钻孔灌注桩测孔底沉渣

    钻孔灌注桩以其适应范围广、单桩承载力高、施工噪音低、振动小及单价低等优点, 在各类建筑工程中得到广泛应用。随着高层建筑的日益增多, 对桩基承载力的要求也越来越高。但由于钻孔灌注桩施工工艺的特殊性, 其承载力受施工中的因素影响较大,特别是孔底沉渣层严重影响桩基承载力的发挥。因此, 施工过程中加强孔底沉渣厚度的检测与控制, 是保证钻孔灌注桩施工质量和桩基承载力的关键措施之一。
    1 孔底沉渣对桩基承载力的影响
    桩的竖向荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力承受,对于采用泥浆护壁的钻孔灌注桩, 在清孔后至混凝土灌注前, 孔底将产生一定厚度的沉渣, 该沉渣层强度低、压缩性高。单桩竖向静力荷载试验表明, 对桩端有一定沉渣的钻孔灌注桩, 其端部一般呈刺入性剪切破坏, 接近于纯摩擦桩, Q—s( 荷载—沉降) 曲线呈陡降型, 破坏特征点明显( 见图1) 。根据一些公路、铁路桥梁钻孔灌注桩的实测资料, 桩的端部承载力均发挥较少。

图1 单桩静载试验的Q—s 曲线

    为此, 现行施工验收规范对钻孔灌注桩孔底沉渣厚度提出了更高的要求。GB50202-2002 规定, 钻孔灌注桩孔底最大沉渣厚度允许值为: 端承桩≤50mm; 摩擦桩≤150mm。而GBJ202-83 和JGJ94-94规范对摩擦桩孔底最大沉渣厚度允许值均为300mm。
    2 导致孔底沉渣过厚的主要原因
    1) 清孔方式选用不当
    钻孔灌注桩常用的清孔方法有抽浆法、换浆法、掏渣法、空压机喷射和砂浆置换等, 应根据现场具体地质条件、施工工艺方法等合理选用。清孔方法直接影响清孔效果, 清孔方法选用不当, 将不能有效清除孔底钻渣和置换孔内泥浆, 无法控制孔底沉渣层厚度。
    2) 清孔不彻底
    清孔不彻底或持续时间不够, 未能将孔底钻渣清除干净, 或孔内泥浆置换不充分, 均会造成孔底沉渣厚度过大。
    3) 清孔泥浆指标控制不当
    清孔过程中采用的泥浆指标( 主要是密度、粘度和含砂率等) 不符合要求, 或孔内泥浆指标未达到终止清孔标准即结束清孔, 也会导致孔底沉渣厚度增大。
    4) 孔壁剥落、坍塌
    施工过程中未采取有效固孔措施, 或固孔措施未能保持连续; 施工机具碰撞孔口或孔壁, 导致孔口坍塌或孔壁泥皮剥落, 使孔底沉淀物增多。
    5) 施工历时过长
    施工工序之间不紧凑, 清孔结束至混凝土灌注之间的间隔时间过长, 导致孔内泥浆中砂粒沉淀, 或泥浆失水、沉淀。
    3 沉渣厚度的检测
    钻孔灌注桩孔底沉渣厚度是指清孔结束至混凝土灌注前的孔底沉渣层增加的厚度, 只有对沉渣厚度进行准确测定, 才能对其实施有效的控制。对于沉渣厚度的检测方法, 目前规范尚无统一规定, 一般有以下几种:
    1) 测绳( 重锤) 检测
    测绳应采用标准水文测绳, 使用前及使用过程中应经常校核, 当出现磨损、数字不清或标数位移时应及时更换; 测锤采用重锤( 一般不小于1kg) , 体积不宜太大。该法检测孔底沉渣层厚度较直观、方便, 是目前常用的一种测量方法, 但在具体操作中人为因素影响较大, 应由专人负责, 采用专一重锤。
    2) 取样盒检测
    在清孔结束后将取样盒( 开口铁盒) 吊到孔底,待混凝土灌注前取出, 测量沉淀在盒内的渣土厚度。 
    3) 沉渣仪检测
    包括桩孔检测器、沉渣检测仪等, 该设备较先进, 使用前应预先进行标定。已在一些大型、重点工程中应用。
    4 控制孔底沉渣厚度的措施
    4.1 选择合适的清孔方式
    应根据不同的钻孔方法、施工设备、设计要求及地层条件, 来合理选用清孔方法。
    1) 抽浆法清孔
    抽浆法清孔较彻底, 且清孔速度快, 可适用于各类土层、各种钻孔方法的摩擦桩或支承桩, 尤适宜于采用反循环钻孔及孔底沉渣颗粒较大桩孔的清孔。但在孔壁易坍塌的桩孔中应谨慎使用, 以防坍孔。
    2) 换浆法清孔
    对采用正循环钻进、以粘性土及细颗粒砂性土层为主的桩孔可采用换浆法清孔。采用该法清孔不易引起坍孔, 但清孔速度慢, 须控制好泥浆指标及清孔时间, 否则清孔效果难以保证。
    3) 掏渣法清孔
    对于冲击、冲抓、旋挖钻进的桩孔, 应先采用掏渣法进行初步清孔, 待较大颗粒沉渣清理完毕后, 可换用换浆法进一步清孔, 同时降低孔内泥浆密度。
    4) 喷射法清孔
    在导管等混凝土灌注设备已安装, 实测孔底沉渣厚度超出规定或设计要求, 但超出范围不大, 进行二次清孔费时费力, 且影响孔壁稳定的情况下, 可采用喷射清孔法进行处理, 并立即灌注水下混凝土。该法仅宜作为其他方法清孔的辅助手段。
    5) 砂浆置换清孔
    该法操作不便, 实际应用较少, 可在柱桩等一些有特殊要求的桩基中使用。
    4.2 确保清孔彻底、充分
    清孔持续时间应根据具体清孔方式、地质情况及孔底排出的泥浆指标确定, 抽浆法清孔的速度较快( 一般不少于10min 即可) , 换浆法清孔速度较慢( 30min 至数小时不等) 。无论采用何种清孔方式, 均应确保清孔持续时间, 否则难以达到清孔效果。
    4.3 严格控制清孔泥浆指标
    1) 清孔过程泥浆指标清孔过程中泥浆密度一般应比钻孔泥浆密度小, 但泥浆密度及粘度过小, 影响孔壁稳定; 采用正循环清孔时, 泥浆密度及粘度过小, 还会影响泥浆悬浮钻渣的能力, 降低清孔效果。在粘性土、粉土及粉砂土为主的土层中, 清孔过程中输入泥浆指标宜控制为: 相对密度1.05~1.10; 粘度16~20Pa.s; 含砂率< 4%。
    2) 终止清孔泥浆指标终止清孔前应在孔底取泥浆进行性能指标检测, 终止清孔泥浆指标一般控制在以下范围: 相对密度1.03~1.15; 粘度17~20Pa.s; 含砂率< 4%; 胶体率> 98%。
    4.4 采取有效固孔措施1) 根据现场条件和规定要求设置护筒, 施工过程中加强对护筒的保护, 防止碰撞或振动造成孔口坍塌。
    2) 施工过程中保持孔壁任何部位静水压力不小于0.02MPa, 即始终保持孔内水位高于地下水位( 或河水位) 不小于1.5~2.0m。
    3) 选择合适的钻孔及清孔机具。对土层松软、易坍塌的桩孔, 应尽量避免采用振动大、负压过低的施工机具和工艺方法。
    4) 钻具拆卸、钢筋骨架和导管安装过程中应尽量避免碰撞孔壁。
    5) 选择合适的钻孔泥浆指标, 确保在孔壁形成有效的泥皮保护层。
    4.5 缩短施工历时在确保清孔效果的同时, 应加强工序衔接, 提高工作效率, 尽量缩短清孔至混凝土灌注之间的的时间间隔。
    4.6 进行二次清孔首批混凝土灌注前, 再次探测泥浆指标即孔底沉渣层厚度。如超过规定要求时, 立即进行二次清孔, 直至符合要求时方可灌注水下混凝土。
    虽然影响钻孔灌注桩孔底沉渣层厚度的因素较多, 但只要在施工中根据具体施工工艺、机具设备及土层条件, 认真分析、研究, 并采取有效控制措施, 加强施工检测, 完全可以将孔底沉渣层厚度控制在规范允许范围以内, 确保钻孔灌注桩的施工质量及承载能力。

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