作用機理
1、對樁端承載力的影響機理
泥漿的一個重要的作用就是樁底清孔,其目的就是為了防止砂粒在孔中沉澱超過設計規定的厚度。如泥漿不能將孔中的鑽渣清理乾淨,孔底就會有過多的沉澱,形成軟墊層,這樣必然降低樁端承載力,增加沉降,尤其是降低載入初期樁的剛度。
2、對樁側承載力的影響機理
泥漿在循環的過程中,泥漿中的自由水不斷向孔壁滲透,同時泥漿中的土顆粒不斷黏附在孔壁表面上,形成一層比較柔韌的黏土膜,抵抗沖刷介質對孔壁的沖刷,起到穩定孔壁、防止坍塌的作用,隨著鑽孔的加深和循環時間的延長,泥皮也在不斷地加厚。泥皮具有滲透能力差、止水性好、抗剪強度低的特點。其影響了混凝土與樁側土的直接結合,從而降低了混凝土灌注樁的樁側摩阻力,泥皮愈厚,降低程度越大。
3、對樁身自身強度的影響機理
在混凝土灌注階段,性能不好的泥漿的液柱靜切力對混凝土面上升起阻礙作用,容易造成混漿,即樁身混凝土中夾雜泥漿,從而影響樁身混凝土強度。
操作工藝
1.施工平台
(1)場地內無水時,可稍作平整、碾壓以能滿足機械行走移位的要求。
(2)場地為淺水且水流較平緩時,採用築島法施工。樁位處的築島材料優先使用黏土 或砂性土,不宜回填卵石、礫石土,禁止採用大粒徑石塊回填。築島高度應高於最高水位 1.5m,築島面積應按採用的鑽孔機械、混凝土運輸澆築等的要求決定。
(3)場地為深水時,可採用鋼管樁施工平台、雙壁鋼圍堰平台等固定式平台,也可採用浮式施工平台。平台須牢靠穩定,能承受工作時所有靜、動荷載,並能滿足機械施工、人 員操作的空間要求。
2. 護筒
(1)護筒一般由鋼板卷制而成,鋼板厚度視孔徑大小採用4~8mm,護筒內徑宜比設 計樁徑大100 mm,其上部宜開設1~2 個溢流孔。
(2)護筒埋置深度一般情況下,在黏性土中不宜小於lm;砂土中不宜小於1.5m;其高度尚應滿足孔內泥漿面高度的要求。淤泥等軟弱土層應增加護筒埋深;護筒頂面宜高出地 面300mm。
(3)旱地、築島處護筒可採用挖坑埋設法,護筒底部和四周回填黏性土並分層夯實;水域護筒設定應嚴格注意平面位置、豎向傾斜,護筒沉入可採用壓重、振動、錘擊並輔以護 筒內取土的方法。
(4)護筒埋設完畢後,護筒中心豎直線應與樁中心重合,除設計另有規定外,平面允 許誤差為50mm,豎直線傾斜不大於1%。
(5)護筒連線處要求筒內無突出物,應耐拉、壓、不漏水。應根據地下水位漲落影響, 適當調整護筒的高度和深度,必要時應打入不透水層。
調製和使用
鑽孔泥漿的主要性能有泥漿密度、黏度、靜切力、含砂率、膠體率、失水率、酸鹼度和塑性指數等。泥漿的性能指標是鑽孔灌注樁施工的重要工藝指標,每一個性能指標的變化都直接影響到機械鑽速、孔壁穩定、孔內淨化、鑽頭壽命和預防孔內事故等一系列的成孔工藝問題,直接影響孔深、孔徑、垂直度、泥皮厚度和孔底沉渣厚度等,特別對超長大直徑鑽影響更顯著。要充分發揮泥漿的作用,其性能指標的選取非常重要。
在泥漿性能指標中最主要的是密度指標。泥漿密度的大小決定於泥漿中固相物質的含量和固相的密度。而要保證灌注樁成孔過程中不塌孔,應要求泥漿具有適宜的密度。如果泥漿密度過大,雖能維持鑽孔和地層間壓力的平衡,維護孔壁的穩定,加大懸浮鑽碴的能力,但同時也會造成泥漿中無用固相含量較多,
附著在孔壁的泥皮過厚,而且泥皮疏鬆,韌性較低,不但會使鑽孔縮徑,而且會引起孔壁水化崩塌,導致泥皮脫落,致使孔內不能淨化,造成清孔困難。有時還會使泥漿泵產生堵塞,使砼的置換產生困難。況且,泥漿中無用固相含量過高時,也會拖曳鑽頭的鑽進,使得岩屑顆粒重複破碎,導致機械鑽速下降,同時對管材、鑽頭、水泵、葉輪等會產生較大的磨損,降低其使用壽命。如果泥漿密度過小,泥漿護壁就容易失去阻擋孔壁土體坍塌的作用,造成坍孔,也會使清孔困難。
(1)護壁泥漿一般由水、黏土(或膨潤土)和添加劑按一定比例配製而成,可通過機械在泥漿池、鑽孔中攪拌均勻。
(2)泥漿的配置應根據鑽孔的工程地質情況、孔位、鑽機性能、循環方式等確定,調製好的泥漿應滿足要求。
(3)泥漿原料和外加劑的性能要求及需要量計算方法
1)泥漿原料黏性土的性能要求
一般可選用塑性指數大於25,粒徑小於0.074mm 的黏粒含量大於50%的黏性土製漿。當缺少上述性能的黏性土時,可用性能略差的黏性土,並摻入30%的塑性指數大於25 的黏 性土。當採用性能較差的黏性土調製的泥漿其性能指標不符合要求時,可在泥漿中摻入Na2CO3 (俗稱鹼粉或純鹼)、氫氧化鈉(NaOH)或膨潤土粉末,以提高泥漿性能指標。摻 入量與原泥漿性能有關,宜經過試驗決定。一般碳酸鈉的摻入量約為孔中泥漿土量的0.1%~ 0.4%。
2)泥漿原料膨潤土的性能和用量
膨潤土分為鈉質膨潤土和鈣質膨潤土兩種。前者質量較好,大量用於煉鋼、鑄造中,鑽孔泥漿中用量也很大。膨潤土泥漿具有相對密度低、黏度低、含砂量少、失水量少、泥皮薄、 穩定性強、固壁能力高、鑽具迴轉阻力小、鑽進率高、造漿能力大等優點。一般用量為水的 8%,即8kg 的膨潤土可摻100L 的水。對於黏性土地層,用量可降低到3%一5%。較差的 膨潤土用量為水的12%左右。
3)泥漿外加劑及其摻量
a.CMC(Carboxy Methyl Celluose)全名羧甲基纖維素,可增加泥漿黏性,使土層表 面形成薄膜而防護孔壁剝落並有降低失水量的作用。摻入量為膨潤土的0.05%~0.01%。
b.FCI,又稱鐵木質素磺酸鈉鹽,為分散劑,可改善因混雜有土、砂粒、碎、卵石及鹽分等而變質的泥漿性能,可使上述鑽渣等顆粒聚集而加速沉澱,改善護壁泥漿的性能指標, 使其繼續循環使用。摻量為膨潤土的0.1%~0.3%。
c.硝基腐殖碳酸鈉(簡稱煤鹼劑)分散劑,其作用與FCI 相似。它具有很強的吸附能力,在黏性土表面形成結構性溶劑水化膜,防止自由水滲透,能使失水量降低,使黏度增加,
若摻入量少,可使黏度不上升,具有部分稀釋作用,摻用量與FCI 相同。兩種分散劑可任 選一種。
d.碳酸鈉(Na2CO3)又稱鹼粉或純鹼。它的作用可使pH 值增大到10。泥漿中pH 值
過小時,黏土顆粒難於分解,黏度降低,失水量增加,流動性降低;小於7 時,還會使鑽具 受到腐蝕;若pH 值過大,則泥漿將滲透到孔壁的黏土中,使孔壁表面軟化,黏土顆粒之間 凝聚力減弱,造成裂解而使孔壁坍塌。pH 值以8~10 為宜,這時可增加水化膜厚度,提高 泥漿的膠體率和穩定性,降低失水量。摻入量為膨潤土的0.3%~0.5%。
e.PHP,即聚丙烯醯胺絮凝劑。它的作用為,在泥漿循環中能清除劣質鑽屑,保存造
漿的膨潤土粒;它具有低固相、低相對密度、低失水、低礦化、泥漿觸變性能強等特點。摻 入量為孔內泥漿的0.003%。
f.重晶石細粉(BaSO4),可將泥漿的相對密度增加到2.0~2.2,提高泥漿護壁作用。 為提高摻入重晶粉後泥漿的穩定性,降低其失水性,可同時摻入0.1%~0.3%的氫氧化鈉 (NaOH)和0.2%~0.3%的橡膠粉。摻入上述兩種外加劑後,最適用於膨脹的黏質塑性土 層和泥質頁岩土層。重晶石粉摻量根據原泥漿相對密度和土質情況檢驗決定。
g.紙漿、乾鋸末、石棉等纖維質物質,其摻量為水量的1%~2%,其作用是防止滲水 並提高泥漿循環效果。
以上各種外加劑摻入量,宜先做試配,試驗其摻入外加劑後的泥漿性能指標是否有所改 善,並符合要求。各種外加劑宜先製成小劑量溶劑,按循環周期均勻加入,並及時測定泥漿性能指標,防 止摻入外加劑過量。每循環周期相對密度差不宜超過0.01。
4)調製泥漿的原料用量計算
在黏性土層中鑽孔,鑽孔前只需調製不多的泥漿。以後可在鑽進過程中,利用地層黏性 土造漿、補漿。在砂類土、礫石土和卵石土中鑽孔時,鑽孔前應備足造漿原料,其數量可按如下公式計算:
m=Vρ1= (ρ2-ρ3) ×ρ1·V1/ (ρ1~ρ3)
式中
m——造泥漿所需原料的總質量(t);
V——造泥漿所需原料的總體積(m3) ;
V1--泥漿的總體積(m3);
ρ1--原料的密度(t/m3);
ρ2——要求的泥漿密度(t/m3);
ρ3——水的密度,取ρ3=1t/m3 。
若造成的泥漿的黏度為20~22時,則各種原料造漿能力為:黃土膠泥1~3m3/t ,白土、陶土、高領土3.5~8m3/t,次膨潤土為9m3/t,膨潤土為15m3/t。
技術指標
(1)比重(亦稱相對密度):1.1~1.3;
(2)粘度:一般地層為16~22秒:鬆散易坍地層為19~28秒;
(3)含砂率:新制泥漿不宜大於4%;
(4)膠體率:不應小於95%;
(5)PH值應大於6.5。
性能指標測定方法
①相對密度ρx:可用泥漿相對密度計測定。將要量測的泥漿注滿泥漿杯,加蓋並洗淨從小孔溢出的泥漿,然後置於支架上,移動游碼,使槓桿呈水平狀態(即氣泡處於中央),讀出遊碼左測所示刻度,即為泥漿的相對密度。
②粘度η(s):工地用標準漏斗粘度計測定。用兩端開口量杯分別量取200ml和500ml泥漿,通過濾網去大砂礫後,將泥漿700ml均注入漏斗,然後使泥漿從漏斗流出,流滿500ml量杯所需時間(s),即為所測泥漿的粘度。
校正方法:漏斗中注入700ml清水,流出500ml,所需時間應是15s,如偏差超過±1s,則量測泥漿粘度時應校正。
③含砂率(%):工地用含砂率計測定。量測時,把調製好的泥漿50ml倒進含砂率計,然後再倒450ml清水,將儀器口塞緊,搖動1min,使泥漿與水混合均勻,再將儀器豎直靜放3min,儀器下端沉澱物的體積(由儀器上刻度讀出)乘2就是含砂率(%)。(有一種大型的含砂率計,容積1000ml,從刻度讀出的數不乘2即為含砂率)。
④膠體率(%):亦稱穩定率,它是泥漿中土粒保持懸浮狀態的性能。測定方法:可將100ml的泥漿放入乾淨量杯中,用玻璃板蓋上,靜置24h後,量杯上部的泥漿可能澄清為透明的水,量杯底部可能有沉澱物。以100-(水+沉澱物)體積即等於膠體率。
⑤失水量(ml/30min)和泥皮厚(mm):用一張120㎜×120㎜的濾紙,置於水平玻璃板上,中央畫一直徑30㎜的圓圈,將2ml的泥漿滴於圓圈中心,30min後,量算濕潤圓圈的平均半徑減去泥漿坍平成為泥餅的平均半徑(㎜)即失水量,算出的結果(㎜)值代表失水量,單位:ml/min。在濾紙上量出泥餅厚度(㎜)即為泥皮厚。泥皮愈平坦、愈薄,則泥漿質量愈高,一般不宜厚於2~3mm。
護壁泥漿成孔灌注樁施工
鑽孔
(1)一般要求
1)鑽孔前,應根據工程地質資料和設計資料,使用適當的鑽機種類、型號,並配備適 用的鑽頭,調配合適的泥漿。
2)鑽機就位前,應調整好施工機械,對鑽孔各項準備工作進行檢查。
3)鑽機就位時,應採取措施保證鑽具中心和護筒中心重合,其偏差不應大於20mm。
鑽機就位後應平整穩固,並採取措施固定,保證在鑽進過程中不產生位移和搖晃,否則應及 時處理。
4)鑽孔作業應分班連續進行,認真填寫鑽孔施工記錄,交接班時應交待鑽進情況及下
一班注意事項。應經常對鑽孔泥漿進行檢測和試驗,不合要求時應隨時糾正。應經常注意土 層變化,在土層變化處均應撈取渣樣,判明後記入記錄表中並與地質剖面圖核對。 5)開鑽時,在護筒下一定範圍內應慢速鑽進,待導向部位或鑽頭全部進入土層後,方 可加速鑽進。
6)在鑽孔、排渣或因故障停鑽時,應始終保持孔內具有規定的水位和要求的泥漿相對 密度和黏度。
(2)潛水鑽機成孔
潛水鑽機適用於小直徑樁、較軟弱土層,在卵石、礫石及硬質岩層中成孔困難,成孔時應注意控制鑽進速度,採用減壓鑽進,並在鑽頭上設定不小於3 倍直徑長度的導向裝置,保 證成孔的垂直度,並根據土層變化調整泥漿的相對密度和黏度。
(3)迴轉鑽機成孔
1)迴轉鑽機適用於各種直徑、各種土層的鑽孔樁,成孔時應注意控制鑽進速度,採用 減壓鑽進,保證成孔的垂直度,根據土層變化調整泥漿的相對密度和黏度。
2)在黏土、砂性土中成孔時宜採用疏齒鑽頭,翼板的角度根據土層的軟硬在30o~60°之間,刀頭的數量根據土層的軟硬布置,注意要互相錯開,以保護刀架。在卵石及礫石層中 成孔時,宜選用平底楔齒滾刀鑽頭;在較硬岩石中成孔時,宜選用平底球齒滾刀鑽頭。
3)樁深在30m 以內的樁可採用正循環成孔,深度在30~50m 的樁宜採用砂石泵反循 環成孔,深度在50m 以上的樁宜採用氣舉反循環成孔。
4)對於土層傾斜角度較大,孔深大於50m 的樁,在鑽頭、鑽桿上應增加導向裝置,保 證成孔垂直度。
5)在淤泥、砂性土中鑽進時宜適當增加泥漿的相對密度;在卵石、礫石中鑽進時應加 大泥漿的相對密度,提高攜渣能力;在密實的黏土中鑽進時可採用清水鑽進。
6)在卵石、礫石及岩層中成孔時,應增加鑽具的重量即增加配重。
(4)衝擊鑽機成孔
1)開孔時應低錘密擊,表土為淤泥、細砂等軟弱土層時,可加黏土塊夾小石片反覆沖 擊造壁;
2)在護筒刃腳以下2m 以內成孔時,採用小衝程lm 左右,提高泥漿相對密度,軟弱層 可加黏土塊夾小石片;
3)在砂性土、砂層中成孔時,採用中衝程2~3m,泥漿相對密度1.2~1.4,可向孔中 投入黏土;
4)在密實的黏土層中成孔時,採用小衝程1~2m,泵入清水和稀泥漿,防粘鑽可投入 碎石、磚;
5)在砂卵石層中成孔時,採用中高衝程2~4m,泥漿相對密度1.2~1.3,可向孔中投 入黏土;
6)軟弱土層或塌孔回填重鑽時,採用小衝程lm 左右、加黏土塊夾小石片反覆衝擊, 泥漿相對密度1.3~1.5;
7)遇到孤石時,可採用預爆或高低衝程交替衝擊,將孤石擊碎擠入孔壁。
(5)沖抓錐成孔與衝擊鑽成孔方法基本相同,只是起落沖抓錐高度隨土質而不同,對 一般鬆軟散土層為1.0-1.5m;對堅實的砂卵石層為2~3m。
(6)鑽進過程中的注意事項
1)鑽進時應時刻注意鑽具和鑽頭連線的牢固性、鋼絲繩的磨損等如有異常應及時處理。
2)大直徑樁孔成孔可分級成孔,一般情況下第一級成孔直徑為設計樁徑的0.6~0.8 倍。
3)在鑽進過程中出現鑽桿跳動、機架晃動、鑽不進尺等異常情況,應立即停車檢查, 排除故障;如鑽桿或鑽頭不符合要求時,應及時更換,試鑽達到正常後,方可施鑽。
4)鑽孔完畢,應及時將混凝土澆築完畢,或及時蓋好孔口,並防止在蓋板上過車、行 人;鑽進過程中應及時清理虛土,提鑽時應事先把孔口積土清理乾淨。
5)鑽進成孔過程中應時刻注意土層變化,調整泥漿性能、採用合理的進尺方法,確保 不塌孔、不縮頸。
清孔
(1)清孔分兩次進行,鑽孔深度達到設計要求,對孔深、孔徑、孔的垂直度等進行檢查,符合要求後進行第一次清孔;鋼筋骨架、導管安放完畢,混凝土澆築之前,應進行第二 次清孔。
(2)第一次清孔根據設計要求,施工機械採用換漿、抽漿、掏渣等方法進行,第二次 清孔根據孔徑、孔深、設計要求採用正循環、泵吸反循環、氣舉反循環等方法進行。
(3)第二次清孔後的沉渣厚度和泥漿性能指標應滿足設計要求,一般應滿足下列要求; 沉渣厚度摩擦樁≤300mm,端承樁≤50mm,摩擦端承或端承摩擦樁≤100 mm;泥漿性能指 標在澆注混凝土前,孔底500mm 以內的相對密度≤1.25,黏度≤28s,含砂率≤8%。
(4)不論採用何種清孔方法,在清孔排渣時,必須注意保持孔內水頭,防止塌孔。
(5)不應採取加深鑽孔深度的方法代替清孔。
鋼筋骨架製作、安放
(1)鋼筋骨架的製作應符合設計與規範要求。
(2) 長樁骨架宜分段製作,分段長度應根據吊裝條件和總長度計算確定,應確保鋼筋 骨)在移動、起吊時不變形,相鄰兩段鋼筋骨架的接頭需按有關規範要求錯開。
(3)應在鋼筋骨架外側設定控制保護層厚度的墊塊,可採用與樁身混凝土等強度的混 凝土墊塊或用鋼筋焊在豎向主筋上,其間距豎向為2m,橫向圓周不得少於4 處,並均勻布 置。骨架頂端應設定吊環。
(4)大直徑鋼筋骨架製作完成後,應在內部加強箍上設定十字撐或三角撐,確保鋼筋 骨)在存放、移動、吊裝過程中不變形。
(5)骨架入孔一般用吊車,對於小直徑樁無吊車時可採用鑽機鑽架、灌注塔架等。起 吊應按骨架長度的編號入孔,起吊過程中應採取措施確保骨架不變形。
(6)鋼筋骨架的製作和吊放的允許偏差為:主筋間距±10mm;箍筋間距±20mm;骨架外徑±10 mm;骨架長度±50mm;骨架傾斜度±0.5%;骨架保護層厚度水下灌注±20mm, 非水下灌注±10 mm;骨架中心平面位置20mm;骨架頂端高程±20mm,骨架底面高程± 50mm。鋼筋籠除符合設計要求外,尚應符合下列規定:
1)分段製作的鋼筋籠,其接頭宜採用焊接並應遵守《混凝土結構工程施工質量驗收規 范》(GB 50204-2002) 的規定。
2)主筋淨距必須大於混凝土粗骨料粒徑3 倍以上。
3)加勁箍宜設在主筋外側,主筋一般不設彎鉤,根據施工工藝要求所設彎鉤不得向內 圓伸露,以免妨礙導管工作。
4)鋼筋籠的內徑比導管接頭處外徑大100mm 以上。
(7)搬運和吊裝時,應防止變形,安放要對準孔位,避免碰撞孔壁,就位後應立即固
定。鋼筋骨架吊放入孔時應居中,防止碰撞孔壁,鋼筋骨架吊放入孔後,峰舉嚏氧幕涌津闞 筋固定,使其位置符合設計及規範要求,並保證在安放導管、清孔及灌注混凝土過程中不發 生位移。
灌注水下混凝土
(1)灌注水下混凝土時的混凝土拌和物供應能力,應滿足樁孔在規定時間內灌注完畢; 混凝土灌注時間不得長於首批混凝土初凝時間。
(2)混凝土運輸宜選用混凝土泵或混凝土攪拌運輸車;在運距小於200m 時,可採用機動翻斗車或其他嚴密堅實、不漏漿、不吸水、便於裝卸的工具運輸,需保證混凝土不離析, 具有良好的和易性和流動性。
(3)灌注水下混凝土一般採用鋼製導管回頂法施工,導管內徑為200~250mm,視樁 徑大小而定,壁厚不小於3mm;直徑製作偏差不應超過2mm;導管接口之間採用絲扣或法蘭連線,連線時必須加墊密封圈或橡膠墊,並上緊絲扣或螺栓。導管使用前應進行水密承壓 和接頭抗拉試驗(試水壓力一般為0.6~1.0 MPa),確保導管口密封性。導管安放前應計算 孔深和導管的總長度,第一節導管的長度一般為4~6m,標準節一般為2~3m,在上部可 放置2~3 根0.5-1.0 m 的短節,用於調節導管的總長度。導管安放時應保證導管在孔中的 位置居中,防止碰撞鋼筋骨架。
(4)灌注水下混凝土的技術要求
1)混凝土開始灌注時,漏斗下的封水塞可採用預製混凝土塞、木塞或充氣球膽。
2)混凝土運至灌注地點時,應檢查其均勻性和坍落度,如不符合要求應進行第二次拌 合,二次拌和後仍不符合要求時不得使用。
3)第二次清孔完畢,檢查合格後應立即進行水下混凝土灌注,其時間間隔不宜大於 30min。
4)首批混凝土灌注後,混凝土應連續灌注,嚴禁中途停止。
5)在灌注過程中,應經常測探井孔內混凝土面的位置,及時地調整導管埋深,導管埋
深宜控制在2~6m。嚴禁導管提出混凝土面,就要有專人測量導管埋深及管內外混凝土面的 高差,填寫水下混凝土灌註記錄。
6)在灌注過程中,應時刻注意觀測孔內泥漿返出情況,傾聽導管內混凝土下落聲音, 如有異常必須採取相應處理措施。
7)在灌注過程中宜使導管在一定範圍內上下竄動,防止混凝土凝固,增加灌注速度。
8)為防止鋼筋骨架上浮,當灌注的混凝土頂面距鋼筋骨架底部lm 左右時,應降低混凝土的灌注速度,當混凝土拌和物上升到骨架底口4m 以上時,提升導管,使其底口高於骨 架底部2m 以上,即可恢復正常灌注速度。
9)灌注的樁頂標高應比設計高出一定高度,一般為0.5~1.0m,以保證樁頭混凝土強度, 多餘部分接樁前必須鑿除,樁頭應無鬆散層。
10)在灌注將近結束時,應核對混凝土的灌入數量,以確保所測混凝土的灌注高度是否 正確。
11)開始灌注時,應先攪拌0.5~1.0m3 同混凝土強度的水泥砂漿放在料斗的底部。