鉆孔灌注樁混凝土性能及工藝研究

許憶東

（石城縣交通運輸局,江西 石城 342700）

0 引言

鉆孔灌注樁是一種在橋涵工程中較為常見的樁基形式，鉆孔灌注樁本身具有適應性強、承載力高、樁身變形小、強度剛度大、入土深度大、可在水下進行施工等特點，被廣泛運用在建筑工程中。但是經常會出現樁頭擴徑、縮徑、斷樁、夾泥、浮漿、沈渣等問題，混凝土配合比的設計和原材料的把關是保證整個樁基質量的前提，不當的配合比會對樁基的耐久性和穩定性造成影響，進而影響到整個橋梁工程的服役期限和交通安全，甚至會引發重大交通事故和人員及財產的損失。橋梁工程本身設計難度大，鉆孔灌注樁作為橋梁工程的基礎組成部分，不僅要嚴格遵守施工工藝還要控制好施工質量。樁基是在水下進行施工的，一旦完工后發現質量有問題，后期的修復需要很高的經濟成本且難度很大，所以從最開始對樁基材料的選擇、設計到最后灌樁，整個過程都不容有瑕疵，因此對鉆孔灌注樁性能和工藝的研究顯得非常有意義。

為研究鉆孔灌注樁混凝土性能及工藝，該文在現有研究的基礎上[1-5]運用理論知識從鉆孔灌注樁混凝土的耐久性、力學性能和工作性能出發，分別設計相關試驗進行研究，同時結合實際工程案例對鉆孔灌注樁混凝土工藝進行分析，希望能夠為鉆孔灌注樁在橋梁工程中的運用提供參考價值。

1 性能分析

在C25 的鉆孔灌注樁配合比基礎上，在相同質量的前提下保持外加劑使用量、集料配比、用水量不變的情況下加入15%、20%、25%、30%的粉煤灰來充當水泥，對鉆孔灌注樁混凝土的力學性能、工作性能和耐久性進行試驗分析，具體的試驗用配合比和配合比摻量見表1～2。

表1 試驗用配合比

表2 配合比摻量表

1.1 力學性能試驗分析

鉆孔灌注樁混凝土的最基本力學性能指標為混凝土抗壓強度，此章節設置五種不同配合比的粉煤灰，按照試驗規范要求制作成立方體的抗壓試件，每種成型三個試件，具體收集3 d、7 d、28 d、60 d、90 d 強度值，嚴格遵循《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTGE30—2005）的要求進行計算收集相關數據，并分析總結出每種試件類型的變化規律，強度值見表3。

表3 鉆孔灌注樁混凝土在不同摻量石灰比下強度匯總表

由表3 分析可知，早期摻入粉煤灰的混凝土強度都比不摻入粉煤灰的混凝土強度低；粉煤灰摻量較少的混凝土強度在低齡時段和基礎混凝土的強度差別不是很大，后期摻量增加了，對應混凝土的強度下降很明顯；當齡期到達30 d 的時候，此時混凝土的強度和基準混凝土強度很接近，已經可以滿足試配混凝土的強度要求；隨著齡期的增加，粉煤灰的活性成分和水泥水化反應后生成的化合物把混凝土孔隙填充起來，在90 d 齡期的時候，基準混凝土強度已經比大部分摻粉煤灰的混凝土強度略低。總體上，高摻量粉煤灰的混凝土強度還是比基準混凝土強度低。所以，要想通過摻入粉煤灰量來提高基準混凝土的強度，是有一個高峰值的，一旦過了這個值，強度就會降低，此次試驗中，粉煤灰摻量的最佳比例為0.25。

1.2 工作性能試驗分析

此章節采用稠度試驗方法中的大坍落度儀法來測試摻粉煤灰的鉆孔灌注樁混凝體的工作性能，經過試驗，把五種不同粉煤灰比例的混凝土插搗難易程度、含砂、黏聚性、保水性等指標確定出來，通過實測1 h 的坍落度變化量來研究混凝土的工作性能。五種不同配合比新拌混凝土性能見表4。

表4 五種不同配合比新拌混凝土性能評價表

結合表4 可知，從凝聚性和保水性角度分析，五種不同粉煤灰摻入比的混凝土都比基準混凝土的高；從坍落度角度分析，五種摻入不同比例粉煤灰比的混凝土坍落度都有增加，摻入的比例越高，坍落度越大，總體呈現先增加后減少的趨勢，在摻入比例為0.25 時達到最大值，有摻入粉煤灰的混凝土坍落度都比基準混凝土大；從容重方面來分析，容重和粉煤灰的摻量成負相關關系，主要原因是水泥密度比粉煤灰密度大；從1 h 的坍落度變化量來分析，摻入粉煤灰后的混凝土坍落度都有一定的損失，摻入比例為0.25 時對應的損失最小，主要原因是粉煤灰起到固型作用。

1.3 耐久性試驗分析

通常干縮裂縫會對混凝土的耐久性和強度造成很大影響[6]，經過大量專家和學者的研究一致認為大部分混凝土的耐久性是由裂縫造成。

1.3.1 抗滲試驗分析

混凝土的表面或者內部的裂縫會對其抗滲性能產生較大影響，此章節采用水壓力法進行試驗研究，對五種不同摻粉煤灰配合比的混凝土制作出對應的抗滲試件，然后將它們放在標準環境中養護30 d，每隔8 h 增加水壓0.1 MPa，水壓初始值為0.1 MPa，一直增加到五組試件中都有出現至少3 個滲水為止，經過試驗，試驗結果見圖1。

從試驗結果圖1 可以看出，當水壓達到0.6 MPa 時，基準配合比試件出現3 個滲水試件，F0.15、F0.20、F0.30在0.7 MPa 時出現3 個滲水試件、F0.25在水壓為0.8 MPa 時出現3 個滲水試件。經過研究分析可知，摻入粉煤灰后鉆孔灌注樁混凝土的抗滲能力有所提高。在此次試驗中，粉煤灰配合比為0.25 時，混凝土的抗滲能力最好，如果繼續增加粉煤灰的用量，抗滲能力反而有所下降。

1.3.2 干縮試驗分析

干縮率、抗滲能力都是作為評價混凝土耐久性的一個重要指標，經過鉆孔灌注樁混凝土干縮率試驗，可以得到對應混凝土在某一特定環境中收縮形變隨著試件變化而變化的情況。此章節試驗試件尺寸為100 mm×100 mm×500 mm，測量基點的方式為預埋測頭，待試件成型后，將其放入濕度為60%+5%，溫度20℃+5℃的干縮箱中進行養護，分別在3 d、5 d、15 d、30 d、60 d、90 d 收集試件的對應長度，利用公式（1）來計算干縮率。

式中，Sd—— 齡期d的混凝土干縮率（%）；X01——試件的初始長度，包含測頭（mm）；Xt1——齡期t天時干縮長度測量值，包含測頭（mm）；L0——試件的測量標距，等于混凝土試件的長度扣除兩倍測頭埋入深度（mm）。

不同粉煤灰摻量的鉆孔灌注樁混凝土都對應制作三個試件進行試驗，最終取平均值來計算，試驗結果見表5。

表5 鉆孔灌注樁混凝土收縮率試驗結果

由表5 分析可知，從粉煤灰摻量角度來分析，前期由于粉煤灰活性比較小，水化反應較慢，混凝土中水化熱較低，干縮率比較小；后期隨著時間的增加，粉煤灰中的二氧化硅和三氧化二鋁逐漸和水泥發生二次化學反應，反應生成物對混凝土內部的孔隙進行填充，最終使干縮率變得更小。從總體上分析，基準混凝土和摻入粉煤灰鉆孔灌注樁混凝土的收縮率大，對比兩種混凝土可知，在前期摻入粉煤灰的鉆孔灌注樁混凝土的干縮率變化較慢，基準混凝土干縮率變化較快，后期隨著齡期增加，摻入粉煤灰的鉆孔灌注樁混凝土的干縮率變化有所提升，基準混凝土的干縮率趨于平穩，總體上基準混凝土的收縮率大于摻入粉煤灰鉆孔灌注樁混凝土的收縮率。綜上分析可知，鉆孔灌注樁混凝土干縮率受粉煤灰摻量的影響較大。

2 施工工藝實例分析

灌注樁的施工工藝是連續的環環相扣的操作，對施工質量和方案嚴格把控，非常重要且很有意義。

2.1 工程概況

此章節對京港澳高速河南邢臺市到臨城縣段水下灌注樁的整體工藝流程進行分析，項目所屬氣候為暖溫帶大陸氣候，淺層地下水水量處中等豐富區，含水層主要成分為粉砂、粉細砂、厚度約5～10 m，有些層厚小于5 m，頂板埋深10～15 m，地下水主要是靠大氣降水和地表水滲入。

該工程經過村鎮較多，工程量大、工期短，前期需要大量準備工作，根據水文地質特征和項目施工安排，此路段采用反循環鉆機和旋挖鉆機，使用2 臺HG200 型反循環鉆機、2 臺雷沃612D 旋挖鉆機以及1 臺福田 220作為施工機具，采用泥漿護壁法、導管法灌注水下混凝土。

2.2 施工工藝

結合當地水文地理特征和同類工程的施工經驗，該路段采用成孔作業方法，鉆孔灌注樁共有968 根，樁基采用反循環回轉鉆成孔，水下灌注樁工程施工流程包括平整場地、樁位放樣、埋設護筒、鉆孔、清孔、鋼筋籠制作和安裝、混凝土灌注、鑿除樁頭、樁基檢測等。

由于施工環境具有較厚的覆蓋層，需要設置護筒，護筒由1 cm 厚度鋼板加工而成，護筒刃腳1 m 范圍內采用1 cm 的厚鋼進行加固處理，采用振動沉拔錘打入埋置。

通常氣候條件和地質條件的不同會導致泥漿的性能有所變化，為了保障鉆孔工作高效安全地進行，制漿過程中要加入優質黏土。隨時要對泥漿的性能指標進行跟蹤測試，特殊情況時，還可以往泥漿池中加入外加劑來改善泥漿質量。

采用間隔鉆孔成樁，鉆頭伸進孔內距離孔底約5～8 cm，此時開通泥漿泵，先沖洗液循環3～5 min，再慢速回轉將鉆頭慢慢下降，慢轉幾分鐘待到進入孔底1 m以后，才慢慢提高轉速和鉆壓，正常工作時不能隨意提升鉆頭。停鉆后將鉆具提出孔底約1 m 后清洗干凈，才能加接鉆桿。

鋼筋原材料、半成品和成品要做好標識，科學有序地放置，同時應該按檢驗狀態及結果、使用的工藝等分類方法進行標識。鋼筋籠應該根據實際樁長分節再進行加工，每節鋼筋籠長度一般大于18 m，采用雙面塔接焊，焊縫長度要大于5d，主鋼筋焊接結構在同一截面的數量需小于50%。采用25 t 騎車吊裝鋼筋籠，同時要防止其產生不可逆轉的變形。

采用導管拔栓法進行水下混凝土灌注，導管直徑小于鋼板栓圓直徑約1～1.5 cm，在灌注之前應該再次測量孔深，確定沉渣厚度，灌注應該有條不紊地連續進行，不能中途停下。鉆孔樁混凝土在達到設計強度后，應當嚴格按照施工設計和相關規范對項目設計的樁基進行竣工后的科學檢測。

3 結論

從耐久性能來說，粉煤灰本身顆粒較小且可以發生二次反應對混凝土進行填充，對鉆孔灌注樁混凝土的抗滲能力和抗干縮能力都有提升，增加了混凝土的密實度；從力學性能來說，前期由于與水泥的水化反應較少，隨著時間推移，后期鉆孔灌注樁混凝土的強度會迅速增強；從工作性能來說，由于粉煤灰本身就是很細小的球狀物質具有潤滑作用，可以減少鉆孔灌注樁混凝土蜂窩麻面的現象，有助于提高其工作性能；研究得出25%的粉煤灰摻量配合比能夠最大提升鉆孔灌注樁混凝土的性能。