钻孔灌注桩施工应根据土质、桩径大小、入土深度和机具设备等条件选用适当的钻具和钻孔方法,以保证能顺利达到预计孔深,然后清孔、吊放钢筋笼架、灌注水下混凝土。
目前我国常使用的钻具有旋转钻、冲击钻和冲抓钻三种类型。为稳固孔壁采用孔口埋设护筒和在孔内灌入粘土泥浆,并使孔内液面高出孔外水位,以在孔内形成一向外的静压力,而起到护壁、固壁作用。现按施工顺序介绍其主要工序如下:
1.准备工作
1)准备场地 施工前应将场地平整好,以便安装钻架进行钻孔。当墩台位于无水岸滩时钻架位置处应整平夯实,清除杂物,挖换软土;场地有浅水时,宜采用土或草袋围堰筑岛。当场地为深水或陡坡时,可用木桩或钢筋混凝土桩搭设支架,安装施工平台支承钻机(架)。深水中在水流较平稳时,也可将施工平台架设在浮船上,就位锚固稳定后在水上钻孔。水中支架的结构强度、刚度和船只的浮力、稳定都应事前进行验算。
2)埋置护筒 护筒的作用是:(1)固定桩位,并作钻孔导向;(2)保护孔口,防止孔口土层坍塌;(3)隔离孔内外表层水,并保持钻孔内水位高出施工水位以稳固孔壁。因此埋置护简要求稳固、准确。
护筒制作要求坚固、耐用、不易变形、不漏水、装卸方便和能重复使用。一般用木材、薄钢板或钢筋混凝土制成,护筒内径应比钻头直径稍大,旋转钻须增大0.1~0.2m,冲击或冲抓钻增大0.2~0.3m。
护筒埋设可采用下埋式(适于旱地埋置如图a)上埋式(适于旱地或浅水筑岛埋置如图b c)和下沉埋设(适于深水埋置如图d)。埋设护筒时应注意下列几点:
(1)护筒平面位置应埋设正确,偏差不宜大于50mm;
(2)护筒顶标高应高出地下水位和施工最高水位1.5~2.0m。在无水地层钻孔因护壁顶部设有溢浆口,因此筒顶也应高出地面0.2~0.3m;
(3)护筒底应低于施工最低水位(一般低于0.1~0.3m即可)。深水下沉埋设的护筒应沿导向架借自重、射水、震动或锤击等方法将护筒下沉至稳定深度;入土深度:粘性土应达到0.5blm,砂性土则3~4m;
(4)下埋式及上埋式护筒挖坑不宜太大(一般比护简直径大1.0~0.60m),护筒四周应夯
填密实的粘土,护筒底应埋置在稳定的粘土层中,否则也应换填粘土并夯密实,其厚度一般为0.50m。
3)制备泥浆 泥浆在钻孔中的作用是:(1)在孔内产生较大的悬浮液压力,可防止坍孔;(2)泥浆向孔外土层渗漏,在钻进过程中,由于钻头的活动,孔壁表面形成一层胶泥,具有护壁作用,同时将孔内外水流切断,能稳定孔内水位;(3)泥浆比重大,具有浮渣作用,利于钻渣的排出,因此在钻孔过程中,孔内应保持一定稠度的泥浆,一般比重以1.1—1.3为宜,在冲击钻进大卵石层时可用1.4以上,粘度为10一25s,含砂率小于6%。在较好的粘土层中钻孔,也可灌入清水,使钻孔时孔内自造泥浆,达到固壁效果。调制泥浆的粘土塑性指数不宜小于15。
4)安装钻机或钻架 钻架是钻孔、吊放钢筋笼、灌注混凝土的支架。我国生产的定型旋转钻机和冲击钻机都附有定型钻架,其他一般常用还有木制和钢制的四脚架、三脚架或人字扒杆。
在钻孔过程中,成孔中心必须对准桩位中心,钻机(架)必须保持平稳,不发生位移、倾斜和沉陷。钻机(架)安装就位时,应详细测量,底座应用枕木垫实塞紧,顶端应用缆风绳固定平稳,并在钻孔过程中经常检查。
2.钻孔
1)钻孔方法和钻具
(1)旋转钻进成孔 利用钻具的旋转切削土体钻进,并在钻进的同时常采用循环泥浆的方法护壁排渣,继续钻进成孔。我国现用旋转钻机按泥浆循环的程序不同分为正循环与反循环两种。所谓正循环即在钻进的同时,泥浆泵将泥浆压进泥浆笼头,通过钻杆中心从钻头喷入钻孔内,泥浆挟带钻渣沿钻孔上升,从护筒顶部排浆孔排出至沉淀池,钻渣在此沉
淀而泥浆仍进入泥浆池循环使用,如图所示。
反循环与上述正循环程序相反,将泥浆用泥浆泵送至钻孔内,然后从钻头的钻杆下口吸进,通过钻杆中心排出到沉淀池,泥浆沉淀后再循环使用。反循环钻机的钻进及排渣效率较高,但在接长钻杆时装卸较麻烦,如钻渣粒径超过钻杆内径(一般为120mm)易堵塞管路,则不宜采用。我国定型生产的旋转钻机在转盘、钻架、动力设备等均配套定型,钻头的构造根据土质采用多种型式,正循环旋转机有鱼尾锥(图a)、圆柱形钻头(图b)、刺猬钻头(图c) 等如下图所示,常用的反循环钻头为三翼空心钻如上图所示。
旋转钻还有采用较轻便、高效的潜水电钻, 如图所示。其特点是钻头
与动力(电动机)联成一体,电动机直接驱动钻头旋转切土,能量损耗小而效率高,但设备管路较复杂,旋转电动机及变速装置均须密封安装在钻头与钻杆之间。其钻进成孔方法与正循环法相同,在钻头端部喷出高速水流冲刷土体,以水力排渣。
由于旋转钻进成孔的施工方法受到机具和动力的限制,一般适用于较细、软的土层,如各种塑状的粘性土、砂土、夹少量粒径小于100~200mm的砂卵土层。对于坚硬土层或岩层,目前也有采用牙轮旋转钻头(由动力驱动大齿轮而带动若干个高强度小齿轮钻刃旋转切削岩体),已取得良好效果。
(2)冲击钻进成孔利用钻锥(重10~35kN)不断地提锥、落锥反复冲击孔底土层,把土层中的泥砂、石块挤向四壁或打成碎渣,钻渣悬浮于泥浆中,利用掏渣筒取出。重复上述过程冲击钻进成孔。
主要采用的机具有定型的冲击式钻机(包括钻架、动力、起重装置等)、冲击钻头、转向装置和掏渣筒等,也可用30~50kN带离合器的卷扬机配合钢、木钻架及动力组成简易冲击机。
钻头一般是整体铸钢做成的实体钻锥,钻刃为十字形采用高强度耐磨钢材做成,底刃最好不完全平直以加大单位长度上的压重,如下图所示(图中β=70°~90°,φ=160°~170°)。冲击时钻头应有足够的重量,适当的冲程和冲击频率,以使它有足够的能量将岩块打碎。
冲锥每冲击一次旋转一个角度,才能得到圆形的钻孔。因此在锥头和提升钢丝绳连接处应有转向装置,常用的有合金套或转向环,以保证冲锥的转动,也避免了钢丝绳打结扭断。
掏渣筒是用以掏取孔内钻渣的工具,如上图所示,用30mm左右厚的钢板制作,下面碗形阀门应与渣筒密合以防止漏水漏浆。
冲击钻孔适用于含有漂卵石、大块石的土层及岩层,也能用于其他土层。成孔深度一般不宜超过50m。
(3)冲抓钻进成孔 用兼有冲击和抓土作用的冲抓锥,通过钻架, 由带
离合器的卷场机操纵。靠冲锥自重(重为10~20kN)冲下使抓土瓣锥尖张开插入土层,然后由卷扬机提升锥头收拢抓土瓣将土抓出,弃土后继续冲抓钻进而成孔。
钻锥常采用四瓣或六瓣冲抓锥,其构造如图所示,当收紧外套钢丝绳松内套钢丝绳,内套在自重作用下相对外套下坠,便使锥瓣张开插入土中。
冲抓成孔适用于粘性土、砂性土及夹有碎卵石的砂砾土层。成孔深度宜小于30m。
2)钻孔注意事项
在钻孔过程中应防止坍孔、孔形扭歪或孔偏斜,甚至把钻头埋住或掉进孔内等事故。因此,钻孔时应注意下列各点:
(1)在钻孔过程中,始终要保持钻孔护筒内水位要高出筒外l~1.5m的水位差和护壁泥浆的要求(泥浆比重为1.1—1.3、粘度为10~25s、含砂率≤6%等),以起到护壁固壁作用,防止坍孔。若发现漏水(漏浆)现象,应找出原因及时处理。
(2)在钻孔过程中,应根据土质等情况控制钻进速度、调整泥浆稠度,以防止坍孔及钻孔偏斜、卡钻和旋转钻机负荷超载等情况发生。
(3)钻孔宜一气呵成,不宜中途停钻以避免坍孔,若坍孔严重应回填重钻。
(4)钻孔过程中应加强对桩位、成孔情况的检查工作。终孔时应对桩位、孔径、形状、深度、倾斜度及孔底土质等情况进行检验,合格后立即清孔、吊放钢筋笼,灌注混凝土。
3.清孔及装吊钢筋骨架
清孔目的是除去孔底沉淀的钻渣和泥浆,以保证灌注的钢筋混凝土质量,保证桩的承载力。
清孔的方法有:
1)抽浆清孔 用空气吸泥机吸出含钻渣的泥浆而达到清孔。由风管将压缩空气输进排泥管,使泥浆形成密度较小的泥浆空气混合物,在水柱压力下沿排泥管向外排出泥浆和孔底沉渣,同时用水泵向孔内注水,保持水位不变直至喷出清水或沉渣厚度达设计要求为止,适用于孔壁不易坍塌,各种钻孔方法的柱桩和摩擦桩,如下图;
2)掏渣清孔 用掏渣筒掏清孔内粗粒钻渣,适用于冲抓、冲击成孔的摩擦桩;
3)换浆清孔 正、反循环旋转机可在钻孔完成后不停钻、:不进尺,继续循环换浆清渣,直至达到清理泥浆的要求。它适用于各类土层的摩擦桩。
清孔应达到的要求是浇注混凝土前孔底500mm以内的泥浆比重应小于1.25、含砂率≤8%、粘度≤28s(见“建筑桩基技术规范”)。
钻孔桩的钢筋应按设计要求预先焊成钢筋笼骨架,整体或分段就位,吊入钻孔。
钢筋笼骨架吊放前应检查孔底深度是否符合要求;孔壁有无妨碍骨架吊放和正确就位的情况。钢筋骨架吊装可利用钻架或另立扒杆进行。吊放时应避免骨架碰撞孔壁,并保证骨架外混凝土保护层厚度,应随时校正骨架位置。钢筋骨架达到设计标高后,牢固定位于孔口。钢筋骨架安置完毕后,须再次进行孔底检查,有时须进行二次清孔,达到要求后即可灌注水下混凝土。
4.灌注水下混凝土
目前我国多采用直升导管法灌注水下混凝土。
1)灌注方法及有关设备
导管法的施工过程如图所示。将导管居中插入到离孔底0.30~0.40m(不能插入孔底沉积的泥浆中),导管上口接漏斗,在接口处设隔水栓,以隔绝混凝土与导管内水的接触。在漏斗中存备足够数量的混凝土后,放开隔水栓使漏斗中存备的混凝土连同隔水栓向孔底猛落,将导管内水挤出,混凝土从导管下落至孔底堆积,并使导管埋在混凝土内,此后向导管连续灌注混凝土。导管下口埋入孔内混凝土内1~1.5m深以保证钻孔内的水不可能重新流入导管。随着混凝土不断由漏斗、导管灌入钻孔,钻孔内初期灌注的混凝土及其上面的水或泥浆不断被顶托升高,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。
导管是内径0.20~0.40m的钢管,壁厚3~4mm,每节长度1~2m,最下面一节导管应较长,—般为3~4m。导管两端用法兰盘及螺栓连接,并垫橡皮圈以保证接头不漏水,
如下图所示,导管内壁应光滑,内径大小一致,连接牢固在压力下不漏水。
隔水栓常用直径较导管内径小20~30mm的木球,或混凝土球、砂袋等,以粗铁丝悬挂在导管上口或近导管内水面处,要求隔水球能在导管内滑动自如不致卡管。木球隔水栓构造如上图所示。目前也有采用在漏斗与导管接头处设置活门来代替隔水球,它是利用混凝土下落排出导管内的水,施工较简单但需有丰富操作经验。
首批灌注的混凝土数量,要保证将导管内水全部压出,并能将导管初次埋入1~1.5m深。按照这个要求计算第一斗连续浇灌混凝土的最小用量,从而确定漏斗的尺寸大小及储料槽的大小。漏斗和储料槽的最小容量(m3)为(参看上图中b):
式中:Hc——导管初次埋深加开始时导管离孔底的间距(m);
h1——孔内混凝土高度Hc时,导管内混凝土柱与导管外水压平衡所 需高度(m),
h1=Hwγw/γc;
其中:Hw——孔内水面到混凝土面的水柱高(m);
γw、γc——孔内水(或泥浆)及混凝土的容重;
d、D——导管及桩孔直径(m);
其余符号意义见上图。
漏斗顶端至少应高出桩顶(桩顶在水面以下时应比水面)3m,以保证在灌注最后部分混凝土时,管内混凝土能满足顶托管外混凝土及其上面的水或泥浆重力的需要。
2)对混凝土材料的要求
为保证水下混凝土的质量,设计混凝土配合比时,要将混凝土标号提高20%;混凝土应有必要的流动性,以坍落度表示;坍落度宜在180~220mm范围内;每m3混凝土水泥用量不少于360kg,水灰比宜用0.5~0.6,并可适当提高含砂率(宜采用40%~50%)使混凝土有较好的和易性;为防卡管,石料尽可能用卵石,适宜直径为5~30mm,最大粒径不应超过40mm。
3)灌注水下混凝土注意事项
灌注水下混凝土是钻孔灌注桩施工最后一道带有关键性的工序,其施工质量将严重影响到成桩质量,施工中应注意以下几点:
(1)混凝土拌合必须均匀,尽可能缩短运输距离和减小颠簸,防止混凝土离析而发生卡管事故;
(2)灌注混凝土必须连续作业,一气呵成,避免任何原因的中断灌注,因此混凝土的搅拌和运输设备应满足连续作业的要求,孔内混凝土上升到接近钢筋笼架底处时应防止钢筋笼架被混凝土顶起;
(3)在灌注过程中,要随时测量和记录孔内混凝土灌注标高和导管入孔长度,提管时控制和保证导管埋入混凝土面内有3~5m深度。防止导管提升过猛,管底提离混凝土面或埋入过浅,而使导管内进水造成断桩夹泥。另方面也要防止导管埋入过深,而造成导管内混凝土压不出或导管为混凝土埋住凝结,不能提升,导致中止浇灌而成断桩;
(4)灌注的桩顶标高应比设计值预加一定的高度,此范围的浮浆和混凝土应凿除,以确保桩顶混凝土的质量,预加高度一般为0.5m,深桩应酌量增加。
待桩身混凝土达到设计强度,按规定检验后方可灌注系梁、盖梁或承台。
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