更新时间:2022-08-25 14:42
护壁泥浆是指在灌桩成孔施工时在孔壁上形成泥皮而加固孔壁和防止坍塌,同时稳定孔内水位的一种泥浆。
1、对桩端承载力的影响机理
泥浆的一个重要的作用就是桩底清孔,其目的就是为了防止砂粒在孔中沉淀超过设计规定的厚度。如泥浆不能将孔中的钻渣清理干净,孔底就会有过多的沉淀,形成软垫层,这样必然降低桩端承载力,增加沉降,尤其是降低加载初期桩的刚度。
2、对桩侧承载力的影响机理
泥浆在循环的过程中,泥浆中的自由水不断向孔壁渗透,同时泥浆中的土颗粒不断黏附在孔壁表面上,形成一层比较柔韧的黏土膜,抵抗冲刷介质对孔壁的冲刷,起到稳定孔壁、防止坍塌的作用,随着钻孔的加深和循环时间的延长,泥皮也在不断地加厚。泥皮具有渗透能力差、止水性好、抗剪强度低的特点。其影响了混凝土与桩侧土的直接结合,从而降低了混凝土灌注桩的桩侧摩阻力,泥皮愈厚,降低程度越大。
3、对桩身自身强度的影响机理
在混凝土灌注阶段,性能不好的泥浆的液柱静切力对混凝土面上升起阻碍作用,容易造成混浆,即桩身混凝土中夹杂泥浆,从而影响桩身混凝土强度。
1.施工平台
(1)场地内无水时,可稍作平整、碾压以能满足机械行走移位的要求。
(2)场地为浅水且水流较平缓时,采用筑岛法施工。桩位处的筑岛材料优先使用黏土 或砂性土,不宜回填卵石、砾石土,禁止采用大粒径石块回填。筑岛高度应高于最高水位 1.5m,筑岛面积应按采用的钻孔机械、混凝土运输浇筑等的要求决定。
(3)场地为深水时,可采用钢管桩施工平台、双壁钢围堰平台等固定式平台,也可采用浮式施工平台。平台须牢靠稳定,能承受工作时所有静、动荷载,并能满足机械施工、人 员操作的空间要求。
2. 护筒
(1)护筒一般由钢板卷制而成,钢板厚度视孔径大小采用4~8mm,护筒内径宜比设 计桩径大100 mm,其上部宜开设1~2 个溢流孔。
(2)护筒埋置深度一般情况下,在黏性土中不宜小于lm;砂土中不宜小于1.5m;其高度尚应满足孔内泥浆面高度的要求。淤泥等软弱土层应增加护筒埋深;护筒顶面宜高出地 面300mm。
(3)旱地、筑岛处护筒可采用挖坑埋设法,护筒底部和四周回填黏性土并分层夯实;水域护筒设置应严格注意平面位置、竖向倾斜,护筒沉入可采用压重、振动、锤击并辅以护 筒内取土的方法。
(4)护筒埋设完毕后,护筒中心竖直线应与桩中心重合,除设计另有规定外,平面允 许误差为50mm,竖直线倾斜不大于1%。
(5)护筒连接处要求筒内无突出物,应耐拉、压、不漏水。应根据地下水位涨落影响, 适当调整护筒的高度和深度,必要时应打入不透水层。
钻孔泥浆的主要性能有泥浆密度、黏度、静切力、含砂率、胶体率、失水率、酸碱度和塑性指数等。泥浆的性能指标是钻孔灌注桩施工的重要工艺指标,每一个性能指标的变化都直接影响到机械钻速、孔壁稳定、孔内净化、钻头寿命和预防孔内事故等一系列的成孔工艺问题,直接影响孔深、孔径、垂直度、泥皮厚度和孔底沉渣厚度等,特别对超长大直径钻影响更显著。要充分发挥泥浆的作用,其性能指标的选取非常重要。
在泥浆性能指标中最主要的是密度指标。泥浆密度的大小决定于泥浆中固相物质的含量和固相的密度。而要保证灌注桩成孔过程中不塌孔,应要求泥浆具有适宜的密度。如果泥浆密度过大,虽能维持钻孔和地层间压力的平衡,维护孔壁的稳定,加大悬浮钻碴的能力,但同时也会造成泥浆中无用固相含量较多,
附着在孔壁的泥皮过厚,而且泥皮疏松,韧性较低,不但会使钻孔缩径,而且会引起孔壁水化崩塌,导致泥皮脱落,致使孔内不能净化,造成清孔困难。有时还会使泥浆泵产生堵塞,使砼的置换产生困难。况且,泥浆中无用固相含量过高时,也会拖曳钻头的钻进,使得岩屑颗粒重复破碎,导致机械钻速下降,同时对管材、钻头、水泵、叶轮等会产生较大的磨损,降低其使用寿命。如果泥浆密度过小,泥浆护壁就容易失去阻挡孔壁土体坍塌的作用,造成坍孔,也会使清孔困难。
(1)护壁泥浆一般由水、黏土(或膨润土)和添加剂按一定比例配制而成,可通过机械在泥浆池、钻孔中搅拌均匀。
(2)泥浆的配置应根据钻孔的工程地质情况、孔位、钻机性能、循环方式等确定,调制好的泥浆应满足要求。
(3)泥浆原料和外加剂的性能要求及需要量计算方法
1)泥浆原料黏性土的性能要求
一般可选用塑性指数大于25,粒径小于0.074mm 的黏粒含量大于50%的黏性土制浆。当缺少上述性能的黏性土时,可用性能略差的黏性土,并掺入30%的塑性指数大于25 的黏 性土。当采用性能较差的黏性土调制的泥浆其性能指标不符合要求时,可在泥浆中掺入Na2CO3 (俗称碱粉或纯碱)、氢氧化钠(NaOH)或膨润土粉末,以提高泥浆性能指标。掺 入量与原泥浆性能有关,宜经过试验决定。一般碳酸钠的掺入量约为孔中泥浆土量的0.1%~ 0.4%。
2)泥浆原料膨润土的性能和用量
膨润土分为钠质膨润土和钙质膨润土两种。前者质量较好,大量用于炼钢、铸造中,钻孔泥浆中用量也很大。膨润土泥浆具有相对密度低、黏度低、含砂量少、失水量少、泥皮薄、 稳定性强、固壁能力高、钻具回转阻力小、钻进率高、造浆能力大等优点。一般用量为水的 8%,即8kg 的膨润土可掺100L 的水。对于黏性土地层,用量可降低到3%一5%。较差的 膨润土用量为水的12%左右。
3)泥浆外加剂及其掺量
a.CMC(Carboxy Methyl Celluose)全名羧甲基纤维素,可增加泥浆黏性,使土层表 面形成薄膜而防护孔壁剥落并有降低失水量的作用。掺入量为膨润土的0.05%~0.01%。
b.FCI,又称铁木质素磺酸钠盐,为分散剂,可改善因混杂有土、砂粒、碎、卵石及盐分等而变质的泥浆性能,可使上述钻渣等颗粒聚集而加速沉淀,改善护壁泥浆的性能指标, 使其继续循环使用。掺量为膨润土的0.1%~0.3%。
c.硝基腐殖碳酸钠(简称煤碱剂)分散剂,其作用与FCI 相似。它具有很强的吸附能力,在黏性土表面形成结构性溶剂水化膜,防止自由水渗透,能使失水量降低,使黏度增加,
若掺入量少,可使黏度不上升,具有部分稀释作用,掺用量与FCI 相同。两种分散剂可任 选一种。
d.碳酸钠(Na2CO3)又称碱粉或纯碱。它的作用可使pH 值增大到10。泥浆中pH 值
过小时,黏土颗粒难于分解,黏度降低,失水量增加,流动性降低;小于7 时,还会使钻具 受到腐蚀;若pH 值过大,则泥浆将渗透到孔壁的黏土中,使孔壁表面软化,黏土颗粒之间 凝聚力减弱,造成裂解而使孔壁坍塌。pH 值以8~10 为宜,这时可增加水化膜厚度,提高 泥浆的胶体率和稳定性,降低失水量。掺入量为膨润土的0.3%~0.5%。
e.PHP,即聚丙烯酰胺絮凝剂。它的作用为,在泥浆循环中能清除劣质钻屑,保存造
浆的膨润土粒;它具有低固相、低相对密度、低失水、低矿化、泥浆触变性能强等特点。掺 入量为孔内泥浆的0.003%。
f.重晶石细粉(BaSO4),可将泥浆的相对密度增加到2.0~2.2,提高泥浆护壁作用。 为提高掺入重晶粉后泥浆的稳定性,降低其失水性,可同时掺入0.1%~0.3%的氢氧化钠 (NaOH)和0.2%~0.3%的橡胶粉。掺入上述两种外加剂后,最适用于膨胀的黏质塑性土 层和泥质页岩土层。重晶石粉掺量根据原泥浆相对密度和土质情况检验决定。
g.纸浆、干锯末、石棉等纤维质物质,其掺量为水量的1%~2%,其作用是防止渗水 并提高泥浆循环效果。
以上各种外加剂掺入量,宜先做试配,试验其掺入外加剂后的泥浆性能指标是否有所改 善,并符合要求。各种外加剂宜先制成小剂量溶剂,按循环周期均匀加入,并及时测定泥浆性能指标,防 止掺入外加剂过量。每循环周期相对密度差不宜超过0.01。
4)调制泥浆的原料用量计算
在黏性土层中钻孔,钻孔前只需调制不多的泥浆。以后可在钻进过程中,利用地层黏性 土造浆、补浆。在砂类土、砾石土和卵石土中钻孔时,钻孔前应备足造浆原料,其数量可按如下公式计算:
m=Vρ1= (ρ2-ρ3) ×ρ1·V1/ (ρ1~ρ3)
式中
m——造泥浆所需原料的总质量(t);
V——造泥浆所需原料的总体积(m3) ;
V1--泥浆的总体积(m3);
ρ1--原料的密度(t/m3);
ρ2——要求的泥浆密度(t/m3);
ρ3——水的密度,取ρ3=1t/m3 。
若造成的泥浆的黏度为20~22时,则各种原料造浆能力为:黄土胶泥1~3m3/t ,白土、陶土、高领土3.5~8m3/t,次膨润土为9m3/t,膨润土为15m3/t。
(1)比重(亦称相对密度):1.1~1.3;
(2)粘度:一般地层为16~22秒:松散易坍地层为19~28秒;
(3)含砂率:新制泥浆不宜大于4%;
(4)胶体率:不应小于95%;
(5)PH值应大于6.5。
①相对密度ρx:可用泥浆相对密度计测定。将要量测的泥浆注满泥浆杯,加盖并洗净从小孔溢出的泥浆,然后置于支架上,移动游码,使杠杆呈水平状态(即气泡处于中央),读出游码左测所示刻度,即为泥浆的相对密度。
②粘度η(s):工地用标准漏斗粘度计测定。用两端开口量杯分别量取200ml和500ml泥浆,通过滤网去大砂砾后,将泥浆700ml均注入漏斗,然后使泥浆从漏斗流出,流满500ml量杯所需时间(s),即为所测泥浆的粘度。
校正方法:漏斗中注入700ml清水,流出500ml,所需时间应是15s,如偏差超过±1s,则量测泥浆粘度时应校正。
③含砂率(%):工地用含砂率计测定。量测时,把调制好的泥浆50ml倒进含砂率计,然后再倒450ml清水,将仪器口塞紧,摇动1min,使泥浆与水混合均匀,再将仪器竖直静放3min,仪器下端沉淀物的体积(由仪器上刻度读出)乘2就是含砂率(%)。(有一种大型的含砂率计,容积1000ml,从刻度读出的数不乘2即为含砂率)。
④胶体率(%):亦称稳定率,它是泥浆中土粒保持悬浮状态的性能。测定方法:可将100ml的泥浆放入干净量杯中,用玻璃板盖上,静置24h后,量杯上部的泥浆可能澄清为透明的水,量杯底部可能有沉淀物。以100-(水+沉淀物)体积即等于胶体率。
⑤失水量(ml/30min)和泥皮厚(mm):用一张120㎜×120㎜的滤纸,置于水平玻璃板上,中央画一直径30㎜的圆圈,将2ml的泥浆滴于圆圈中心,30min后,量算湿润圆圈的平均半径减去泥浆坍平成为泥饼的平均半径(㎜)即失水量,算出的结果(㎜)值代表失水量,单位:ml/min。在滤纸上量出泥饼厚度(㎜)即为泥皮厚。泥皮愈平坦、愈薄,则泥浆质量愈高,一般不宜厚于2~3mm。
钻孔
(1)一般要求
1)钻孔前,应根据工程地质资料和设计资料,使用适当的钻机种类、型号,并配备适 用的钻头,调配合适的泥浆。
2)钻机就位前,应调整好施工机械,对钻孔各项准备工作进行检查。
3)钻机就位时,应采取措施保证钻具中心和护筒中心重合,其偏差不应大于20mm。
钻机就位后应平整稳固,并采取措施固定,保证在钻进过程中不产生位移和摇晃,否则应及 时处理。
4)钻孔作业应分班连续进行,认真填写钻孔施工记录,交接班时应交待钻进情况及下
一班注意事项。应经常对钻孔泥浆进行检测和试验,不合要求时应随时纠正。应经常注意土 层变化,在土层变化处均应捞取渣样,判明后记入记录表中并与地质剖面图核对。 5)开钻时,在护筒下一定范围内应慢速钻进,待导向部位或钻头全部进入土层后,方 可加速钻进。
6)在钻孔、排渣或因故障停钻时,应始终保持孔内具有规定的水位和要求的泥浆相对 密度和黏度。
(2)潜水钻机成孔
潜水钻机适用于小直径桩、较软弱土层,在卵石、砾石及硬质岩层中成孔困难,成孔时应注意控制钻进速度,采用减压钻进,并在钻头上设置不小于3 倍直径长度的导向装置,保 证成孔的垂直度,并根据土层变化调整泥浆的相对密度和黏度。
(3)回转钻机成孔
1)回转钻机适用于各种直径、各种土层的钻孔桩,成孔时应注意控制钻进速度,采用 减压钻进,保证成孔的垂直度,根据土层变化调整泥浆的相对密度和黏度。
2)在黏土、砂性土中成孔时宜采用疏齿钻头,翼板的角度根据土层的软硬在30o~60°之间,刀头的数量根据土层的软硬布置,注意要互相错开,以保护刀架。在卵石及砾石层中 成孔时,宜选用平底楔齿滚刀钻头;在较硬岩石中成孔时,宜选用平底球齿滚刀钻头。
3)桩深在30m 以内的桩可采用正循环成孔,深度在30~50m 的桩宜采用砂石泵反循 环成孔,深度在50m 以上的桩宜采用气举反循环成孔。
4)对于土层倾斜角度较大,孔深大于50m 的桩,在钻头、钻杆上应增加导向装置,保 证成孔垂直度。
5)在淤泥、砂性土中钻进时宜适当增加泥浆的相对密度;在卵石、砾石中钻进时应加 大泥浆的相对密度,提高携渣能力;在密实的黏土中钻进时可采用清水钻进。
6)在卵石、砾石及岩层中成孔时,应增加钻具的重量即增加配重。
(4)冲击钻机成孔
1)开孔时应低锤密击,表土为淤泥、细砂等软弱土层时,可加黏土块夹小石片反复冲 击造壁;
2)在护筒刃脚以下2m 以内成孔时,采用小冲程lm 左右,提高泥浆相对密度,软弱层 可加黏土块夹小石片;
3)在砂性土、砂层中成孔时,采用中冲程2~3m,泥浆相对密度1.2~1.4,可向孔中 投入黏土;
4)在密实的黏土层中成孔时,采用小冲程1~2m,泵入清水和稀泥浆,防粘钻可投入 碎石、砖;
5)在砂卵石层中成孔时,采用中高冲程2~4m,泥浆相对密度1.2~1.3,可向孔中投 入黏土;
6)软弱土层或塌孔回填重钻时,采用小冲程lm 左右、加黏土块夹小石片反复冲击, 泥浆相对密度1.3~1.5;
7)遇到孤石时,可采用预爆或高低冲程交替冲击,将孤石击碎挤入孔壁。
(5)冲抓锥成孔与冲击钻成孔方法基本相同,只是起落冲抓锥高度随土质而不同,对 一般松软散土层为1.0-1.5m;对坚实的砂卵石层为2~3m。
(6)钻进过程中的注意事项
1)钻进时应时刻注意钻具和钻头连接的牢固性、钢丝绳的磨损等如有异常应及时处理。
2)大直径桩孔成孔可分级成孔,一般情况下第一级成孔直径为设计桩径的0.6~0.8 倍。
3)在钻进过程中出现钻杆跳动、机架晃动、钻不进尺等异常情况,应立即停车检查, 排除故障;如钻杆或钻头不符合要求时,应及时更换,试钻达到正常后,方可施钻。
4)钻孔完毕,应及时将混凝土浇筑完毕,或及时盖好孔口,并防止在盖板上过车、行 人;钻进过程中应及时清理虚土,提钻时应事先把孔口积土清理干净。
5)钻进成孔过程中应时刻注意土层变化,调整泥浆性能、采用合理的进尺方法,确保 不塌孔、不缩颈。
清孔
(1)清孔分两次进行,钻孔深度达到设计要求,对孔深、孔径、孔的垂直度等进行检查,符合要求后进行第一次清孔;钢筋骨架、导管安放完毕,混凝土浇筑之前,应进行第二 次清孔。
(2)第一次清孔根据设计要求,施工机械采用换浆、抽浆、掏渣等方法进行,第二次 清孔根据孔径、孔深、设计要求采用正循环、泵吸反循环、气举反循环等方法进行。
(3)第二次清孔后的沉渣厚度和泥浆性能指标应满足设计要求,一般应满足下列要求; 沉渣厚度摩擦桩≤300mm,端承桩≤50mm,摩擦端承或端承摩擦桩≤100 mm;泥浆性能指 标在浇注混凝土前,孔底500mm 以内的相对密度≤1.25,黏度≤28s,含砂率≤8%。
(4)不论采用何种清孔方法,在清孔排渣时,必须注意保持孔内水头,防止塌孔。
(5)不应采取加深钻孔深度的方法代替清孔。
钢筋骨架制作、安放
(1)钢筋骨架的制作应符合设计与规范要求。
(2) 长桩骨架宜分段制作,分段长度应根据吊装条件和总长度计算确定,应确保钢筋 骨)在移动、起吊时不变形,相邻两段钢筋骨架的接头需按有关规范要求错开。
(3)应在钢筋骨架外侧设置控制保护层厚度的垫块,可采用与桩身混凝土等强度的混 凝土垫块或用钢筋焊在竖向主筋上,其间距竖向为2m,横向圆周不得少于4 处,并均匀布 置。骨架顶端应设置吊环。
(4)大直径钢筋骨架制作完成后,应在内部加强箍上设置十字撑或三角撑,确保钢筋 骨)在存放、移动、吊装过程中不变形。
(5)骨架入孔一般用吊车,对于小直径桩无吊车时可采用钻机钻架、灌注塔架等。起 吊应按骨架长度的编号入孔,起吊过程中应采取措施确保骨架不变形。
(6)钢筋骨架的制作和吊放的允许偏差为:主筋间距±10mm;箍筋间距±20mm;骨架外径±10 mm;骨架长度±50mm;骨架倾斜度±0.5%;骨架保护层厚度水下灌注±20mm, 非水下灌注±10 mm;骨架中心平面位置20mm;骨架顶端高程±20mm,骨架底面高程± 50mm。钢筋笼除符合设计要求外,尚应符合下列规定:
1)分段制作的钢筋笼,其接头宜采用焊接并应遵守《混凝土结构工程施工质量验收规 范》(GB 50204-2002) 的规定。
2)主筋净距必须大于混凝土粗骨料粒径3 倍以上。
3)加劲箍宜设在主筋外侧,主筋一般不设弯钩,根据施工工艺要求所设弯钩不得向内 圆伸露,以免妨碍导管工作。
4)钢筋笼的内径比导管接头处外径大100mm 以上。
(7)搬运和吊装时,应防止变形,安放要对准孔位,避免碰撞孔壁,就位后应立即固
定。钢筋骨架吊放入孔时应居中,防止碰撞孔壁,钢筋骨架吊放入孔后,峰举嚏氧幕涌津阚 筋固定,使其位置符合设计及规范要求,并保证在安放导管、清孔及灌注混凝土过程中不发 生位移。
灌注水下混凝土
(1)灌注水下混凝土时的混凝土拌和物供应能力,应满足桩孔在规定时间内灌注完毕; 混凝土灌注时间不得长于首批混凝土初凝时间。
(2)混凝土运输宜选用混凝土泵或混凝土搅拌运输车;在运距小于200m 时,可采用机动翻斗车或其他严密坚实、不漏浆、不吸水、便于装卸的工具运输,需保证混凝土不离析, 具有良好的和易性和流动性。
(3)灌注水下混凝土一般采用钢制导管回顶法施工,导管内径为200~250mm,视桩 径大小而定,壁厚不小于3mm;直径制作偏差不应超过2mm;导管接口之间采用丝扣或法兰连接,连接时必须加垫密封圈或橡胶垫,并上紧丝扣或螺栓。导管使用前应进行水密承压 和接头抗拉试验(试水压力一般为0.6~1.0 MPa),确保导管口密封性。导管安放前应计算 孔深和导管的总长度,第一节导管的长度一般为4~6m,标准节一般为2~3m,在上部可 放置2~3 根0.5-1.0 m 的短节,用于调节导管的总长度。导管安放时应保证导管在孔中的 位置居中,防止碰撞钢筋骨架。
(4)灌注水下混凝土的技术要求
1)混凝土开始灌注时,漏斗下的封水塞可采用预制混凝土塞、木塞或充气球胆。
2)混凝土运至灌注地点时,应检查其均匀性和坍落度,如不符合要求应进行第二次拌 合,二次拌和后仍不符合要求时不得使用。
3)第二次清孔完毕,检查合格后应立即进行水下混凝土灌注,其时间间隔不宜大于 30min。
4)首批混凝土灌注后,混凝土应连续灌注,严禁中途停止。
5)在灌注过程中,应经常测探井孔内混凝土面的位置,及时地调整导管埋深,导管埋
深宜控制在2~6m。严禁导管提出混凝土面,就要有专人测量导管埋深及管内外混凝土面的 高差,填写水下混凝土灌注记录。
6)在灌注过程中,应时刻注意观测孔内泥浆返出情况,倾听导管内混凝土下落声音, 如有异常必须采取相应处理措施。
7)在灌注过程中宜使导管在一定范围内上下窜动,防止混凝土凝固,增加灌注速度。
8)为防止钢筋骨架上浮,当灌注的混凝土顶面距钢筋骨架底部lm 左右时,应降低混凝土的灌注速度,当混凝土拌和物上升到骨架底口4m 以上时,提升导管,使其底口高于骨 架底部2m 以上,即可恢复正常灌注速度。
9)灌注的桩顶标高应比设计高出一定高度,一般为0.5~1.0m,以保证桩头混凝土强度, 多余部分接桩前必须凿除,桩头应无松散层。
10)在灌注将近结束时,应核对混凝土的灌入数量,以确保所测混凝土的灌注高度是否 正确。
11)开始灌注时,应先搅拌0.5~1.0m3 同混凝土强度的水泥砂浆放在料斗的底部。