水下钻孔灌注桩桩顶混凝土质量问题的探讨

在水下混凝土灌注桩施工中，混凝土灌注是影响桩体质量的关键环节之一，由于地层、泥浆配制、混凝土质量、施工操作等原因，混凝土桩体顶部容易出现土包、夹砂、含泥、强度低等突出问题。统计表明，水下钻孔灌注桩的缺陷有80%以上出现在距桩顶10m以内的浅层。这些问题严重影响工程质量及后续工程进度，增大了工程成本。泥浆护壁冲钻孔灌注桩在灌注中，一般要求超灌，如《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2002之5.1.4中，要求比设计标高高出0.5m；《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008之6.3.30中，建议水下混凝土浇筑时超灌高度宜为0.8～1.0m。混凝土桩灌注完成后，桩顶标高位置分为自然地面下、平、上三种状况，其中：（1）桩顶灌注至自然地面，此种情况下，须将钻孔内混凝土上部的浮浆顶出，目测到混凝土面即可终灌,桩顶混凝土质量易于控制；（2）计桩顶高出自然地面，此种情况时需预支设模板至施工标高位置，灌注完成后振捣桩身混凝土密实，可保证桩顶混凝土质量；（3）设计标高位于自然地面以下，施工空桩段一般较长，施工人员难以目测到混凝土灌注面，只能凭经验及测绳测量混凝土面，控制难度较大，易于出现各种质量问题。本文结合工程实例，针对空桩段较长桩型，分析了影响桩顶混凝土质量的几个关键因素，提出了质量控制要点与措施，以供同行交流、参考。1控制沉渣厚度是前提1.1孔底沉渣的影响按照施工规范，钻孔后要彻底清除孔底淤泥及沉渣，但在实际施工过程中，由于各种原因，彻底清除比较困难。在进行封底施工时，首批混凝土经过导管底口后，冲击孔底沉渣，与孔内冲洗液掺合形成一定厚度的浮浆稀释层，水下混凝土从下往上顶升，首灌的混凝土始终处在最上层。由于冲击、搅拌等作用，首灌的混凝土与孔底沉渣、泥浆等相互混合，最终在桩顶形成一定量的的浮浆层。很显然，浮浆层的厚度取决于孔内清洁程度，清孔不彻底，则孔壁泥皮厚，孔底沉渣多，上部浮浆层就会很厚，从而易导致施工人员误判。甚至有时桩顶超灌量偏高，但设计标高以下混凝土强度却达不到设计要求。反之钻孔清洗的越干净，则孔底沉渣越少，上部浮浆层越薄，在超灌一定高度的情况下，保证剔除浮浆后设计标高以下混凝土强度达到设计要求强度值。因此，控制孔底成渣厚度是保证好桩顶混凝土质量的前提。1.2孔底沉渣的控制根据《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB50202-2002)表5.6.4-2规定，水下钻孔灌注桩孔底沉渣厚度为：端承桩小于50mm，摩擦桩小于150mm。孔底沉渣的控制方法有多种，目前施工中常用的有两种：（1）钻具清除法，即终孔后，使用平底钻具在孔底平转，将孔底虚土、泥块及钻孔时形成的大颗粒钻渣收入钻具内，以实现清除沉渣的目的；（2）反循环法，即安装完导管后，使用大功率泥浆泵将合格比重的泥浆通过导管注入孔底，将孔底的钻渣、泥块返出井口，此方法也可将孔底比重较大的泥浆顶出，起到泥浆置换的作用。1.3工程实例包头某工地中，设计要求桩基进入强风化砂质泥岩不小于0.8m，桩顶超灌60cm。某桩成孔后，实测孔深达到设计深度20m，由于地层土质自造浆严重等原因，钢筋笼安装完成后，使用测绳复检孔深时，在17m位置开始下沉缓慢，直至20m终孔位置，但安装导管能够下放到孔底。分析可知，钻孔底部3m范围内泥浆比重过大，或者存在沉渣严重问题。为此，现场采用反循环法对孔内泥浆进行置换处理，清除孔底的沉渣、沉淀物，复测孔深为20m后，进行混凝土灌注。该桩开挖后，桩顶混凝土质量满足设计要求。2控制混凝土和易性是根本2.1混凝土和易性的影响混凝土和易性是指混凝土是否易于施工操作和均匀密实的性能指标，包含流动性、粘聚性和保水性。影响和易性主要有用水量、水灰比、砂率以及包括水泥品种、骨料条件、时间和温度、外加剂等几个方面。混凝土和易性的现场测定一般为测量混凝土塌落度。提起塌落度筒，如混凝土发生崩坍或一边剪坏的现象，则混凝土的和易性不好或已产生混凝土离析，如此类混凝土用于桩基灌注，会致使混凝土中砂浆与石子分离，灌注完成后，混凝土中石子下沉，桩头位置混凝土含砂浆多，石子少，桩头混凝土强度会显著降低。2.2混凝土和易性的控制根据《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB50202-2002)表5.6.4—2规定，水下混凝土塌落度宜控制在180～220mm。塌落度过小，会影响混凝土灌注，甚至于造成堵管、爆管事故发生；塌落度过大，不但会影响混凝土的强度，而且会致使桩顶浮浆过多，拔除导管及护筒后，由于混凝土自身塌落度过大，无法保证设计要求的超灌高度，影响桩顶混凝土灌注质量。因此，控制好商品混凝土的和易性，是保证桩顶混凝土质量的根本。2.3工程实例内蒙某工地，某根桩在水下灌注施工时，由于施工人员未对混凝土塌落度及和易性检测，致使该桩开挖后，设计桩顶标高位置混凝土几乎全是砂浆，不含石子，混凝土强度明显达不到设计要求。继续开挖破除至设计标高以下3m部位，混凝土中出现石子，目测砂石匹配趋于正常，经桩体回弹及钻芯取样，实测强度方满足设计要求。3施工过程控制是关键水下钻孔灌注桩具有成桩工序多、工艺复杂、技术要求高、质量控制点多的特点，施工过程受人为因素控制影响较大，施工工序中某个环节操作失误，都有可能对桩顶混凝土的质量造成影响，因此，施工过程控制是控制桩顶混凝土质量的关键。3.1泥浆的控制灌注桩工程施工前必须进行试成孔，根据不同的地层调整合理的泥浆比重，泥浆指标包括比重、含砂率、黏度三项。泥浆比重一般控制在1.15～1.2，黏度18～22S，新配置的泥浆含砂率＜4%。浇筑混凝土前，孔底500mm以内的泥浆比重应小于1.25；含砂率不得大于8%；黏度不得大于28s。泥浆比重的测量方法是使用泥浆比重测量仪测定。泥浆的比重过小，则施工中会造成塌孔，如塌孔发生在灌注过程中，就会造成桩顶混凝土中夹泥块，无法保证桩头质量；比重过大，则影响桩基灌注，在灌注桩灌注时混凝土压力不足、升顶困难，灌注后期浮浆层厚，灌注超压力减小，致使混凝土中大量粗骨料集中于桩芯位置，桩周身因压力不够，缺少粗骨料，影响桩头灌注质量。泥浆指标中的含砂率是影响泥浆性能的主要指标，也是影响混凝土灌注桩灌注质量的主要因素，施工中要求含砂率越少越好，含砂率过高会降低泥浆黏度，增大泥浆比重，孔底沉渣多，大量泥浆会掺合在混凝土中，既对桩身不利，又会致使桩顶混凝土中夹砂。常用的控制含砂率的方法主要为沉淀池沉淀法和除砂器除砂法，将泥浆中的砂粒清除，使用含砂量仪测定合格后，泥浆再循环使用。3.2护筒的控制钻孔护筒有定位、保护孔口、防止塌孔、保证超灌量和泥浆水位高差等重要作用。通常情况下，护筒可用4～8mm厚钢板制作，直径大于桩径20cm，上部宜开设1～2个溢浆孔。黏性土层护筒长度不宜小于1.0m，砂土中不宜小于1.5m。护筒可采用打埋和挖埋等设置方法。护筒埋设要牢固，护筒底部层土应为较稳定土层，如底部土层呈流塑状或为易坍塌的砂层、卵石层，应挖深或换土，在孔底回填夯实300～500mm厚度的粘土后，再安放护筒，以免护筒底口处渗漏塌方，造成护筒下沉或脱落。埋设时，护筒与坑壁之间需用土填实挤密，否则，泥浆易渗透护筒周边回填土，造成护筒外土体塌陷，形成空洞，或出现护筒下沉等问题。护筒采用十字交叉法进行定位，护筒须调平、调正，垂直度应小于1％，防止护筒倾斜。护筒高度宜高出地面0.3m或地下水面1.0～2.0m。在桩基工程施工中，测量桩顶标高一般以护筒上口定位基准面标高为依据，以此计算钢筋笼吊筋长度、设计孔深等参数，因此，护筒的稳定性至关重要。如护筒在施工中出现下移，桩顶标高的基准面下降，吊筋长度不变，则钢筋笼标高、桩顶标高位置都会相应下移，造成超灌高度不够，此种情况下，施工结果可想而知。护筒拔除时，须注意保持平衡与拔提速度，防止塌孔。否则，拔除护筒后，塌陷孔洞由混凝土填充，在混凝土总量不变的情况下，桩顶超灌高度会不足，同时，孔壁随着护筒的拔出存在继续坍塌的可能，桩顶灌注质量会无从保证。施工中，成孔、钢筋笼安装、导管安装、混凝土灌注等各个工序，现场管理人员都应随时检查护筒，核准护筒埋设是否牢固稳定，护筒是否下沉，以防出现混凝土质量事故。3.3导管的控制水下混凝土灌注桩灌注施工前需安装导管，导管的壁厚不宜小于3mm，直径宜为200～250mm，直径制作偏差不应超过2mm，导管的分节长度可视工艺要求确定，底管长度不宜小于4m，导管使用前应试拼装、试压，试水压力可取为0.6～1.0MPa，每次安装前应对导管内外进行清洗，以防导管上附带的泥浆等杂质卷入桩身混凝土中。混凝土灌注施工中，应正确指挥导管的提升与拆除。导管的埋深应控制在2～6m，严禁将导管提出混凝土灌注面，并应控制提拔导管速度，应有专人测量导管埋深及管内外混凝土灌注面的高差，填写水下混凝土灌注记录。若导管埋深过少，容易出现桩身夹泥缺陷，甚至出现断桩事故；若埋深过长，则不宜下料，混凝土中大量砂浆沿导管上口溢出，致使混凝土和易性差，严重的会出现混凝土离析，从而发生堵管、埋管等事故。在灌注将近完成时，导管要保持垂直于混凝土面提升，防止上部泥浆及浮浆等混合物沿导管壁挤入混凝土中。导管提升速度一定要慢，减少导管的抽吸作用，若提升速度过快，会导致导管上滞留的浮浆混合物滞留在混凝土中，不被挤出。灌注完成后，导管反插不宜过长，以防导管带动上部浮浆进入混凝土并在其中滞留，造成桩头中心夹砂。内蒙某工地，位于毛乌素沙地北部，地表下10m范围内为细砂层，桩基开挖后，少量桩基破除桩头至设计标高后，桩中心即灌注导管位置出现夹砂现象，夹砂直至设计标高下0.5m左右消失。分析原因，此事故即为提升导管过快，且反插时导管过长，上部浮浆带入混凝土中并滞留所致。3.4人为因素水下钻孔灌注桩工艺复杂，质量控制点多，受人为操作因素影响较大。要保证桩顶混凝土灌注质量，关键在于施工人员的综合素质。施工人员要有高度的责任心，充分熟悉设计图纸，了解设计意图及地质报告，熟练掌握桩基施工专业技术知识，熟悉各作业工序质量控制点；在施工中，认真计算设计桩顶标高位置，确定合理的超灌量，调制合理的泥浆比重，准确测量孔底成渣厚度，检查护筒埋设情况，测量混凝土的和易性及塌落度，及时测量混凝土面，控制导管埋深及提升速度，终灌时使用测锤或捞石器多点检查混凝土浇筑面，确认是否终灌等，只有这样才能使桩顶混凝土灌注质量得到更好的保证。4结语水下钻孔灌注桩是工程的基础部分，关系到整座建筑物的承载力，整个施工过程属隐蔽项目，施工