防洪工程沖孔灌注樁常見施工問題分析

黃 超

(福建宏濤工程咨詢有限公司,福建 三明 365000)

0 引 言

樁基礎是將建筑物全部或部分荷載傳遞給地基土并具有一定剛度和抗彎能力的傳力構件,用以保證工程地基的穩定。按材料的不同,樁基礎可分為木樁、鋼樁、鋼筋混凝土樁和組合樁;按施工方法,可分為灌注樁和預制樁,其中灌注樁的成孔方法有旋挖、沖擊和人工挖孔3種。大多數的樁基礎均能穿越軟弱的高壓縮性土層或水,將樁所承受的荷載傳遞到更堅實的地基持力層上[1-2]。但隨著建筑高度的不斷增加,傳統的樁基礎已難以承受高層建筑的載荷,容易導致較大的沉降。

沖孔灌注樁與其他樁基礎不同,具有對鄰近建筑物及周圍環境的有害影響小、單樁承載力大、樁端可進入持力層或嵌入巖層、場地適應性強和施工方便靈活等優點,能更好地承載大型建筑物的載荷,因此被廣泛應用于橋梁、高層建筑和港口等工程中。但沖孔灌注樁易受工程設計、場地環境和地質條件的影響,而且施工工藝較為復雜,施工難度和工藝要求較高,導致其在施工過程中易出現沖孔傾斜、斷樁和塌孔等問題,使沖孔灌注樁的承載能力受到極大影響。

因此,為了保證沖孔灌注樁的施工質量,本文對防洪工程中沖孔灌注樁的常見施工問題進分析,并采取相應的處理措施。

1 沖孔灌注樁常見水下施工問題及處理措施

1.1 工程概況

福建省三明市沙溪流域防洪工程位于閩江上游沙溪干流右岸,當地氣候屬于中亞熱帶海洋性氣候,同時具有海洋性氣候和山區氣候的特點,春夏兩季受海洋氣團影響,濕潤多雨;秋冬兩季則受大陸氣團的影響,寒冷干燥。受氣候影響,三明市全年降水量在1 440～1 825mm。

工程所處區域的巖層從上至下為:雜填土層、含泥粉細砂、砂質卵石、全風化粉砂巖-花崗巖、強風化粉砂巖-花崗巖、弱風化粉砂巖-花崗巖。其中,雜填土層成分較為復雜,由碎石、碎磚塊、煤渣、水泥塊等建筑垃圾、各類砂土料等組成,局部還有生活垃圾、根植土等。含泥粉細砂呈深灰或灰黑色,質地比較松散,而砂質卵石則呈灰黃或褐黃色,質地相較于含泥粉細砂更致密。全風化粉砂巖-花崗巖一般呈深灰或灰黑色,其礦物成分已大多風化,巖芯多呈土狀,局部含有風化殘留的碎塊,原巖結構大部分已被破壞,裂隙發育,巖體破碎為散體狀結構,屬于極軟巖。強風化粉砂巖-花崗巖的風化程度不均勻,巖芯呈土狀含碎塊狀或碎塊狀含土狀,巖體同樣為散體狀或碎裂狀結構。弱風化粉砂巖-花崗巖屬于極軟～中硬巖,巖芯呈短柱或柱狀,少數為塊狀;節理裂隙發育,節理面有微張和鐵銹渲染,巖體破碎程度較低。

在設計防洪工程時,考慮到當地的氣候和地質特點,采用復合式堤形,下部由樁基加鋼筋承臺組成,上部由土堤加生態預制塊護坡組成,局部采用框格梁護坡、擋墻護腳。防洪標準采用30年一遇洪水設計,排澇標準采用5年一遇,工程主要建筑物級別為3級。工程堤防長1 927.75m,親水駁岸長1 514.57m,設計常水位為146m。承臺高程147.00m,寬度3.0m,厚度0.6m,土堤邊坡坡比1∶1.5～1∶3.5。樁基采用灌注樁,鉆孔工藝為沖孔鉆孔,樁徑0.8m,前排樁距1.5或2.0m,后排樁距3.0m,樁基深入強風化層以下0.5m。為了提高堤防的親水性,每間隔300m左右設置一道臺階,通往承臺,承臺兼作親水步道;同時,每隔15.0或18.0m設置一道伸縮縫,縫寬2cm,瀝青杉板填充。

1.2 沖孔灌注樁水下施工常見問題

與普通灌注樁不同,沖孔灌注樁是通過沖擊鉆機把帶鉆刃的重鉆頭提高,利用自由下落的沖擊力來削切巖層,排出碎渣成孔,然后再進行混凝土澆筑。沖孔灌注樁具有對鄰近建筑物及周圍環境的有害影響小、單樁承載力大以及樁端可進入持力層或嵌入巖層等優點。但由于其施工工藝較為復雜,導致其容易發生質量事故。因此,為了提高沖孔灌注樁的施工質量,以福建省三明市沙溪流域防洪工程為例,對沖孔灌注樁常見施工問題進行分析。沖孔灌注樁的施工流程見圖1。

圖1 沖孔灌注樁施工流程

由圖1可知,首先需要對場地進行平整,然后進行樁位放樣并埋設護筒;待樁機就位后進行沖孔,并進行泥漿循環。在沖孔完畢后先進行一次清孔,再安裝鋼筋籠;然后進行二次清孔和沉渣檢測,再進行導管安裝;最后即可進行混凝土灌注。

在上述步驟中,沖孔和灌注步驟最易出現問題。沖孔時,由于沖錘下落或提升時碰撞孔壁、安裝鋼筋骨架時碰撞孔壁、護筒密封度較差、護筒位置過淺、孔內泥漿低于孔外水位、泥漿密度不夠、承壓水低于靜壓水以及地質過于松軟等原因,容易導致塌孔現象發生[3-5]。此時,孔內泥漿會突然下降,孔口出現大量氣泡,而且出渣量激增,鉆頭前進困難,機器負荷增加。此外,泥漿泵的壓力也會升高,進而導致泥漿泵停止工作。鉆孔時,容易出現沖孔傾斜問題,導致鋼筋籠難以安裝,從而引起沖孔灌注樁的承載能力下降。沖孔傾斜一般是由巖質硬度不均、灌注樁架固定不牢、鉆桿骨架不垂直或存在變形、鉆機磨損嚴重、鉆頭受力不均等原因造成的。受泥漿密度過大、提錘過低等因素的影響,在鉆孔時可能只有部分巖層受到沖擊破碎,導致出現梅花孔,即沖孔形狀不規則[6-8]。形成梅花孔后,由于其形狀不規則,導致沖錘易被卡住。當遇到較大的探頭石或石塊落入孔中,同樣會導致卡錘。在混凝土灌注期間,由于導管進水、混凝土質量缺陷、孔壁坍塌和泥漿調整不當等原因,會導致沖孔灌注樁縮徑甚至斷樁。而混凝土的粗骨料粒徑過大和坍落度過小等因素,容易導致導管堵塞。此外,鋼筋籠上浮也是混凝土灌注時的常見問題,一般是由導管提升速度過快、出料量過多、混凝土上反速度過快、靜水壓力不穩以及混凝土流變性不足等原因造成的。

1.3 沖孔灌注樁常見施工問題處理措施

在沖孔灌注樁施工過程中,由于塌孔、沖孔傾斜、卡錘、沖孔灌注樁縮徑或斷樁等問題,會造成沖孔灌注樁的承載性能受到較大影響。因此,為了保證灌注樁的性能,將施工過程中常見問題的處理措施進行總結。見表1。

表1 沖孔灌注樁常見施工問題的處理措施

由表1可知,針對塌孔問題,可以通過提升或落下沖錘及安裝鋼筋骨架時保持垂直、護筒用黏土進行密封,并保證其深度大于1m和及時添加適量泥漿等措施進行控制。針對沖孔傾斜問題,則可以通過固定灌注樁架、校正鉆桿骨架垂直度、合理控制鉆頭進速及采用低錘密擊的方式破碎巖石等方法進行控制。針對梅花孔,可以通過對轉向吊環進行定時檢查、降低泥漿密度、適當提高提錘高度和利用黏土混合片石對梅花孔進行填充并重新沖孔的方法進行控制。針對卡錘問題,可以通過錘擊使其脫落或利用吊鉤吊起。針對沖孔灌注樁縮徑或斷樁問題,則可以通過對導管進行密封性檢驗、控制混凝土質量及加入緩凝劑等方法進行控制[9-10]。針對堵管問題,通過保證混凝土坍落度和粗骨料粒徑即能實現控制。針對鋼筋籠上浮問題,可以通過提升速度合適、適當減少出料量、清孔時逐級換漿和在混凝土中添加粉煤灰等方法進行改善。

2 樁身完整性檢測及分析

在沖孔灌注樁施工完畢后,為了保證施工質量,需要對其進行檢驗。檢驗項目包括單樁承載力、混凝土強度、樁身完整性和樁位偏差。其中,單樁承載力是最重要的項目,但其檢測成本高、周期長,在施工現場進行檢測較為困難。樁身完整性不僅能直接反映樁身的材料密實度、截面尺寸變化情況以及缺陷情況,還能在一定程度上反映灌注樁的承載能力。根據相關規定,當樁身無缺陷時,該樁即為Ⅰ類樁;當樁身存在輕微缺陷時,即為Ⅱ類樁;當樁身存在明顯缺陷時,即為Ⅲ類樁;當樁身存在嚴重缺陷時,即為Ⅳ類樁。常見的樁身檢測方法有鉆芯法、低應變反射波法、高應變法和超聲波透射法。其中,鉆芯法受取樣位置的限制,導致其準確度不高。低應變反射波法僅能給出缺陷位置,而無法給出缺陷程度及性質。高應變法操作復雜,設備笨重,故應用較少。超聲波透射法檢測精度高,且不受樁長限制,因此被廣泛應用于樁基工程的檢測。

研究以福建省三明市沙溪流域防洪工程為例,通過超聲波透射法對樁身進行檢測。HH0+518.39號樁和HH0+619.29號樁的聲速、波幅及PSD曲線見圖2。

圖2 HH0+518.39號樁和HH0+619.29號樁的聲速、波幅及PSD曲線

由圖2(a)可知,HH0+518.39號樁的聲速為5.2km/s,大于臨界值;波幅約為1 200pV,同樣大于臨界值;且超聲波的PSD值穩定,未發生突變,表明該樁為Ⅰ類樁。由圖2(b)可知,HH0+619.29號樁的超聲波聲速和波幅分別為5.5km/s和1 180pV;PSD值穩定,未發生突變,表明該樁同樣為Ⅰ類樁。上述結果顯示,當超聲波的波速和波幅均大于臨界值,且PSD值穩定,未發生突變時,表明該樁的混凝土強度較高,且無缺陷。

HH0+425.46號樁和HH0+738.89號樁的聲速、波幅及PSD曲線見圖3。

圖3 HH0+425.46號樁及HH0+738.89號樁的聲速、波幅及PSD曲線

由圖3(a)可知,HH0+425.46號樁的聲速及波幅均在5m處發生突降,此時的聲速和波幅最低分別為0.2km/s和208pV;而PSD值在5m處發生突升,此時PSD值最大為87g2/Hz,表明該樁為Ⅳ類樁。由圖3(b)可知,HH0+738.89號樁的聲速和波幅均在灌注樁底部發生劇烈下降,此時聲速和波幅的最小值分別為6.1km/s和600pV;而PSD值則在底部突然升高,此時PSD值最大為65g2/Hz,導致底部聲速、波幅及PSD值突變的原因是泥漿沉淀和沉渣沉積在灌注樁底部。

HH0+369.79號樁和HH0+838.68號樁的聲速、波幅及PSD曲線見圖4。

圖4 HH0+369.79號樁和HH0+838.68號樁的聲速、波幅及PSD曲線

由圖4(a)可知,在HH0+369.79號樁的3m位置處,灌注樁的波幅突降,而PSD值突然升高,此時波幅及PSD值分別為208pV和5.6g2/Hz。同時,在9m之后無聲速、波幅及PSD值,表明HH0+369.79號樁在3m處左右存在缺陷,且存在堵管現象。由圖4(b)可知,HH0+838.68號樁的聲速變化不大,但在7.5～8m處,灌注樁的PSD值突然上升,而波幅突降,表明該樁在7.5～8m處存在缺陷。

HH1+355.39號樁和HH1+526.86號樁的聲速、波幅及PSD曲線見圖5。

圖5 HH1+355.39號樁和HH1+526.86號樁的聲速、波幅及PSD曲線

由圖5(a)可知,在HH1+355.39號樁的16m處,其聲速及波幅均突降,而PSD值突然上升,此時的聲速、波幅及PSD值分別為4.58km/s、206pV和66g2/Hz,表明該樁在16m處存在缺陷。由圖5(b)可知,HH1+526.86號樁的聲速及波幅均在1.5～3m處突降,此時聲速及波幅的最小值分別為1.74km/s和202pV。此外,在該處灌注樁的PSD值突然升高,其最大值為87g2/Hz,表明HH1+526.86號樁在1.5～3處存在缺陷。

3 結 論

沖孔灌注樁施工技術難度較高,容易出現質量缺陷。為了保證沖孔灌注樁的施工質量,本文對其常見施工問題及處理措施進行了研究,并以三明市沙溪流域防洪工程為研究對象,對其沖孔灌注樁進行了超聲波透射檢測。結果顯示,HH0+425.46號樁及HH0+738.89號樁的聲速最小值分別為0.2和6.1km/s;波幅最低分別為208和600pV。其中,HH0+425.46號樁的PSD值在5m處發生突升,而HH0+738.89號樁的PSD值則在底部突然升高,表明HH0+425.46號樁為Ⅳ類樁,而HH0+738.89號樁存在泥漿沉淀和沉渣沉積。研究顯示,施工中沖孔灌注樁難以避免存在缺陷,因此需要對其進行及時的干預和控制,以減少質量缺陷。