高速公路桥梁桩基混凝土钻孔灌注桩施工技术.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言钢筋混凝土桩是桥梁基础结构的主要材料，是连接桥梁、基础、承台以及桩基的纽带。施工过程中，由于钻孔与钢筋混凝土连接时会受到长度和强度的限制而无法承受混凝土拉应力，导致在桥梁桩基、桩孔内的混凝土表面产生裂缝，甚至钢筋在受外力影响下会发生断裂的情况1。为保证桩基质量，必须采取桩基预处理、锚固孔和钻孔等工艺措施。本文以高速公路桥梁桩基混凝土钻孔灌注桩的施工为例，希望能为同类型桥梁桩基工程提供技术参考。1 混凝土灌注桩承载力层测定成孔是道路桥梁桩基桩孔综合施工的第一道工序。考虑混凝土自身的应力和剪切力破坏会对整体结构产生较大损害，以及钻孔的工作特性与承载层的相互作用等方面原因，使用传统结构验算方法已经不能满足设计要求。当第一节钻孔入孔后，要在井口设置好支撑面，使钻孔处于临时固定状态，再用吊车提升第二节钻孔，并将两节钻孔进行焊接，焊接方式采取单面焊、双面焊或者套筒连接均可。待整个钻孔放至设计标高后，要使用护桩调整中心位置，再使用四根25钢筋呈井字形穿过钻孔内侧支撑在护筒上，如果钻孔顶面标高小于护筒顶，可以在笼上加焊U形吊环，再用钢筋穿过固定。为避免发生较大程度变形甚至损坏，需要先确定钻孔混凝土的灌注承载力层2。承载力层是指用混凝土或钢筋作为承载力的构件，是一个复杂且完整的统一体系，由混凝土、钢筋、钢筋加劲肋以及其他金属框架组合而成。由于其具有强度高、刚度高和稳定性好的特性，在结构工程中具有举足轻重的作用，因此得到了广泛应用3。钻孔混凝土灌注承载力层应力值的计算公式为：f=L（1）式（1）中：为应变；L为体外预应力筋长，其计算公式为：L=L1+L2（2）式（2）中：L1、L2分别为第一阶段、第二阶段预应力伸长量。对于桩基混凝土钻孔灌注桩承载力层剪切力，首先计算剪切力方向与路堤滑面夹角，公式为：sin=|yx2+y2（3）式（3）中：()x,y,z分别为x、y、z三个方向剪切分量。由于剪切力与位移方向相反，所以根据上述公式获取剪切力x、y、z三个方向剪切分量，计算公式为：x=zdx2z()d2x+d2y+()xdx+ydy2y=zdy2z()d2x+d2y+()xdx+ydy2z=-()xdx+ydy2z()d2x+d2y+()xdx+ydy2（4）式（4）中：x、y、z分别为 x、y、z三个方向夹角；dx、dy、dz分别为x、y、z三个方向位移。根据规范要求采用高强钢筋混凝土结构的断面形式，其构件尺寸、表面形状等应满足相关技术规范的规定4。设计荷载不收稿日期：2022-11-15作者简介：孙国斌（1995），男，山西万荣人，助理工程师，研究方向为桥梁隧道工程。高速公路桥梁桩基混凝土钻孔灌注桩施工技术孙国斌（山西路桥第二工程有限公司，山西 临汾 041000）摘要：针对当前桥梁灌注方法未考虑承载力对钻孔结构制约的作用，会造成桥梁出现较大水平位移和垂直沉降，导致桥梁安全系数较低等问题，研究提出高速公路桥梁桩基混凝土钻孔灌注桩施工技术。通过计算桩基钻孔混凝土灌注的承载层应力和剪切力，分析出承载力层的受力情况，防止钻孔混凝土出现变形。采用调整导管埋深和连续浇筑的方式，利用导管内混凝土超压力从整斗上方倾入导管内，以避免形成高压气囊，由此完成混凝土灌注桩施工。由实验结果可知，该技术水平位移和垂直沉降误差最大值分别为0.1 mm和0.05 mm，桥梁边坡安全系数最小为0.97，具有较好的灌注效果。关键词：桥梁桩基；钻孔灌注桩施工；混凝土中图分类号：U445文献标识码：A121总651期2023年第21期（7月 下）会对工程进度产生任何影响，使结构的变形不会增大承载层的实际承载力。2 混凝土钻孔灌注桩施工设计灌注施工前需要清理桩孔及检查成孔质量，确保孔壁不会有松动或孔底不会有沉渣及积水。灌注施工中，如果孔内积水过多且较难排干，可以采用导管工艺进行灌注。将钻孔安装好后安装导管，通常导管的内径应保持在30cm为宜，以此确保内径长度及壁厚可以符合施工要求。安装导管时，其两端要使用法兰盘与螺栓完成连接，准确将橡皮圈安装到位，确保导管处于密封状态，有效规避漏水及渗水情况的发生。导管需要安装在孔的中央位置，与孔底的距离应保持在2030 cm 之间，不能直接将导管插入孔底沉淀的泥浆中。导管安装完成后，应在其端口处将漏斗接好，并向漏斗中装入足够的混凝土，并打开隔水栓，混凝土便能沿着导管灌入孔底，随着孔内水位升高而逐渐上升，从而使混凝土能够灌注至孔内。采用的混凝土质量必须达到混凝土强度等级设计标准，其中水泥为普通硅酸盐水泥，最大水胶比为 0.45，含砂 40%50%，坍落度1822 cm，由此完成高速公路桥梁桩基混凝土钻孔灌注桩施工方案的设计，其具体的施工步骤如下。步骤1：钻孔前严格控制钻机的转速和泥浆浓度，使井筒能够抬升并形成向上的流场。通常井下钻机的转速为3 200 rpm，其钻速必须达到设计要求，而井中的钻井液浓度通常应控制在34 kg/m3。施工过程中应时刻关注检查钻井设备的工作状况和泥浆的浓度变化情况5。当泥浆浓度高时，必须进行相应调稀处理；在钻孔灌注混凝土时，需要先用泥浆冲洗一段时间。当混凝土凝结成凝固状态时即可对其进行检测，如果混凝土中存在大量气泡钻入砂层，说明混凝土凝结得不够充分，应保持35 d进行一次钻孔作业，以清除孔洞中的泡沫等杂物。钻孔过程中要求钻机必须在1015 min内不间断作业，避免钻头卡住而影响钻井质量。钻孔结束后，用锤子对准钻机周围进行锤击，以确定钻机是否有漏油现象（泥浆），如果没有任何问题，则继续钻孔。如果钻杆在使用期间发生变形、断裂、偏转等问题，必须及时替换维修6。步骤2：钻机在钻孔过程中应注意观察钻杆和钻头运动前后的位置、距离和速度，避免发生钻杆脱钻或水泥渗漏等现象，还要注意钻机的工作状态和泥浆浓度7。在第一阶段施工中，通常先采用钻孔工具进行钻孔，然后再进行第二阶段的钢筋混凝土灌注施工。混凝土搅拌器必须在搅拌之前将其清除干净，以保证其满足灌注要求。钻孔灌注插打顺序如图1所示。图1 钻孔灌注插打顺序步骤3：当注入第一批混凝土时，需先估算出第一批混凝土的重量，以保证其具有足够的冲击力。钻孔时要以钻孔圆心为基准，将控制线从桩孔外0.5 m抽出，使用全站仪检查垂直方向控制线。其中，冲击力计算公式为：q=gh（5）式（5）中：为修正系数；g为重力方向权重；h为埋深。通过该冲击力将泥浆从孔洞中排出，再将孔洞底部埋在1 m以下的水泥中。在运送至浇筑地点时，必须对其均匀度及塌陷程度进行校验，用疏水阀将水管打开，疏水阀在混凝土料斗下的开孔上预先悬挂 8号钢丝。混凝土浇筑完成后应及时切断钢筋，待混凝土下沉至孔底部位时再将淤泥抽干，并及时封闭管道开口。步骤4：利用导管内混凝土的超压力将混凝土浇筑面逐步抬高，上升速度应不低于2 m/h。浇筑时，如果钻孔中的混凝土存在气体，需要采用滑道将混凝土缓慢灌注到漏斗或钻孔中，不能将混凝土料斗从上方直接灌入，防止在钻孔中形成高压气囊和管道接头之间产生间隙而导致钻孔泄漏。还要充分考虑桩顶混凝土容易被凿除的问题，在灌注混凝土时应按出桩顶部高程0.51.0 m的距离出桩，以保证桩的强度和质量，防止因桩头强度达不到要求而出现桥梁不稳固问题。3 试验分析3.1 试验加载选择某高速公路桥梁作为试验对象，该桥梁为斜拉桥，桥面宽16 m，引桥主梁由C50混凝土浇筑而成。为对全部外预应力组合梁的极限应力及抗弯承载力进行实验，需要对装配梁进行详细分析。在节点两端安装位移传感器，测量梁竖向位移及节点开口，梁的上端和下端都装有应变仪检测应力。在30 m的主跨处设置3个加载断面，使用液压千斤顶进行装载，在每一加载部分安装2个起重装置，载荷由分布梁向4个细轧线向地锚传递，然后在12 m跨距的末端进行加载和压载实验。3.2 试验数据分析选择2个灌注孔，加载荷载由0 kN增至800 kN，灌注完成后其混凝土水平位移和垂直沉降理想值如表1所示。122交通世界TRANSPOWORLD表1 灌注后混凝土水平位移和垂直沉降理想值荷载/kN0100200300400500600700800水平位移/mm1号00.30.60.91.21.41.72.02.42号00.20.30.50.70.91.11.41.8垂直沉降/mm1号000.20.40.50.70.91.21.52号000.10.20.40.60.81.01.2由表1可知，灌注后混凝土水平位移比垂直沉降变化范围较大，且1号比2号灌注后出现变化效果更为明显。3.3 试验结果论证针对这两个灌注孔，通过使用研究的桥梁桩基混凝土钻孔灌注桩施工技术，分析得知水平位移和垂直沉降情况，如图2所示。（a）水平位移（b）垂直沉降图2 实验结果由图2（a）可知，1号灌注孔随着荷载加载到800kN时，水平位移达到最大为2.4 mm，与表1数据一致。2号灌注孔随着荷载加载到700 kN时，水平位移为1.3mm，与表 1 数据存在 0.1 mm 的误差。由图 2（b）可知，1号灌注孔随着荷载加载到600 kN、700 kN时，垂直沉降均为 0.85 mm，与表 1数据均存在 0.05 mm的误差。2号灌注孔随着荷载加载 800 kN 时，垂直沉降为1.15 mm，与表1数据均存在0.05 mm的误差。通过上述分析结果可知，使用本研究的施工技术能够解决灌注桩水平位移和垂直沉降问题，使其控制在理想范围之内。基于此分析灌注后桥梁的稳定性，设置失稳边坡稳定性因子，取值范围为01.0，当灌注后桥梁出现倾斜，那么灌注的混凝土无法维持桥梁自身的稳定性，从而导致桥梁发生严重变形。为了使分析结果更清晰，统计灌注后3个月的桥梁边坡稳定系数如图3所示。图3 失稳边坡安全系数由图3可知，随着时间的增加，桥梁桩基失稳边坡从最稳定数值的1.00降至0.97，证明这3个月时间内的安全系数一共下降了0.03，但没有对桥梁的稳定性造成过大影响，由此说明使用本研究的桩基混凝土钻孔灌注桩施工技术具有良好的灌注效果。4 结束语通过研究某高速公路桥梁桩基混凝土钻孔灌注桩施工技术可以得知，在桥梁桩基桩孔内钻孔实际施工条件下，通过应力和剪切力确定灌注承载力层，并在此基础上控制其承载力数值，实现了对桥梁桩基混凝土钻孔灌注桩的施工，实验结果也验证了施工技术的合理性和实用性，为同类型桥梁桩基钻孔灌注桩施工提供了技术参考。参考文献：1 杨学祥，胡浩.武穴长江公路大桥15号主墩桩基成孔关键技术J.桥梁建设，2020，50（1）：111-115.2 褚聚敏.钻孔灌注桩长螺旋钻机成孔先灌混凝土后插筋施工技术J.施工技术，2021，50（6）：110-112.3 王辉，王开强，周环宇，等.同步切割浇筑混凝土连续墙钻孔后置试验与计算分析J.施工技术（中英文），2022，51（16）：36-39.4 孙歆硕，杨雅平.长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工技术研究J.建筑结构，2020，50（S1）：981-983.5 李波，雷斌，黄凯，等.基坑支护全护筒咬合桩钻孔定位施工技术J.施工技术，2021，50（10）：77-79.水平位移/mm垂直沉降/mm安全系数123