泥浆护壁成孔灌注桩首次灌注时混凝土储备量的计算.pdf

浙 江建 筑 ， 第 2 7卷 ， 第 1 1期 ， 2 0 1 0年 1 1月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n ，Vo 1 2 7，N o 1 1 ，No v 2 0 1 0 泥浆护壁成孑 L 灌注桩首次灌注 时混凝土储 备量的计算 Ca l c u la t i n g t h e Fi r s t Ca s t i n g Con c r e t e r e s e r v e s f or Ca s t i n - Pla c e Bor ed Pi l e Pr o t e c t e d b y Sl u r r y W al l 林 伊 方 ， 王浩 L l N Y i -f a n g W A N G H a o ( 1 浙江泛华工程监理有限公司 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 0 3 ； 2 浙江丰华混凝土有限公司 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 0 1 ) 摘要 ： 结合泥浆护壁 成孔灌注桩首次灌注时混凝土储备量的计算 ， 对首灌 时水下混凝 土的灌 注工艺进行 了探讨 和论述 ， 对 于指导泥浆护壁成孔灌 注桩 的施工 ， 提高水下混凝土的质量具有一定的意义。 关键词 ： 泥浆护壁； 水下混凝土 ； 首次灌注 ； 混凝土储备量 中 图 分 类 号 ： T U 4 7 3 1 4 文 献 标 识 码 ： B 文章 编 号 ： 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 0 ) l 1 0 0 3 5 0 2 泥浆 护壁 成孔 灌注 桩是 国 内大 中城市 高层建 筑 深基 础工 程 中采 用 最 多 、 最 广泛 的桩 基 。这 种 用 泥 浆 护壁成 孔 的灌注 桩 成 孔 工艺 较 为 复杂 ， 成 桩 质 量 不易 控制 ， 易受 人为 因素 影响 ， 在水 下混 凝土灌 注 过 程 中 ， 常常 导致 混凝 土与 孔 内泥浆 混杂 ， 桩身 混凝 土 出现 缺陷 ， 或孔 内沉 碴过 多 ， 影 响 了桩 的承 载 能力 。 在这 些影 响成桩 质 量 的人 为 因素 中 ， 水 下 混 凝 土 首 次灌 注时贮 料斗 内混凝 土储 备 量 不 足 ， 不 设 置 隔水 栓 ， 不 通过 剪 球 进 行 灌 注 ， 是 一 个 长期 未 能 得 到根 治 ， 而且 很具 普 遍性 的施 工 弊 病 。笔 者 在 多 年 桩基 监理过 程 中 ， 对此 感触 颇深 ， 深感 有必 要从 理论 上 和 计 算方法 上对 泥浆 护壁 成孔 灌注 桩首 次灌 注时 混凝 土储备量 计算 ， 以及 首灌 时水 下 混 凝 土 的灌 注工 艺 进 行探讨 和论 述 ， 以 期 对根 治 这 个 由来 已久 的灌 注 桩施 工 弊病 ， 对提 高水 下混 凝土 的质量 ， 有所 推 动和 帮助 。 l 首灌 时应有足够 的混凝 土储备量 水下 混凝 土 的灌 注是 利 用导管 从孔 底将 混凝 土 不断 向上 推进 而成 。首次 从导 管底 端进入 桩 孔 的混 凝土 ， 不可 避免 地要 与孔 内泥浆 相结 合 ， 这部 分混凝 土到达 龄期 以后 强 度 较 低 。首 灌 以后 ， 为 了后 续 混 凝 土不 再 与孔 内泥 浆 相 结合 ， 确 保 水 下 混 凝 土 的 质 量 ， 要求 首 次灌 注时 有足 够 的混凝土 灌 注量 ， 能使 导 管底 端一 次埋 入 混 凝 土 面 以 下 足够 的深 度 。这 样 ， 再 经导 管灌 入 的后 续 混凝 土 ， 当从 导 管下 口涌 出时 ， 避 免 了直接 与孔 内泥浆 相混 杂 。 早在 1 9 8 0年 ， 工业与民用建筑灌注桩基础设 计 与施工 规 程 ( J G J 4 - 8 0 ) 已明 确 规 定 ： “ 为 了保 证 水下 混凝 土 的质量 ， 贮 斗 内混凝 土的初 存量 ， 必 须满 足首 次 灌 注 时 导 管 底 端 能 埋 入 混 凝 土 0 8 1 2 m。 ” 1 9 9 5年 ， 国家颁 发 的强 制性 标 准 建 筑桩 基 技术规范 第 6 3 2 2 2条进一 步明确 ： 开始灌注时 “ 应有 足够 的混 凝 土储 备 量 ， 使 导 管 一 次 埋 人 混 凝 土面 以下0 8 IT I 以上 ” 。 首次 灌 注 时所 需 要 的 足够 的 混凝 土 储 备 最 ， 与 孔 径 、 孔 深 和导管 内径 有关 ， 还 与首 灌时 导管 穑离 孔底 距 离 、 泥浆 比重 以及 充 盈 程 度 相关 联 。小 H 彳 L 径 ， 不 同孔深 ， 不 同 导 管 内径 ， 使 导 管 底 端 埋 人 混 凝 土 面 以下0 8 m以上 的首 次灌 注量 不 同 ， 需要 应 用连 通 管原 理进行 严格 的计 算 才能确 定 。 为 了减少 首 次灌人 的混 凝土 从导 管下 口涌 出时 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 60 7 作者 简介： 林伊方 ( 1 9 3 7 一 ) ， 男 ， 浙江宁波人 ， 高级工程师 ， 从事建筑工程管理工作 。 3 6 浙 江建筑 2 0 1 0年第 2 7卷 与孑 L 内泥浆 相混 杂 ， 首灌 时 ， 仅仅在 贮料 斗 内储 备 足 够 的混 凝 土还不 够 ， 还需 在 贮 料 斗 内的混 凝 土 与导 管 内泥浆 面之 间设 置 隔水 栓 ， 通 过 剪球 把 贮 料 斗 内 储备 的足够 的混 凝 土经 南导 管 一 次落 人 孔 底 ， 使 导 管底端 一 次 埋 人 混 凝 土 面 以 下0 8 IT I 以上 。“ 应 有 足够 的混凝 土 储 备 量 ” 和 “ 使 导 管 一 次埋 入 混 凝 土 面 以下0 8 m以上 ” 。两 者 是 不 可分 割 的 整体 ， 它们 是一道 完整 的工 序 ， “ 足够 的” 和 “ 一 次埋 入 ” 七 个字 则是其 核 心 所 在 。一 些 桩 基 施 工 单 位 对 此 存 在 误 区 ， 1 9 9 9年 ， 某 位 于 庆 春 立 交 桥 桥脚 下 的 一个 大 型 施 工工 地首 次灌 注 时 ， 既 未在 贮 料 斗 内储 备 足 够 的 混凝土 ， 也未设 置 隔水 栓 和 进行 剪 球 。这 个 工 程灌 注桩 的孔 径 为6 0 0 m m， 孔 深 约 为4 0 I Y I ， 然 而 施 工 现 场使用 的贮 料斗 的容 积仅 为0 8 1 1 1 ； 2 0 0 1年 某 位 于 西湖 大道 的工程 让 商 品混 凝 土 运输 车 直 达 孔 门， 在 水下 混凝 土进行 首次灌 注 时 ， 不储 备 足够 的混凝 土 ， 不 没置隔水 栓 、 不 剪球 ， 而 是一 开始就 由商 品混凝 土 运输 车的 出料 口 ， 通 过 溜槽 直 接 把 混凝 土 灌 入 充满 泥浆 的导管 内。笔者 为此 曾在这 个工地 的施 工现场 做过实测 ， 按照上述的灌注方式 ， 把6 m 商品混凝土 灌人孔 径 6 0 0 mm， 孔 深 4 0 m， 导 管 内径2 5 0 m m的桩 孔 内 ， 约需 要 7 m i n ； 另 据 笔 者 计 算 ： 孔 径6 0 0 1T i m、 孔 深4 0 m、 导管 内径 为 2 5 0 m m、 首 灌 时导 管 底 端 离 孔 底距离0 5 m、 泥 浆 比重 按 1 2 5计 、 充 盈 系 数 采 用 1 1 5 、 要求导管底 端理入混凝 土面以下1 0 m， 首灌 量至 少需要 1 4 m 。按 上述商 品 混凝 土运 输 车 出料 速度 推算 ， 灌 入 1 4 i n 商 品 混 凝 土所 需 要 的时 间 约 为1 6 mi n ， 也 就是 说 ， 在 导 管 底 端 埋 入 混 凝 土 面 以 下 1 0 m之前 ， 1 4 I T I 混凝 土从 导管 下 口涌 出 的持 续 时 间长达 1 6 ra i n ， 显 而 易见 ， 在 长达 1 6 ra i n 时间里 ， 这些 初始 灌入 的混 凝 土从 导 管 下 口缓 慢 地 涌 出 时 ， 与孔 内泥 浆不 断地 相混杂 。 首次 灌注 时 ， 如果 设 置 隔 水 栓 ， 并 通 过 剪 球 ， 情 况 就截然 不 同 ： 剪球 后 ， 贮 料 斗 内足 够 的混凝 土 通过 隔水栓 自导管 内下 落 ， 重 量大 ， 速度 快 ， 冲向孔 底后 ， 在 短暂 的瞬 间就把 导管底 端 一次淹 埋在混 凝土 面 以 下 足够 的深度 ， 大 大 防止 和 减 少 了混 凝 土 与孔 内泥 浆 相混杂 。 2 水 下混凝 土首次灌 注量 的计算 水 下混凝 土首 次灌 注量 应根据 孔径 、 孔深 、 导管 内径 、 导管底 端要 求埋 入混凝 土 面以下深 度 、 泥浆 比 重 以及充 盈 系数 等 要 素进 行 计 算 。首 次灌 注 前 ， 为 使 隔 水 栓 能 顺 利 排 出 ， 导 管 底 端 离孔 底之 间需 留 出 3 0 05 0 0 mm 的距 离 。首次水 下 混凝 土 灌 注完 成后 ， 孑 L内存 在 着 两 种 重 度 不 同 的流 体 ， 导 管 内 的混 凝 土 和 导 管 外 侧 的 泥 浆 ， 它 们 经 由 孔 底 相 互 连通 ， 并 以不 同 的液 面 高 度 使 这 两种 重度不 同 的流 体维 持 静 止平 衡状 态 。 因此 ， 首 次 灌 注 量 可 应 用连 通 管 的平 衡 原 理 进 行 计 算 ， 见 图 1 一 7 ； ， l ， 一 ， 。 鼍 ： f j ； = = 1 蚕 二 互 D 图 1 首 次 灌 注量计算图 Hr 3 = hl l+ h 2 2 则日： 些 r 3 = ( d 2 H +D h 3 ) 式 中 ： 日 一 在 导管 内高 出孔 内混 凝 土高度 ( i n ) ； 首次灌 注 时混凝 土需要 量 ( m ) ； h 一 钻孔 中上部稀 泥浆 高度 ( m) ； h ， 一 钻 孑 L 中下部 稠泥 浆高度 ( m) ， 根据 经验一 般 取 h ，=0 5 1 0 m 一 孔 中混凝土高度 ( I n ) ， 为导管底端离孔距离 与导管底端埋入混凝土面以下高度之和； r 一 孔 中上 部稀 泥浆 的重度 ( k N m ) ； r ， 一 孑 L 中下 部稠 泥浆 的重度 ( k N m ) ； r 一 混 凝 土 的重 度 ( k N m ) ； d 一 导管 内径 ( m) ； D 一 钻 孑 L 内径 ( m) ； K 一 超 径及 混凝 土 度盈 系 数 ， 一 般 取 k = 1 2 1 3。 首次水下混凝 土灌注量应尽量 大些 ， 除 了确保 首 次混凝 土灌 人后导管底端 能埋入 混凝 土面 以下0 8 m 以上要求 外 ， 还 因为 ， 当首次 混凝土灌 注量较 大量 ， 剪 球后混凝 土通过隔水栓 自导管 内下 落冲 向孔 底 ， 能压 出导 管 内泥浆 ， 同时 ， 还能 冲出孑 L 底部分沉碴 。 3贮料 斗和 隔水栓的制备与设置 首次混凝 土灌 注量经计算确定 后 ， 应制备相 应容 积 的贮 料斗。贮料斗有两种 ： 一种是 与导管连 接的孔 口料 斗 ； 另一种 是 吊运料 斗 。 目前 ， 大多 数桩 基施 工 工地 的孔 口料斗 的容 积 只有0 8 m 左 右 ， 有 的甚 至更 小 ， 如果用这样容积 的孔 口料斗进行水下混凝 土的首 ( 下转第 4 l页) 第 1 1期 刘佩锟等： 大悬挑重型钢结构二次卸载施工技术 4 1 际 =1 6 6 h i m， 实 际挠 度值 只有理论值 的一半 ， 这是 因为楼面 、 墙体完成后刚度 比原来提高 r近 5 0 。 结 论三 ： 第二 次卸 载数 据显 示 ， 如果 钢结 构完成 就 卸载 ( 即不 再利 用 支 承架 ) ， 会 造 成 较 大 扭 曲 ( 弹 性 范 围) 。 从第 二次 卸载 还可 以看 出 ， 由于 混凝 土楼板 、 墙 体施 工 ， 使结构 的变形 出现 了较小 的非线性 。 说 明钢 结构 在楼 板 、 墙 体 的作用 下 又有一 次 内力 、 变形 的重 分布 ( 细微 的扭 曲变 形 ) 。 如 果 第 一次 卸 载 时 就撤 去 支承 架 ， 挠 度会 更大 ， 结构 的变形不 均 匀性 即非线 性 会更 加 明显 。 在本 工程 中 ， 油 压千 斤 顶 的设 计 按 线性 设 计 即 同样 油压 P ， 产生 的力 2 P l ( 端 点 )：P 2 ( 中 点 ) ， 在 第一 次 卸载过 程 中 ， 挠 度 ( 千 分表 读 出 )与油 压泵压 力读 数 成正 比。 卸载开始时油 压表 P =1 7 MP a ， 当P=8 MP a 时 ， 挠度 为9 mm， 当 油压 表 读 数 为0 8 MP a时 ， 卸 载 停 止 ， 总 挠度 为 1 8 mm， 估计 预 留挠 度1 m m。 第 二次 卸载 时 ， P =2 8 MP a ， 在 卸 载过程 中发 现 当 P = 1 4 MP a时 ， 下 降 了8 3 mm， 基 本 上呈 线 性关 系 ， 在卸 载 中间 ， 已 经 预 测 到 总 变 形 为 1 6 6 m m， 当 油压 表 归零 时 ， 千 分表读 数 见表 2 。 3 结 语 宁波 东 部 新 城 中 心 商 务 区 B一4商 务 楼 工 程 1 7 m大 悬挑 重型 钢结 构成 功应 用 了二次 卸载 施工 工 艺 ， 从 二 次卸载 情况 来看 ， 变 形与 油压 表读 数完 全一 致 ， 所 有数 据未 出现 异 常 ， 同时达 到 了二次卸 载 分步 承 担荷 重 、 减少 混凝 土结 构部 分挠 度 的 目的 ， 防止 直 接 利用 钢结 构骨 架作 为支 承来 施工 混凝 土楼 面及 墙 体 而引 起 的翘 曲 。 ( 上接 第 3 6页) 次 灌注 ， 必须 有 吊运料 斗相 配合 ， 两 者加起 来 的容积 应满足 首次灌 注量 的要 求 。近 几年很 多大 型 工程 的 桩 基施 T单 位 都 采用 “ 钻 ”、 “ 灌 ” 分 开 ， 水 下混 凝 土 灌 注单 独采用 灌 注机 ， 这样 ， 也为 孔 口料斗 和 吊运料 斗相 配合 进行 首次 混凝 土 的灌注 提供 了有 利条 件 。 灌注 水下 混凝 土 的第一 步是 在导 管 中下人 隔水 栓 ， 隔水 栓 的初 始 位 置应 是 其 顶 面 与 导 管 内 泥浆 液 面齐 平 ， 低 于液 面则 灌入 的混 凝土 会混 杂泥 浆 ， 高于 泥浆 液面将 产 生气 阻或 因此形 成 高压气 囊 而破坏 导 管接 头密封 圈 ， 致 使 泥浆 渗 漏 。以往 常 用 的隔 水 栓 是预 制混 凝 土球 塞 ， 其 直径 应 比导管 内径小2 0 m m， 长度 应 大 于 导 管 内 径5 0 m n l ， 球 塞 上 面 应 有 一 圈橡 皮 垫 以隔离 泥浆 。除 预制 混 凝 土 球 塞 外 ， 也 可 以用 砂 袋作 为隔水 栓 ， 其 优 点 是 不会 因导 管 变 形 而造 成 堵 塞 ， 密封性 也好 ， 但 要 注 意 其 绑 接 强 度 ， 防 止 在贮 料 斗 内还未装 满 首次 灌 注 量 就 提 前拉 断 、 脱 落 而丧 失作 用 。在大 直径 桩 中 ， 因钢 筋 笼 内径 比两倍 导 管 外径 还大 ， 因此 使 用 充 气 球 胆 ， 既 可 以反 复 回 收 利 用 ， 也不需 要铁 丝 悬 吊 ； 既 不会 卡住 ， 又 与导 管 十 分 密合 ， 这是 到 目前为 止最 为理想 的隔水 栓 ， 被 桩基 施 工单位 广 为 使 用 。使 用 充 气球 胆 时 不 需 铁 丝悬 吊 ， 也 无需 剪球 ， 但需 在 充 气 球 胆上 面盖 压 一 块 圆 形 铁 挡 板 ， 其直径 稍大 于导 管 内径 ， 用 以积储 料斗 内混凝 土 。当料斗 内混 凝土 达到 经计 算确 定 的足够 的首 灌 量后 ， 即可进行水下混凝土灌注的第二步 ： 剪断隔水 栓 铁丝 或抽 出 圆形 铁 挡 板 。其 后 ， 水 下 混凝 土灌 注 应连 续进 行 ， 导管 底 端 埋 入 管外 混 凝 土 面 以下 深度 应 始终 大 于2 m以上 。有些 施 工 单 位 常常 在 料 斗 内 的混 凝 土 尚未达 到计 算 确 定 的首 次 灌 注 量 时 ， 提前 剪球 或抽 走 圆形铁 挡板 ， 这 是不 许 可的 。 4 结 语 ( 1 ) 泥浆护 壁成 孔灌 注桩 水 下 混凝 土 的质量 控 制仍 然是 目前 长桩 人工 地基施 工 中一 个 比较突 出 的 课 题 。 由于 高层 建 筑 有 很 大 的 竖 向荷 载 和 水 平 荷 载 ， 而且 对 于沉 降及倾 斜 有严格 的限制 ， 其桩 基一 般 为 支 承在岩 石 、 密实 的碎 石土 和砂 土 ， 以及坚 实 的黏 性 土上 的摩擦 端 承 桩 或端 承桩 ， 桩基 设 计 时 由桩 身 结构 强 度控制 桩 的承 载力 ， 也就 是说 ， 桩 身必 须足 以 传递 单桩 的最 大竖 向承载力 。如 果 桩身质 量 出现缺 陷 ， 桩身 混凝 土强 度不 足 ， 对高层 建 筑基础 稳定 产生 的影 响是 不言 而 喻 的。 ( 2 ) 实 践 经 验 告 诉 我 们 ， 泥浆 护 壁 成 孔 灌 注 桩 水下混凝土质量好坏 ， 关键在于桩基施工队伍 的整 体 素 质 ， 其 中施 工管 理人 员 的素 质是 主要 的 ， 如果 施 工 管理 人员 对 于成桩 工 艺不熟 悉 ， 一知半 解 ， 甚至 管 理 混乱 ， 缺乏 责 任心 ， 施 工 质量 必 定 漏 洞 百 出 ， 隐 患 潜 伏 。实践 证 明 ， 在现 有 的成桩 工艺 条件 下 ， 只要 大 力 提高施 工 队伍 的 素 质 ， 对 成 桩过 程 的每 一 道 工 序 每 一个施 工 环节进 行 严格 的 、 认 真 的质量 控制 ， 精 心 组织 ， 精 心施 工 ， 包 括水 下混 凝 土在 内 的所 有成 桩质 量都 是 可以得 到保 证 的 。