氣舉反循環清孔技術在大橋深樁基礎中的應用

高新學,周憲偉

(1.山東省交通工程監理咨詢公司;2.黑龍江工程學院)

1 工程簡介

國道 205線濱州黃河公路大橋是一座三塔斜拉索特大橋。主橋采用雙柱式索塔,橋面以上不設橫梁,橋式結構為42m+42m+300m+300m+42m+42m,中塔高140.25m,南、北邊塔高 90.778m。計算行車速度為120km/h。主橋范圍全橋寬 32.8m,其中橋面凈寬 2× 11.75m,中央分隔帶寬 3m,兩側防撞護欄 2×0.5m,其余為拉索錨固區,主梁采用雙邊箱預應力混凝土主梁,采取落地支架現澆與前支點掛藍,懸臂澆筑施工。其中邊跨現澆,中跨懸澆,主梁在中塔處與橫梁團結,邊塔處半飄浮支承。

本工程主塔地下樁設計樁長115m,樁徑 1.50m,中距4.0m。地下樁布置為 5×5布置,雙塔共計 50棵地下樁,在設計文件中,明確要求孔底沉淀厚度設計不小于 15cm,比現行規范要求高許多。本工程地質條件復雜,主要穿越地層為分砂層、亞砂層、粘土層,其間交替夾雜有膠結礫巖薄層,因此,清孔質量是成孔質量控制的難點和重點。

2 二次清孔的必要性

鉆孔灌注樁因孔底沉渣過厚往往會導致承載力折減,并且根據以往工程對地下樁超聲波檢測結果分析,在樁基混凝土灌注正常情況下,有時會出現樁基混凝土邊緣部位有缺陷的情況,多數是混凝土內局部有夾塊造成的。經分析認為:夾塊由兩部分組成,即泥漿中的砂礫沉淀物以及鋼筋籠下放過程從井壁上刮落的粘泥塊過厚,在灌注樁時,沉淀物隨著混凝土上升,因有鋼筋籠或井壁阻隔,使沉淀物停滯在局部范圍內,并最終造成成樁中局部缺陷。

本工程鉆孔灌注樁設計文件中,明確要求沉渣厚度小于15cm,比現行規范要求高許多,且工程地質條件復雜。從提鉆到灌注混凝土,對于百米深樁來說通常需要 12h以上,在這個過程中,因為泥漿靜置時間過長,會產生一部分的沉淀,鋼筋籠下放過程中也會從井壁上掛落部分泥塊,這些就構成沉渣,經常超過設計要求,如果不采取二次清孔措施就灌注,容易引發各種質量事故。因此,在灌注前進行二次清孔就尤其重要。

3 傳統二次清孔技術的弊端

正循環清孔(以往工程):泥漿帶動沉淀物上浮,在重力作用下泥漿中砂礫等沉淀物有下沉的趨勢,如果泥漿泵流量偏小,將出現大顆粒砂礫懸浮在一定高度以下;另外因為井壁處泥漿比井中心部位流速慢,造成泥漿含砂率不均勻,最終不能將泥漿中砂礫完全置換到井外去,因此本工程不采用這種方法。

反循環清孔(以往工程):真空泵與導管相連,啟動真空泵后,在鉆桿或導管形成一個負壓區,泥漿和沉淀物等自孔底沿著導管排到孔外,但由于本工程的鉆孔樁的實際深度達115m,離心泵的泵壓較小,不能滿足本工程的需要。

表1 鉆孔用泥漿泵的主要性能

灌筑混凝土時可以發現:孔內底部的泥漿比重及含砂率指標均大于上部,并且在灌筑后期,井口泥漿常伴有粘泥塊流出,粘泥塊是由混凝土上翻過程中沉淀太多,沉淀物裹入混凝土內形成的。所以地下樁超聲波檢測,發現邊緣部位局部有缺陷就不足為奇。

4 氣舉反循環二次清孔技術

為克服以上弊端,我們在本工程中采用正循環鉆進,正循環清孔和二次反循環清孔技術,成功的把沉渣厚度控制在設計值以內,保證了鉆孔灌注樁的施工質量。

4.1 氣舉反循環二次清孔工作原理

安裝完成氣舉反循環設備后,啟動空壓機送風,在出漿管內形成負壓區,孔底泥漿及沉淀物的混合物沿著導管上升,補充到風管內負壓區,并排到孔外。

4.2 制作氣舉反循環設備

鋼筋籠及導管下放安裝完畢后,安裝氣舉反循環設備,出漿軟管接泥漿泵,檢查密封性合格后,啟動泥漿泵,利用正循環工藝清孔 0.5h,將孔底沉淀物浮起。

檢查泥漿各項指標,清孔由正循環工藝轉換到氣舉反循環工藝上,啟動大功率空壓機(9m3/min)向風管內送風,風管內的空氣與泥漿混合物密度(約為 0.6)小于導管內泥漿密度(1.1),形成負壓區,結果:孔底泥漿及沉淀物的混合物沿著導管上升,補充到風管內負壓區;為防止孔中泥漿水頭過小,及時用泥漿泵將優質泥漿(含砂率低)補充到孔內,并形成循環系統。

4.3 施工注意事項

(1)開始工作時,應先向孔內補充優質泥漿或水。

(2)需要一臺 9m3/h空壓機,風壓(MPa)可按公式H/10+0.05計算,H為風管口入水深度(m)。通過計算以及考慮到風管接頭密實性等因素,需要0.6～0.8MPa風壓。

(3)在氣孔初期,可適當加大送風量(因送風量大,則漿渣上升速度也大,沉淀物易被吸上),并轉動導管,改變導管在孔底位置。

(4)泥漿流量計算

式中:q為泥漿流量,m3/h;q1為每小時凈土量,按理論狀態的體積計,m3/h;γ1為土在理論狀態下的比重;γ0為土顆粒的比重,γ0取 2.6;W為每立方土變為泥漿所需水量,m3。

(5)清孔時間一般控制在 0.5～1h,根據情況確定。

(6)清孔結束后,應先停送風,后停補充的泥漿,并測量孔底標高,拆除清孔設備,應立即準備灌注水下混凝土。

5 結 論

(1)清孔徹底,初期管口流出的泥漿含砂率及比重明顯較高;后期經取樣檢測,孔內泥漿上、中、下部位泥漿指標基本一致,含砂率小于 1%,沉淀厚度比氣舉反循環二次清孔前減少約20～50cm,完全控制在15cm內。

(2)縮短了二次清孔時間,與正循環相比,工效提高 3倍以上。氣舉反循環二次清孔一般 1h內即可完成,經過氣舉反循環二次清孔后,沉淀厚度遠遠小于設計要求。

(3)轉換迅速,可在 10min之內由清孔狀態轉換到混凝土灌注狀態。

(4)施工成本增加不高,只需添加空壓機組即可完成。

在混凝土灌注過程中,在井口沒有發現淤泥及粘泥塊等現象,最后聲測管超聲波檢查質量完全合格。實踐證明,氣舉反循環施工技術在濱州黃河大橋工程的運用是成功的,值得在類似深樁工程中推廣。

[1] 楊榮全,高永青.濱州黃河大橋主橋施工組織設計.

[2] 公路橋涵施工技術規范(JTJ041-2000).

[3] 王文豪 .氣舉反循環清孔工藝及工程體會.第三屆浙江省巖土力學與工程學術討論會,1997.

[4] 余志文.鉆孔灌注樁氣舉反循環二次清渣工藝 .地質工程, 2004.

[5] 賈兆兵,解玉洋.氣舉反循環二次清孔技術在百米深樁施工中的應用.交通科技,2007.

[6] 喻榮華.氣舉反循環清孔在大口徑鉆孔灌注樁的應用.西部探礦工程,2005.