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        真空負(fù)壓斷樁的機(jī)理分析與應(yīng)用研究

        2019-03-06 03:21:58趙明時(shí)
        港工技術(shù) 2019年1期
        關(guān)鍵詞:斷樁孔壁成孔

        趙明時(shí)

        (中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,天津 300222)

        引 言

        在灌注樁施工過(guò)程中,混凝土澆注是最重要的環(huán)節(jié),90 %左右的斷樁事故發(fā)生在這一施工工序。一旦斷樁,勢(shì)必會(huì)造成資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染[1]。工程中,人們往往將斷樁原因歸結(jié)于在灌注樁澆注過(guò)程中導(dǎo)管提出混凝土頂面。然而事實(shí)上,隨著灌注樁施工工藝的成熟,導(dǎo)管提出混凝土面發(fā)生的幾率非常低。在低應(yīng)變速度~時(shí)程曲線圖上,我們所見(jiàn)的斷樁常伴隨著下方的擴(kuò)頸,即灌注樁出現(xiàn)“先縮頸后擴(kuò)頸”的現(xiàn)象。

        為了降低灌注樁斷樁風(fēng)險(xiǎn)、減少工程損失,合理解釋灌注樁“先縮頸后擴(kuò)頸”現(xiàn)象,研究在灌注樁混凝土澆注過(guò)程中斷樁的機(jī)理和影響因素是非常必要的,具有直接的工程意義和理論價(jià)值。

        1 工程背景

        1.1 項(xiàng)目背景

        灌河某高樁碼頭總長(zhǎng)513 m,碼頭前沿頂高程確定為4.40 m。碼頭采用高樁梁板結(jié)構(gòu)型式,引橋共3座,從下游往上游方向,分別為1#、2#、3#引橋,引橋?qū)挾葹?5 m。引橋基礎(chǔ)采用Φ1 000 PHC管樁和Φ1 000 PHC鉆孔灌注樁。根據(jù)設(shè)計(jì)平面圖,每座引橋打設(shè)灌注樁15根,共45根灌注樁,灌注樁頂高程為2.40 m,灌注樁樁底高程為-55.0~-45.0 m,高程-2.02 m以下混凝土強(qiáng)度為C30,在高程-2.02 m以上部位至樁頂混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30F250,如圖1所示。

        圖1 引橋斷面示意

        1.2 斷樁事故概況

        本工程引橋 P-B9#灌注樁在施工過(guò)程中出現(xiàn)異常:P-B9#灌注樁在混凝土澆注至距樁頂約15 m時(shí),導(dǎo)管埋入混凝土頂面6 m,如圖2所示,此時(shí)混凝土面突然下降4 m左右,發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象后迅速進(jìn)行混凝土澆注,直至澆注到設(shè)計(jì)高程處后停止作業(yè)。

        低應(yīng)變檢測(cè)判定該樁為Ⅲ類樁,如圖3所示,距樁頂20 m處樁身有明顯缺陷、對(duì)樁身結(jié)構(gòu)承載力有影響。

        圖2 混凝土澆注示意

        圖3 低應(yīng)變速度~時(shí)程曲線

        1.3 斷樁事故產(chǎn)生的不利因素

        1)天氣條件

        該灌注樁成孔及澆注時(shí)連降大雨,導(dǎo)致成孔采用的泥漿比重、粘度等指標(biāo)下降,從而降低了孔壁的穩(wěn)定性。

        2)水文地質(zhì)條件

        根據(jù)本工程地質(zhì)勘查報(bào)告,灌注樁成孔范圍內(nèi)②2層淤泥質(zhì)黏土,軟土,強(qiáng)度低,壓縮性高,且具有流塑性,易引起較大的沉降變形,不良工程地質(zhì)層。該層土靈敏度約3.16,為中靈敏土。

        灌注樁成孔范圍內(nèi)地下水類型主要為孔隙潛水,孔隙潛水主要賦存于②層土以淺土層孔隙中,與灌河水有強(qiáng)烈的水力聯(lián)系??紫稘撍饕艽髿饨邓肮嗪铀a(bǔ)給,以自然蒸發(fā)和側(cè)向逕流方式排泄。

        灌河口附近海域受黃海潮波系統(tǒng)控制,屬非正規(guī)半日潮。潮波傳入灌河河道后,潮波逐漸轉(zhuǎn)為前進(jìn)波與駐波的混合型潮波,具有明顯往復(fù)流性質(zhì)。灌河沿程高、低潮位和潮差變化不大,潮波變形使河道內(nèi)漲潮歷時(shí)縮短,落潮歷時(shí)延長(zhǎng)。

        3)荷載條件

        灌注樁孔壁及灌注樁樁體,除承受上部垂直向荷載外,還承受水平動(dòng)荷載,水平動(dòng)荷載主要來(lái)自兩個(gè)方面:一是打樁船施工時(shí)產(chǎn)生的水平振動(dòng)力;二是工程區(qū)存在的潮汐,由于漲落潮以及船舶行駛產(chǎn)生的波浪,進(jìn)而對(duì)施工灌注樁所搭設(shè)的鋼平臺(tái)樁基產(chǎn)生往復(fù)水平推力,鋼平臺(tái)樁基類似于一豎直的彈性地基梁,在水平動(dòng)荷載反復(fù)作用下工作,對(duì)地基土必將產(chǎn)生往復(fù)震動(dòng),而使土層的抗剪強(qiáng)度等物理性質(zhì)指標(biāo)降低,致使鋼平臺(tái)樁基附近土體力學(xué)指標(biāo)降低,進(jìn)而影響灌注樁孔壁的穩(wěn)定性[2]。

        2 斷樁事故分析

        2.1 真空負(fù)壓斷樁的概念

        灌注樁混凝土澆注過(guò)程中,由于孔壁附近混凝土突然缺失,導(dǎo)致孔壁內(nèi)側(cè)形成短期“真空”狀態(tài),孔壁在外側(cè)土壓力作用下失穩(wěn),土體進(jìn)入混凝土中,致使灌注樁樁體截面受損,形成斷樁,如圖 4所示。

        2.2 機(jī)理分析

        在灌注樁混凝土初凝前,已澆注部分的孔壁由外側(cè)土壓力和內(nèi)側(cè)混凝土、泥漿壓力平衡。當(dāng)孔壁內(nèi)壓大于外壓時(shí),孔壁失穩(wěn),混凝土進(jìn)入土體,失穩(wěn)層上方孔壁的混凝土“瞬間”下落,形成“真空”狀態(tài),進(jìn)而導(dǎo)致“真空負(fù)壓斷樁”的情況發(fā)生。

        圖4 真空負(fù)壓斷樁

        2.3 案例分析

        引橋 P-B9#灌注樁在混凝土澆注至距樁頂約15 m時(shí),距樁頂20 m處的混凝土尚未初凝;且根據(jù)混凝土導(dǎo)管埋設(shè)情況,距樁頂21 m處正為混凝土澆注下口,該位置的孔壁除了受內(nèi)外壓的靜荷載外,還要承受來(lái)自混凝土橫向流動(dòng)的水平?jīng)_擊力;同時(shí),該位置恰處在②層土,該層土的孔隙潛水與灌河水有強(qiáng)烈的水力聯(lián)系,流動(dòng)性較大,致使孔壁泥皮物理化學(xué)穩(wěn)定性較差,從而使泥漿或混凝土更容易進(jìn)入土體。

        事故發(fā)生時(shí),距樁頂21 m處的孔壁由于以上諸多不利因素發(fā)生失穩(wěn),混凝土短時(shí)間內(nèi)流入土體及含水層,致使上方孔壁內(nèi)側(cè)形成短期“真空”狀態(tài),距樁頂20 m處的孔壁發(fā)生二次失穩(wěn),土體進(jìn)入混凝土,形成“真空負(fù)壓斷樁”。

        2.4 預(yù)防措施

        “真空負(fù)壓斷樁”形成于混凝土澆注過(guò)程中,它不同于成孔過(guò)程中的孔壁失穩(wěn),是不可逆的工序,一旦發(fā)生斷樁,不但會(huì)影響工程實(shí)體質(zhì)量,對(duì)工期及成本也都會(huì)造成不良影響。

        針對(duì)“真空負(fù)壓斷樁”形成的機(jī)理和影響因素,提出以下預(yù)防措施:

        1)灌注樁在不良水文地質(zhì)條件下澆注混凝土,一方面減少埋管深度,以降低對(duì)混凝土的擾動(dòng),加快已澆注混凝土的初凝,也就是說(shuō)從混凝土初凝角度來(lái)看,埋管越淺越利于孔壁的穩(wěn)定。另一方面適當(dāng)降低澆注速度,減少混凝土橫向流動(dòng)對(duì)孔壁產(chǎn)生的沖擊。然而,在實(shí)際施工過(guò)程中,混凝土澆注速度往往由埋管深度決定,即導(dǎo)管埋深越大、混凝土澆注速度越慢,也就是說(shuō)從混凝土橫向沖擊角度來(lái)看,埋管越深越利于孔壁的穩(wěn)定。這就需要工程技術(shù)人員根據(jù)工程所在地天氣、水文地質(zhì)條件、施工工藝等具體情況合理調(diào)整導(dǎo)管埋深,以平衡混凝土初凝和混凝土橫向沖擊對(duì)孔壁造成的不利因素。

        2)水上施工灌注樁采用的鋼護(hù)筒長(zhǎng)度盡可能穿越工程地質(zhì)性質(zhì)較差的土層。

        3)灌注樁施工過(guò)程中,減少外界施工振動(dòng)干擾,例如:當(dāng)灌注樁和預(yù)制管樁同時(shí)存在時(shí),盡量先施工管灌注樁,再進(jìn)行預(yù)制管樁的打設(shè),以減少孔壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

        4)灌注樁在不良水文地質(zhì)條件下施工,泥皮物理化學(xué)性質(zhì)較差,因此泥皮的滲透系數(shù)較低,因此勤于檢測(cè)泥漿指標(biāo),特別是泥漿的比重和粘度,注意新漿的補(bǔ)充和廢漿的排除。這不僅僅有利于灌注樁成孔施工,而且能夠增加泥皮的穩(wěn)定性,有利于灌注樁的完整性和承載力。

        3 結(jié) 語(yǔ)

        1)在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行灌注樁施工,工程技術(shù)人員要綜合考慮天氣、水文地質(zhì)條件及其它施工條件等對(duì)灌注樁“真空負(fù)壓斷樁”的影響。結(jié)合本工程實(shí)際情況確定灌注樁澆注混凝土?xí)r,埋管深度為3~5 m;另外根據(jù)本工程水文地質(zhì)條件,鋼護(hù)筒長(zhǎng)度選取24 m;打樁施工和灌注樁施工的安全距離要大于200 m。

        2)“真空負(fù)壓斷樁”理念的提出,不僅僅保證了灌注樁的完整性和適應(yīng)性,增強(qiáng)了灌注樁在建筑市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力;更重要的是對(duì)灌注樁低應(yīng)變曲線圖中常見(jiàn)的“先縮頸后擴(kuò)頸”的現(xiàn)象做出了合理的解釋,完善了灌注樁的斷樁理論。

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