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【摘 要】本文结合工程实例分析了高砂性地层钻孔灌注桩施工中应用和管理好泥浆的极端重要性,论述了因泥浆性能缺陷而对基桩施工及成桩质量的不利影响。
【关键词】砂性地层;钻孔灌注桩;泥浆性能;成桩质量;施工事故
Influence of mud performance to high sandy strata of construction of bored piles
Xu Pei-lin, Zhuang Zhi-qiang
(Wenzhou Zhongcheng Construction Group Co., Ltd. Wenzhou Zhejiang 325000)
【Abstract】The article analyzes the combination of engineering examples of the high sand strata bored pile construction applications and manage the extreme importance of mud, discusses the properties of defects due to the mud pile right into a pile of construction and quality of adverse effects.
【Key words】Sandy strata; Bored pile; Mud property; Pile quality; Construction accident
1. 绪言
在高砂性地层场地设计采用建筑基桩桩型时,因地层一般较为密实而会受到制约,如沉管钻孔灌注桩、锤击式静压预应力管桩等桩型,或其施工有较大难度,或桩质量难以得到切实有效的保障而不宜选用,因而一般多会采用钻孔灌注桩作为建筑基桩。钻孔灌注桩施工中为防止孔壁坍塌、浆液流失或携排钻渣,需要采用优质泥浆作为钻孔冲洗循环液。泥浆性能是否能满足和保证高砂性地层钻孔灌注桩施工的工艺要求,对成桩质量的影响将是十分明显和直接的。但是,在施工的现实中泥浆性能对基桩质量的影响却常常被自觉或不自觉地忽视,甚至由此而引发基桩质量隐患或事故。
2. 泥浆性能
泥浆的主要物理性能有比重、黏度、胶体率、失水率、酸碱度、塑性指数和含砂率等,每一项性能指标的变化都会直接影响钻进成孔与孔壁的稳定性、机械运转及孔内事故的预防和成桩作业各工序的工艺状态,并对成桩质量带来明显而直接的影响。因此,泥浆性能成为高砂性地层钻孔灌注桩施工质量的关键质量保证措施之一。通过加强对泥浆性能的调整与优化及其规范现场管理,控制和保持适合工程所在地层基桩施工相适应的泥浆性能就显得尤为突出和重要。
3. 循环泥浆在钻孔灌注桩施工中的作用
黏土是泥浆中主要的固相成分,其颗粒粒径大多数小于0.005mm,它具有带电、吸附离子、水化膨胀以及分散成絮凝状胶体等特性。如果在钻孔泥浆中掺入相应的添加剂如纯碱、木屑等,泥浆的相关性能会得到显著的增强或提升,使泥浆性能得以优化。在钻孔灌注桩施工过程中,孔内循环泥浆发挥的作用:(1)发挥其平衡地层及其赋存的地下水的土压力和水压力在孔壁上形成泥皮而加固钻孔孔壁,提高孔壁的稳定性,减少和避免发生坍塌;(2)充满钻孔以平衡因钻孔孔壁地层释放的侧压力,使孔壁土体得以稳固;(3)悬浮和携带钻渣,并使其迅速外排,避免钻渣在孔内反复钻磨粉碎以提高进孔速度;(4)保证泥浆中尽量低的钻渣含量,减小所携带钻渣对孔壁的不利磨蚀,使钻孔保持均匀理想的孔形和使成桩桩身均匀规整;(5)冷却和保护孔内钻具,避免和减少施工机械磨耗及基桩施工事故。因此,对高砂性地层钻孔灌注桩施工工程而言,施工现场泥浆的正确运用与良好管理的状况,在很大程度上直接反映出施工队伍的综合素质及其工程施工质量的优劣。
4. 高砂性地层回转成孔自造泥浆的缺陷
高砂性地层钻进回转成孔自造泥浆因护壁和携带渣能力很差,极易引发孔壁坍塌、扩径、钻孔不规则、水下混凝土灌注严重超方等质量隐患。同时,还由于泥浆携砂呈饱和状态,泥浆泵停泵后即刻发生大量砂土和钻渣在孔底、孔壁沉淀下来,水下混凝土灌注前的二次清孔孔底沉淤厚度验收合格停泵转入水下混凝土灌注作业时,即使两工序间的时间间隔符合规范和设计要求,但孔底沉淤厚度待首灌混凝土剪入时早已超过要求。因此,泥浆中携带的过饱和渣土致使钻孔灌注桩施工中很多工序的工艺状况无法满足建筑基桩技术规程和设计的要求,从而引发诸多基桩质量隐患,甚至酿造质量事故。
5. 泥浆性能对成桩质量的影响
高砂性地层钻孔灌注桩施工自造泥浆质量的缺陷决定了必须采用膨润土或优质黏土制备符合砂性地层施工要求的优质泥浆,并构筑不小于施工钻孔3倍容积的泥浆沉淀池及其循环池,使从孔内循环出来的泥浆所携带的渣土能在沉淀池中有足够的时间释离沉淀下来予以清除,并使从沉淀池转入循环池的泥浆性能能满足施工工艺的要求。然而,在现实施工中,一些单位或嫌制备泥浆增添麻烦,或图工程施工利润的最大化,往往忽视泥浆质量及其管理。有的虽然已经采用一些改进泥浆性能的办法和措施,但工程的整个施工过程泥浆性能并未得到根本改善。因而,由于所用泥浆质量的缺陷使一些施工工序的工艺状态无法满足规范和设计的要求而引发成桩的质量缺陷甚至质量事故。
5.1 桩身含砂团或断桩。
成孔自造泥浆质量的缺陷使其护壁固壁能力差,极易发生孔壁坍塌,在桩身砼灌注过程发生孔壁坍塌更易引发桩身夹砂团,如孔壁发生大块崩塌时就可能引起断桩。从一些工程深基坑开挖的结果显示,桩身混凝土中时有大小不一的砂团出现,大团的可超过40cm(设计桩径850～1000),小的5～6cm,在桩身中的排列呈小间隔不规则状,砂团表面因混凝土浆液的浸渗固结而形成有一定强度的外壳,其中心砂粒仍呈松散状,砂团越大,呈松散状砂包也越大,对桩的承载力影响也越大。大块孔壁崩块发生时就会出现断桩事故。
5.2 桩身缩径。
砂性土钻孔孔壁缩径的常见情况发生在:(1)孔壁发生大块坍塌下落后被钢筋笼阻挡在钢筋笼与孔壁的间隙中形成较大砂团或环带状砂包体而被水下混凝土灌注包裹形成缩径;(2)成孔后至混凝土灌注时间间隔较长,孔内泥浆较长时间处于静态状况,悬浮于泥浆中的砂粒或细钻屑既在孔底发生快速垂向沉淀使孔深迅速变浅,同时也在孔壁上发生黏附沉淀作用,而且这种横向黏附沉淀还在成孔作业过程中同步进行,尽管其沉淀速度较垂向重力沉积速度缓慢得多,但在成孔成桩周期不适当地拖延的情形下,横向孔壁黏附沉淀的厚度有的可达1.5～3.0cm。而且这种黏附沉淀作用是全孔性的,它使桩身钢筋笼保护厚度变薄甚至露筋,会降低和影响桩的承载力及其使用寿命。(3)因泥浆性能差不足以平衡钻孔壁粉细砂地层侧压力而使孔壁向钻孔突出而呈缩径。
5.3 桩身畸形。(1)护壁固壁性能差的泥浆对高砂性地层中不同组分不同粒级及其不同密实度层位的钻孔孔壁稳定性差异而呈不规则的孔径变化;(2)由于这种悬浮携带过饱和砂土与钻渣的泥浆在孔内循环时,对不同土层孔壁的冲击磨蚀浸害破坏强度存在较大差异而使孔径不一;(3)水下混凝土呈不均衡灌注对孔壁产生不同的冲击力,致使孔壁发生坍塌,甚至使邻近钻孔因坍塌孔而窜孔连通,因而同一根桩在不同部位的桩径粗细变化就有很大差异,使桩形出现畸形。从深基坑开挖中得到验证砂粒较粗密实性相对较差的层位实际桩径会显著膨大而达到设计桩径的2～3倍,砂粒较细且较密实的部位实际桩径缩径,经常会小于设计桩径,随着地层的这种不均匀的土性变化其桩身呈现粗细膨缩突变畸形。这种畸形突变处往往是引发桩的承载力受力薄弱点,影响桩的承载力的有效发挥。
5.4 桩身钢筋露筋。施工中采用自造泥浆或接近自造泥浆时,其中悬浮的过饱和砂土与钻渣在终孔提启钻具、吊装钢筋笼及下导管的整个过程中在孔底及其孔壁上迅速沉淀下来,使孔深很快变浅,孔径渐细,很多钻孔的钢筋下不到位,现场常见多人攀爬上钢筋笼踩踏强行下墩的情况下仍然难以下到位,还每每造成钢筋笼变形报废,只得边往孔内泵送泥浆边让钢筋笼慢慢自行下沉入孔。但是这种情况下由于孔内沉渣多,清孔时导管只能作上下活动,导管活动范围及其贴近的沉淤会冲带上来或仍悬浮于孔内泥浆中,但离导管稍远和钢筋笼与孔壁间的沉淤由于泥浆性能差而无法清上来,在桩径较粗和清孔时间不太充分时即使钢筋笼内的沉淤仍有部分无法清上来,因而桩身混凝土的灌注就到不了此位置而造成桩身露筋。这种情况被多个深基坑土方开挖显示的结果所证实,有将近三分之一的钢筋笼没有下到位的,有80%以上基桩桩身几乎全露筋的,有钢筋笼完全缺失混凝土保护层的等情况。
5.5 桩身实际配筋率难以符合设计要求。泥浆性能的缺陷常致使孔内沉渣厚度大,钢筋笼下放吊装不到位,高出设计标高以上的钢筋笼只得在工程基坑开挖时截除,而且被截除的钢筋笼顶笼往往是钢筋笼配筋率最高的部位,这部分截除后桩的实际配筋率会有较大降低,因而不仅桩身实际钢筋长度降低而且其含钢量也比设计配筋率明显降低,从而影响基桩竖向荷载和水平抗剪力的发挥。
5.6 有效桩长难以保证。基桩隐蔽工程的质量控制主要是通过严格施工工序的工艺标准及其工程监理的旁站监督来实现的。在高砂性地层施工钻孔灌注桩,所采用泥浆性能差,整个施工流程中的不少工序特别是关键工序的工艺技术标准难以满足和符合现行规范和设计的要求,势必对成桩质量造成直接影响。现行基桩行业技术规程和工程设计都要求二清验收合格后到首灌混凝土剪入孔内的时间间隔不得超过0.5h,但如果泥浆中携带悬浮有大量泥土和钻渣时,即使灌注混凝土操作能满足上述时间间隔的要求,而实际清孔合格后一停泵就会迅速有大量沉淤(渣)在孔底沉淀下来,其厚度会远远超过规程和设计的要求。另外,首灌混凝土应有足够的容量从导管底端以很大的冲击力排出以使孔底沉淤上翻,从而减少孔底沉淤以满足设计要求,普遍采用商品混凝土后对首灌混凝土应有足够容量的工艺要求未得到应有的重视,很多工程所采用的灌砼储料斗容积仅0.6～0.8m3上下,与规程要求相差甚远。上述工序工艺状况必然造成桩端混凝土质量无法保证,桩的有效桩长也同样无法保证。
5.7 易引发水下混凝土灌注事故。
高性能地层回转成孔自造泥浆比重大、黏度低、含砂率高,施工中有的工程虽然会掺用其他含黏土地层钻孔灌注桩工地的外排废浆或本工地桩底注浆或拌制混凝土的散装水泥等措施以改善泥浆性能,但这种措施不可能根本改善和保持泥浆的良好性能,会给桩身混凝土灌注作业增加困难,或引发基桩质量隐患。主要有:(1)清孔质量难以保证,孔底沉渣厚度超过设计要求,影响桩端砼质量和减缩有效桩长。(2)下钢筋笼往往是边开泵送浆清孔边让钢筋笼逐渐下沉入孔,这样下入孔内的钢筋笼外与孔壁仍存留着沉渣,二清导管清孔时,因导管悬吊于钻机天车上仅能作上下活动,无法作沿孔壁的横向运移,以使原先存留的沉渣彻底清除,清孔停泵后又会快速沉淀下来,从而使实际桩径小于设计桩径,甚至全桩钢筋笼露筋。杭州某基桩工程80%以上的桩身露筋就是一例证。(3)在多桩承台施工时,由于相邻桩的间距较近,如控制不好发生孔壁坍塌会出现相邻桩窜孔的事故,增加施工难度;(4)水下混凝土开灌不久发生孔壁大坍塌会引发导管被埋死钻孔报废的事故。
6. 泥浆性能对施工机械及施工的影响
泥浆携渣排渣能力的不足,会有大量的钻渣以悬浮半悬浮状态滞留在孔里,这些滞留孔里的钻渣在钻孔下部含量更高,在被钻具反复破碎的同时又对孔内钻具进行严重的磨耗损坏,因而引发断杆、埋钻等施工机械或孔内事故。特别是高砂性地层中的砂砾岩或圆砾层因孔隙率高,经常会发生孔内泥浆突然大量流失和同时孔壁坍塌的的情况,若未能及时采用恰当措施予以果断处置,很可能发生埋钻以致钻孔报废的事故。在杭州一个工地,发现过因断杆钻具被埋孔内钻孔报废,承包商往孔内下入一截钢筋笼然后灌注混凝土而成的半截子桩。
7. 泥浆质量在高砂性地层钻孔灌注桩施工中的重要性
砂性地层钻孔灌注桩施工要求泥浆密度较大,黏度较高,悬浮携带钻渣、护壁固壁和堵漏防塌性能好,否则基桩施工很多工序的工艺状态就达不到规范和设计的要求,易引发施工质量隐患。不同砂性地层对泥浆性能的要求有所差别,应采用不同性能标谁的泥浆,具体见不同砂性地层泥浆性能指标表。
表1 不同砂性地层泥浆性能指标表
泥浆性能指标粉细砂粗砂、砾砂卵石、圆砾石
比重(g/cm3)1.1~1.21.2~1.41.4~1.5
黏度(s)18~2121~2424~27
含砂率(%)< 4
塑性指数> 5
胶体率(%)≥95
失水率(ml/30min)< 50
PH值7.5~11
为避免泥浆密度和黏度过大对混凝土灌注作业的不利影响,水下混凝土浇注前的二次清孔时须置换调配密度和黏度较小的泥浆,以利于水下混凝土灌注作业和保证成桩质量。
8. 结语
高砂性地层钻孔灌注桩施工的泥浆质量不被重视的原因较多,其中与开发商的认识和工程监理单位的素质有着比较直接的关系。有的开发商在高砂性场地土钻孔灌注桩施工中拒绝承担相关泥浆处置费用,正因为在这个问题上各方未能协商一致,尽管有的施工方外购了一些粘土,或从别的基桩施工工地运来了一些废泥浆用于施工工程的泥浆改善,有时还被迫在泥浆中掺入用于拌制水下砼散装水泥或桩后桩端注浆水泥以改善泥浆的性能,尽管如此还是不可避免的引发一些质量事故。温州有一个设计1517根桩的工程,因二次清孔换浆发生塌孔、持力层漏浆埋钻、导管被埋和下笼过程大坍孔等报废钻孔10个。有的开发商虽然给了泥浆处置费用,但基桩施工单位嫌泥浆处置麻烦和节省施工成本仍用钻孔自造泥浆,掺加用于桩后桩端注浆水泥以改进泥浆性能。尽管如此所用泥浆性能与高砂性地层基桩施工所要求的优质泥浆仍有很大差距,加上监理监督不力,常使这种状况未能纠正整改。当前很多工程的经营模式为开发商出资投建,自行找队伍挂靠施工,监理工作又未充分授权监控,甚至现实中工程监理已变了味,因而施工中出现施工和监理双失控的情况并不鲜见,发现施工问题时又每每能摆平了事。杭城有一个设计1715根基桩工程,设三层地下室,基坑开挖深度17m左右,电梯井处近19m,其土方开挖所看见的基桩钢筋笼露筋桩竟达80%以上,有10%左右的桩设计桩径800～950mm,而灌注有混凝土桩体直径才40～60cm,整个桩的钢筋笼被砂土淤埋。
参考文献
[1] 徐维钧. 桩基施工手册,北京:人民交通出版社,2007,(12).
[2] 徐佩林. 高含砂地层钻孔灌注桩施工常见事故处理及预防,
北京:探矿工程(岩土钻掘工程),2006,(3).
[3] 徐佩林等. 高砂性能地层钻孔灌注桩施工易发的基桩质量隐患,
北京:建筑科技与管理,2008,(6).
[文章编号]1006-7619(2010)12-28-179
[作者简介]徐佩林,温州中城建设集团有限公司副总工程师,高级工程师,国家一级注册建造师。庄志强,温州中城建设集团有限公司质管处副处长,助理工程师,国家一级注册建造师。
【关键词】砂性地层;钻孔灌注桩;泥浆性能;成桩质量;施工事故
Influence of mud performance to high sandy strata of construction of bored piles
Xu Pei-lin, Zhuang Zhi-qiang
(Wenzhou Zhongcheng Construction Group Co., Ltd. Wenzhou Zhejiang 325000)
【Abstract】The article analyzes the combination of engineering examples of the high sand strata bored pile construction applications and manage the extreme importance of mud, discusses the properties of defects due to the mud pile right into a pile of construction and quality of adverse effects.
【Key words】Sandy strata; Bored pile; Mud property; Pile quality; Construction accident
1. 绪言
在高砂性地层场地设计采用建筑基桩桩型时,因地层一般较为密实而会受到制约,如沉管钻孔灌注桩、锤击式静压预应力管桩等桩型,或其施工有较大难度,或桩质量难以得到切实有效的保障而不宜选用,因而一般多会采用钻孔灌注桩作为建筑基桩。钻孔灌注桩施工中为防止孔壁坍塌、浆液流失或携排钻渣,需要采用优质泥浆作为钻孔冲洗循环液。泥浆性能是否能满足和保证高砂性地层钻孔灌注桩施工的工艺要求,对成桩质量的影响将是十分明显和直接的。但是,在施工的现实中泥浆性能对基桩质量的影响却常常被自觉或不自觉地忽视,甚至由此而引发基桩质量隐患或事故。
2. 泥浆性能
泥浆的主要物理性能有比重、黏度、胶体率、失水率、酸碱度、塑性指数和含砂率等,每一项性能指标的变化都会直接影响钻进成孔与孔壁的稳定性、机械运转及孔内事故的预防和成桩作业各工序的工艺状态,并对成桩质量带来明显而直接的影响。因此,泥浆性能成为高砂性地层钻孔灌注桩施工质量的关键质量保证措施之一。通过加强对泥浆性能的调整与优化及其规范现场管理,控制和保持适合工程所在地层基桩施工相适应的泥浆性能就显得尤为突出和重要。
3. 循环泥浆在钻孔灌注桩施工中的作用
黏土是泥浆中主要的固相成分,其颗粒粒径大多数小于0.005mm,它具有带电、吸附离子、水化膨胀以及分散成絮凝状胶体等特性。如果在钻孔泥浆中掺入相应的添加剂如纯碱、木屑等,泥浆的相关性能会得到显著的增强或提升,使泥浆性能得以优化。在钻孔灌注桩施工过程中,孔内循环泥浆发挥的作用:(1)发挥其平衡地层及其赋存的地下水的土压力和水压力在孔壁上形成泥皮而加固钻孔孔壁,提高孔壁的稳定性,减少和避免发生坍塌;(2)充满钻孔以平衡因钻孔孔壁地层释放的侧压力,使孔壁土体得以稳固;(3)悬浮和携带钻渣,并使其迅速外排,避免钻渣在孔内反复钻磨粉碎以提高进孔速度;(4)保证泥浆中尽量低的钻渣含量,减小所携带钻渣对孔壁的不利磨蚀,使钻孔保持均匀理想的孔形和使成桩桩身均匀规整;(5)冷却和保护孔内钻具,避免和减少施工机械磨耗及基桩施工事故。因此,对高砂性地层钻孔灌注桩施工工程而言,施工现场泥浆的正确运用与良好管理的状况,在很大程度上直接反映出施工队伍的综合素质及其工程施工质量的优劣。
4. 高砂性地层回转成孔自造泥浆的缺陷
高砂性地层钻进回转成孔自造泥浆因护壁和携带渣能力很差,极易引发孔壁坍塌、扩径、钻孔不规则、水下混凝土灌注严重超方等质量隐患。同时,还由于泥浆携砂呈饱和状态,泥浆泵停泵后即刻发生大量砂土和钻渣在孔底、孔壁沉淀下来,水下混凝土灌注前的二次清孔孔底沉淤厚度验收合格停泵转入水下混凝土灌注作业时,即使两工序间的时间间隔符合规范和设计要求,但孔底沉淤厚度待首灌混凝土剪入时早已超过要求。因此,泥浆中携带的过饱和渣土致使钻孔灌注桩施工中很多工序的工艺状况无法满足建筑基桩技术规程和设计的要求,从而引发诸多基桩质量隐患,甚至酿造质量事故。
5. 泥浆性能对成桩质量的影响
高砂性地层钻孔灌注桩施工自造泥浆质量的缺陷决定了必须采用膨润土或优质黏土制备符合砂性地层施工要求的优质泥浆,并构筑不小于施工钻孔3倍容积的泥浆沉淀池及其循环池,使从孔内循环出来的泥浆所携带的渣土能在沉淀池中有足够的时间释离沉淀下来予以清除,并使从沉淀池转入循环池的泥浆性能能满足施工工艺的要求。然而,在现实施工中,一些单位或嫌制备泥浆增添麻烦,或图工程施工利润的最大化,往往忽视泥浆质量及其管理。有的虽然已经采用一些改进泥浆性能的办法和措施,但工程的整个施工过程泥浆性能并未得到根本改善。因而,由于所用泥浆质量的缺陷使一些施工工序的工艺状态无法满足规范和设计的要求而引发成桩的质量缺陷甚至质量事故。
5.1 桩身含砂团或断桩。
成孔自造泥浆质量的缺陷使其护壁固壁能力差,极易发生孔壁坍塌,在桩身砼灌注过程发生孔壁坍塌更易引发桩身夹砂团,如孔壁发生大块崩塌时就可能引起断桩。从一些工程深基坑开挖的结果显示,桩身混凝土中时有大小不一的砂团出现,大团的可超过40cm(设计桩径850～1000),小的5～6cm,在桩身中的排列呈小间隔不规则状,砂团表面因混凝土浆液的浸渗固结而形成有一定强度的外壳,其中心砂粒仍呈松散状,砂团越大,呈松散状砂包也越大,对桩的承载力影响也越大。大块孔壁崩块发生时就会出现断桩事故。
5.2 桩身缩径。
砂性土钻孔孔壁缩径的常见情况发生在:(1)孔壁发生大块坍塌下落后被钢筋笼阻挡在钢筋笼与孔壁的间隙中形成较大砂团或环带状砂包体而被水下混凝土灌注包裹形成缩径;(2)成孔后至混凝土灌注时间间隔较长,孔内泥浆较长时间处于静态状况,悬浮于泥浆中的砂粒或细钻屑既在孔底发生快速垂向沉淀使孔深迅速变浅,同时也在孔壁上发生黏附沉淀作用,而且这种横向黏附沉淀还在成孔作业过程中同步进行,尽管其沉淀速度较垂向重力沉积速度缓慢得多,但在成孔成桩周期不适当地拖延的情形下,横向孔壁黏附沉淀的厚度有的可达1.5～3.0cm。而且这种黏附沉淀作用是全孔性的,它使桩身钢筋笼保护厚度变薄甚至露筋,会降低和影响桩的承载力及其使用寿命。(3)因泥浆性能差不足以平衡钻孔壁粉细砂地层侧压力而使孔壁向钻孔突出而呈缩径。
5.3 桩身畸形。(1)护壁固壁性能差的泥浆对高砂性地层中不同组分不同粒级及其不同密实度层位的钻孔孔壁稳定性差异而呈不规则的孔径变化;(2)由于这种悬浮携带过饱和砂土与钻渣的泥浆在孔内循环时,对不同土层孔壁的冲击磨蚀浸害破坏强度存在较大差异而使孔径不一;(3)水下混凝土呈不均衡灌注对孔壁产生不同的冲击力,致使孔壁发生坍塌,甚至使邻近钻孔因坍塌孔而窜孔连通,因而同一根桩在不同部位的桩径粗细变化就有很大差异,使桩形出现畸形。从深基坑开挖中得到验证砂粒较粗密实性相对较差的层位实际桩径会显著膨大而达到设计桩径的2～3倍,砂粒较细且较密实的部位实际桩径缩径,经常会小于设计桩径,随着地层的这种不均匀的土性变化其桩身呈现粗细膨缩突变畸形。这种畸形突变处往往是引发桩的承载力受力薄弱点,影响桩的承载力的有效发挥。
5.4 桩身钢筋露筋。施工中采用自造泥浆或接近自造泥浆时,其中悬浮的过饱和砂土与钻渣在终孔提启钻具、吊装钢筋笼及下导管的整个过程中在孔底及其孔壁上迅速沉淀下来,使孔深很快变浅,孔径渐细,很多钻孔的钢筋下不到位,现场常见多人攀爬上钢筋笼踩踏强行下墩的情况下仍然难以下到位,还每每造成钢筋笼变形报废,只得边往孔内泵送泥浆边让钢筋笼慢慢自行下沉入孔。但是这种情况下由于孔内沉渣多,清孔时导管只能作上下活动,导管活动范围及其贴近的沉淤会冲带上来或仍悬浮于孔内泥浆中,但离导管稍远和钢筋笼与孔壁间的沉淤由于泥浆性能差而无法清上来,在桩径较粗和清孔时间不太充分时即使钢筋笼内的沉淤仍有部分无法清上来,因而桩身混凝土的灌注就到不了此位置而造成桩身露筋。这种情况被多个深基坑土方开挖显示的结果所证实,有将近三分之一的钢筋笼没有下到位的,有80%以上基桩桩身几乎全露筋的,有钢筋笼完全缺失混凝土保护层的等情况。
5.5 桩身实际配筋率难以符合设计要求。泥浆性能的缺陷常致使孔内沉渣厚度大,钢筋笼下放吊装不到位,高出设计标高以上的钢筋笼只得在工程基坑开挖时截除,而且被截除的钢筋笼顶笼往往是钢筋笼配筋率最高的部位,这部分截除后桩的实际配筋率会有较大降低,因而不仅桩身实际钢筋长度降低而且其含钢量也比设计配筋率明显降低,从而影响基桩竖向荷载和水平抗剪力的发挥。
5.6 有效桩长难以保证。基桩隐蔽工程的质量控制主要是通过严格施工工序的工艺标准及其工程监理的旁站监督来实现的。在高砂性地层施工钻孔灌注桩,所采用泥浆性能差,整个施工流程中的不少工序特别是关键工序的工艺技术标准难以满足和符合现行规范和设计的要求,势必对成桩质量造成直接影响。现行基桩行业技术规程和工程设计都要求二清验收合格后到首灌混凝土剪入孔内的时间间隔不得超过0.5h,但如果泥浆中携带悬浮有大量泥土和钻渣时,即使灌注混凝土操作能满足上述时间间隔的要求,而实际清孔合格后一停泵就会迅速有大量沉淤(渣)在孔底沉淀下来,其厚度会远远超过规程和设计的要求。另外,首灌混凝土应有足够的容量从导管底端以很大的冲击力排出以使孔底沉淤上翻,从而减少孔底沉淤以满足设计要求,普遍采用商品混凝土后对首灌混凝土应有足够容量的工艺要求未得到应有的重视,很多工程所采用的灌砼储料斗容积仅0.6～0.8m3上下,与规程要求相差甚远。上述工序工艺状况必然造成桩端混凝土质量无法保证,桩的有效桩长也同样无法保证。
5.7 易引发水下混凝土灌注事故。
高性能地层回转成孔自造泥浆比重大、黏度低、含砂率高,施工中有的工程虽然会掺用其他含黏土地层钻孔灌注桩工地的外排废浆或本工地桩底注浆或拌制混凝土的散装水泥等措施以改善泥浆性能,但这种措施不可能根本改善和保持泥浆的良好性能,会给桩身混凝土灌注作业增加困难,或引发基桩质量隐患。主要有:(1)清孔质量难以保证,孔底沉渣厚度超过设计要求,影响桩端砼质量和减缩有效桩长。(2)下钢筋笼往往是边开泵送浆清孔边让钢筋笼逐渐下沉入孔,这样下入孔内的钢筋笼外与孔壁仍存留着沉渣,二清导管清孔时,因导管悬吊于钻机天车上仅能作上下活动,无法作沿孔壁的横向运移,以使原先存留的沉渣彻底清除,清孔停泵后又会快速沉淀下来,从而使实际桩径小于设计桩径,甚至全桩钢筋笼露筋。杭州某基桩工程80%以上的桩身露筋就是一例证。(3)在多桩承台施工时,由于相邻桩的间距较近,如控制不好发生孔壁坍塌会出现相邻桩窜孔的事故,增加施工难度;(4)水下混凝土开灌不久发生孔壁大坍塌会引发导管被埋死钻孔报废的事故。
6. 泥浆性能对施工机械及施工的影响
泥浆携渣排渣能力的不足,会有大量的钻渣以悬浮半悬浮状态滞留在孔里,这些滞留孔里的钻渣在钻孔下部含量更高,在被钻具反复破碎的同时又对孔内钻具进行严重的磨耗损坏,因而引发断杆、埋钻等施工机械或孔内事故。特别是高砂性地层中的砂砾岩或圆砾层因孔隙率高,经常会发生孔内泥浆突然大量流失和同时孔壁坍塌的的情况,若未能及时采用恰当措施予以果断处置,很可能发生埋钻以致钻孔报废的事故。在杭州一个工地,发现过因断杆钻具被埋孔内钻孔报废,承包商往孔内下入一截钢筋笼然后灌注混凝土而成的半截子桩。
7. 泥浆质量在高砂性地层钻孔灌注桩施工中的重要性
砂性地层钻孔灌注桩施工要求泥浆密度较大,黏度较高,悬浮携带钻渣、护壁固壁和堵漏防塌性能好,否则基桩施工很多工序的工艺状态就达不到规范和设计的要求,易引发施工质量隐患。不同砂性地层对泥浆性能的要求有所差别,应采用不同性能标谁的泥浆,具体见不同砂性地层泥浆性能指标表。
表1 不同砂性地层泥浆性能指标表
泥浆性能指标粉细砂粗砂、砾砂卵石、圆砾石
比重(g/cm3)1.1~1.21.2~1.41.4~1.5
黏度(s)18~2121~2424~27
含砂率(%)< 4
塑性指数> 5
胶体率(%)≥95
失水率(ml/30min)< 50
PH值7.5~11
为避免泥浆密度和黏度过大对混凝土灌注作业的不利影响,水下混凝土浇注前的二次清孔时须置换调配密度和黏度较小的泥浆,以利于水下混凝土灌注作业和保证成桩质量。
8. 结语
高砂性地层钻孔灌注桩施工的泥浆质量不被重视的原因较多,其中与开发商的认识和工程监理单位的素质有着比较直接的关系。有的开发商在高砂性场地土钻孔灌注桩施工中拒绝承担相关泥浆处置费用,正因为在这个问题上各方未能协商一致,尽管有的施工方外购了一些粘土,或从别的基桩施工工地运来了一些废泥浆用于施工工程的泥浆改善,有时还被迫在泥浆中掺入用于拌制水下砼散装水泥或桩后桩端注浆水泥以改善泥浆的性能,尽管如此还是不可避免的引发一些质量事故。温州有一个设计1517根桩的工程,因二次清孔换浆发生塌孔、持力层漏浆埋钻、导管被埋和下笼过程大坍孔等报废钻孔10个。有的开发商虽然给了泥浆处置费用,但基桩施工单位嫌泥浆处置麻烦和节省施工成本仍用钻孔自造泥浆,掺加用于桩后桩端注浆水泥以改进泥浆性能。尽管如此所用泥浆性能与高砂性地层基桩施工所要求的优质泥浆仍有很大差距,加上监理监督不力,常使这种状况未能纠正整改。当前很多工程的经营模式为开发商出资投建,自行找队伍挂靠施工,监理工作又未充分授权监控,甚至现实中工程监理已变了味,因而施工中出现施工和监理双失控的情况并不鲜见,发现施工问题时又每每能摆平了事。杭城有一个设计1715根基桩工程,设三层地下室,基坑开挖深度17m左右,电梯井处近19m,其土方开挖所看见的基桩钢筋笼露筋桩竟达80%以上,有10%左右的桩设计桩径800～950mm,而灌注有混凝土桩体直径才40～60cm,整个桩的钢筋笼被砂土淤埋。
参考文献
[1] 徐维钧. 桩基施工手册,北京:人民交通出版社,2007,(12).
[2] 徐佩林. 高含砂地层钻孔灌注桩施工常见事故处理及预防,
北京:探矿工程(岩土钻掘工程),2006,(3).
[3] 徐佩林等. 高砂性能地层钻孔灌注桩施工易发的基桩质量隐患,
北京:建筑科技与管理,2008,(6).
[文章编号]1006-7619(2010)12-28-179
[作者简介]徐佩林,温州中城建设集团有限公司副总工程师,高级工程师,国家一级注册建造师。庄志强,温州中城建设集团有限公司质管处副处长,助理工程师,国家一级注册建造师。