鄧榮貴，孫 怡，孟仁帆，程 剛，劉遠程，王園園

(西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

引言

現(xiàn)澆混凝土樁以其結(jié)構(gòu)簡單，施工組織靈活，施工場地適應性極強在土木工程領域得到廣泛使用?，F(xiàn)澆混凝土樁沖擊成孔泥漿護壁施工工藝與螺旋鉆成孔、旋挖鉆成孔和挖孔相比，是最安全，對場地適應性最強的施工工藝方法[1]。影響該施工工藝灌注樁質(zhì)量效果主要為樁孔底部最終沉渣厚度的控制，也是該施工工藝需要攻克的技術(shù)難題[2-5]。沉渣厚度對基樁、特別是端承型基樁的承載力影響極大，沉渣過厚產(chǎn)生的“軟墊”效應會顯著降低樁的承載力，增加樁頂沉降量，端阻承載能力損失可達80%以上，側(cè)阻力損失可達70%以上[6-9]。因此，現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范和標準對沉渣厚度有明確規(guī)定，沉渣厚度檢測是樁基檢測中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，沉渣上界面的位置又是沉渣厚度檢測中最難判別界定的關(guān)鍵。

目前，檢測樁孔沉渣厚度的方法已經(jīng)衍生出十幾種，但尚未實現(xiàn)快速準確檢測，其中，重錘法是國內(nèi)外工程中運用最多的方法[10-11]。該方法以勻速下放鋼質(zhì)墜子的手感停止位置作為沉渣上界面，該位置判斷沒有可靠的定量標準，測量過程偶然因素影響較大，結(jié)果精度較低[12]。常聚友，張德翔[13-14]采用反射法檢測確定沉渣厚度，但對嵌巖端承樁的效果只能做定性判斷，因為嵌巖樁有時出現(xiàn)較強的負向反射波，會干擾樁底反射波和樁底沉渣的判斷；姚蒙[15]提出了測試樁孔護壁泥漿及沉渣電阻率沿深度的變化，將電阻率出現(xiàn)劇變的位置作為沉渣上界面的方法，但該位置是否為實際沉渣上界面缺乏驗證，并且在物理學及電化學原理上缺乏理論依據(jù)，因為沉渣厚度主要與兩相介質(zhì)重度差異有關(guān)，而電阻率與介質(zhì)導電特性及泥漿中的電解質(zhì)含量有關(guān)；蔡芹光[16]提出通過測定樁孔內(nèi)泥漿及沉渣超聲波參數(shù)變化情況，憑檢測者經(jīng)驗判讀波形，確定沉渣上界面的方法，該方法缺乏判定的量化標準，且由于不同泥漿的稠度會影響超聲波傳播速度，對測定結(jié)果影響較大[17]；王川嬰[18]利用理論計算確定沉渣上界面額定壓力值為25 kPa，認為小于此額定值的浮渣在混凝土灌注過程中將會被排出，在其設計的測量系統(tǒng)中通過改變探頭面積使探頭自重壓力保持25 kPa，認為探頭靜止位置為沉渣上界面，該理論計算較為理想化和簡單，缺乏對影響沉渣上界面的主要因素泥漿和混凝土料重度及混凝土料沖擊力的考慮。成樁后的沉渣測量方法主要采用鉆芯法[19]，其與在此基礎上發(fā)展而來的鉆孔成像技術(shù)[20]均屬于有損檢測，對樁體有破壞。

綜合上述研究現(xiàn)狀表明，對于泥漿護壁型的沖擊成孔現(xiàn)澆混凝土樁孔，底部沉渣厚度的現(xiàn)有測量器件、方法及判定分析思路，主要存在以下不足：(1)現(xiàn)有檢測判定樁孔沉渣厚度的技術(shù)手段和方法基本上還停留在經(jīng)驗階段，即使提出了一些定量或半定量的方法，但仍然缺乏清晰的物理力學基本原理支撐與理論依據(jù)；(2)對樁孔沉渣條件、沉渣機理、沉渣形成過程、沉渣的工程物理力學特性和相應的檢測技術(shù)與器件，缺乏系統(tǒng)性的基礎理論研究和工程試驗研究。因此，基于模型試驗開展樁孔沉渣形成過程研究，對其形成機理進行理論分析，為沉渣的判定提供參考。

1 樁孔孔底沉渣特性試驗方案

1.1 試驗材料

1.1.1 模擬樁孔

研究包括樁底沉渣厚度在內(nèi)的沉渣特性，關(guān)鍵是研究沉渣上界面附近樁孔段泥漿、沉渣及混凝土料的特性及其相互作用特征。為突出問題重點，并便于試驗，用底端密封的透明亞克力材料圓筒模擬樁孔，其高度200 cm，內(nèi)外徑分別為28，30 cm，其高度足以涵蓋實際樁孔沉渣厚度范圍與非沉渣的泥漿段的過渡段長度范圍。設計制作的試驗樁孔見圖1。

圖1 樁孔模擬試驗筒(單位：cm)

1.1.2 樁孔中的沉渣與泥漿

實際工程樁孔中用于維護孔壁穩(wěn)定的泥漿和原始地基巖土被切削或沖擊碎裂后的碎裂巖塊、自由沉淀至孔底的碎屑與泥漿的混合物，該混合物稱之為沉渣泥漿，重度一般為14～17 kN/m3。本試驗模型所用沉渣材料由中砂、黏土和細粒石組成，其配比為黏土∶中砂∶細碎石=3.97∶1.16∶1，該配比黏土含量占64.76%，可模擬泥砂巖分布區(qū)域的沉渣特性。沉渣材料加入水制成碎石泥漿，該碎石泥漿用于模擬實際工程中的沉渣泥漿。

1.1.3 灌注樁混凝土料

混凝土料是具有一定流動性、和易性和黏度的塑性流體，裹雜有相當體積組分的粗、細骨料。沖擊成孔水下灌注樁的澆注過程，就是混凝土料從導管中自由下落，以一定速度進入樁孔，排擠沉渣泥漿并停留的過程。實際工程中，混凝土料出管下墜沖入樁孔底部沉渣及泥漿的過程難以監(jiān)測，混凝土料與沉渣泥漿相互作用復雜，而且混凝土料澆注進入樁孔泥漿過程中，由于混凝土強度等級和粗細骨料性質(zhì)差異，可能呈不同大小、不同形狀和不同重度的混凝土料團塊與泥漿作用。為研究單因素影響情況，用典型混凝土塊模擬混凝土料團塊，模擬泥漿護壁的水下澆筑混凝土樁澆注混凝土料貫入樁孔沉渣泥漿的過程。

混凝土塊體采用與灌注C30混凝土料相同配比凝固制作，即水泥∶粗砂∶細石∶水=1∶1.95∶3.05∶0.56，塊體中心埋入絲線，以備沉降速度及沉陷深度測量使用。塊體形狀采用球體、正六面體、正四面體三種，重度與普通混凝土料重度相近，選取具代表性的重度23，24，25 kN/m3。將混凝土塊體制成5種粒徑，模擬混凝土料團塊進入沉渣泥漿的運動規(guī)律。制成的混凝土塊體特征參數(shù)見表1。

表1 混凝土塊體參數(shù)

模擬混凝土料灌注需要的設備包括料斗、導管及固定架。由于初灌結(jié)束后(形成一定高度并填滿樁孔截面的連續(xù)柱狀混凝土料體)沉渣上界面和沉渣厚度基本穩(wěn)定，后續(xù)灌注對上界面位置及沉渣厚度影響較小[21]，故僅進行初灌模擬。模擬料斗容積需滿足初灌混凝土料量的要求，利用直徑0.3 m，高40 cm的塑料礦泉水桶制作。采用內(nèi)徑0.08 m，長度1.6 m的PVC管模擬導管，導管和料斗安裝于亞克力管頂端。

1.2 測試參數(shù)及測試方法

1.2.1 碎石泥漿的重度測試

混凝土料灌注能否順利到達孔底排出泥漿和巖屑，除灌注工藝外，樁孔中泥漿的平均重度和重度隨深度和時間的變化也是重要條件。為測出泥漿重度隨時間和空間的變化，樁孔內(nèi)上段采用浮力法測試，見圖2，其數(shù)顯測力計為勝利生產(chǎn)的VC50N型，球墜質(zhì)量20 462.4 g，體積267.95 cm3的鋼球，每8 cm為一測段測量拉力計讀數(shù)，直至拉力計顯示為0；下段沉淀段采用取芯法測試，內(nèi)徑4 cm的PVC半合取芯管取芯，每4 cm為一測段測試稱其質(zhì)量，見圖3中的取芯孔Zk。

圖2 浮力法(單位：cm)

圖3 取芯法(單位：cm)

1.2.2 混凝土塊體沉降速率及沉停位置測試

為避免邊界效應，混凝土塊體僅在樁孔中心泥漿中進行沉速試驗。因泥漿渾濁難以觀測混凝土塊沉降過程和最終位置，采用如圖4所示的間接測量方法。用輕質(zhì)高強柔性線將標志物與標準混凝土球相連，通過高速攝像機記錄標志物的運動速率變化及最終停止位置，推算混凝土球速度變化過程及沉停位置。

圖4 混凝土塊體沉速測量示意(單位：cm)

1.2.3 灌注承樁沉渣上界面測量

水下灌注混凝土是一個流體動力學問題，受擾動和沉渣及混凝土料局部不均勻性等因素影響，灌注完成后上界面通常是一個空間曲面。為了解上界面的形態(tài)，在樁孔周圍利用亞克力管透明條件進行測量素描確定，同時樁孔內(nèi)部按圖3所示S1～S5取芯孔的位置取芯測量確定。取芯測量采用負壓取芯管取芯，結(jié)構(gòu)見圖5。取芯法結(jié)合周邊素描基本可以確定上界面的空間大致形態(tài)。

圖5 負壓取芯管結(jié)構(gòu)

1.3 試驗測試實施方案

考慮取料和場地的方便性，試驗分為兩個階段。一是野外試驗，利用河道堆積砂、黏土及碎石料進行初步試驗，目的是試樣方法的驗證和完善試驗設計；二是在野外驗證試驗基礎上，利用室內(nèi)留置時間更長的條件進行正式試驗。試驗方案如下。

(1)安放模擬樁孔，并預制用于沉速測試的混凝土塊，見圖6、圖7。

圖6 室外模擬試驗

圖7 制作成的混凝土塊

(2)混凝土塊沉速的標定測試。安裝樁孔混凝土塊沉速測試儀。在空氣條件下進行標定測試，確定滑輪及整個系統(tǒng)摩阻力等初始參數(shù)。

(3)碎石泥漿的制作。按照1.1.2節(jié)設計的泥漿配比拌和均勻形成泥漿干料。先在模擬樁孔中注入清潔水至1.5 m高度，將拌和均勻的泥漿干料緩慢地倒入樁孔，并補充水面至1.84 m，在水面內(nèi)朝著同一個方向攪拌均勻，靜置后沉渣材料會出現(xiàn)由于沉降分異而形成的碎石渣層和泥漿層，以此模擬實際工程泥漿護壁沖擊成孔樁中護壁泥漿的泥漿和沉渣形成過程。

(4)上段泥漿重度測試。采用浮力法，改變輕質(zhì)軟線長度，以8 cm為測段，自泥漿面開始往孔底逐段測量，直至數(shù)顯儀拉力顯示為零。

(5)下段沉渣段長度測試。用負壓半合取芯管獲取下段泥漿或沉渣的芯樣，每4 cm為一測段分段測量其質(zhì)量。測試后的沉渣芯樣用樁孔表面泥漿液拌勻后倒回樁孔。

(6)泥漿中混凝土塊的沉速測試。與第(2)步相同，架設混凝土塊沉速裝置，將混凝土塊在泥漿中的沉速進行測試，測試起點是混凝土塊剛好浸沒在泥漿液面。

(7)分別間隔1，3 h和18 h，重復第(4)步～第(6)步測試工作。

(8)混凝土料拌制及混凝土樁澆注。拌制體積≮25 000 cm3的混凝土料，確?？稍跇犊變?nèi)形成至少40 cm高的連續(xù)混凝土澆注體。安裝混凝土料澆注料斗和導管，在料斗底部先墊一塊塑料膜暫時堵住料斗底孔。將拌好的混凝土料倒入料斗，抽出塑料膜，讓混凝土料以滿管的形式下墜進入導筒，注入樁孔底部。緩慢拔出料斗及導管，試驗澆筑工作完成。

(9)靜放20 min后，沿樁孔周圍測量、記錄和描繪澆注混凝土料底面即沉渣上界面。并利用負壓取芯管取出芯樣，測量沉渣段及混凝土料段長度。

2 試驗數(shù)據(jù)整理及結(jié)果分析

2.1 碎石泥漿重度沿孔深變化分析

模擬樁孔中，上段第i測段泥漿的平均重度γi(kN/m3)由式(1)計算；下段泥漿及沉渣混合體重度γn+j(kN/m3)由式(2)計算。

(1)

(2)

式中，W0為球墜自重，約為20.462 4 N；Wi為球墜靜止在樁孔泥漿內(nèi)i測點時測力儀顯示值，即為球墜所受拉力值，N，i=1，2，…，n，由球墜下降的高度確定；Vq為金屬球墜的體積，約為0.267 95×10-3m3；Wn+j為n+j段芯樣的質(zhì)量，N，j=1，2，…，m；Vx為每測段沉渣的體積，約為5.024×10-5m3。本節(jié)的深度指樁孔泥漿液面以下深度，泥漿液面對應與圖1所示的184 cm刻度，孔底深度對應圖1所示的0 cm刻度，孔口對應200 cm刻度。上述各點的深度hi=184-Hn+m-i，cm；Hn+m-i為測點對應樁孔壁的刻度數(shù)，見圖3、圖4。

數(shù)據(jù)整理結(jié)果見圖8，即樁孔中泥漿重度隨泥漿深度的變化曲線，其特征表明，隨泥漿深度增大，泥漿重度增加；隨著靜置沉淀的時間延長，上段泥漿重度降低，下段泥漿重度增加。在整個樁孔段，泥漿重度的增加分為3個階段，第一階段隨深度增大，重度增加緩慢；第二個階段隨深度增大，重度增加迅速；第三階段隨深度增大，重度增加又變得緩慢。

對樁孔靜置時間1 min時的樁孔重度分布數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計回歸，可得該時刻樁孔碎石泥漿的重度統(tǒng)計回歸公式

γ(x)=4.002 6x2-4.806x+11.32

(3)

式中，x為泥漿液面以下的深度。

沉淀在沉降過程中出現(xiàn)上述現(xiàn)象是因為顆粒礦物密度和顆粒大小不同引起的單位質(zhì)量凈沉降動力差異所致。

2.2 模擬混凝土料團塊沉速變化及沉停深度分析

混凝土塊下沉速率v(hi)由式(4)計算。

(4)

式中，hi為i測點深度，cm；ti為i測點的時刻，ms，兩個參數(shù)均由高速攝像機慢回放讀??；Hi為i測點對應樁孔壁的刻度值。對混凝土塊在空氣中進行沉速標定測試后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)摩阻對混凝土塊沉降速率影響極小，可忽略不計。

圖9是5種粒徑球形混凝土塊在樁孔泥漿中沉降速度隨深度變化曲線。顯然沉降速率具有由零變大再變小直至滯停，以及粒徑越大相同高度處的沉速越大的特征。出現(xiàn)上述特征是因為不同粒徑的物質(zhì)顆粒在沉降時單位質(zhì)量受到的阻力不同。

圖9 球形混凝土料團塊沉速曲線

圖10是粒徑8 cm正六面體、正四面體和球體的沉降速率沿深度變化曲線。由圖10可知，沉降速率具有沉速由零變大再變小直至滯停，形狀越規(guī)則，相同高度處的沉速越大的特點。這是因為不同形狀塊體單位質(zhì)量的表面積和迎面面積不同，受到的單位質(zhì)量下的阻力不同所致。

圖10 粒徑8 cm混凝土料團塊沉速曲線

圖11是粒徑為6 cm球形混凝土塊在樁孔泥漿中沉降速度隨深度變化曲線。顯然沉降速率由零變大再變小直至滯停，重度越大，相同高度處的沉速越大。這是因為不同重度的塊體，沉降時單位質(zhì)量表面積不同而受到的阻力不同。

圖11 粒徑6 cm混凝土料團塊沉速曲線

整理模擬混凝土料團塊的沉停深度，見表2，分析表2數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：塊體粒徑越大，沉停深度越大；塊體形狀越規(guī)則，沉停深度越大；塊體重度越大，沉停深度越大。而混凝土料團塊沉停深度越大，意味著實際工程基樁澆注中，可能形成的樁底沉渣厚度越小。

表2 模擬混凝土料團塊泥漿中沉停深度

2.3 模擬灌注沉渣上界面特征試驗分析

取芯法與周邊素描得到的沉渣上界面結(jié)果見圖12和表3。

圖12 沉渣及混凝土與泥漿界面特征

試驗結(jié)果說明，灌注混凝土層頂面起伏較小，最大高差約2 cm，幾乎在一個平面內(nèi)；底面與沉渣接觸的上界面起伏明顯，最大高差達4 cm。

3 沖擊成孔混凝土灌注樁沉渣及其機理討論

混凝土料是具有較好流動性的塑性流體，終孔清渣后的樁孔泥漿整體上也是流體，只是孔底沉淀了一些碎塊石和泥塊或高度黏性(軟塑至流塑)泥團，前述試驗顯示泥漿含水量在20%左右的情況下，泥漿及沉渣重度最大在20 kN/m3以內(nèi)，多數(shù)在14～18 kN/m3，而混凝土拌和料的重度可達22 kN/m3。從流體靜力學角度分析，樁底出現(xiàn)較厚的沉渣從理論上是講不通的，但實際工程中樁端超規(guī)定厚度的沉渣卻是常見而又致命的樁基礎工程質(zhì)量問題。從前述模型試驗看，樁孔水下灌注混凝土不只是簡單的流體靜力學問題，而是以流體介質(zhì)為主兼?zhèn)漯髯兲匦怨腆w的多相介質(zhì)，外加多種擾動因素和影響因素綜合作用的流體動力學問題。特定條件下可做相應的簡化處理分析。

3.1 料斗-導管中混凝土料準流體靜力分析

不同的灌注工藝決定混凝土料與泥漿的相互作用方式，進而影響沉渣上界面形態(tài)和厚度大小。如圖13所示的灌注工藝下，即混凝土料斗始終滿斗H0不變，混凝土料填滿導筒，導筒中混凝土料管狀體“鋒面”完整，導管距樁孔底部不大于2r，混凝土料沖出導管底端不會與泥漿交融的條件為

p1+p2>p3

(5)

其中

(6)

(7)

(8)

將式(3)代入式(7)和式(8)，并變換積分變量，得到

(9)

(10)

以上各式中，γt為混凝土料重度，kN/m3；r為導管半徑，m；μ1和μ2分別為混凝土料和泥漿與導管內(nèi)壁之間的單位黏滯力，kPa；H0為料斗中混凝土料表面至導管上口的高度，m；h0為導管長度，m；b0為導管下口距孔底的距離，b0≤2r；x為灌注過程中導管中混凝土料管狀體“鋒面”深度；p3為導管底部壓強。

在導管底端，將x=h0代入式(6)、式(9)和式(10)，再代入式(5)得到

(11)

從式(11)可知，導管長度h0和混凝土料與導管間的黏滯力越大，需要的H0越大；導管內(nèi)徑和混凝土料重度越大，需要的H0越小。對于H0大小的需求本質(zhì)上是對于料斗內(nèi)混凝土料對導管內(nèi)混凝土料附加連續(xù)壓強的需求，而這種附加的連續(xù)壓強僅通過增加初灌量是不經(jīng)濟且難以實現(xiàn)的，可通過加壓泵送混凝土料的方式達到相同的效果，達到降低沉渣厚度的目的。

將模型試驗中參數(shù)b0=0.08 m，h0=1.76 m，r=0.04 m，γt=24 kN/m3，μ1=1 kPa代入式(11)中，得到H0>2.73 m。加大導筒半徑至0.08 m時，H0>0.9 m。不難發(fā)現(xiàn)，導管直徑越大，所需的初灌量越小。換言之，初灌量一定的情況下，導管直徑越大，則越有利于沉渣厚度的控制，而導管直徑越大，在出導管時越大概率隨機斷裂形成更大體積的混凝土料團，這與模型試驗中模擬團塊體積越大沉停深度越深，即沉渣厚度越小的結(jié)論一致。因此，入孔混凝土料團塊越大，出現(xiàn)孔底沉渣的可能性越低。

3.2 料斗-導管中混凝土料準流體能量分析

如圖13所示，假設混凝土料斗截面積遠遠大于導管截面積，混凝土料灌注中料斗中混凝土料移動速率忽略不計，以導管底端和頂端兩個截面為計算參考，根據(jù)伯努力方程有

圖13 混凝土料灌注模型

(12)

其中

(13)

(14)

p4=γtH0

(15)

式中，p4為導管頂部的壓強，kPa；μ3為混凝土料在導管中的動力黏滯系數(shù)，kg/(m·s)；g為重力加速度，m/s2；v為混凝土料出導管口的流速，m/s；ρ為混凝土料的密度，kg/m3；λ為沿程阻力系數(shù)，與管道粗糙度有關(guān)；Re為導管內(nèi)混凝土料流動的雷諾數(shù)，其余參數(shù)同上。

將式(13)～式(15)代入式(12)。并根據(jù)本問題的物理意義，混凝土料在導管底端的運動速度>0時，出自導管底口的混凝土料黏滯體團塊才能排擠出含塊碎石的泥漿，不會出現(xiàn)沉渣現(xiàn)象，即

(16)

式中，μ3為混凝土料在導管中的運動黏滯系數(shù)，其余參數(shù)同上。將試驗的相關(guān)參數(shù)代入式(16)得到

(17)

式(17)兩邊同除以h0

(18)

根據(jù)式(18)各參數(shù)在實際工程中的意義，可知0

4 結(jié)論

通過現(xiàn)澆混凝土樁孔底沉渣特性的模擬試驗研究，分析了碎石泥漿重度及混凝土團塊的沉降速率分布特征，并對沉渣的形成機制進行了理論分析，主要結(jié)論如下。

(1)樁孔泥漿重度隨深度變化具有分段性，上段緩慢增大，中段迅速增大，下段重度增加速率居中。

(2)模擬混凝土拌和料的團塊在樁孔泥漿中的沉降速率可分為快速增加、近似恒速增加和急速減小至停滯3個階段。團塊重度、粒徑、規(guī)則程度越大，則沉降速率越大，最終的滯停深度也越大，即可能形成的沉渣厚度就越小。

(3)混凝土灌注試驗形成的沉渣上界面呈漏斗狀，表明混凝土灌注入樁孔內(nèi)存在明顯沖擊性動力作用，整體性好、體積大且形狀規(guī)則的灌漿混凝土對樁孔底部沉渣沖擊深度較大，可降低沉渣出現(xiàn)的幾率。

(4)混凝土拌和料通過料斗及導管灌注進入樁孔泥漿內(nèi)是否形成沉渣，與導管管徑、料斗盛料量和樁孔深度有關(guān)，本文準流體靜力分析結(jié)果可作為判別的參考標準。