(一)混凝土灌注方法分类
在钻孔桩施工中,混凝土灌注分为直接灌注法和水下导管灌注法两大类。
1.直接灌注法(又称干孔灌注法)
对于无水或经疏干、桩底标高在地下水位以上的干孔,在清除孔底浮土,下入钢筋笼后,即可将拌合好的混凝土由孔口直接倾倒入孔内,并利用混凝土自重落差产生的冲捣作用实现浇筑捣实。当落差减小,依靠冲捣不能实现浇筑捣实,则要使用混凝土振捣器具予以捣实。干孔浇筑要求混凝土性能与地面结构混凝土性能基本相同。干孔浇筑使用的设备机具也比较简单。
2.水下导管灌注法(或直升导管灌注法)
对桩底或全部桩身位于水位以下,或在水流无法封闭的地方浇筑混凝土,必须采用水下灌注法施工。水下灌注的方法很多,比较普遍采用的是导管灌注法,即利用密封连接的钢管作为水下混凝土的灌注通道,管下部埋入混凝土内适当的深度,使连续不断灌入的混凝土与桩孔内冲洗液隔离并逐步形成桩身。这种方法不需抽排桩孔内的水。而直接用导管灌注混凝土。为确保灌注质量,一般水泥用量不小于420kg/m3;坍落度为16～20cm,含砂率为40%左右。
水下灌注混凝土的不利因素很多,难度较大,易产生断桩、凝固不良、严重离析、夹渣缩径、稀释、空洞等质量事故。因此,灌注水下混凝土,对其组成材料的性质、配合比与拌合质量、灌注设备机具与灌注工艺,以及施工操作等方面都有严格的要求和规定。
(二)混凝土灌注要求
1.导管灌注法的施工程序
如图5-1、图5-2所示。导管居中插入到离孔底0.4～0.5m处(不能插入孔底沉积的泥浆中),导管上口接漏斗。在漏斗底口设置隔水栓塞或设置开关阀门,以隔绝混凝土与导管内水的接触。在漏斗中存储足够数量的混凝土后,剪断隔水栓塞的提吊钢丝或打开阀门,让存储在漏斗中的混凝土连同隔水栓塞一起向孔底猛落(若采用阀门,则无隔水栓塞),这时孔内环隙中的水急剧外溢,说明混凝土已落入孔底。存储在漏斗中的混凝土量应能将导管中的水全部压出,并使导管下口埋入孔内混凝土内1～1.5m,以保证孔内环隙的水不可能重新流入导管。随着混凝土不断通过漏斗、导管灌入桩孔,钻孔内初期灌注的混凝土及其上面的水或泥浆不断地被顶托升高,要相应地不断提升导管和拆除导管,直至钻孔灌注混凝土完毕。
图5-1 灌注水下混凝土
1—通混凝土储料槽;2—漏斗;3—隔水栓;4—导管
图5-2 水下混凝土灌注示意图
1—进料斗;2—贮料斗;3—滑道;4—漏斗;5—导管;6—护筒;7—卷扬机
2.灌注机具
(1)水下混凝土灌注机
可利用桩孔的成孔设备。
(2)灌浆导管
灌浆导管是内径0.2～0.4m的钢管,每节长度为1～2m;最下面一节导管可较长些(一般为3～4m)。为方便调节灌浆漏斗的高度,还应设置长度为0.5～0.7m带有和漏斗连接装置的短接。导管两端视具体情况可用丝扣连接或采用法兰盘及螺纹连接。不论采用哪种方式连接,都应保证连接可靠,装卸方便,密封性能好。
(3)灌浆漏斗
灌浆漏斗是用钢板焊接而成的。可为圆形,亦可为方形;其容量加上集料斗的容量应等于初灌量。
(三)混凝土灌注操作
1.混凝土第一次灌注量
图5-3 混凝土初灌注计算图
开始灌注时,为防止粗骨料卡住隔水栓,应先配制0.20～3.00m3流动性好的水泥砂浆倾入导管内,充填隔水塞以上的空间。然后按下列公式计算第一次灌注量(图5-3)。
地勘钻探工：初级工、中级工、高级工
式中:V 为第一次灌注量(m3);D为桩孔的平均直径(m);H为桩孔深度(m);H首为第一次混凝土灌注后的孔深(m);V2为被埋导管的环形体积(m3);V3为隔水栓塞(水泥塞)体积(m3);V1为平衡导管外冲洗液导管内所需混凝土的体积(m3)。即
地勘钻探工：初级工、中级工、高级工
式中:ρ1为冲洗液密度;ρ2为混凝土密度;d为导管内径(m)。若V2,V3忽略不计,则
地勘钻探工：初级工、中级工、高级工
上述计算是以“静平衡”作为计算的依据,但实际上混凝土在流动过程中,还有黏滞阻力、与孔壁的摩擦阻力以及与导管的摩擦阻力,与钢筋笼的摩擦阻力。由于这些阻力的存在并影响到混凝土的流动,因此在实际施工中,第一次灌注量应大于上式计算的值,才有可能使混凝土从环状间隙继续上返直至埋住导管1.5～2.0m为止。有的学者把克服上述阻力而增加的混凝土量——实际在导管中形成的混凝土浆柱,叫“超压力”。这个“超压力”正是为了克服上述的各种阻力。实际上在整个灌注过程中都必须保持这个“超压力”才行。根据施工经验,第一次实际灌注量应为
V实=K·V计(5-3)
式中:K为经验系数,其值在1.15～1.25间选择。它与孔壁粗糙程度、导管接头凸出程度以及导管表面粗糙程度等因素有关。孔壁粗糙、导管接头凸出、导管表面粗糙,则取较大值;反之,则取较小值;V计为计算的第一次灌注量(m3);V实为第一次实际应灌注量(m3)。
在施工中,为保持足够的超压力,除按上述进行计算外,一般是漏斗底端应比桩顶高出至少3m;若桩顶在水面以下时,应比水面高出3m,以保证足够的“超压力”以满足顶托上部混凝土和冲洗液上升的需要。
2.灌注混凝土注意事项
灌注混凝土(特别是水下灌注),是钻孔灌注桩施工工序中最后一道关键性工序,其施工质量的好坏将严重影响灌注的质量。因此在施工中应注意以下事项
1)认真检查搅拌机、灌注机、水、电线路以及辅助机具、原材料,避免中途停顿,影响灌注质量,甚至造成报废。
2)无论用哪种方法清孔,在吊放钢筋笼后,应采取一定的方式搅拌孔底,使残沉的钻屑悬浮在冲洗液中(冲洗液的密度一般不应低于1.15g/cm3),然后立即下入灌浆导管,迅速进行灌注工作。
3)在根据桩孔深度、灌注速度等作配比试验时,确定混凝土的初凝时间,一般应取4～6h,必要时可加缓凝剂。
4)在灌注过程中,无论天气变化或其他原因都应坚持灌注完毕,不得中途停工。
5)灌浆过程中,应由专人掌握和测定混凝土上返高度,确定导管的埋深。若导管埋深过小,孔内水或地下水的压力大时可能浸入;若埋深过大时,返浆阻力大,应及时拆去一定长度的导管,通常保持2～3m的埋深即可。
6)混凝土拌合料必须合格,拌合必须均匀。并尽可能缩短运送距离,减少颠簸,以防止混凝土离析而发生卡管等事故。
7)灌注桩顶高度应比设计高度预加一定值,一般是0.5m左右,此段算为浮浆。
8)起拔护管和套管应在初凝时间前进行,且应缓慢进行以避免起拔过快而产生拱洞。
9)注意掌握好灌注充盈系数不得小于1。一般土质为1.1,软土为1.2～1.3。
10)当气温在摄氏零度以下进行混凝土灌注时,应对混凝土采取加热保暖技术措施。在强度未达设计标号的50%以前,不得受冻。在冻土、膨胀土地区施工时,应按设计要求做好防冻胀、防膨胀处理。
3.灌注事故的处理
(1)导管漏水(渗水)
若发现导管漏水,应立即查明原因和漏失位置以及漏水的严重情况。若漏水位置靠近导管的上部,并且渗水不大时,可继续进行灌注。若渗水严重,则应设法堵漏或换掉漏水的导管。
在此种情况下,若不提动底节套管即能处理,且已灌混凝土不受影响时,仍可继续灌注;若处理或拔换导管费时较长,而所灌混凝土不多,可将其全部清除,重新灌注;若已灌注混凝土很多,但中断时间不长,混凝土还有流动性,则可将导管插入孔内混凝土中达到30～50cm或更深一点,然后继续进行灌注。应对发生此种事故的桩,进行钻孔取心检查。
(2)钢筋笼被导管挂起
当提升导管,钢筋笼被提起时,应将导管下降一点,并转动导管使导管移动到中间位置,即可脱挂。为防止这类事故的发生,第一,导管安装时,应保证在孔的中心,导管不得有弯曲;第二,应在导管法兰接头处加设锥形防挂活套。
(3)粗集料卡管
由于混凝土坍落度过小,流动性差,并夹有大径粗集料,或混凝土拌合不匀,运输中严重离析,导管浸水致使混凝土受水冲洗,骨料集中在一起等原因发生卡管时,可在容许的导管埋深范围内略为提升导管,或提升后猛往下插以抖动导管。注意抖动后导管下口不得低于原来的位置,以避免下部流动性差的混凝土堵塞导管口。若用上述作法仍不能消除卡管,则应停止灌注,用长的管子进行疏通。若卡塞得较严重,可下入振捣器进行振动,达到消除事故。
(4)断桩
断桩事故的主要原因有以下几点:
1)表层混凝土失去流动性,而继续灌注的混凝土顶破表层而上升,将混有泥浆的表层覆盖包裹而造成断桩。
2)由于导管提升过猛,导管口高出混凝土面,则新灌注的混凝土覆盖在混有泥浆的表层混凝土面上而造成断桩。
3)由于测深不准,使导管提离混凝土面而形成断桩。
4)由于地下水活动的影响或导管接头密封不良,冲洗液浸入,使混凝土水灰比增大而造成断桩。
处理断桩时,如果桩承受较大弯矩,可用小于桩钢筋笼的钻头在桩中心钻孔穿过断桩处以下一定深度,用高压水冲洗后,在钻孔中插入小直径钢筋笼或其他型材,然后灌注粗集料粒度不大于0.5cm的混凝土浆或压入砂浆即可。若断桩处靠近地面,而发现断桩后又未继续灌注,可视具体情况,采取下入长的护筒或沉入小沉井等办法,排水清除钻渣,并对桩头作必要的凿除清理后,再灌入混凝土至设计标高。