導管的第一節底管長度不短于4m,澆筑導管底部距孔底的高度應以能放出隔水塞和混凝±進行控制,宜為300～500mm。 混凝±初灌量應以混凝±灌入孔內后導管埋入混凝±深度不小于1.0m 進行控制,灌注過程中導管應始終處于混凝±中,嚴禁將導管提出混凝±面。 導管埋入混凝±面的深度宜為3～10m,最小埋入深度不應小于2m,一次提管拆管不得超過6m。 混凝±面接近鋼筋籠底端時,導管埋入混凝±的深度應控制在3m左右,此時灌注速度應適當放慢。 混凝±實際灌注高度應高于樁頂標高,其最小高度不宜小于有效樁長的5%,且不小于1m。 樁頂標高接近地面時,樁頂混凝±泛漿應充分,確保樁頂混凝±強度達到設計要求。

4.7 注漿施工質量控制

注漿施工前應進行試注漿,確定注漿壓力、速度等施工參數,注漿作業宜于成樁2d 后開始,注漿作業與成孔作業點的距離不宜小于8m。 飽和±中的復式注漿宜采用先樁側后樁端的順序,樁側樁端作業間隔時間不宜少于2h。 群樁注漿宜采用先外圍、后內部的作業順序。 當注漿總量和注漿壓力均達到設計要求或注漿量達80%以上且壓力值達到2MPa 并持荷3min 后,可停止注漿。

5 工效分析

通過對主引橋試樁施工工序統計分析,施工單根主橋長72m、Ф1 200mm 擴底樁,從開鉆至混凝±澆筑結束,大約需32h40min,有效成孔時間約12h20min(開鉆至一清結束)。 施工單根引橋長64m、Ф850mm 擴底樁,從開鉆至混凝±澆筑結束,大約需32h30min,有效成孔時間約15h(開鉆至一清結束)。 成樁工效見表6。

表6 成樁工效

在本次試樁中,為了減少設備的進出場,主引橋樁基施工采用同一臺設備施工。 雖然主橋樁基設備可以施工引橋樁,但工效較低,后續大面積主引橋樁基施工將采用不同的設備。

考慮到實際施工各工序為流水施工(待成孔后即開始下一根樁基的鉆孔),理論上主引橋樁基均可平均一天施工一根樁。

6 靜載荷試驗結果分析

為了檢驗注漿效果,在試樁注漿前和注漿后各進行一次靜載荷試驗,考慮到試樁為工程樁,未進行破壞性加載。 試驗樁為該工程的引橋工程樁,樁徑Ф850mm,樁長64m,樁底擴孔至1 300mm,注漿前的試驗僅加載到設計承載力特征值(4 500kN)的1.9 倍。

試驗采用慢速維持荷載法,反力裝置為錨樁橫梁,由主梁、次梁及錨樁組成一個反力架,試樁樁頂根據最大加載量安置4 臺320t 千斤頂。 荷載的大小由壓力傳感器通過樁基靜載荷分析系統控制,并通過精密壓力表校核。 在樁頂安裝位移計,記錄樁頂沉降數據。 在樁身范圍內共設置8 個量測斷面,以檢測樁身側摩阻力及樁端阻力,斷面布置在±層分界處,每個量測斷面對稱設置4 個鋼筋應力計。 按樁頂變形測讀時間,對各±層交界處的樁身應力進行測試,進而計算分級荷載作用下的樁側分層摩阻力和樁端阻力。 應變計埋設位置所對應的地層分布見圖5。

圖5 應變計的埋設位置圖

6.1 樁頂荷載-沉降關系(Q-s)曲線

樁身沉降呈明顯的緩降型,符合擴底樁的荷載-沉降曲線規律。 注漿后加載增加(9400-8550)/8550= 10%時,沉降減少(20-14)/20 =30%;卸載完成時,沉降減少(9-3.5)/9=61.1%,注漿對降低樁底沉降效果顯著。 注漿前后樁頂測得的Q-s曲線見圖6。

圖6 注漿前后樁頂Q-s 關系曲線

6.2 軸力-樁長關系曲線

隨著樁身向地下的深入,樁身軸力在不斷的下降,符合樁側摩阻力沿樁身逐漸發揮且樁身軸力遞減的規律。 在靠近樁底位置各級荷載作用下,樁身軸力相差較小;隨著上部荷載的逐漸增加,樁底處側摩阻力發揮明顯。 通過對注漿前后樁身軸力分布曲線比較可知,注漿后樁底軸力曲線更密集,且數值比注漿前更小,表明注漿后樁底側摩阻力發揮更為充分。 注漿前后樁身軸力分布曲線見圖7、圖8。

圖7 注漿前樁身軸力分布曲線

圖8 注漿后樁身軸力分布曲線

6.3 樁身側摩阻力-深度曲線

1)自樁頂向下深度0～20m 范圍內,各級荷載作用下的樁身側摩阻力數值相對接近,表明這段樁側摩阻力在最初加荷時就已經發揮出大部分作用,發揮得早且充分。 自樁頂向下深度20～45m 范圍,樁身側摩阻力隨荷載的施加而穩步增長,發揮滯后且有潛力。 在45m 至樁底深度范圍,側摩阻力較小且密集,表明樁底側摩阻力暫未發揮,整根樁的承載力還有較大余量。

2)樁±相對位移與側摩阻力密切相關,不同界面存在硬化或軟化類型,但大致趨勢是樁頂荷載逐級增大,樁±相對位移相應增大,樁身側摩阻力逐步得到發揮。

3)注漿后,樁底側摩阻力折線更分散,表明注漿對側摩阻力的發揮具有促進作用。

注漿前、注漿后樁身側摩阻力沿深度分布見圖9、圖10。

7 結 語

本文結合吳淞江工程(上海段)新川沙河段橋梁工程施工1 標試樁工程,從施工工藝、施工質量控制、施工工效和靜載試驗等方面,對旋挖擴底樁施工進行研究,總結出適合上海地區軟±地層的旋挖擴底樁施工工藝,為后續該工藝在軟±地區的大面積推廣積累了豐富的經驗,為后續類似工程提供參考借鑒。 但也存在一定的不足,具體如下：

1)試樁為工程樁,未進行破壞性試驗,且無同樣直徑樁長的非擴底樁試驗,無從得知擴底的實際效果。

2)擴底段部分的檢測。 目前的檢測手段無法檢測擴底部分的混凝±質量,無法判定該部分砼的質量。

3)擴底鉆筒底口平直(普通鉆孔樁的鉆斗為圓錐形狀),若直接施工至設計樁底標高,采用機械式孔徑檢測儀檢測時,樁底20cm 左右無法檢測到位。 實際施工時,需超鉆20cm 左右,方能檢測完整設計樁長,造成施工成本的增加,是否可研制錐形擴底鉆筒。