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钻孔扩底灌注桩施工工艺与技术措施探讨

 [摘要] 钻孔灌注桩具有设备构造简单,适用范围广,操作方便,所成孔壁较坚实、稳定、塌孔少,不受施工场地限制,无噪声和振动影响等特性,被广泛应用于施工中。本文结合施工区域的情况,详细阐述扩底钻孔灌注桩的施工工艺、技术措施和质量管理,给类似地质条件下的钻孔扩底灌注桩施工提供参考。
        [关键词] 钻孔扩底灌注桩;反循环成孔;扩孔;成孔检测;清孔

        1 某工程概况

        某工程总建筑面积达10 多万m2,部分基础采用钻孔扩底灌注桩,桩径0.8m~2.0m,桩端持力层为强风化岩或中风化岩(塔楼),桩端进入持力层分别为2m 及0.5m。

        1.1 地质情况

        本场地原地貌为残丘坡地,原为采石场,地质情况较为复杂,根据钻孔揭露,场地地层有人工填土,第四系冲洪积层,坡积层,残积层和燕山期花岗岩,其中人工填土层1~10m,平均厚度2.24m,碎块石含量35%左右,而中风化花岗岩裂隙较发育,岩石较破碎,裂隙密度8~15 条,岩芯多呈碎块状,平均厚度1.45m。

        1.2 施工中的关键技术问题

        根据设计图纸及地质报告,本工程桩基施工中需解决的关键性技术问题包括以下方面:
        1) 钻进成孔:在回填层厚达10m、富含岩石碎块的土层中如何钻进成孔和保证孔壁稳定;
        2) 钻孔扩底:在中风化岩层中钻孔扩底时,如何保证钻进和扩底参数达到设计要求;
        3) 扩底检测:对钻孔扩底是否达到设计要求的检验;
        4) 灌注成桩:如何控制孔底的沉渣厚度,以及保证扩底段砼灌注后,获得完整的桩型和良好的桩身质量。

        2 钻孔扩底灌注桩的施工技术和主要的施工工艺

        钻孔扩底灌注桩是一种比较新的施工方法,它是对钻孔灌注桩的一种改进和创新。它利用钻孔达到所要求的持力层后在桩端换用特殊钻头将桩端直径扩大,则桩的极限承载力比没有扩大头的灌注桩的极限承载力有较大幅度的增长(本工程设计要求桩身直径扩大2 倍,理论上桩的极限承载力将是没有扩大头的桩的极限承载力的4 倍)。对于许多高层建筑,钻孔扩底灌注桩在强风化岩中就可以终孔,可以弥补其它桩型的不足,经济效益显著。根据设计要求,工程选用先进的泵吸反循环钻进成孔和扩底工艺,导管水下灌注混凝土成桩技术,工艺流程见下图。
 


 
         2.1 钻孔

        根据本工程实际情况,选用双腰带笼式钻头,并结合地质土层的变化采用了两种钻进参数:填土层、粘土及砂土层钻进压力15~
20kN,转速13~23 r/min;强风化至中风化层钻进压力20~30 kN,转速13r/min。在钻进过程中,应注意地层变化,对不同的土层采用不
同的钻进方法。孔的垂直度也是一个重要控制指标。当桩的垂直度>1%时,必须重新扫孔纠斜;在砂土类地层中孔壁极易坍塌,沉渣很难清尽;特别是当柱距较小时可能出现连体桩等不良后果。本工程回填土层碎石含量较多,结构疏松,孔隙率大,在埋设护筒时根据现场实际,尽可能将表面松散的碎石层挖走换填粘土,另一方面加长护筒长度,由原来的1.5m 增加到2.5m 长,由于该土层钻孔时无自身造浆能力,因此钻进成孔时应密切注意泥浆浓度,要求比重大于1.3,粘度小于25s,施工中视具体情况适时作出调整。

        2.2 泥浆护壁

        由于钻孔扩底灌注桩在施工过程中容易发生缩径、塌孔、起皮等现象,需要采取泥浆护壁措施,泥浆过稀将使钻进速度加快,但对护壁不利甚至可能造成塌孔;而泥浆过稠则会使钻进速度减慢,并使泥皮过厚,造成承载力降低。所以在施工过程中严格控制泥浆的密度、粘度、含砂率等重要指标,密切关注泥浆的失水量、静切力、胶体率等指标是很关键的,且在保证护壁功能的要求下,泥皮厚度应尽量薄。

        2.3 终孔

        入岩判断方法主要是参考设计桩长和地质资料所反映持力层的埋深以及钻机的钻进速度,结合孔底返渣取样,采用岩样鉴别法进行综
合分析判断。钻机钻进时效的经验值:强风化岩的钻进时效为30 cm/h,而中风化岩和微风化岩的钻进时效分别为5 cm/h 和1 cm/h。在钻进时效达到30 cm/h 时或在钻进接近设计参考深度时,开始观察岩样标准,由工程参与各方共同确认是否已进入持力层的岩样标准,一旦确认后则可继续钻进设计的入岩持力层深度不小于2.5倍桩径后终孔。

        本工程地质资料反映局部中风化岩面存在地质破碎带,对于该区域持力层我们在施工中极为谨慎,除以上由钻机行程及返渣取样鉴别
外,对于特别重要的桩及对鉴别有怀疑的桩,均采用超前钻进行孔底取样鉴别。超前钻位置一般为桩的中心部位,取样深度大于设计持力层3m,确保桩底持力层符合设计要求,如出现分层、断层或溶洞(沟、槽) 等情况且地质资料未能反映,建议改用冲孔施工。

         2.4 扩孔

         钻孔扩底灌注桩是对钻孔灌注桩的一种改进,通过扩底这种新的施工工艺,桩的承载力得到大幅度的提高,可充分利用各类优良土层和风化岩层作为扩大头持力层,适用于地质条件复杂、施工困难的情况。当笼式钻头钻至持力层,确认终孔并清孔后,换用MRS 合金扩底钻头进行扩底。在这种新的施工方法中,关键是注重扩大头的扩底直径是否达到设计要求。根据工程实际需要的扩底直径,在地面试验确定相应的扩底行程。扩底钻头入孔前,先进行整体强度检验,伸缩是否自如,当扩底钻头下到孔底后,在主动钻杆上安装好行程限位器,以便确定扩底直径。当地面主动钻杆标尺达到限位器位置时,孔底钻头也扩大到相应直径的两倍,钻孔扩底灌注桩的桩端也就施工完毕。

         2.5 扩底孔检测

         钻扩桩的扩底直径检测是确保扩大头达到设计要求的重要技术环节,由于无法直接用肉眼对其进行观察,所以必须依靠先进的仪器设
备来进行检测。通过扩底钻头行程即可进行扩底直径自检,但为了确保检测结果的准确性,本工程使用GDJ 检测仪和机械式孔径检测器进行双重控制。

         2.6 清孔

         本工程采用泵吸反循环清孔,共进行了三次。第一次清孔在钻进达到设计要求深度后,先将钻头提高孔底约50cm,进行换浆清孔,回流泥浆相对体积质量控制在1.2左右。第二次清孔是在扩底完成后进行。在安装钢筋笼及灌注导管后、灌注砼前,更换泥浆进行了第三次清孔,以确保沉渣厚度不大于50mm ,从而满足设计要求。采用泵吸反循环清孔时,送入孔内的冲洗液不小于砂石泵的排量,防止冲洗液补给不足,孔内水位下降导致塌孔;返回孔内冲洗液的相对体积质量严格控制在1.2 左右,孔内水头高度保持不小于2m。清孔过程中,不断测量孔底沉渣厚度、泥浆相对体积质量、泥浆性能,满足规范要求立即停止清孔,防止吸塌孔壁。

         2.7 灌注砼

         灌注砼的导管在使用前都要求做密封试验,由于底部扩大头容量大,开始灌注时,宜选用大斗,使导管埋入砼中0.5m 左右。灌注过程中,采用匀速向导管料斗内灌注砼。如突然灌注大量的砼,导管内空气未能及时排出,可能导致堵管,导管内空气从导管底端排出,带动导管拔出砼面。砼灌注应连续进行,中途不能停工。若砼供应不及时,除在砼中添加缓凝剂外,导管插入砼中5~6m,并每隔15min 上下活动几次,以免凝固。浇注过程中,不断测定砼面上升高度。根据砼供应情况来确定拆卸导管的时间、长度,以免发生桩身夹渣、断桩或“埋管”事故。

         在整个工程施工的过程中,各有关人员都严格按照施工程序,做到严把质量关。对各种可能发生的情况都进行了详细的分析和研究。对每一个施工环节严格检查,做好事前、事中、事后控制,避免留下质量隐患。通过大家的共同努力,工程取得了令人满意的结果。经有资质的质检机构进行了低应变检测和抽芯检测,均为I、Ⅱ类桩,桩底沉渣厚度均小于5cm,桩底持力层及桩芯砼强度完全符合设计要求。

        3 结语

       钻孔扩底灌注桩除具有钻孔桩的特点外,还可充分利用各类优良土层和风化岩层作为扩大头持力层,具有适应能力强、承载力高、经济和社会效益明显的优点。但工艺技术要求较高,加上本工程地质条件较差,需要技术人员与施工操作人员密切配合,才能顺利施工完成,以保证该技术的应用效果。
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