大直径桩基两次成孔法在桥梁基桩中的应用

孙建民

1 概述

所谓大直径桩,按国内外习惯,往往指桩径大于80 cm的桩基,多在较硬持力层埋深不大或桩较长时,为保证其长径比L/d不致过大的情况下采用。

桥梁桩基设计中,桩径在120 cm～150 cm较为多见,施工中已有成熟可行的经验。但对于部分大桥中出现的桩径180 cm,200 cm的大直径桩基,普遍存在成桩效率低,成孔时间长,以致加大塌孔的可能等问题。

某高速公路施工中,我们根据工程实际,通过试桩施工,采用了两次成孔法,效果显著。

2 工程概况

山西某公路工程,双向四车道高速公路标准建设。其中某大桥,桥长245 m,桥梁基桩采用桩长 60 m、桩径 200 cm的大直径灌柱桩基础。

基桩区域主要地质情况为黏土层、黏土与粉细砂互层,桩底标高持力层为粉质黏土层。

3 大直径桩两次成孔法及现状分析

3.1 成孔工艺的选择

桥址所在区域地下水位约在桩顶标高下20 m处,施工采用泥浆护壁成孔工艺。

同时,考虑设计桩长、桩径对于成孔机械性能的要求,采用旋挖钻机进行成孔作业。

3.2 旋挖钻机一次成孔工艺及现状分析

3.2.1 旋挖钻机一次成孔工艺

1)钻机就位。首先做好场地的平整,使主机左右履带板处于同一水平面上,动力头施工位置朝履带顺直方向布置,调整好机身前后左右的水平。同时将钻机桅杆调整至垂直于孔口的水平面,使钻头中心置于护筒内的桩中心位置。2)钻孔。开孔时将护筒内注入足够的泥浆(即保证高出地下水1 m～2 m),然后用旋挖钻斗将孔内钻渣依次挖出,并在成孔中间随时补充泥浆,保证护筒内泥浆水头压力,安排装载机将钻斗挖出的钻渣清理到场外。3)清孔。钻至设计标高时用带有活门的筒形钻清理沉渣,即一次清孔。

当孔壁泥浆皮沉淀较厚时,可用扫孔钻头上下往复,扫刷孔壁。

清孔后提出钻头,由质量员和工程监理进行孔径、孔深、垂直度检测,验收合格后,移走钻机,盖好盖板,进行下道工序施工。

3.2.2 旋挖钻机一次成孔现状分析

1)成孔效率。施工过程中对于桩径2 m的灌注桩,若采用旋挖钻机、主要地质情况为黏土层、黏土与粉细砂互层时,成孔效率约为 50 m/d～55 m/d(三班连续作业)。缺点:成孔效率低,成孔作业时间长,有限工期条件下机械设备投入量大。2)成孔质量控制难点。大直径、长桩前提下,成孔过程中最容易发生的质量问题就是钻孔偏斜和孔壁坍塌。

钻孔偏斜一般发生在有倾斜的软硬地层交界处钻进或钻出过程中遇到较大孤石或探头石时,施工过程中只要根据钻头钻进速度、钻具平稳状况等进行判断,然后针对前一种情况采取低速钻进、随时校正钻杆的垂直度来预防,针对后一种情况,采用岩石钻头钻碎孤石后再正常钻进的方式进行处理。但对于塌孔现象,则明显与作业时间长短、设计孔壁暴露时间长短直接相关。

3.3 大直径桩两次成孔法施工工艺及优势

3.3.1 旋挖钻机两次成孔工艺

1)初次钻孔。钻机就位后,开孔时将护筒内注入足够的泥浆(即保证高出地下水1 m～2 m),然后采用直径1.5 m旋挖钻头,按一次成孔的工艺成孔,钻进出渣,并在成孔中间随时补充泥浆,保证护筒内泥浆水头压力。2)二次成孔。初次成孔至孔底标高后,换用直径2.0 m钻头,再次按一次成孔的工艺成孔,重新钻进出渣,至设计桩底。3)采用带有活门的筒式钻头清理沉渣,进行一次清孔。

3.3.2 大直径桩两次成孔法施工优势

1)采用两次成孔法的最大优势,就是提高施工效率,在同等工作量、同等工期要求下,可减少设备投入量,从而提高经济效益。2)由于提高成孔效率,缩短了孔壁暴露时间,且只有二次成孔过程中,才有可能出现塌孔影响,同时,设计孔壁暴露时间缩短至原来的1/4左右,最大限度地降低了出现塌孔的可能。

4 两次成孔法与一次成孔法的对比

4.1 成孔效率

以桩长60 m,桩径200 cm的灌注桩为例,若主要地质情况为黏土层、黏土与粉细砂互层的桩基,采用旋挖钻机作业时:一次成孔平均作业时间为连续28 h成孔一个;两次成孔平均作业时间为连续15 h成孔一个;平均每根桩提高效率 13 h。

4.2 成孔质量控制

由于提高成孔效率,且首次成孔后由于孔径远小于设计孔径,设计孔壁实际暴露时间仅仅为6 h～7 h,为一次成孔孔壁暴露时间的1/4,也明显地减少了孔壁坍塌的可能,有力地保证了成孔质量。

由于其他原因引起的塌孔,可通过以下措施预防:1)由于泥浆指标不符合要求,起不到护壁作用造成的塌孔。根据现场施工条件和地层情况,在基本配合比的基础上进行调配试验,直到泥浆各种指标都符合要求后才能正式施工。施工过程中,应随时测定泥浆的各种指标,出现偏差,及时调整。2)由于钻具提升、下降速度过快,冲刷孔壁形成坍孔。同时,在快速上提钻斗时,在其下方可能产生负压,而导致孔壁坍塌。施工中应按孔径大小及土质情况来调整钻斗的升降速度。3)由于钻进流砂、软塑淤泥质土层或松散砂层等易塌孔地层进尺太快,孔壁来不及形成泥膜,造成塌孔。根据不同的地层采用不同的钻速,一般黏土层,每钻进尺50 cm左右,在松散砂砾、砂层中钻进时,每钻进尺35 cm左右,并适当加大泥浆密度。

5 施工成果

1)目前,该桩基工程已交工验收,现场各项检测均满足设计要求。2)两次成孔经验已被本项目其他标段施工过程中借鉴采用,效果良好。

6 结语

我们采用以上所述的桩基两次成孔法,成功地进行了超大直径桩基工程的成孔作业,实现了桥梁桩基施工的高效、优质、安全可靠的施工目标,取得了很好的施工效果。

[1] JGJ 94-2008,建筑桩基技术规范[S].

[2] 《桩基工程手册》编写委员会.桩基工程手册[M].北京:人民交通出版社,2002.

[3] 呼延锋.旋挖成孔灌注桩施工[J].山西建筑,2009,35(21):124-125.