灌注桩在水利水电工程的应用研究

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摘  要：结合实际工程，介绍了挖空灌注桩在水利水电工程中的应用，探讨了其具体的工工艺及注意事项，可供相关技术人员参考。
 关键词：灌注桩、水利水电论文、施工工艺
 
1 场地地质情况
 某水利工程地质情况较复杂，场地地下水位较高。地层自上而下为杂填土、第四系冲积层，具体场地地质情况如下：人工杂填土呈灰黄、灰黑色，由砂土、碎石、粉质黏土堆积而成，稍湿，呈松散状，厚1.1 m~4.0 m，平均2.3m，标贯击数为5.6击至17.8击，平均 10.8击。第四系冲积层根据土性组合可划分为黏土(粉质黏土)和砾砂两层：黏土层以黏土为主，偶夹粉质黏土、淤泥质土，黏土、粉质黏土呈可塑状，局部硬塑，粉土呈稍密状，淤泥质土。砾砂层呈灰白、灰黄色，局部为粉细砂、中粗砂，偶含黏土，局部地段夹薄层黏土、粉土，厚度0.6 m~7.8 m，平均5.4 m，标贯击数为2.3击~22.9击，平均11.8击。
 经专家研究决定，采用冲击成孔灌注桩方法进行施工。
2 水下混凝土施工工艺
 本工程中采用冲击钻成孔，水下混凝土拌制采用先进的净浆裹石工艺，拌合站集中搅拌，拌合站由1台JS1000拌合楼和2台JS强制式搅拌机组成，水下混凝土由4辆容量为8立方米的搅拌车输送到施工现场，水下混凝土直接倒进导管漏斗，不用设置储料斗，施工操作简单方便。
 钻孔灌注桩采用冲击钻成孔，自然造浆护壁，导管法灌注水下混凝土成桩。13台冲击钻机同时作业。
 冲击成孔过程中，采用掏渣筒及时清除破碎的碎块。冲击成孔完后，泵吸反循环清孔，当泥浆比重降至1.1g/cm3以下，粘度保持为16～17s，含砂率介于1.5～2%之间，最后再采用压风机清孔，利用高压气体把沉渣吹出孔外，由于孔壁比较稳定，清孔比较彻底，清孔效果比较好，一般都能清成清水孔。
 当钢筋笼吊放到位和导管入位后，需重新测量孔底沉渣。清孔完毕后，采用测深锤检查清孔效果，当清孔比较彻底时，有经验的施工人员评经验可以知道清孔的效果，当能感觉到测深锤下落后弹性反弹时，表明清孔效果比较好。
 导管采用5mm厚钢板卷制焊成，直径250mm，中间每节长2.5m，最下面一节长3.76m，最上面一节1m，连接方式为丝扣连接。导管底端距桩底控制在35～40cm。导管在使用前应做水密、承压等试验。灌注水下混凝土前应检查运输到现场的水下混凝土性能，不符合要求的水下混凝土不能使用。
 工程中采用容量为8立方米的搅拌车进行初灌，首次灌注水下混凝土足够将导管埋深1m以上。
 导管及漏斗连接好后，将钢板垫放置漏斗底部将底口封住，钢板垫用钢索系住，一切准备就绪后即可灌注水下混凝土。当漏斗装满水下混凝土后，冲击钻机提升钢索，将钢板垫拔出的同时，搅拌车加速水下混凝土注入漏斗，使首批混凝土能够连续灌注。孔口自然返水，导管内与外部水隔绝合要求后，就可连续不断地进行混凝土灌注。灌注过程中在每次提升导管前应不断计算和测量混凝土灌注高度，测量孔内混凝土面高度的次数一般不宜少于所使用的导管节数，测量的混凝土面高度要与灌入的混凝土量的折算值相比较，以确定是否有坍孔等情况发生。导管保持2～6m的埋深，一次提管拆管≤6m，提升拆卸时间＜18分钟。在导管外壁设置羽翼防止挂钢筋笼。
 为了确保桩顶质量，在桩顶设计标高以上加灌一定高度，一般为0.5～1.0m左右，以便灌注结束后清除桩顶部的浮浆沉渣。在灌注结束后，对于岸上的钻孔桩，混凝土初凝前拔出钢护筒，桩机移位重新开孔施工。本工程大部分桩位于水中，应待混凝土有一定强度后，可以用切割机切除水上部分钢护筒。工程中凿桩长度为0.8m，采用空压机配风镐凿桩，桩头混凝土密实，级配均匀，钢筋外混凝土厚度均在10cm以上，满足保护层厚度6cm的要求，桩径外围圆顺，尺寸满足设计要求，预留搭接钢筋长度140cm。
3 施工情况及质量控制
 灌注水下混凝土时，应探测水面或泥浆面以下的孔深和所灌注的混凝土面高度，以控制沉淀层厚度、埋管深度和桩顶高度。如探测不准确，将造成沉淀过厚、导管提漏、埋管过深，因而发生夹层断桩、短桩或导管拔不出事故。
 水下混凝土灌注过程中，应勤检测混凝土面的高度，根据探测的混凝土面高度和灌入的混凝土数量做相应的计算，检验钻孔桩是否存在局部严重超径、缩径、漏失层位等，同时观察返水情况，以正确分析和判定孔内的情况，避免发生施工事故。
严格控制导管埋深2～6m，严禁施工人员为图便利而超量灌注、一次拆管数节，要勤探测，及时调整导管埋深，防止埋管过深发生堵管、埋管。
 混凝土的超灌量较大，一般混凝土超灌量为10～20%，实际工程中，最高超灌量达27.1%。分析其原因主要有，一是冲孔时间长，孔壁部分发生坍落；二是冲击钻机在便桥上作业，在冲击钻的冲击作用下，便桥有颤动，从而扩大了冲击钻头的摆动范围，造成钻孔孔径扩大或不规则。
 在正常情况下，水下混凝土在自重作用下顺畅向下流动，压强迅速达到平衡。静止流体中各点上的压强都发生了ΔP的变化，则ΔP的压强变化瞬时传至静止流体内各点，即所谓的巴斯噶原理[50]。但是灌注是按搅拌车间断性灌注，当下一车混凝土向下灌注时，已灌注的混凝土可能发生初凝或堵管。一旦发生初凝或发生堵管，混凝土不能向下流动，导管的受力状况发生明显的改变，压力在底部明显增大。当发生混凝土流通不畅时，施工人员会提升导管，提升一段距离（大约0.5m）后，让导管做自由落体运动，混凝土跟随导管一起向下运动，当导管停止运动时，管内的混凝土已具有一定的运动速度，在惯性作用下，继续向下运动，当导管承受能力足够时，混凝土就可以冲出导管，可以继续灌注下一盘混凝土。然而当导管承受能力不足以抵挡水下混凝土冲击力时，就会发生导管爆破现象。导管发生爆破的主要原因有：导管使用时间长，磨损锈蚀，使导管壁厚减小，承压能力减弱；导管焊缝不实，局部有砂眼（小孔），发生应力集中，从而劈裂导管；导管加工不规则，焊缝处有噘嘴。