厚大海相沉积地层桩基施工工艺浅析胡凯

2012年9月内蒙古科技与经济September2012　第18期总第268期Inner M o ngo lia Science T echnolo gy&Economy N o.18T o tal N o.268
厚大海相沉积地层桩基施工工艺浅析
胡　凯
(河南省有色金属地质勘查总院,河南郑州　450002)
摘　要:通过参与福建京福高速、长乐跨海大桥、金上大桥等工程中的海相沉积地层钻孔灌注桩施工,总结了厚大海相沉积地层桩基施工经验,对厚大海相沉积地层的钻孔灌注桩施工工艺进行了总结和归纳,为今后类似工程提供了可借鉴的基础资料。

关键词:桩基;海相沉积地层;施工工艺;质量控制
中图分类号:U445.55+1 文献标识码:B 文章编号:1006—7981(2012)18—0051—03
桩基础是天然软弱地层不能满足结构物对差异沉降限制地基所普遍采用的方法,厚大海相沉积地层就具有很好的代表性,在这些地层大多采用桩基础。

海相沉积地层,其特点是颗粒较细而分选好,主要为砂、软泥、微生物与碳酸盐,沉积结构,具有斜层理和冲蚀、生物碎屑等海水剧烈运动的痕迹,以及缅粒结构和周期性多变的沉积层。

在这样地层桩基施工有很多不同于其他地层的特点和技术难题。

在海相沉积层成孔过程中怎样预防超径、塌孔埋钻;灌注过程中怎样预防塌孔造成桩身夹泥、断桩,这些需要特定的技术作保障。

1　工程概况
福建福州马尾跨海大桥施工采用端承桩,金上大桥采用摩擦桩群桩,京福高速闽侯八标主桥采用摩擦桩群桩,宁德田螺大桥用钢管桩搭建承台钻机在承台上施工,采用摩擦桩群桩。

4个工地施工中共同特点是所有钻孔施工中均受海水潮汐作用,需要保持孔内冲洗液的水头高度,防止漏桨造成塌孔。

宁德田螺跨海大桥海水潮汐对施工影响最大,钢护筒里要下一个专用水泵,用以平衡水头压力。

涨潮时要往孔内注水,落潮时要往孔外抽水,增加了施工难度和风险。

本区水系极为发育,福州地处闽江中下游,自南平到闽江入海口,沿途有吉溪、尤溪、古田溪、梅溪、大樟溪等支流汇入。

闽江下游在淮安分南北两港,北港绕南台岛北面,穿过福州市至马尾与绕过南台岛南面的南港相汇,再流经闽安镇被琅岐岛分为南北两支,南支经长乐县梅花镇,北支经连江县头镇流入东海。

福州地区地形自西向东,地貌类型由中山而低山、而高丘陵、而低丘陵,而台地平原,直至与海,地势呈层状下降,沿海一带有的地方因断块隆起,也形成一些较高的山峰,第四系地层,主要分布在东部沿海地区及内陆山间盆地中,面积小且不连续,以海积、冲洪积、残积层分布最广。

沉积层厚度一般在50m以内下,沿海地区较厚,向陆地方向变薄。

组成物质沿海较细,向陆地方向变粗,由海相沉积过渡为陆相沉积,其中冲洪、冲海积平原赋存沙石。

基岩主要出露为中生代沉积——火山岩系,占地层总面积近2/3。

这些工地下部工程所处均是海相沉积地层,地表是第四系杂填土,下部为沙、卵石,卵砾石层较厚,卵石直径在200mm左右,而且板结。

沉积物为蓝色、红色等暗色软泥及灰质软泥;土质松软、造浆率高、泥浆中含砂率很大,灌注过程中井壁不稳定,易塌孔造成桩体夹泥断桩。

这些工地均在海边,受海水的潮汐作用影响很大,特别是初一、十五天文大潮,涨潮和落潮落差大,很容易造成孔内井壁失去平衡,产生护筒底部漏水,泥浆漏失或者孔内水头低产生井壁坍塌。

2　海相沉积地层灌注桩的施工工艺及施工要点
2.1　钻孔施工
2.1.1　根据地质勘察报告选择钻机类型
这些工地所有地层都有很厚的卵砾石层,卵石直径在200mm左右,现场取出最长达500mm猪腰状。

当钻机将板结的卵石搅散后大卵石跟着钻头转,一般的回转钻机对这么大的卵石没有办法破碎,机械破碎阻力很大,三翼钻头经常扭坏;由于卵石跟着钻头转,牙轮钻头也打不下去;打到卵石层时使用旋挖筒把大卵石捞起再进行回转钻进,这样工序太复杂。

利用冲击钻对付卵石很好,效率很高,但遇到沙层和淤泥层冲击钻就没有办法了,特别是沙层很厚的情况下,效率低、能耗大、费工、费时。

有些单位使用上海GW-20工程钻机施工覆盖层和沙层,到卵石层换冲击钻来克服卵石层,打过卵石层再换GW -20工程钻机施工。

这样工序太复杂,而且经常造成钻孔孔径不完整和钻孔垂直度达不到要求。

根据实地考察我们选用江西有色地质机械厂生产的GW -40反循环工程钻机,采用全孔反循环技术。

它的钻杆直径 325mm,它配备的是12BS反循环泵,理论上讲 300m m直径的卵石都能抽上来,对应这种地层是很好的选择。

2.1.2　钻孔前的准备工作
钻孔前的准备工作主要包括桩位放样,整理平整场地,布设施工便道,设置供电及供水系统,制作和埋设护筒,制作钻孔架,泥浆的制备和准备钻孔机具等。

2.1.2.1　场地整理。

施工前,施工场地按不同情况进行处理。

对于处在水中的钻孔桩基础都必须采用
收稿日期:2012-06-13
作者简介:胡凯(1962-),男,河南西峡人,地质工程师,1982年毕业于长春冶金地质学校,毕业至今一直从事地质找矿及相关工作。

　总第268期　内蒙古科技与经济
土袋围堰筑岛,平台高度要在常水位(有潮汐作用江河要考虑大潮高度)1m以上,填土外部按1∶1.5放坡用编制袋装土填筑,以防冲刷;在大海中施工潮汐作用很大必须搭设施工平台。

桩基处在旱地时,清除杂物后夯压密实即可。

钢管桩平台要根据地层计算好强度,保证平台稳固,能够抵御海水潮汐侵犯。

护筒要下到淤泥地层,防止漏浆。

各标段钻孔桩均使用钢护筒,满足坚固、耐用、不易变形、不漏水、装卸方便并能重复使用的要求,采用3m m～5mm钢板制作。

为保证其刚度,防止变形,在护筒上、下端和中部外侧各焊一道加劲肋。

合同段的钻孔桩直径为 150cm、180cm和200cm。

根据钻孔桩直径,我们所做的护筒直径为 175cm、215cm和235cm。

护筒埋设时,其轴线对准测量所标出的桩位中心,护筒周围和护筒底接触紧密,保证其位置偏差不大于5cm,倾斜度不大于1%。

2.1.2.2　泥浆的制作。

制浆前,先把粘土尽量打碎,使其在搅拌中容易成浆,缩短成浆时间,提高泥浆质量。

制浆时,可将打碎的粘土直接投入护筒内。

使用搅拌机制浆,待粘土已冲搅成泥浆时,即可进行钻孔。

多余的泥浆用管子导入钻孔外泥浆池贮存,以便随时补充孔内泥浆。

泥浆比重控制在1.05～1.15之间,粘度在16～25P a/s,含砂率≤4%。

保持好泥浆的性能,可防止塌孔,泥浆往孔外渗漏,在钻进过程中由于钻头的作用,孔壁表面形成一层胶泥,具有护壁作用,同时将孔外水流切断,能稳定孔内水位。

泥浆比重大有利于往孔外携带泥沙,平衡孔内外水头压力,稳定井壁。

2.1.2.3　钻机就位。

埋设好护筒后,即可进行钻机就位,使用的钻机为GW-40全孔反循环工程钻机。

就位时,只要使转盘中心对准测量放样时所测设的桩位即可,其对中误差不得大于5cm。

钻机的4个液压支腿一定要将钻机调平,调平后将液压油缸锁死,防止在钻井过程中钻机失去平衡。

2.1.3　钻进
先启动泥浆泵和转盘,使之空转一段时间,待泥浆输进一定数量后,方可开始钻进。

开孔时要轻压慢转,保证开孔垂直为整个钻孔垂直度有保证打好基础,吊着钻具不能过急,随孔深增加慢慢加压提高转速。

接、卸钻杆的动作要迅速、安全,争取在尽快时间内完成,以免停钻时间过长,增加孔底沉淀。

同时要关注泥浆的粘度,在反循环能启动的前提下,尽量增大粘度,提高泥浆的护壁功能,防止塌孔造成埋钻事故,保证井壁完整才能保证灌注时不超方;泥浆质量的好坏直接关系到井内沉渣的多少,关系到以后清孔难易,以致成桩的质量。

2.1.
3.1　钻进时操作要点。

开始钻进时,进尺应适当控制,在护筒刃脚处,应低档慢速钻进,使刃脚处有坚固的泥皮护壁。

钻至刃脚下1m后,可按土质以正常速度钻进。

如护筒土质松软发现漏浆时,可提起钻锥,向孔中倒入粘土,再放下钻锥倒转,使胶泥挤入孔壁堵住漏浆孔隙,稳住泥浆继续钻进。

2.1.
3.2　在粘土中钻进,由于泥浆粘性大,钻锥所受阻力也大,易糊钻。

易选用尖底钻锥、中等转速、大泵量、稀泥浆钻进。

2.1.
3.3　在砂土或软土层钻进时,易坍空孔。

易选用平底钻锥,控制进尺,轻压,低档慢速,大泵量,稠泥浆钻进。

2.1.
3.4　在轻亚粘土或亚粘土夹卵、砾石层中钻进时,因土层太硬,会引起钻锥跳动和钻杆摆动加大及钻锥偏斜等现象,易使钻机超负荷损坏。

宜采用低档慢速,优质泥浆,大泵量,两级钻进的方法钻进。

2.1.
3.5　钻进到设计孔深时,应检查钻孔直径和竖直度,这种地层由于是大多沉积淤泥和砂卵石,组织不好成孔速度慢易造成塌孔,井壁不稳定、成孔速度过快又容易造成孔斜、缩径钢筋笼下不去等事故,所以成孔后必须用探笼进行检查,检查工具可用圆钢筋笼(外径D等于设计桩径,高度3m～5m)吊入孔内,使钢筋笼中心与钻孔中心重合,如上下各处均无挂阻,则说明钻孔直径和竖直度符合要求。

2.2　钢筋笼安放
2.2.1　检测孔深、倾斜度、直径和清孔
钻孔完成后,必须检测孔深、直径和倾斜度,其中孔径和孔深须达到设计要求,倾斜度不得大于1%。

清孔就是在吊放钢筋笼之前,对孔内石碴、泥浆进行必要清理,做到孔内含泥量、含碴量和孔底沉渣符合设计及图纸要求。

2.2.2　泥浆排放
对钻孔、清孔、灌注砼过程中排出的泥浆,根据现场情况引入到适当地点进行处理,以防止对河流及周围环境的污染。

2.2.3　钢筋笼制作和吊装就位
2.2.
3.1　材料:制作钢筋笼所使用钢筋的种类、型号和直径符合设计图纸的规定。

其Ⅱ级钢筋的力学性能符合《钢筋砼用热轧带肋钢筋》(GB1499-91)之规定;Ⅰ级钢筋的力学性能符合《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》(GB13013-91)之规定。

2.2.
3.2　钢筋笼的制作:钢筋笼均不能整体安装,分段吊装组合。

制作钢筋笼时,对钢筋的调直、除锈、截断、弯折与焊接均按设计图纸和技术规范要求进行。

钢筋笼的主筋尽量为整根,需要对接时,宜采用搭接焊接头,搭接的长度不小于5d,末端不设弯钩。

成品钢筋笼保证其顺直、尺寸准确,其直径、主筋间距、箍筋间距及加强箍筋间距施工误差,均不大于20mm。

2.2.
3.3　钢筋笼的安装: 为保证钢筋笼外砼保护层的厚度符合设计要求,在其上下端及中间每隔2m 在一横截面上设置4个钢筋“耳环”。

钢筋笼吊装之前,先对钻孔进行检测。

检测使用的探孔器直径和钻孔直径相符,主要检测钻孔内有无坍塌和孔壁有无影响钢筋安装的障碍物,如突出尖石、树根等,以确保钢筋笼的安装。

钢筋笼吊装时对准孔位,尽量竖直轻放、慢放,遇障碍物可慢起慢落和正反旋转使之下落,无效时,立即停止下落,查明原因后再安装。

不允许高起猛落,强行下放,防止碰撞孔壁而引起坍塌。

入孔后牢固定位,容许偏差不大于5cm,并使钢筋笼处于悬吊状态。

2.3　灌注混凝土
砼材料要求和导管、漏斗、储料斗的制备。

组成砼的碎石、砂的级配良好,最大颗粒尺寸的选择以适合结构物尺寸,钢筋间距及砼拌和、装卸、浇注及操作为准。

集料中的杂物含量,符合规范要求,必要时清洗和过筛,以除去有害杂质。

拌制砼用水在
　胡凯・厚大海相沉积地层桩基施工工艺浅析2012年第18期
使用前做水质化学分析,试验按JT J056-84规定进行。

砼所用水泥符合GB175-85的规定,所有水泥都必须经合格分供方评定后,从批准的厂家进货;水泥进场时,必须附有水泥出厂合格证,并且经本单位中心试验室(国家认可的)检验合格。

2.4　导管、漏斗和储料斗的制备
导管是灌注砼的重要工具,用3mm厚钢板卷制焊成,其直径按桩长、桩径和每小时需要通过的砼数量决定,不得小于250mm,导管分节长度应便于拆装和搬运、并小于导管提升设备的提升高度,中间节一般长2m左右,下端节可加长至4m～6m,漏斗下可配长约1m的上端节导管,以便调节漏斗的高度。

中间节两端焊有法兰,以便用螺栓互相连接。

法兰厚度10mm～12mm,法兰边缘比导管外壁大出40mm ～50mm、直径12mm～16mm、螺栓孔6～8个。

在一端法兰附近焊有小吊耳一对,备栓挂钢丝绳用,上下两节法兰间垫以4m m～5mm厚橡胶垫付圈,其宽度外侧齐法兰盘边缘,内侧稍窄于法兰内缘。

漏斗用2mm～3mm厚的钢板制成圆锥形或棱锥形,在距漏斗上口的15cm处的外面两侧对称地焊吊环各一个,圆锥形漏斗上口直径取800mm,高为900mm;锥形漏斗结构尺寸为1000×1000×800mm,插入导管的一般长度均设15cm。

储料斗采用3mm厚钢板及加劲肋制做,底部做成斜坡,出口设闸门,活动溜槽设在储料斗出口下方,溜槽下接漏斗。

首灌时准备一个大料斗,保证首灌方量能够使导管埋深在1m以上。

根据计算确定,所有桥梁钻孔桩使用的首灌料斗均按6m3考虑。

根据压力平衡的原理,在灌注混凝土时,导管内的混凝土要高于孔内已灌注混凝土面的高度。

1g h= 2g h1
式中:D—钻孔直径;
d—导管内直径(取值316mm);
h—孔口距混凝土面的深度(取值50m);
h1—导管内混凝土高出孔内混凝土的高
度;
1—泥浆的比重,取值1.1;
2—混凝土的比重,取值2.5。

孔径 2000 1800 1500 1000
每米方量 3.14m3 2.54m3 1.77m30.785m3埋深1m所需方量 6.12 5.29 4.20 2.82
导管内混凝土h1 1.72 1.72 1.72 1.72
砼的拌合:各合同段钻孔桩所使用砼标号为25号,配合比设计时坍塌落度取18cm～22cm之间,骨料采用机制碎石,粒径0.5cm～3cm,最大不超过4cm,水灰比用0.5～0.6。

每立方米砼水泥用量符合试验要求,实配标号比设计标号高10%～15%。

拌制砼前,先精确称量每盘砼所需的砂石材料,拌合用水以体积称量,袋装水泥按每袋50kg计算,散装水泥以料斗来配。

搅拌时间从所有材料进鼓加水到排出,不小于2m in～2.5min,在下盘材料装入前,搅拌机内的拌合料全部倒完。

如果搅拌机停用超过30min时,将搅拌机彻底清洗后才能拌合新砼,为保证灌注砼的连续性,在灌注钻孔桩时,备用一台应急搅拌机。

钻孔桩砼灌注:砼灌注工作开始后,必须连续不断地进行并且每斗砼灌注间隔时间尽量缩短,拆除导管所耗时间严格控制,一般不超过15min,不能中途停工;在灌注砼过程中,随时探测砼高度,及时拆除或提升导管,注意保持适当的埋深,导管埋深一般保持在2m～4m,最大埋深不大于6m。

注砼注意的几个问题: 导管下端距桩底控制为0.3m～0.4m;在一切工作就绪,经量测孔底沉淀层超标时,采用射水(射风)管冲射3min～5min。

导管埋入砼的深度在任何时候不小于1.0m。

水下灌注砼的实际桩顶标高应高出桩顶设计标高0.5m左右。

严禁导管漏水或导管底口进水(即封不住底)而造成断桩事故,保证施工质量。

当砼灌注完毕后,待桩上部砼开始初凝,解除对钢筋笼固定措施,保证钢筋笼随着砼的收缩而收缩,避免粘结力的损失。

清理桩头:等桩头砼强度达到设计值的25%时,立即拆除护筒并凿除桩头多余砼。

达到桩顶设计标高,凿除桩头砼采用人工手工凿除,不许采用爆破或其他影响桩身质量的方法进行。

3　钻孔灌注桩常见质量事故的防治措施
3.1　钻孔灌注桩施工中常见塌孔、钻孔偏斜
在厚大海相沉积地层钻孔灌注桩施工过程中,钻孔地层大多松散,水敏性强,易塌落。

特别是使用反循环钻机,全孔反循环冲洗液对孔壁的冲刷很大,最有效的办法是采用高比重,高粘度的泥浆,到易塌层时减少泥浆循环速度,向孔内投入粘土、泥膏,将比重调到1∶30,粘度25s以上。

开孔前一定要将钻机调整水平,周围要垫实,保证钻机稳固。

开钻至5m时就要下探笼检验钻孔是否垂直,钻孔偏斜若用反复扫孔法无法修复,则应回填粘土至孔斜处500mm以上再重新钻进,钻过偏斜段时下探笼检验孔的垂直度。

3.2　卡管、导管进水
卡管会造成桩身夹泥,加沙而形成断桩,所以要保证混凝土的和易性、粒径与级配、泥浆比重、导管的密闭性和隔水塞的正确使用。

(下转第55页)
　孟康,等・从粉煤灰中提铝的试验研究2012年第18
期
图1　浸出条件对浸出率的影响
3　结论
通过对粉煤灰焙烧——酸浸过程进行了研究,
考察了焙烧、酸浸对提取铝的影响。

试验结果表明:
焙烧条件为:时间2h ,焙烧温度850℃,粉煤灰与ZP
的质量比为5∶1;浸出条件为:反应温度90℃,浸出
时间2h ,盐酸浓度5ml /l ,液固比5ml /g 的条件下,铝
提取率达到93.12%。

[参考文献]
[1]　董典同,张杰,郭建民,等.利用钛白废酸从
粉煤灰中提取铝的研究[J].青岛建筑工程学院,2003,24(3):50～52.[2]　许士洪.工业废渣合成P AFCS 絮凝剂及其在处理造纸黑液中的应用[D].武汉:武汉理工大学,2002.[3]　华一新.冶金过程动力学导论[M ].北京:冶金工业出版社,2004.28.[4]　郑迪吉,译.Sohn H ,Wadsw ort h M E .M etall urg ical Ex t ract ion Rat e Equation
[M ].北京:机械工业出版社,1984.35～50.(上接第53页)　混凝土的和易性包括流动性、粘聚性和保水性,和易性不好主要原因有水灰比不合理、搅拌时间短塌落度小,混凝土运输过程中混凝土离析泌水也是卡管的主要因素。

粒径与级配的不合理更容易造成卡管。

所以要严格执行实验室的配方执行混凝土搅拌,现场测量塌落度。

导管一定要做压水试验,保证有足够的承压能力,安装时一定上紧丝扣保证其密闭。

首灌时水塞一定要封住漏斗口,拔塞装置要可靠,保证混凝土能顺利下泄不能进空气。

首灌方量要保证混凝土能埋住导管底部0.8m ～1.3m ,同时考虑导管要离孔底500mm 。

灌注过程中导管始终要埋入混凝土2m ～6m 。

3.3　钢筋笼上浮
影响混凝土上浮主要因素有灌注工艺、混凝土本身质量、泥浆比重、钢筋笼形状及放入位置有关。

混凝土料斗过高过大,是的混凝土灌注速度过快,加大了混凝土的商贩速度从而增大料混凝土的作用力造成钢筋笼上浮;混凝土浇筑时间过长活不连续,混凝土离析豁出凝时间过短,已经灌注的混凝土表面形成硬壳,以混凝土上升带动钢筋笼上浮;泥浆的比重过大,一方面你将对钢筋笼的浮力增大,另一方面
当混凝土上升时,泥浆的阻力系数变大从而粘性力增大加大了钢筋笼上浮的几率;钢筋笼在吊装过程中由于操作不当致使钢筋笼在孔内呈弯曲状,这样混凝土在上返过程中增大了钢筋笼的正面积,从而增大了混凝土向上的作用力。

针对以上原因,我们及时控制混凝土灌注速度,组织好各个施工环节,优质高效工作,严格执行各工序操作规程防止出现以上问题。

通过项目部全体员工的共同努力,本工程按时、按质完成了施工任务,取得了很好的经济效益和社会效益。

[参考文献]
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出版社,2009.
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[4]　宋迪.钻孔灌注桩质量控制要点及事故处理
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承载力的因素分析[J].上海地质,2003,(4).。