大胜关长江大桥主墩桩基施工工艺研究

'摘要大胜关长江大桥是京沪高速铁路客运专线的控制性工程，也是沪汉蓉快速铁路通道及南京铁路枢纽的重要组成部分并同时搭载南京市双线地铁。大桥正桥6撑主墩位于长江主航道内，基础为钻孔桩基础，桩基础为46巾2．8m嵌岩钻孔桩，采用KTY-4000型钻机和KPG3000A两种机型工程钻机成孔，排渣方式为气举反循环。本文结合大胜关长江大桥主墩桩基施工，对应于南京大胜关长江大桥深厚泥岩地质基础和深水施工等客观条件，研究深水超长大直径钻孔灌注桩施工方法，解决糊钻，钻机选型等问题，深入研究PHP泥浆性能。通过试验，确定水下混凝土的配合比及减水剂掺加量。施工过程中发现KPG3000A型钻机主机重量明显大于KTY4000型钻机，平面尺寸相差不大；KTY4000型钻机单根钻杆长度为3m，而KPG3000A型钻机单根钻杆长度为5m，在钻杆接长次数上前者多于后者；KPG3000A型动力来自钻盘位置，稳定性相对较好；KPG3000A型钻机相对比较脆弱，故障频率较高。降低泥浆比重；增大泥浆泵入量；定时空转；采用较高档转速和少给进状态钻进；简化钻头结构等。以上防止糊钻的措施，实际施工效果明显。对应南京大胜关长江大桥深厚泥岩地质基础和深水施工等客观条件，大桥主墩桩基泥浆选用不分散、低固相、高粘度的PHP优质膨润土化学泥浆。PHP泥浆在反循环钻孔灌注桩施工中表现良好，在护壁，清渣，清孔，提高成孔效率，防止泥浆渗漏，防止糊钻等问题方面表现出性能的优越性。为确保高效减水剂的掺量能满足本工程自密实混凝土水下浇注要求，对掺加高效减水剂的混凝土进行试验。通过试验表明，高效减水剂掺量0．7％时能满足要求。水下混凝土坍落度的取值为180"--"220mm，扩散度取值640,---"670mm，经水下抛送混凝土试验，完全能满足自密实性和强度值的要求。经多次对比试验，最终确定混凝土水灰比为0．33。6#主墩自2006年5月10日第一根桩开钻，至2006年11月24日最后一根桩顺利灌注完成，历时6．5个月。比原先预计的8个月工期提前1．5个月完成施工任务。46根钻孔桩全部一次性灌注混凝土成功，平均扩孔系数1．03。经超声波检测，46根钻孔桩全部为I类桩，优良率达100％。【关键词】钻孔灌注桩；PHP泥浆；水下混凝土灌注 ABSTRACTThecast-in-placepilehasbecomethemajorfoundationformtoroadandbridgeconstructionforthefeasiblepracticeofvariousgeologicalstructure，loadbearingandstrongresistancetoearthquake．Sincethemudstonestructureisofsmallpelletanditisdifficulttosmashanddrill．theappliance谢tllbigdiameteranddeepcast=in-placepilehasbeengreatlyrestricted．Inthiscase，theexperimentalandpracticaldataandinformationisnotquiteenoughforreferenceandaccuratelyindicatetheexperiencedphysicalindexfordesign．Themainbodyofthisbookbasistheconstructionofboredpilesin6撑mainpieroftheDASheng-guanbridge，correspondingdeepmudstoneobjectiveconditionsuchasgeologybasisanddeepwaterconstruction，studyingtheMethodbeingunderconstructionofMajordiameterandExtra-longboredcast-in-situpileindeepwater．CaizsideringtheengineeringoftrailpileinNanjingYangtzeRiverHigh-railwaybridge，theconstructionprocessofdeepcast-in-placepileundermudstonegeologicalstrBctuFe,Spreaddrill，clearhole，choosesof荫llingmachine，PHPslurryandunderseaconcreteconstructionhandicraftaleresearchedinthisthesisdeeply．Itisstatedclearlybyresearching，thecast-in-placepilemustbeconstructedaccordingiostricttechnologicalprocessonconditionthatmudstonegeologicalstructure，andmoreimportantthatthedrillingtechnology,thereasonablepropertyindexofmudandtheCoordinatearatioofunderseaconcretearechosecorrectlyonthebasisoftheconditionofmudstonegeologicalstructure．[Keywords]Boredcast-in-situpile；PHPSlurry；PouringoftheunderseaconcreteII 东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：马丑睦日期：塑幽东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。‘研究生签名：—李，』虹导师签名：日期：嘲·亏。7 东南大学硕士论文第一章概述1．1钻孔灌注桩的施工工艺现状调查钻孔灌注桩常用的施工方法根据地质条件的不同可分为干作业成孔灌注桩和湿作业成孔灌注桩。干作业成孔灌注桩适用于成孔深度内没有地下水的情况，成孔时不必采取护壁措施而直接取土成孔。湿作业成孔灌注桩是在软土地基的深层钻进，会遇到地下水问题。采用泥浆护壁湿作业成孔能够解决施工中地下水带来的孔壁塌落，钻具磨损发热及沉渣问题。适用于松散土层、粘土层、砂砾层、软岩层等地质条件。根据泥浆入孔的方向不同，可将湿作业成孔工艺分为正循环回转钻机成孔和反循环回转钻机成孔两种施工方法。正循环成孔设备简单，操作方便，工艺成熟，当孔深不太深，孔径小于800cm时钻进效率高。当桩径较大时，钻杆与孔壁间的环形断面较大，泥浆循环时返流速度低，排渣能力弱。反循环成孔是泥浆从钻杆与孔壁间的环状间隙流入钻孔，来冷却钻头并携带沉渣由钻杆内腔返回地面的一种钻进工艺。由于钻杆内腔断面积比钻杆与孔壁间的环状断面积小得多，因此，泥浆的上返速度大，一般可达2m／s"～3m／s多，是正循环工艺泥浆上返速度的数十倍，因而可以提高排渣能力，保持孔内清洁，能大大提高成孔效率。这种成孔工艺是目前大直径成孔施工的一种有效的成孔工艺，因而应用较多。很多地区，特别是长江中下游地区，由于特定的地质、水文及航运条件的限制，桥梁必须选择超长超大直径钻孔灌注桩基础将其巨大的上部荷载传递给地基岩土体。对这类基础而言，承载力是控制工程安全的决定性因素。由于施工条件的限制，施工过程中的成孔工艺是决定桩基承载能力的最重要因素之一。影响超长超大直径钻孔灌注桩基础成孔工艺的因素很多，有些因素是无法改变的，如钻孔所处的环境、气候条件、地层分布等自然条件，有些因素不可能在短期内进行多次性改变，如人员条件、所使用的钻机类型及其他大型固定设备，但有一些因素可以根据需要不断改进，以便使钻孔效率更高、钻孔工艺更经济、更合理。 第一章概述1．1．1钻孔灌注桩泥浆的应用现状(1)泥浆在钻孔灌注桩成孔过程的作用①保护孔壁由于泥浆比重比清水大，钻孔施工时，通过泥浆在护筒内维持一定的水头高度，形成对孔壁的静水压力来保护孔壁。泥浆颗粒不断渗入孔壁，达到渗透平衡后，渗入孔壁的泥浆颗粒粘结成薄层环形渗透圈，俗称“泥皮"，起到维护孔壁防止渗漏的作用。对于砂、砾、卵石层，通过泥浆对孔壁的静水压力和泥浆在孔壁形成的泥皮，阻隔孔外水向孔内渗流，同时也阻隔孔内泥浆向孔壁渗流，起到保护孔壁的作用。②清渣根据循环工艺的不同，成孔过程的清渣有二种不同的方式，悬浮清渣和速度清渣。前者适用正循环清孔，利用泥浆的比重及粘度携钻渣至桩孔顶层，自流或用掏渣筒排出；后者常用反循环施工，用带有一定粘度的泥浆在速度流的作用下，携钻渣排出孔外。③清孔设计及施工规范往往对桩基础(尤其是支承桩)桩尖软垫层(即桩底沉碴)厚度提出明确要求。施工中，依靠泥浆的携渣能力，保持在浇注混凝土前停止泥浆循环后的孔底洁净，不出现沉淀。④提高成孔效率成孔过程中，泥浆还可以作为钻具的润滑剂及降温剂，从而减少钻进阻力，降低钻具磨损，延长钻具使用寿命，提高成孔效率。(2)泥浆性能的衡量指标在钻孔灌注桩基础施土中，对泥浆的质量及性能一般采用以下指标衡量。①相对密度：是泥浆密度与4。C时水的密度之比。钻孔灌注桩采用反循环钻进，泥浆相对密度应控制在1．1以下，否则泥浆循环不畅，要靠适当增加护筒内的水头高度来使孔壁稳定。②泥浆粘度：指泥浆混合物液体运动时，各分子或颗粒间产生的内摩擦力。粘度大，护壁能力和悬浮钻渣能力强，但易糊钻，泥浆泵吸不易，也不利于泥浆的沉淀净化再利用；粘度小，钻渣易沉淀，对防止渗漏不利。2 东南人学硕士论文⑨含砂率：指泥浆中含砂或粘土颗粒的体积百分比。含砂率大，会降低粘度，增大相对密度，泥皮松散，护壁不牢，增加孔内沉碴厚度，易磨损泥浆泵，易埋钻。④酸碱度：检测泥浆的酸碱度，以PH值表示。⑤胶体率：泥浆中粘土颗粒分散和水化程度，反映泥浆悬浮钻碴的能力。⑥失水量：指泥浆在孔内超水头压力的作用下，泥浆渗入孔周覆盖层的速度。(3)PHP泥浆技术的应用自20世纪60年代钻孔灌注桩在我国出现以来，钻孔泥浆发展经历了自然造浆、细分散、粗分散、不分散等4个阶段。在不分散阶段，通过在泥浆中加入高效有机掺合剂使钻屑、粘土成为絮凝状态而最终清除，该阶段泥浆质量最优。PHP泥浆就是这阶段涌现出的优质泥浆，PHP泥浆又称聚丙烯酰胺不分散低固相泥浆，是通过在采用膨润土作为原料的基浆中加入PHP胶体制成的。该泥浆于20世纪70年代首先在油田钻井中使用，80年代中后期被引入广东九江大桥钻孔桩施土中。目前在我国一些大型桥梁的大直径超长桩基钻孔施工中应用了PHP泥浆。1．1．2大直径超长钻孔灌注桩水下混凝土施工工艺现状(1)水下自密实混凝土配置要求调查水下自密实混凝土对原材料要求较高，很多水下混凝土出质量问题就是首先在原材料环节出现了问题；要满足水下混凝土“大坍落度、大扩散度"等两基本施工性能，否则无法做到自密实。而实际操作过程中上述两项指标不易控制，性能不稳定，易导致质量问题。在凝结硬化前，若流动性稍差，就会在混凝土中形成蜂窝和孔洞，影响实体质量；要满足“粘聚性、保水性’’设计性能并做好配合比设计，否则水下浇筑混凝土强度损失较大。粘聚性和保水性差，会导致地下承压水在初凝前渗入混凝土内，影响混凝土强度。总之，水下自密实混凝土配合比设计必须通过大量试验确定。(2)水下混凝土施工工艺现状调查研究即使是常规的工程桩混凝土水下浇筑都容易出现质量，更何况超大直径工程桩混凝土水下浇筑工艺不成熟，尚待完善。施工人员对混凝土水下浇筑工艺理解程度不够，不能完全按照水下混凝土浇筑工艺要求进行施工。 第一章概述超大直径工程桩水下浇筑混凝土对设备和机具要求特殊，现有设备不能满足正常施工要求。1．1．3国内外大直径超长钻孔灌注桩施工工艺实例目前在国内公路桥梁基础工程领域中，钻孔灌注桩基础己占据了重要地位，并向大直径、多样化(变截面桩、空心桩、变截面空心桩)方向发展。钻孔工艺水平不断提高，特别是引进了许多国外先进的大功率全液压钻孔机械，对国内钻机进行的研制改进，基本上适应了大直径深水基础桩基的施工需要。(1)苏通大桥试验桩基概况苏通大桥是一座连接苏州和南通两市的斜拉桥，其主跨跨径为1088m，建成后它将成为当今世界上最大跨径的斜拉桥。苏通大桥主塔高约300m采用长约100m，直径2．5m的钻孔灌注桩群桩基础，最大承台桩数约130根。工程场地岩土性质为：第l层为砂性土层，分3个亚层，第l亚层为粉砂层，呈松散～稍密状，以砂土为主；第2亚层为粉砂夹亚粘土，呈稍密或软塑状；第3亚层为粉砂，呈稍密～中密状，中压缩性，土性较均匀。第2层为亚粘土，呈流塑～软塑状，高压缩性。第3层以细粉砂为主，上部为亚砂土，呈稍密～中密状；下部为粉细砂，呈密实状。苏通大桥是世界级桥梁，其基础采用大直径钻孔灌注桩基础，桥址位于淤泥质粘土软弱地质层，对钻孔泥浆的选用十分重视。经过试桩工程对钻孔泥浆的科学探索对比选用，积累了宝贵的经验和科学的数据，为大桥工程桩基钻孔施工创造了良好的条件。由于地质条件差，在试桩工程中，受传统施工影响，选用普通泥浆进行钻孔施工，其效果较差，在后期试桩中试用了PHP泥浆，试桩确定采用优质PHP泥浆。PHP泥浆循环系统中需制备两种泥浆。一种为不含PHP的基浆，另一种为含有PHP的新浆。基浆是由膨润土、纯碱和水拌制而成，其配置比例应根据水质、膨润土性质试验确定。制备过程中先将水与膨润土混合，膨润土和水在自然状态下不能混合成泥浆，必须通过高速率搅拌才能形成泥浆胶体。实际配置中是在制浆池中装置高压水泵，经过自吸、反喷多次循环而形成均质泥浆。制备泥浆的水应不含有有害物质，事先应进行水质检查，水量不能保持时一应有储水装置。膨润土颗粒在水中充分分散后即往溶液中加入纯碱，以调整泥浆比重、粘度及pH值，泥浆性能超标时严禁直接兑入清水。当基浆性能无法满足要求时可加入PHP而使其性能得以改善。配置好的4 东南人学硕士论文基浆性能指标如表1．1。新浆制作前需将聚丙烯酰胺在NaOH溶液中水解成PHP。水解聚丙烯酰胺时其重量及NaOH浓度与重量应根据聚丙烯酰胺分子量及类型经过试验确定。水解时将聚丙烯酰胺及NaOH溶液混合搅拌，直至聚丙烯酰胺全部分散于水中，静置2"-"-"3d后即成为可使用PHP胶体。在基浆中加入一定重量的PHP胶体即为新浆。加入PHP的量应根据粘度及失水率的需要调配。一般情况下，每立方米基浆中加入PHP胶体0．4"-"---0．6kg。配置好的新浆性能指标如表1．1。PHP泥浆工艺试验时采用以蒙脱石为主要矿物质的膨润土作为泥浆制作原料，水取自长江河道，水质属HC03-～Ca2+型，pH值为8．1～8．5。按照水：膨润土：Na2C03=303：18．2：1(质量LeON成基浆。新浆选用分子量为1200万的非速溶水解型聚丙烯酰胺为原料制作，按聚丙烯酰胺：NaOH：H20=10：1．0：600(质量比)水解成PHP溶液。在每立方米基浆中加入0．4"-"0．6kgPHP胶体制成新浆。钻孔过程中各阶段泥浆性能指标按基浆、新浆、钻进浆、回流浆、清孔浆、弃用浆进行控制，控制标准如表1-1。采用PHP泥浆系统进行钻孔施工，两试桩孔深分别为58．9，65．9m，最大孔径分别为1210，1505mm，最小孔径分别为1199，1497mm，平均孔径分别为1202，1501mm，孔壁泥皮厚度小于lmxn，孔底沉渣为0cm。桩基承载力测试结果也表明采用新施工工艺后，桩基承载力可以大大得以提高。表1-1苏通大桥试桩工程成孔工艺试验过程中泥桨性能指标一览表14l泥浆比重粘度含砂率胶体率失水率泥皮厚pH值类型(％)(mL搴(30(man)min)’1)基浆<1．0320～223042>5<90>50>5<7，>12在苏通大桥桩基工程第VI期试桩中，还引进了美国PDS公司生产的SuperMud环保泥浆。SuperMud环保泥浆是一种高分子聚合物的高浓缩性乳液，白色不透明，相对密度1．0，分子量2300"-"2500万分子之问借助分子链相连，遇水后发生膨胀，可提高乳液粘度，在钻孔带形成一层坚韧的胶质薄膜，有护带功能乳液环保性好，无毒 第一章概述无污染。SuperMud泥浆是环保泥浆，其性能及操作等条件比PHP泥浆都优越，但是，日前该环保泥浆只适用在采用冲抓钻的地下连续墙工程中。(2)武汉天兴洲长江大桥4号墩桩基旅工概况武汉天兴洲长江大桥为公铁两用桥，工程总投资110亿元人民币，为世界上跨度最大的公路铁路两用斜拉桥。该大桥位于武汉长江二桥下游10km处，北起汉口平安铺，南止武昌武青主干道，总为9．3km，其中主桥长4657m，主跨504m，其基础采用钻孔灌注桩，其中4号墩共有桩径2．0m钻孔灌注桩24根，桩深73．5m，钻孔桩桩问中心距为5m。4号墩位于长江南岸，场内地形平坦，其地貌单元为长江一级阶地，地层从上到下依次为人工填土、粉砂细砂、粉质粘土、细砂、砂砾胶结层、粉质粘土、粉砂细砂、砾砂、圆砾土、疏松砂岩泥质粉砂岩、破碎泥质粉砂岩砂岩、弱胶结砾岩、中等胶结砾岩。4号墩桩基持力层为砂岩、砾岩，最大强度达52MPa。该工程施工难点主要有：嵌岩深，单桩嵌岩深度最大达26m；孔径大，孔深，对钻进设备要求较高；对泥浆性能要求高，疏松岩层孔壁易坍塌、掉块；对垂直度要求较高，要求钻孔的垂直度<1／100，沉渣厚度<150mm。根据工程的地质条件和工程特点，采用气举反循环钻进成孔，用自制灌浆平台进行水下混凝土灌注，钻机采用GW25B型气举反循环钻机，空压机用L／2218型空压机，采用ZX．200形泥浆处理设备，钻头采用刮刀钻和滚刀钻头。不同的地层采用不同的钻头和钻进参数，不同地层的钻进参数如表，上部第四系地层采用双腰带四翼刮刀钻头，基岩采用滚刀钻头，该钻头为球齿滚刀钻头，总体布局好、强度大，具有良好的切削、排渣、导正、防斜功能。钻压的选择应使刀齿既能有效地切入破碎岩土又不会过多地磨钝或损坏为原则。工程钻孔桩长74m，钻孔土层主要含各种砂层等，松散、易坍塌，另外如此长的桩成孔、接长钢筋笼、下导管、二次清孔、浇混凝土等的时间相当长，造成晾孔时间长，对孔壁稳定相当不利，所以在开钻前，采用优质黄土机械造浆，以保证钻孔施工。在施工过程中定期检测泥浆性能，及时清除循环系统中的钻渣，对泥浆循环过程中所产生的废浆统一输送至废浆池中储存，集中处理外运，始终保持泥浆性能良好。钻孔泥浆的配制采用高级复合泥浆，用膨润土、CMC、FCLS调制，以保证泥浆良好的护壁效果。膨润土泥浆具有相对密度低、粘度好、含砂量少、失水率小、泥皮6 东南大学硕士论文薄、稳定性强、固壁能力强、钻具回转阻力小、钻进效率高、造浆能力大等优点，有利于在孔壁形成泥皮，保证孔壁在长时间晾孔情祝下仍能稳定。水下混凝土灌注导管安装时，接头处放置密封圈，确保接头密封不漏水、不漏气。吊放时，导管位置居中，轴线顺直，缓慢沉放，防止卡挂钢筋笼和碰撞孔壁。安装完毕，准确丈量导管总长度，使导管底口与孔底距离保持在0．5m左右，以能顺利放出隔水球和混凝土为度。灌注水下混凝土是钻孔灌注桩施工的重要工序，桩基混凝土灌注导管采用0300mm刚性导管，首次使用前按规范进行水密性和承压试验，并检查防水胶垫的完整性。在灌注混凝土过程中，要求灌注连续不断进行并严格控制埋管长度，保持导管埋深2"---6m。灌注前，必须检测孔底沉渣厚度和泥浆性能指标，符合要求后方可进行混凝土灌注。其过程质量控制措施如下：开灌前在导管内投入充气球，然后拌制O．1～O．2m3水泥砂浆，置于导管内隔水塞的上部，作为混凝土表面保护层。首批混凝土灌入孔底后，立即测量孔内混凝上面高度，计算导管的初次埋深。如符合要求即可正常灌注，如发现导管内大量进水，表明出现灌注事故。在灌注过程中，当导管内混凝土不满、导管上段有空气时，后续混凝土要徐徐灌入，以免在导管内形成高压气囊，挤出管节间的橡皮垫，而使导管漏水。为确保桩顶质量，在桩顶设计标高以上应超灌，一般情况下超灌高度>2．Om。对桩顶距孔口距离较大的桩，桩顶标高的控制，应通过混凝土体积计算和混凝土取样器打捞混凝土粗骨料判定混凝土灌注高度，以避免少灌或超灌。在灌注将近结束时，由于导管内混凝土柱高度减小，导管外泥浆重度增大，沉渣增多，超压力降低，如出现混凝土顶升困难时，可在孔内加水稀释泥浆，并掏出部分沉淀土或增大漏斗提升高度，使灌注顺利进行。在拔出最后一节导管时，拔管速度要慢，以防止桩顶的浓泥浆挤入形成泥芯。天兴洲长江大桥4号墩钻孔灌注桩工程采用气举反循环工艺，开动4台钻机施工24根桩，按期完成桩基施工任务，最快的一根桩成孔时问为7d。桩基经检测全部为I类桩，承载力均达到设计要求。天兴洲长江大桥4号墩钻孔灌注桩工程的实践说明，对于大直径超深嵌岩桩应根据地质条件选择相应的钻进工艺和钻头，采用优质泥浆护壁，根据桩孔状况优选钻进参数。钻进方法应根据切实可行、经济、高效的原则进行优化选择，并制定相应的技术措施，可以取得很好的实施效果。 第一章概述(3)东海大桥主墩桩基施工工艺概况东海大桥全长32．5km，是目前世界上最长的跨海大桥。大桥主通航孔设计为5孔钢混结合梁双塔单索面斜拉桥，跨径73m+132m+420m+132m+73m。主墩335号、336号基础均由38根巾2．5m钻孔灌注桩组成，单桩长llOm，混凝土采用抗渗防腐C30水下混凝土，单桩混凝土量540m3。主通航孔处海水深约12m，海床而较平缓，高程．12．5m。地层系第四系堆积层，厚160～220m。桩身自海床而以下通过的地层依次为淤泥质粉质粘土，淤泥质黏土，黏土，粉质黏土，砂质粉上，粉细砂，含砾中粗砂，粉质黏土，粉细砂。根据主墩桩基孔径大、桩身长对钻机的扭矩、排碴方式和整机稳定性要求高的实际情况，钻孔选择了QJ250．1型和ZSD300／210型钻机。两种钻机均具有钻孔深、转盘扭矩大、排渣能力强、整机稳定可靠等优点。为缓解钻孔平台上场地狭窄对施工的干扰，泥浆池全部设在钢护筒内。钻孔前，在护筒项向下约2m处开一圆孔，用①0．3m的钢管将护筒每4个一组串联起来。泥浆经钻头吸入钻杆，沿钻杆内腔、水龙头，经泥浆浆渣分离系统后，流回至其他的护筒内，再经连通的钢护筒逐级沉淀，最后流回到原孔内，形成一个完整的循环系统。钻孔产生的钻碴、废浆用泥浆船运至指定位置倾倒，以免污染海洋环境。主墩钻孔桩施工耗水量大，钻孔造浆用水采取在平台上钻井抽取地下水兑淡水的办法。海底地层含盐量高，通过在膨润土中掺加碳酸钠对泥浆进行改良，泥浆沉淀现象明显减少，从而提高了泥浆的护壁效果。主墩长ll0m的钻孔灌注桩，依次采用正循环、泵吸反循环和气举反循环方法钻孔。正式钻孔前稍提钻具，以正循环方式在护筒内造浆，并启动泥浆泵进行循环，待泥浆均匀后开始钻进；正循环钻进至护筒底部时，启动砂石泵，进行泵吸反循环排渣钻进。累计进尺超过50m后，启动空压机，进行气举反循环排渣钻进，以提高钻进效率。钻头亘径2．5m，黏土层和粉细砂层一般采用刮刀钻头钻进。坚硬密实的粉质黏土层，砂质粉土层，含砾中粗砂层以及桩底粉细砂层改用牙轮滚刀钻头钻进。钻进过程中为防止钻头摆动过大导致孔斜、扩孔等问题，钻头上增加了70kN配重块。为避免恶劣海况对水下混凝上连续灌注的影响，现场配备了搅拌船和平台搅拌站共2套混凝上搅拌泵送系统，料仓容量均为1000ms,混凝上生产能力80m3／h。当混凝 东南大学硕上论文土由平台搅拌站生产时，搅拌站生产的混凝土直接经混凝土输送泵送到存料斗里。当混凝土由搅拌船提供时，船上搅拌站生产的混凝土下到输送泵中，经过布料杆，再输到存料斗里。混凝土导管内径0．3m，每孔居中布置l根，管底距孔底0．4m，在混凝土中埋深2～6m。混凝土初灌量经计算取13m3,桩顶超灌高度1．5"--"2m。东海大桥主通航孔斜拉桥335号、336号主墩钻孔灌注桩分别用了125d和156d完成了38根桩的施工。据统计，正常情况下单根桩的施工周期为1l天，最短10天。经检查，钢护筒平面偏位、钻孔桩平面偏位、孔径、孔斜及二清沉渣厚度均达到东海大桥工程专项质量检验评定标准规定，超声波检测合格率100％，A类桩73．7％。(4)苏拉马都大桥P46及P47主墩桩基础施工工艺概况苏拉马都大桥P46及P47主墩桩基础位于强固结或微成岩的粘质土体中，岩土体大致相当于岩石和固结材料分类中极硬土～极软岩，是正在向岩石转化的火山灰沉积物。土体呈层状分布，层与层之间有灰白色夹层，具有较强的吸水性和膨胀性，在天然状态下强度较高，由于富含亲水性粘土矿物，遇水软化，导致强度大幅度衰减。国内外对这种土体的工程性质研究较少，也未见有在此土体中进行钻孔桩施工的文献资料。P46、P47墩桩长分别为97，104m钻孔平台标高为+5．0m，实际钻孔深度为103m及l10m。适合这种硬质粘土的钻机类型主要是旋挖钻及循环钻。由于钻孔深度超过百米的旋挖钻类型不多，且随着钻孔深度的增加，旋挖钻的钻进效率明显降低。而循环钻机的深度效应不太明显，故选取气举反循环钻机为钻孔桩施工的标准机型。在大桥建设期间，业主向中方承包商提出采用PHP泥浆代替膨润土泥浆的要求。承包商针对现场实际情况，进行了对比、分析、室内及现场试验，得出根据目前钻孔桩施工工艺的水平，PHP泥浆不适合苏拉马都大桥钻孔桩施工的结论。结合大桥建设情况，承包商分析了膨润土泥浆和PHP泥浆在性能上及使用范围上的差异。使用1％"--3％含量的PHP无固相泥浆作为钻液，在国外己有较广泛的应用，且在淡水及海水中均有使用。螺旋钻及旋挖钻在工作时泥浆为静态的，泥浆和钻渣并不充分混合，PHP损失量较少，浓度容易保持。循环钻施工时，钻碴由泥浆携带至孔外，泥浆一直处于循环状态，泥浆与钻渣充分接触后，造成PHP浸入土体，含量下降较快。为研究PHP泥浆在循环钻中的适用情况，采用海水拌制3％oPHP溶液，选 第一章概述取P46"-"P28桩进行现场试验。试验结果表明，当泥浆携带钻渣从钻杆中流出时，PHP浓度迅速下降。当钻进5m时，在泥浆中己检测不到PHP成分。所以承包商认为PHP无固相泥浆虽然适用于旋挖钻及冲抓钻，但对于循环钻钻孔作业并不适用。苏拉马都大桥使用的膨润土泥浆中的膨润土采用产自湖南的钠基膨润土。拌和用水采用饮用淡水，使用驳船运输至水中钻孔平台，并在每个钻孔上设置120m3蓄水池。开钻前，用泥浆置换护筒内海水。添加剂对于膨润土泥浆的性能影响较大，有时甚至是钻孔能否成功的决定因素。苏拉马都大桥最初参考国内钻孔桩的施工经验，采用PHP油田泥浆。试钻结果表明，这种泥浆在水敏性土层中的护壁效果不理想，先期开钻的2根桩均出现明显的塌孔、扩孔现象，混凝土超灌率为54％和41％。因此，为满足在水敏性土体中的钻孔施工的要求，调整泥浆配比。对于水敏性土，失水量是决定泥浆护壁效果的主要因素。由于孔内土体颗粒较细，较容易被泥浆携带，故对泥浆的粘度指标要求可适当降低。因此取消能提高泥浆粘度的PHP添加剂，加大能减少泥浆失水量的CMC及纯碱用量。通过正交试验，得到最佳泥浆配比淡水：膨润土：CMC：纯碱为100：8：0．1：0．04。结果表明，采用CMC泥浆对钻孔有较好的护壁作用，使用此泥浆的钻孔灌注桩扩孔率均小于5％。膨润土对电解质非常敏感，如果把干燥的膨润土加到盐水中去，不会很快溶胀。尤其往盐分浓度很高的液体中加入膨润土，则几乎不会溶胀。反之，在溶胀的膨润土溶液中加入高浓度的盐分，会显著地提高粘性与屈服值而引起凝胶化。这时泥浆就失去触变性，而永久保持凝胶状态。所以，使用膨润土在海水中造浆是有较大困难的。为节约建设资金，缩短施工工期，项目部也同时进行了海水造浆试验创。参考杭州湾大桥的泥浆配比进行室内试验。使用桥位所处的马都拉海峡海水，调整上述材料的配比，并用FCL代替PAC进行试验，均不能配制出满足要求的触变泥浆。究其原因，杭州湾是钱塘江的出海口，平均含盐量为0．46％，而马都拉海峡含盐量为2．1％～3．6％，是杭州湾含盐量的4．6～7．8倍。所以使用高含盐量地区的海水配制膨润土泥浆，还需要进一步的探索。承包商施工过程得出，PHP无固相泥浆不适宜循环钻钻孔施工；CMC膨润土泥浆能较好适应于水敏性土壤中的钻孔作业；含盐量较高地区的海水不适宜配制膨润土泥浆。lO 东南丈学碰±论文1．2南京大胜关长江大桥地质条件及6#主墩桩基础概述(1)南京大胜关长江大桥地质条件南京大胜关长江大桥位于南京长江大桥上游约20公早处。人胜关长汀大桥是京沪高速铁路客运专线的控制性工程，也是沪汉蓉快速铁路通道及南京铁路枢纽的重要组成部分并同时搭载南京市双线地铁。图1-1南京枢纽总布置示意图图lo南京太胜关长江大桥主跨效果圈大桥主桥在地貌上由北向南，从长江低漫滩逐渐过渡到河槽浅水区、主河槽深泓区、南岸高漫滩区。地面(河床面)高程646～．4267m，覆盖层厚11．3～4748m，两岸厚而河槽薄。覆盖层由上至下分为四大层，第①大层为填筑土及全新统河成相最蒸i孽，百舻一＼一 第一章概述新沉积的松散状细砂层，厚度20～22．0m：第@大层由全新统河成～湖沼相地层组成，上部主要为软塑状粘性土、流塑状淤泥质粉质粘土，下部为中密状细砂，厚91～295m；其下为第③大层，主要由全新统河成相细、中砂组成，呈中密状，局部夹耜砂或软塑状粉质粘土，厚42～257Ila；底部为第④大层，主要由上更新统河成相中粗砂、砾砂及圆砾土为主，呈密实状，厚68～2195m。酸段下伏基岩为白垩系成岩程度差的泥岩、泥质粉砂岩，岩质软弱，岩面高程．5276～．6143m。基岩风化带厚度变化较大，一般在基岩破碎带或节理裂隙较发育地段较厚，其它地段相对较薄。地质断面如F图所不：缒鏊鬣露懋dil图1-3南京大胜关长江大桥桥址地质断面表1-2大胜关大柝基础{殳计岩土技术参数建议值层号岩士名称基本钻孔桩建议岩石压强篮缩模量承载力极限摩阻力或变形模量o0ES(Eo)KPaMPaM中a②1粉质粘土180②2淤泥质耪质粘土90②3扮质枯t②4粉砂②5细砂②6圆砾十③1糟质粘_十170③2．1粉砂(7)③2细砂“o)翟 东南大学硕士论文③3中砂37055(15)③4粗砂43070(17)④O粉质粘土340657．5④1细砂30060(20)④2中砂45070(30)④3粗砂50090(35)④4砾砂55090(40)④5圆砾土600120(42)④6粉质粘十160355．5⑤1W3强风化泥岩30050(500)⑤1W2弱风化泥岩350902(600)⑤1Wl微风化泥岩5001504．6(1100)⑤1一IW3强风化泥岩25050(450)⑤1．1W2弱风化泥岩300801．7(550)⑤1．1W1微风化泥岩4001102．9(900)⑤2W3强风化泥质粉砂岩30065(550)⑤2W2弱风化泥质粉砂岩4001104．5(750)@2wl微风化泥质粉砂岩90023010(1500)03疏松砂岩35080O．6(800)@4W3强风化含砾砂岩30070(400)⑤4W2弱风化含砾砂岩35080(450)⑤4Wl微风化含砾砂岩400850．6(800)05．1W3强风化砂岩30065(500)⑤5一lW2弱风化砂岩350901．9(600)⑤5—1W1微风化砂岩7002006．2(1200)⑤5．2W3强风化砂岩30065(500)@5-2w2弱风化砂岩35090(700)05—2Wl微风化砂岩250030024(3000)⑤6w3强风化安山岩500110(600)⑤6w2弱风化安山岩1000200(900)@6wi微风化安山岩120025012．7(2500)⑥1W3强风化安山岩500110(600)⑥1W2弱风化安山岩15002004．9(900)⑥1W1微风化安山岩250023(4000)⑦I构造角砾夹泥30065⑦2．1破碎泥岩35090⑦2-2破碎泥质粉砂岩400100⑦2．3破碎安山岩1500200(2)南京大胜关长江大桥甜主墩桩基础概述南京大胜关长江大桥正桥其中6#墩为三个主墩的北主墩，基础采用46根 第一章概述中28m的群桩基础，钻孔桩成纵向5排，横向10排行列式布置，桩底标高为一1200m，桩顶标高为一13Om，桩长107m；钢护筒直径为qb32m，护筒底标高为．37．Om，护筒顶标高为+90m，护筒总长为46m；圆端形高桩承台平面尺寸为34m×76m，底面标高一13Om，顶而标高一7Om，厚6Om。覆盖层为细砂～圆砾土，标高一596m左右即进入泥岩层，钻fL需进入泥岩深度达60米。这在国内外的桩基旖丁中均属罕见，对钻机的动力方面提出了更高的要求，施工难度较大。ln^图14础主墩桩基位布置图蓐j嵫谣罚i而M”||兰鎏鲨燮兰图1-5础主墩基础示意圉14 东南大学硕上论文从地质资料分析，由于在泥岩地基上大直径超长钻孔灌注桩难以成桩，限制了钻孔灌注桩在特大桥梁上的施工应用。按照安全、质量优良、经济合理的建设原则，选择合理的施工方法，研究相应施工工艺和设备，解决设计中难以准确地选择设计参数问题，是保证大桥施工成败的关键所在。大胜关大桥施工队伍在厚度达几十米的泥岩层中实践深孔大直径钻孔灌注桩的施工工艺，指导大规模的桩基施工。同时总结特大吨位基桩施工试验技术，为以后的大吨位基桩施工提供可以借鉴的经验、方法，为不断推迸我国桩基工程稳步向前发展积累技术资料。图l_6硎主墩桩基钻孔桩施丁工艺流程1．3南京大胜关长江大桥主墩桩基建设条件南京大胜关长江大桥位于长江顺直河段，桥位两岸的岸线、航槽稳定，水文、地质条件较好，两岸防洪大堤之间宽约2．8kin，桥址处常水位河道宽约1．6kin，具备良好的建桥条件。(1)气象 第一章概述南京位于北亚热带向中亚热带过渡气候带，春季风和日丽，夏季炎热，秋高气爽，冬季寒冷干燥。历史最高气温43℃、最低气温14．2℃，多年平均气温15．4℃；年最多有雾日69天，年最少为12天，年平均27．3天；年平均雨日118．8天，多年最大1825．8mm(1991年)；年最大积雪厚度为51cm(1955．1．1)，最大冻土深度为9cm。台风影响集中在5"--"11月。最大10分钟平均风速25．Om／s(1974．6．17)，历年极大瞬时风速38．8m／s(1974．6．17)。(2)水文根据实测大胜关潮位资料与南京下关潮位站同步观测数据，按平均水面比降推算了拟建大胜关桥位处的特征水位如下表所示。表l-3大胜关桥位处的特征水位表项目南京下关潮位站人胜关桥位多年平均3．373．65历年最高8．318．78历年最低-o．37．O．03桥区所在的南京河段的水流受潮汐和长江径流的共同影响，桥位附近流线较为顺直，洪水期主流表面最大流速为2．28rn／s，水流与桥轴线法向夹角在3。；中水期主流表面最大流速为2．75m／s，水流与桥轴线法向夹角中水期为2。。表l-4大胜关桥位处的特征水流表设计高潮位(m)设计流量(m3／s)设计流速(m／s)频率8．78850002．49二十年一遇9．49950002．40一百年一遇9．961025002．34三百年一遇(3)施工冲刷计算按铁路工程设计技术手册《桥渡水文》有关冲刷公式进行分析计算，结果如下：河床标高约：．9．0m。渡洪水位取+8．Om，流速2．0m／s，施工水位取+6．Om，流速1．4m／s。表l-5施工冲刷计算结果北主墩水位流速局部冲刷后高程水位流速局部冲刷后高程(m)mm／smm／s5排46根+8．O2．0．18．7+6．O1．4．17．2①3．2护筒38mx80m钢围堰+8．02．0．30．O+6．01．4．27．7(4)航道根据南京大胜关长江大桥《通航净空尺度和技术标准论证报告》，桥址处设计最高通航水位为8．78m(黄海高程)，设计最低通航水位为0．22m；桥梁通航净空高度16 东南大学硕上论文不低于24m；通航净空宽度，单孔单向不小于280m，单孔双向不小于490m。(5)地震根据本桥《工程场区地震危险性评价报告》50年超越概率10％的地震基本烈度为Ⅶ度。表l-6大胜关桥位处的地震情况表50年超越概率10％3％2％地震烈度(度)6．57．O7．1基岩水平峰值加速度0．0890．1270．1401．4本文的研究目标(1)对钻机性能研究及目标钻机配置和动力性能要求满足钻孔进入泥岩深度达60多米，避免及延缓深厚泥岩中钻机的糊钻，确保单桩成孔周期不超过20天。(2)PHP泥浆施工工艺研究目标对应大胜关大桥主墩桩基泥岩层地质情况进行PHP泥浆性能的研究，提高泥浆施工工艺，对钻孔过程中出现的糊钻、漏浆、塌孔等可能出现的问题予以解决。(3)水下混凝土浇筑施工工艺目标确定配置出“坍落度、扩散度、粘聚性、保水性"符合要求自密实混凝土，研究深桩水下混凝土浇筑的质量保证措施，形成完善的超大直径工程桩自密实混凝土水下浇筑施工工艺，确保本工程超大直径工程桩实体质量检测合格率达到100％。 第二章钻机选型的研究第二章钻机成孔工艺研究由于6#主墩钻孔桩桩径为2．8m，孔深130m，且要求入泥岩深度60多米，结合孔径、孔深和地质情况，我们在钻机的选型上主要考虑了KTY4000型钻机和KPG3000A两种机型工程钻机成孔，排渣方式为气举反循环。2．1钻机选型2．1．1两种钻机机型比较我们主要比较了KPG3000A型钻机和KTY4000两种机型的钻孔直径、钻孔深度、转盘转速、转盘扭矩、钻杆规格、主机外形尺寸和主机重量。(1)KPG3000A型全液压钻机KPG3000A型全液压转盘钻机是铁路、公路桥梁、港口码头、高层建筑等大型基础工程钻孔施工机械。可在孔径由1．5"--一由3．0m，岩石单层抗压强度oc≤80MPa的基岩中，任选孔径下钻进，钻孔深度可达130m。在覆盖层中的钻孔直径可达6．0m。该设备成功的使用在福建青州大桥施工、荆沙长江大桥、香港荃湾南丰地盘护坡桩施工。其工作原理：由动力头驱动钻杆，钻杆带动钻头回转钻进，采用空气反循环的排渣方式。其动力传递为：电动机一液压泵一液压马达一动力头。其技术指标如下：钻孔直径：一般土层由1．5～中6．0m岩层(Oc≤80MPa)m1．5～巾3．0m钻孔深度：≤130m转盘转速：0～3．5r／min，0～7．0r／min,0-一14r／min,转盘扭矩：200KN．m，100／200KN．rn，0"--"100KN．rn钻杆规格：@351X@325×5000mm主机外形尺寸：7600X4450×13892mm主机重量(不含钻具)：55t18 东南^学碗±论史图2-1KPG3000A型全液压钻机(2)KTY4000型全液压钻机KTY4000型钻机是中铁大桥局武汉桥机公司研制的KTY系列的新型动力头钻机，其工作原理是主动力头驱动钻杆，钻杆带动钻头回转钻进，采用空气反循环的方式排渣。该钻机适用于大直径超长的钻孔桩施工。该型钻机系液压动力头钻机，是铁路和公路桥梁、煤矿通风井、港口码头及高层建筑等大型基础工程钻孔施工机械，钻机能在岩石平均单轴抗压强度oc≤120MPa的基岩中任选孔径下钻进，钻孔直径可达40m，钻进深度可达130m。KTY4000钻机主要由动力头、滑移横梁、钻机结构(含底盘、钻架、封u盘等)、钻具、司机室、液压站、电气控制系统等组成。其动力传递为：电动机一液压泵一液压马达一动力头。其技术指标如下：钻孔直径：40m钻孔深度：130m动力头转速：0～6r／min．?～15r／rain．动力头扭矩：300KNm．120／K_N．m钻杆规格：中351×qb301×3000mm主机外形尺寸：7820×4432×6770mm主机重量(不古钻具、液压站)：34t蕾 第章钻机选型的研究圈2-2KTY4000犁全液压钻机2．1．2两种钻机成孔性能比较分析(1)相同点；①适用于大直径超长钻孔桩的施工。KPG3000A型全液压转盘钻机可在}L径巾1．5～巾30m，岩石单层抗压强度oc峙<80MPa的基岩中，任选孔径下钻进，钻孔深度可达130m。KTY4000型钻机是KTv系列的新型动力头钻机，该型钻机系液压动力头钻机，能在岩石平均单轴抗压强度oc弋<120MPa的基岩中任选孔径F钻进，钻孔直径可达40m，钻进深度可达130m。②采用气举反循环方式排渣。KPG3000A型是全液压转盘钻机其工作原理：由动力头驱动钻杆，钻杆带动钻头回转钻进，采用空气反循环的排渣方式。KTY4000型钻机其工作原理是主动力头驱动钻杆，钻杆带动钻头剜转钻进，采用空气反循环的方式排渣。该钻机适用于大直径超长的钻孔桩施工。(2)不同点：①KPG3000A型钻机主机重量55t明显大于KTY4000型钻机34t，KPG3000A型钻机主机尺、J7600×4450X13892mm与KTY4000型钻机尺寸7820>(4432X6770mm相比，平面尺寸相差不大；②KTY4000型钻机的动力头最大扭矩(300KN·m)大于KPG3000A型钻机钻盘的最大扭矩(200KN·m)，但困泥岩的强度较弱(oo--06～10MPa)，两种钻机均达不到最大扭矩，但KTY4000型钻机动力头转速在硬岩中较快； 东南大学硕士论文③KTY4000型钻机单根钻杆长度为3m，而KPG3000A型钻机单根钻杆长度为5m，在钻杆接长次数上前者多于后者；④由于KTY4000型的动力头位于钻杆的上部，在钻进过程中晃动较大，而KPG3000A型动力来自钻盘位置，稳定性相对较好；(曼)KPG3000A型钻机相对比较脆弱，有时出现故障频率较高，而KTY4000型则进尺方面故障频率较低；表2．1KPG3000A型和KTY4000型钻机成孔效率对照表最快成孔天数最慢成孔大数平均成孔天数KPG3000A型钻机132620KTY4000型钻机162419分析表2．1KPG3000A型和KTY4000型钻机成孔效率对照表，若加大孔径和深度，考虑到成孔时间和施工进度要求，推荐选择KTY4000型钻机。(查)KTY4000型钻机单根钻杆长度为3m，而KPG3000A型钻机单根钻杆长度为5m，在钻杆接长次数上前者多于后者；KPG3000A型动力来自钻盘位置，稳定性相对较好；但是如果加强KPG3000A型钻机的机械养护维修，降低故障频率，KPG3000A型钻机会更具有专业优势。2．2成孔施工工艺研究(1)覆盖层中钻进技术研究根据地质状况，主墩覆盖层主要为中、细砂和砾砂，因而采用刮刀钻头钻进。我们还对刮刀钻头的翼数进行了探讨，施工实践过程表明，对于KPG3000A和KTY4000两种型号钻机来说，四翼的刮刀钻比三翼或六翼的刮刀钻更具可控性，在相同的转速和转压下，进尺也是最理想的。四翼刮刀钻正常钻进时，在不同地层下，其钻压、转速和进尺数据如下：表2-2覆盖层中钻压、转速、进尺速度表地质名称刀具种类钻压(t)转速(r／rain)进尺速度附注(m／h)砂层刮刀钻头10～156～82～3砾砂层刮刀钻头15～306～82～2．5钻杆转盘运转不正常，钻架晃动较大或钻具跳动较大时，则表明钻压过大或孔底有异物，如遇有孤石，有铁件或是钻具部件脱落等。遇此情况可将钻具略向上提起，减小转盘运转速度。若钻机运转恢复正常，则说明钻压过大；若钻机还不能正常运转，则可 第』章钻机造型的研究再次将钻具向上略微提起，减小转盘运转速度钻进，待恢复正常后再缓慢加压钻进：若经过往返几次操作．钻机仍不能恢复J下常工作，则需拆除钻具，弄清情况或打捞起异物后蕈新安装钻具继续钻进。图2-3I(1吖-II)oo型钻机刮刀钻头(2)岩石层中钻进技术研究钻头穿透砂砾层进入全风化岩石层时，因岩面不平，石质不均，应减压慢速钻进。钻压15～20t，转速35～5r／min。当钻头进^岩石深度)05m，可加压至20～30t，转速4～7r／min，当岩石单轴强度>30Mpa时，换滚刀钻头。用50t浮吊或280t浮吊辅助拆除四翼刮刀钻头，换上滚刀钻头。开钻时先使钻头提离孔底30cm，通风、供浆、泥浆循环。启动钻机，椅查转盘转动方向，钻杆、泥浆循环管路有无漏风漏浆现象，等切正常后方可低压慢速钻进，钻压15～20t，转速3～5r／rnin。当钻头进入岩百深度>o5m，小于钻头全高时，钻压20～30r,转速4～10r／rain；当钻头全部进入岩层，稳定器未进入岩层时，钻压30～40t，转速5～6r／min：当稳定器进入岩层后，钻压40～50t，转速5～7r／min。岩层中正常钻进其钻压、转速、进尺速度见表。表2-3岩层中钻压、转速、进尺速度参考表刀具种类钻压(t)转速(r／rain)进尺钻渣粒径(cm)球齿减压钻进<3楔齿盘齿l0--45l楔齿型滚刀钻头适用于岩石单轴极限强度小于80Mpa，盘齿型滚刀钻头适用于单轴极限强度在80～120Mpa·球齿型滚刀钻头适用于岩石单轴极限强度大120MPa。 东南大学碰±论立图24滚川钻头图2-5滚刀钻头提钻图2-6灌刀钻头细部 第二二章钻机选型的研究在岩层中钻进时，钻压应由小逐渐加压，并经常观察从泥浆分离器出来的钻渣，当钻渣颗粒大小均匀，且最大颗粒粒径接近表中数值时，不宜再继续加压。钻进参数选择的一般原则：在岩层与岩层交接面处或覆盖层与岩层交接处宜采用较小钻压，较低转速钻进；岩石倾斜、岩石破碎或岩层构造一边软一边硬宜采用较小钻压，较低转速钻进；岩面平整，岩石完整时宜采用较大钻压，高转速钻进，但始终要保证减压钻进。(3)钻进过程中的技术要点钻孔过程中要经常用水平尺和线锤检查转盘的水平度和钻架的垂直度，确保成孔轴线顺直。钻孔过程中若泥浆指标不合格，需要调配时，不得将碱或膨润土直接倒入孔中，应用水稀释后缓慢加入泥浆循环池内。任何时候不得直接在孔中或泥浆池中注水稀释泥浆，防止泥浆离析。对于深孔钻进时，要经常观察排渣口的的出浆情况，若发现排渣不连续，可能是因风力不足所致，要立即起用中间风包，中间风包设置的位置一般距泥浆面50"--"60m左右。(4)检孔钻至设计标高终孔后，钻机拆除，即进行成孔质量检测。检测仪器选用CDJ．1超声波大口径桩孔检测仪检测，检测的项目有孔深、孔径、孔形、垂直度。仪器的主要技术指标如下：径向测量范围：0．7"-"3m；径向测量精度：≤2％；孔深测量范围：O～100m；孔深测量精度：≤O．5％；沉渣厚度测量范围：O～20cIIl；沉渣厚度测量精度：端承桩≤lcm，非端承桩≤2cm；适用泥浆条件：比重<1．29，粘度<21秒，(用国产试验仪器测量值)。适用环境温度：0,---40℃ 东南^学碰1：论文图2．7CD．J．1超声波太口径桩孔检测仪检孔表2-4钻孔成孔质量验收标准序号项目允许偏差孔释不小于设计孔径孔深不小丁醴订孔深孔忙倾斜度灌注混凝土前孔底沉渣厚度清孔后泥浆指标牲浆比重：511；含砂率：(2％；粘度：17～20s；钻机钻至设计标商后，选用CDJ—l超声波太VI径桩孔检测仪进行检孔，按照质量标准检测，检测的项日有孔深、孔径、孔形、垂直度等多项指标。钻孔全过程没有发生塌孔事故，全墩46根钻孔桩平均扩空系数l03，有效节约了钻孔成本。2．3深厚泥岩地质钻孔糊钻及塌孔处理(1)糊钻的处理粘士层与粘土类岩层中钻孔时，常常会发生糊钻现象，延缓进尺，本桥亦如此。泥岩为含大量黏土矿物、层理不明显的一种沉积岩。常呈块状。由软泥经j{i实作用、脱水作用及轻微的矿物转化而成。除黏土矿物外，还混有石英、长石等碎屑物质和铁、锰等自生矿物。按混入物状况，可分为铁质泥岩、硅质泥岩、钙质泥岩、粉砂质泥岩和黑色泥岩等。本桥基岩为泥岩，经仔细观察．发现此处糊钻有别于常见的糊钻：破碎的岩屑呈块状，紧紧地嵌固于钻头号的翼翅间，形成磨盘状，致钻孔进尺困难。糊钻严重时，除泥浆循环口外，其余空档均被泥块塞满，用铁镐锄挖也很费劲。针 第二章钻机选型的研究对本桥钻孔糊钻的实际特点，采取以下措施：①降低泥浆比重，意在使刚被切削下来的岩屑迅速溶于水中，减少块状岩屑，从而延缓糊钻。②增大泥浆泵入量，使泥浆循环及上升速度加快，及时将钻渣浮起排出孔外，实际施工时，每台钻机同时安装3台泥浆泵(3PN、22Kw)。③定时空转，阻止或延缓糊钻发生。操作时，每隔一小时或判断将要糊钻时即将钻头提起O．5m左右进行空转；空转时采用较高档位转速。④采用较高档转速和少给进状态钻进。一般钻进时采用9r／min或13r／rain，为防糊钻，提高采用17r／min、21r／min；力图避免岩石破碎时呈大块状，以延缓糊钻时间。⑤简化钻头结构，将六翼改为四翼式。以上几点措施实施后，卓有成效：原来钻进时，大约进尺3．0m左右即出现糊钻，改进后，进尺均在5．0m以上即钻进一根钻杆后才发生糊钻。(2)钻孔塌孔预防及处理钻孔过程中若发现有塌孔现象时，应立即提取钻头，停止泥浆循环，拆除钻具，向孔内抛填粘土至塌孔部位以上2～3m，静置3--一5天后安装钻机重新钻孔。选用优质PHP泥浆护壁，加强泥浆指标的控制，随时注意孔内泥浆液面的变化情况，孔内泥浆应始终高于江水面2m--一2．5m，需要时补充新制泥浆，保持孔壁的稳定。注：1．弹簧限位报誊器-2．钢浮橘；3．钢筋，4．护筒，5．护筒孔洞．图2-8水头高度控制报警装置其次推荐使用水头高度控制报警装置，水头高度保证如何是成孔成败的关键因素之一。附加水头高度控制装置，当水头高度低于2m时，报警装置提醒专职施工人员加注泥浆。一旦发现塌孔现象，应立即停钻。塌孔不严重时，采取改善泥浆性能、加高水头后 东南大学硕+论文进行钻孔；当护筒底口发生塌孔时应采取护筒跟进等办法进行施工；当塌孔严重时，应尽快回填，采用粘土并加入适量的碱和水泥，回填高度应高于塌孔处2-"--4m，待其固化后，提高泥浆比重快速穿过该地层。2．4本章小结(1)KTY4000型钻机单根钻杆长度为3m，而KPG3000A型钻机单根钻杆长度为5m，在钻杆接长次数上前者多于后者；KPG3000A型动力来自钻盘位置，稳定性相对较好；KPG3000A型钻机相对比较脆弱，有时出现故障频率较高，而KTY4000型则进尺方面比较稳定。(2)对于KPG3000A和KTY4000两种型号钻机来说，四翼的刮刀钻比三翼或六翼的刮刀钻更具可控性，在相同的转速和转压下，进尺也是最理想的。(3)钻头穿透砂砾层进入全风化岩石层时，减压慢速钻进，钻压15---一20t，转速3～5r／min。进入岩石深度>O．5m，小于钻头全高时，钻压20"--30t，转速4一-10r／mira当钻头全部进入岩层，稳定器未进入岩层时，钻压30--一40t,转速5--一6r／min；当稳定器进入岩层后，钻压40--一50t,转速5--一7r／min。(4)降低泥浆比重；增大泥浆泵入量；定时空转；采用较高档转速和少给进状态钻进；简化钻头结构。以上防止糊钻的措施，效果明显。(5)但是如果加强KPG3000A型钻机的机械养护维修，降低故障频率，KPG3000A型钻机会更具有专业优势。 第三章PHP泥桨施工应用研究第三章PHP泥桨应用研究3．1PHP泥浆施工工艺研究3．1．1PHP泥浆的应用分析PHP泥浆又称聚丙烯酰胺不分散低固相泥浆，是通过在采用膨润土作为原料的基浆中加入PHP胶体制成的。PHP泥浆施工应用中表现出以下优点：①触变性好配制成功的PHP泥浆粘度大，在静止状态时一呈凝胶状。其流动到静止的过程是一个粘度恢复的过程。粘度恢复后悬浮作用大，能阻止钻屑下沉，而当钻头旋转泥浆流动时，泥浆结构被改变，粘度减小，流动性增加，减少了钻头阻力。PHP泥浆的这种触变性能使它能同时满足钻进时阻力小，静止时稳定性好两项要求。②比重轻，低固相该泥浆以膨润土作为原料，含砂率较低(0％～0．3％)，造浆率高。原浆(未经钻进的PHP泥浆)比重小(约为1．02"---"1．04)f毙携带较多钻屑，固相泥浆含砂率可达4％。此外，由于比重较轻，其对钻头旋转的阻力较小，因此能提高钻进速度，减小钻机磨损。③粘度高该泥浆制作过程中使用PHP特效增粘剂，泥浆粘度很高，因此相应的胶体率大。这样，泥浆胶体在粉细砂、粗砂砾石土体中形成一层化学膜，封闭孔壁，保持孔壁稳定。④成孔后泥皮薄这是PHP泥浆的一个重要特点。采用这种泥浆后，孔壁泥皮厚度小于lmm，这也是普通泥浆难以办到的。⑤失水量小一般而言，泥皮厚度与泥浆过滤失水率成正比，该泥浆的低失水率使其具有泥皮薄的特点。⑥不分散该性能使钻孔后泥浆发生絮凝作用，从而使泥浆中的淤泥类细颗粒钻屑进一步变成较大颗粒沉渣，进而易被机械除砂装置清除。PHP泥浆的这种保留优质的造浆粘土、絮凝去除劣质钻屑的特殊功能十分有利于泥浆循环、净化。 东南大学硕士论文(Z)PHP泥浆以造浆率高的膨润土作为原料，其造浆率比普通粘土高出4"--5倍，采用高效泥浆循环系统后，其使用回收率可达60％，从而可做到循环使用。⑧PHP泥浆废料pH=8，可将对环境的污染降低。3．1．2PHP泥浆成分作用研究分析钻孔泥浆选用不分散、低固相、高粘度的PHP优质膨润土化学泥浆。6撑主墩桩基成孔施工泥浆由优质膨润土、碱(Na2C03)、羟甲基纤维素(CMC)和聚丙烯酰胺(PHP)等原料组成。表3-1模拟孔内泥浆变化调整试验小结编混入泥岩泥浆调制配合比(g)泥浆性能指标号原浆泥岩混入水纯CMCPHP粘相对失水率胶体酸碱(湖南(干比例碱度密度(ml／30min)率(％)度黄土)重1(s)(PH)135000O0O025．O1．0410100102350035010％1518141．520．4619．61．07lO99103350070020％3335273．341．OO20．61．101299104300090030％2302322．300．6918．O1．13169995200080040％197l321．97O．5918．O1．1324981062000100050％2336402．34O．7018．O1．1526981072000120060％2500482．500．7517．51．16329710802000完全3500603．501．0517．91．20409310采用泥岩由表3-1模拟孔内泥浆变化调整试验小结可以分析出PHP泥浆的成分作用。膨润土为泥浆胶体质的主要来源，采用以蒙脱石为主的钠质膨润土，该土具有较好的分散悬浮性和造浆性，泥皮薄，稳定性好，造浆率高(It土可造12--一16m3泥浆)，质量等级为二级标准。膨润土掺量为泥浆体积的6--一10％，即100m3泥浆需用6"--10t膨润土。为了增大泥浆中胶体的成份，应选择胶体率大(≥96％)和含砂率小(O～O．3％)的钻孔造浆用膨润土，特别注意不能错用铸造用的膨润土(胶体率较低)。纯碱(Na2C03)其指标要符合GB210—92的IⅡ类合格品的标准，主要作用是增大PH值，使粘土颗粒进行分散，并增加表面负电荷，来吸附带正电荷的钻屑，使泥浆悬浮钻屑效能更好，因此回流孔内泥浆中PH值应稍高一些。纯碱掺量为泥浆体积的0．3％--一0．5％左右，即100m3泥浆需用碱300-～500kg。碱用量应使泥浆PH值达到10～12，然后再加入PHP，以增大泥浆粘度。 第三章PHP泥桨施工应用研究纯碱作为分散剂，在泥浆系统主要起以下几个作用：分散作用：加入纯碱后，可以加大泥浆的Na+离子比，使膨润土显示出钠膨润土性质，其亲水性较强、颗粒较细，有利于提高泥浆的总体性能；在配制泥浆时，加入适量纯碱，可以增加粘土表面失水，加速粘土的分散，提高单位粘土的造浆量；改善泥浆性能：地下水中的Ca2+，M92+离子及水下混凝土施工中的Ca2+离子混入泥浆，会使泥浆的凝胶化倾向增大，造成泥浆质量劣化，掺入纯碱有利于中和有害离子电性，并且沉淀Ca2+，M92十离子，以改善泥浆性能并且重复利用；调节pH值：可按实测结果确定掺入量，以调节pH值，达到_旖工要求。羟甲基纤维素(CMC)也能提高泥浆的粘度，具有使土壁表面形成化学膜泥皮和降低失水量的功能。它常作为膨润土基浆的改性剂，掺用量为泥浆体积的0．005％""0．01％，即100m3泥浆约需用8kg。聚丙烯酰胺(PHP)既可单独拌制泥浆，又可作为膨润土泥浆中的掺加剂，其突出功能是使泥浆具有触变性，保持不分散、低固相、高粘度的优质性能，提高泥浆的粘度，降低泥浆的失水量。其掺用量为泥浆体积的0．003％左右，即100m3泥浆约需用3kg。它的增粘效果远大于CMC。制浆用水取自长江河道，水质属HC03。～Ca2+型水，PH=8．1～8．5，水质满足要求。3．1．3PHP泥浆的循环工艺(1)制浆设备泥浆的拌制和运输设备包括泥浆搅拌机、高压水流自循环拌制泥浆机、各种泥浆进出口管道、龙头、阀门和泥浆船。(2)浆液的用途浓基浆：用来制作高粘度PHP新鲜泥浆，另外砂性土层钻进时采用浓基浆。淡基浆：因粘土本身能造浆，故在粘性土层钻进时可采用淡基浆。通过浓基浆稀释后得到淡基浆。一浓鲜PHP泥浆：在浓基浆中加入PHP浓液后得到，常用在防止护筒底泥浆反穿、不稳定地层塌孔和砾砂层处泥浆漏失等紧急情况处理中。淡鲜PHP泥浆：一般用在清孔时的“换浆”中，通过浓鲜PHP泥浆稀释后得到淡鲜泥浆。(3)泥浆的循环施工过程 东南^学碗上论立钻孔泥浆采用集中拌制、集中供应、集中净化的方式进行钻孔钢护筒内l1．．_l图3-1泥浆循环系统流程圉泥浆制备系统设在码头拌浆池，设置2m3搅拌机2台。泥浆搅拌好后，通过3PN泥浆泵，象送至泥浆船后送至备需用点。泥浆船采用3艘1500t级，总容量为3000m3，泥浆船t各设泥浆输送泵l台。泥浆船既是泥浆输送设备，又兼作钻孔过程中泥浆补充站和钻孔桩混凝十填充时的泥浆回收站。在钻孔施工过程中泥浆的净化采用机械强制净化。每台钻机配1台ZX．500型泥浆分离器，钻机排出的带渣泥浆打到泥浆预筛设旌上，过滤粒径大于l5毫米的钻碴，然后打入泥浆分离器进行净化处理，分离出的钻渣通过溜槽排放§Ⅱ指定的船舶上。在平台旁设4～6个4m×5mxl5m的泥浆箱，每个泥浆箱设置个出浆口，出浆口与回浆管路相连，经泥浆分离器净化处理后的泥浆打入泥浆箱内，再通过回浆管路流回孔内。若需补浆，用泥浆泵从泥浆船上向回浆管内打入泥浆。灌注钻孔桩水下砼时，打开回浆管路通向泥浆船的阀门，护简内泥浆通过管路回流至泥浆船匕。图3-2码头拌浆池一+一+一+一+一+ 第三章PHP泥桨施工应用研究3．2PHP泥浆在6撑墩桩基中的应用及不足桩基施工PHP泥浆应用配比如下表3．2所示。表3-2泥浆应用配比报告编号泥浆配比(Kg)泥浆性能指标水膨润土纯CMCPHP粘相对密失水率胶体率含砂率酸碱(黄)碱度(ml／30min)(％)度(s)(pH)NQ-021000804O．050．03221．0410990．59由表3．2泥浆配比分析：PHP相对密度控制在1．04，能保证泥浆循环畅通；PHP泥浆粘度合适，护壁能力和悬浮钻渣能力强；PHP泥浆中含砂率可以保证粘度，并且满足护壁的要求；PHP泥浆的酸碱度大于8，降低了对环境的污染；胶体率满足泥浆悬浮钻渣的能力；失水量可以保证泥浆在孔内超水头压力的作用下迅速渗入孔壁覆盖层。该配比经检验，所测PHP泥浆性能指标均符合TBl0203．2002《铁路桥涵施工规范》标准规定的要求。(1)PHP泥浆在糊钻处理中的应用泥岩地质容易发生严重糊钻，除泥浆循环口外，其余空档均被泥块塞满，用铁镐锄挖也很费劲。针对本桥桩基工程地质的实际特点，我们在PHP泥浆应用中采取了以下措施：降低泥浆比重，意在使刚被切削下来的岩屑迅速溶于水中，减少块状岩屑，从而延缓糊钻。增大泥浆泵入量，使泥浆循环及上升速度加快，及时将钻渣浮起排出孔外，实际施工时，每台钻机同时安装3台泥浆泵(3PN、22l州)。(2)PHP泥浆在渗漏预防及处理中的应用本桥成孔过程中采取以下措施防止泥浆渗漏：采用浓PHP泥浆，加大泥浆比重和粘度，停止钻进并停止循环泥浆，补充泥浆保证浆面高度，观察浆面不下降时方可钻进；如果漏浆得不到有效控制，则在浆液里加锯末，经过循环堵塞孔隙，或减小孔内外水头差，使渗、漏浆得以控制；如果在钢护筒底口漏浆，在采用上述措施得不到控制后，将钢护筒接长跟进；在采用上述措施后，若漏浆仍得不到控制，要停机提钻，填充粘土，放置一段时间32 东南大学硕士论文后，再进行施钻。(3)PHP泥浆的不足：PHP泥浆在6j[i}主墩桩基成孔过程中性能表现良好，但是也暴露一些不足。主要原材料为膨润土，其性能和品种相差很大，品质不均匀，性能不稳定；密度一般在1．02一--1．159／cIn3范围，随着品质的优劣变化很大，密度将随着粘度的增加而增大；膨润土原材料费用低，但PHP泥浆最多循环使用2～3次及产生劣化，综合成本较高；泥浆含砂量大，清孔时间长，需置换孔内泥浆；废弃泥浆排弃不方便，操作中粉尘飞扬；粉细砂悬浮在泥浆中，需长时间和除砂器设备进行沉淀。3．3PHP泥浆与SuperMud泥浆的比较分析目前美国PDS公司生产出一种SuperMud环保泥浆，是一种高分子聚合物的高浓缩性乳液，白色不透明，遇水后发生膨胀，可提高乳液粘度，无毒无污染。SuperMud泥浆是在公路和桥梁工程中代替膨润土的新型造浆材料，己经在国外广泛应用于钻孔灌注桩、地下连续墙及隧道掘进等工程中在我国己在北京、上海等地下连续墙工程中使用。SuperMud泥浆是环保泥浆，其性能及操作等条件比PHP泥浆都优越，但是，日前该环保泥浆只适用在采用冲抓钻的地下连续墙工程中。SuperMud泥浆沉淀速度非常快，对循环系统和排渣器都十分容易堵塞，不能进行正常施工。目前国产钻机性能尚不能采用SuperMud泥浆，它要与进13德国钻机配合使用。(1)SuperMud泥浆特点分析密度小(新浆小于1．029／crn3)可多次循环使用，不会随粘度的变化而变化；配制的泥浆可以马上使用，不需静置水化，用量少，因此不需很大的储浆池，相对于PHP泥浆工艺占地少；可在钻孔壁形成胶膜，保持孔壁不塌，减少泥浆漏失；SuperMud泥浆内的松散颗粒凝聚团粒化，迅速沉淀排渣；必须与纯碱(Na2C03)合用，在碱性环境中使用，pH调整到8一--10；无毒，环保，可以直接排放；其沉淀速度非常快，容易堵塞机械设备，要与进口德国钻机配合使用。(2)SuperMud泥浆施工工艺 第三章PHP泥桨施工应用研究先用纯碱配制pH=9的碱水，待开浆使用；开浆时，浆液加入要均匀，开浆后，随时检测新鲜泥浆的pH值、粘度和密度，直至到设计孔深度；每开挖5--一10m需对泥浆指标进行检测，指标达不到要求，添加SuperMud及时进行调整；回收浆液静置2"一4h后，测其指标，若达不到要求，加SuperMud泥浆调整再次使用；废弃浆液经检测合格后，直接排入下水道。缝图3-3SuperMud泥浆射流配制(4)PHP泥桨与SuperMud泥桨对比分析现将两种泥浆进行比较，以便借鉴选用。PHP泥浆主要为原材料为膨润土，其性能和品种随膨润土的变化相差很大，质量不容易控制；大量施工中粉尘飞扬，影响施工人员呼吸，废弃泥浆量比较大，排弃不方便；需要泥浆池，战地宽广，操作环境差；而且膨润土使用量大，运输堆放不方便；膨润土原材料价格相对低，但排污等费用大，况且循环周转使用次数少，最多循环使用2～3次及产生劣化，因此成本较高；泥浆含砂量大，清孔时间长，需置换孔内泥浆。目前在国内桥梁大直径钻孔循环钻机施工中得到使用。SuperMud泥浆是一种高分子聚合物液体，与水混合即用，无需水化，品质均匀，性能稳定；密度不会随粘度的变化而变化；原材料单价高，但可以多次循环使用，其经济效益较好；废弃泥浆无毒无污染，清孔容易：沉渣清除后，可直接排放，环保性好；浆液用量少，操作方便；为无土泥浆，施工环境条件好；要求钻机性能良好稳定，在钻进中不能停顿，否则沉渣堵管。目前国产钻机性能尚不能采用SuperMud泥浆，它要与进口德国钻机配合使用。3．4本章小结(1)大桥主墩桩基泥浆选用不分散、低固相、高粘度的PHP优质膨润土化学泥浆。PHP泥浆在反循环钻孔灌注桩施工中表现良好，在护壁，清渣，清孔，提高成孔效率，防止泥浆渗漏，防止糊钻等问题方面表现出性能的优越性。施工过程中PHP泥浆也表现 东南大学硕士论文出许多问题，性能不稳定，综合成本较高，清孔时间长，扬尘严重。(2)PHP泥浆应用中采取了以下措施防止糊钻：降低泥浆比重；增大泥浆泵入量。(3)由于SuperMud泥浆其沉淀速度非常快，对循环系统和排渣器都十分容易堵塞。随着国产机械性能的提高和发展，以及今后社会对环境保护的重视，对SuperMud环保泥浆将会更进一步的应用研究。 第四章灌注水下混凝土施工工艺研究第四章水下混凝土施工工艺研究4．1水下混凝土质量影响因素分析为了确保本工程超大直径工程桩实体质量检测合格率达到100％，必须配置出“坍落度、扩散度、粘聚性、保水性”符合要求的自密实混凝土，必须形成一套完善的超大直径工程桩自密实混凝土水下浇筑施工工艺。目标可行性的依据：以质量、技术人员有较强的专业理论知识、创新能力；有可供进行水下自密实混凝土试验的试验室；对浇筑设备及施工机具进行更换和改造，能满足超大直径桩水下浇注要求；编制了详细的混凝土浇筑实施方案，对全体施工人员进行培训和交底，并就浇筑过程中各工序、人员之间的配合进行反复模拟演习，确保不出现差错。4．1．1水下混凝土质量普遍影响因素分析利用施工环节鱼刺图分别从混凝土配置及混凝土水下浇筑两个最主要的环节分析可能影响工程桩质量的因素如下：(1)混凝土配置环节机器电机丢转＼搅拌不匀圣∑!控制开关失灵＼投料系统失控—‘物料传送系统失Z技=3技术不熟练—二监督不到位未经培训配比设计人员不能胜任工作、缺少此类经验环境方法图4-1混凝土配置环节鱼刺图工程桩质量不Ar1格 东南大学硕士论文(2)混凝土水F浇注环节鱼刺图机器人兰銎彗■．曩至雾足未弋“数量不足b竺=11’＼料头大小不合专＼未进行检查雾篙头m／舶b不强符合要求＼⋯⋯一导管口径，f、、漏7k＼坍落度不对I达不到自＼密实要求～扩散度不对浇筑等时间过长混凝土堆积不流淌＼减水剂掺量不对环境方法材料图4-2混凝土水下浇注环节鱼刺图从以上两张鱼刺图中可以看出，在混凝土配置环节有13条次级末端因素影响工程桩质量，混凝土浇筑环节有16条次级末端影响工程桩质量。针对这种情况，利用要因确认表分析、验证和试验检测，查找要因。4．1．2水下混凝土质量影响要因确定表4-l混凝土配置阶段要因确认表序号因素末端原因论证分析要因1．人监督不到位有的环节未安排专人监督，发现问否题未跟踪，只要明确专人负责各个环节的全过程的监督，并根据监督效果进行奖罚即可2．配比设计人员由经验丰富的技术顾问加强指导，否不能胜任工作通过反复试验获取大量数据，不断调整配比即可3．操作人员技术加强事前培训，通过理论考核后，否不熟练不重视实操技能考核，只要对操作技能进行指导，能满足要求4．责任心不强通过考核筛选责任心的操作人员，否并对其加强质量意识教育．37．工程桩质量不合格 第四章灌注水下混凝土施工工艺研究5．机搅拌不匀采用机械自动搅拌，一般影响不人否6．投料系统失灵计量装置性能稳定已检定且在有效否检定周期内7料外加剂使用不当外加剂的种类、掺量对混凝土的强是度和施工性能影响非常关键。而目前缺少外加剂用于自密实混凝土水下浇筑方面的经验。8．骨料不符合要求骨料的粒径、级配等指标影响较人，否但可以通过材料验收及检测进行控制9水泥不对水泥的种类和性能及正确使用可以否通过材料验收、检测及过程监控进行有效管理10．细骨料含泥量犬水下混凝土对细骨料含泥量要求严是格。含泥量过大会严重严重混凝土的后期强度11．环境温度低只需要按冬期旌工要求做好保温加否热工作即可12．方法水灰比不对水灰比是对自密实水下混凝土的各是项性能影响最大的因素，是保证“大坍落度、大扩散度”的关键，但目前缺少相关的成熟可靠经验13．掺合料数量不对掺合料的掺加数量对混凝士的和易否性及保水性有较大影响，但可以通过多次试验获得数据由表4．1分析：外加剂的种类、掺量对混凝土的强度和施工性能影响非常关键。但是目前缺少外加剂用于自密实混凝土水下浇筑方面的经验。水下混凝土对细骨料含泥量要求严格，含泥量过大会严重严重混凝土的后期强度。水灰比是对自密实水下混凝土的各项性能影响最大的因素，是保证“大坍落度、大扩散度”的关键，但目前缺少相关的成熟可靠经验，需要大量试验。表4-2混凝土浇筑阶段要因确认表序号因素末端原因论证分析要因1．人人员组织不合理管理人员根据其专业技术水平及实否践经验分配岗位并各司其职即可2．施工人员施工人员选择实际操作经验丰富的否不能胜任工作熟练工人，做好施工前的培训及交底即可3．操作人员技术加强事前培训，必要时进行模拟演否不熟练练。通过理论考核后，不重视实操技能考核，只要对操作技能进行指 东南人学硕士论文导，能满足要求4．责任心不强通过考核筛选责任心的操作人员，否并对其加强质量意识教育5．吊车不能满足超大直径上程桩浇注水下混凝土时否施工要求要求吊车的吨位及臂长较大，只需机根据现场实际情况选择合适的吊车即可6．混凝十罐车超大直径工程桩在承压水下浇筑时否、数量不足应一次性浇筑完毕，因此每次浇筑前根据浇筑量配备充足的罐乍即可7导管及料头导管及料斗是影响本工程水下浇筑是不符合要求施下T艺能否成功的关键8．料混凝土达不到混凝土能否达到自密实要求，主要否自密实的性能要求通过每车抽查其坍落度及扩散度即可9．混凝土堆积不流淌由试验室工程师现场调整混凝土扩否散度即可，质量管理人员逐车检查，不合格的混凝十退场即可lO．混凝十强度不对质量管理人员逐车检查核对，浇筑否前再次核对确认强度等级，杜绝强度不对的混凝十浇注到桩孔内11．混凝土离析逐车检查，离析的混凝土严禁使用，否主要应控制混凝土的搅拌生产环节12．环境温度低只需做好桩顶混凝土的保温即可否13．场地狭窄有影响，但不是很大，且属于不可否更改的客观条件14．方法工程桩断桩未做到连续浇筑，导管埋深不符合否要求，则可能导致断桩。在浇注过程中严格按施工工艺要求施工，可避免断桩15首罐浇筑量不准形状很不规则，理论计算的首罐浇是筑量与实际需要的首罐浇筑量相差甚远。同时桩的直径超大，首罐浇筑量大的惊人。首罐浇注量不足将导致导管外露及桩底混凝土遇水离析的重大质量事故16浇筑工艺不可行桩径太大，一次性浇筑量太大，常是规的水下浇注工艺很可能导致断桩、混凝土离析等质量事故由表412分析：导管及料斗是影响本工程水下浇筑施工工艺能否成功的关键设备。由于桩孔形状很不规则，理论计算的首罐浇筑量与实际需要的首罐浇筑量相差甚远。同时桩的直径超大，首罐浇筑量大的惊人。首罐浇注量不足将导致导管外露及桩底混凝土 第四章灌注水下混凝土施工工艺研究遇水离析的重大质量事故。桩径太大，一次性浇筑量太大，常规的水下浇注工艺很可能导致断桩、混凝土离析等质量事故。经过分析论证，最终确认超大直径工程桩自密实混凝土水下浇注与常规工程桩水下浇筑相比存在以下要因：①水灰比不对；②细骨料含泥量；③外加剂使用不当；④导管不符合要求；⑤首罐浇筑量不准；⑥浇筑工艺不可行。4．2水下混凝土施工质量保证措施研究对应于影响水下混凝土施工质量要因的分析，采取对应的施工质量保证措施的研究。(1)外加剂的使用要达到混凝土自密实的性能，要求混凝土必须具备“大坍落度、大扩散度"的特性，而高效减水剂是实现这一目标的关键因素。而超大直径工程桩的混凝土强度较高且为大体积混凝土，因此要求减水剂同时具备缓凝的能力。外加剂的使用和掺量需大量试验分析。表4．3C30配合比试验C30配合比试验汇总序号试拌水粉砂石外加剂水坍落度扩展度抗压强度电通量备日期泥煤((Kg)((m(M呼a)C注(灰Km)K(gg)g初2初272856gK)始h始h天d)g●)自一2006．33013741023．46416201737230．43．00l．133O36(眦-P35O67CA)0O．8％自一2006．33013741023．464162l2250334．48．002．133036(329)35O0283 东南人学硕士论文0．8％8自一2006-53015731003．6152l35．57．051．24O0O(皿订0521PCA)0．8％自一2006．53015731003．616231h5036．57．052．240O(n讧O0后0982lPCA)0O．8％自一2006．52515791003．214194331．52．61．053-24O5(JM45O385PCA)0．8％自一2006-52416791003．21622lh4929．48．55．397054．240O5(JM50后O4302lPCA)00．8％自一2006．62313741013．Ol16216434．53．084．22O05(JM．PO056CA)0．7％自一2006．62614751033．2152l6534．42．46．085．26O039(329)5O3830．8％自一2006-62416751033．215224935．45．54．086．26O039(329)1．0O245O．8％2自一2006-62315761053．0414224832．41．47．087．260O84(329)5053O0．8％自一2006．628157410l3．4416225029．50．088．26O5(329)45O31O．8％自一2006-630ll751033．28152l2049427．43．089．26O039(329)505O6400．8％O自一2006-63013741013．4416226028．50．090．27O05(329)45O910．8％．．41- 第四章灌注水下混凝十施工工艺研究自一2006-720771023．215225124．093_4O2(329)5O5O．8％自一2006-720771023．2152128．095-60O02(329)01O．8％自一2006-720771023．215235425．552／50096-6O25(329)O0790．8％自一2006-72l21771023．4416225626．097．65O2(329)5O60．8％自一2006-720809833．2142l5335．45．554／53098-7O9(JM．P7．50248CA)70．8％自一2006．72l21789643．44152228．472／49099．758(JM．P5O5lCA)0．8％自一2006-72514791053．19142335．100-79O76(肌江．P3O5CA)0．8％自一2006-72415791053．2132l4340．101．24826(n“．P6O2CA)0．8％自一2006-72415791052．814193538．102．24826(m．P504CA)O．7％自一2006-72415771073．213223631．103．268284(329)50O4O．8％自一2006-72416751033．2152l26．104．26O39(329)504O．8％自一2006-72416751033．21521105-26039(329)500．8％自一2006-72315761053．0413214338．106．29084(JM．P4．5O242 东南大学硕士论文CA)3O．8％自一200}6-82315761053．04132l4337．107．1O084(JM．P4．50CA)30．8％自一2006．82415771073．2132l3731．108-48284(JM．P8O06CA)0．8％自一2006-820809833．215236327．109_4O9(耶江．P0O9CA)0．8％自一2006．81624809833．215235520．110．15O09(JM-P0O08CA)0．8％自一200}6-82116791093．0413224627．111．155l2(JM．P501CA)O．8％自一20016-82415771073．2132l3731．112．178284(JM．P8O06CA)O．8％自一2006-81624809833．2152355113．170O9(盯订．POCA)O．8％试验数据分析：为确保高效减水剂的掺量能满足本工程自密实混凝土水下浇筑要求，对掺加高效减水剂的混凝土的坍落度、扩散(流动)度及强度等指标进行试验。通过试验表明，JM．PCA高效减水剂掺量0．7％时能满足要求。坍落度的取值为180"一220mm，扩散度取值64．0"--670mm，经水下抛送混凝土试验，完全能满足自密实性和强度值的要求。试验也表明，自密实水下混凝土与普通水下混凝土相比，均匀性、流动性及保水性较好，坍落度损失也小，因而更能胜任水下浇筑。(2)防止细骨料含泥量大的措施加强原材料的检测工作，明确工程混凝土原材料的质量标准，对检测合格的细骨料进行封存，专用于本工程水下混凝土，加大现场监督检查的力度。每批进场的砂必须附 第四章灌注水下混凝士施工工艺研究有包括下列内容的质量证明书或产品合格证：①生产厂名和产地；②合格证编号和签发日期；③产品的批号和数量；④运输条件；⑤产品的种类(按产源和细度模数)，颗粒级配及其所属级配区；⑥产品中颗粒小于O．080mm的尘屑、淤泥和粘土的总含量；⑦如为海砂，应注明氯盐含量。砂进场前，至少应取样进行颗粒级配和含泥量检验，如为海砂，还应检验其氯盐含量。在发现产品质量有显著变化时，应按其变化情况，随时进行取样检验，合格后方可进场。(3)确定合理的水灰比水下混凝土要求具有比普通混凝土更大的流动性、粘聚性和保水性，塌落度控制在22cm以上；首罐混凝土初凝时间不得低于6h，以防浇筑过程中出现堵管等意外情况较长时间中断混凝土浇筑而导致断桩或离析等重大质量事故。同时，若水下混凝土流动性稍差，就会在混凝土中形成蜂窝和孔洞；粘聚性和保水性差，会导致地下承压水在初凝前渗入混凝土内，影响混凝土强度。水下灌筑混凝土必须具有较好的粘聚性和保水性，可以防止混凝土在输送过程和浇筑时产生离析和泌水现象，混凝土拌合物泌水率应控制在1．O％。要求工程桩水下自密实混凝土具有一定的湿堆积密度，可以保障施工顺利进行，要求混凝土拌合物的湿堆积密度不小于2100kg／m3。表4—4混凝土配合比报告工程部位强度等级要求塌落度要求维勃稠度拌合及捣实方法桩基础C30180"-220mm机械水泥细骨料粗骨料外加剂报告编号070608．1报告编号070607．1报告编号070607一1名称掺量(％)产地品种白马山产地品种赣江产地品种巢湖JM．PCA0．7标号P．042．5细度模数2．8最大粒径25mm粉煤灰45实测强度表观密度--(kg／m3)表观密度—俅g／m3)配合比选定结果‘试配强度42．7M呼a实测塌落度225mm理论配合比l：1．975：2．512水胶比=O．33每立方米混凝土用料量(kg)掺合料外加剂水泥细骨料粗骨料水名称质量名称质量2207901005133粉煤灰180JM．PCA2．8 东南^学顿L论立经多次对比试验，最终确定水灰比为033。除了进行试验室试配工作外，试验室在确定配合比时还应该模拟现场施工条件，进行水F抛落混凝土验证试配丁作，确定一个完善的施J一配合比，保证桩身水下混凝土质量。(4)导管及料斗不符合要求的措旖理论上超大直径工程桩水下浇筑时料斗和导管应该是越大越好，但是若田为太大超过了其中设各的吊装能力后，其“大”便失去了意义。导管太小，浇筑速度慢，已浇筑到水中的混凝土易受承压地下水情势侵蚀或离析，且易发生断桩、堵管等一系列质量问题：导管太大则会导致管内压力太低无法保证正常连续浇筑且易出现混凝土内央杂气泡等质量问题。料斗太小的话，满足不了水下混凝土首罐浇筑量的要求：料斗太大的话，即使能满足首罐浇筑量要求．但是若因为太大超过了其中设备的吊装能力后，其“大”便失去了意义；况且料斗A大的话，其自身的刚度强度要求也就更高，自重也随着大大增加，由于体秘过于庞大导致施工时无法正常安装拆除．使用时繁琐费事，因而也就没有什么实际价值。根据本工程的实际情况及桩径超大的特点，按照工艺要求设计、制作导管及科斗。图40水下混凝土漕筑导管圈44水下混凝土灌筑科斗(5)准确计算首罐浇筑量首批混凝土的方量应能满足导管初次埋置深度大于等于15m和填充导管底部间隙 第四章灌注水下混凝土施工工艺研究的需要。图4_5首批混凝土的计算图不①计算公式分析如下：V≥竿地+孚×nc㈩式qb：V-⋯．首批混凝土所需方量(m3)；hi----孔内混凝土面高度达到Hc时，导管内混凝土柱需要的高度(m)；hi≥儿×以／厂c：(2)Hc⋯浇筑首批混凝土时所需孔内混凝土面至孔底的高度(m)，Hc=h2+h3；hl-⋯孔内混凝土面以上，导管内混凝土柱(计算至漏斗底口)高度(m)；11c≥(昂+心×Hm)／Yc；(3)H一一孑L内混凝土面以上泥浆深度(m)；Po一．使导管内混凝土下落至导管底并将导管外的混凝土顶升时所需的超压力，钻孔浇筑桩采用100"-150KPa，桩径1m左右时取低限，2m左右时取高限；取150KPa：D⋯．井孔直径(m)；d-⋯导管内径，0．3m；Y。一．混凝土拌和物的容重，24KN／m3：yw．一孑L内泥浆的容重，10．3KN／m3； 东南大学硎±论史h2⋯导管静J次埋置深度，h2≥1．5m；h，～～导管底端至钻孔底间隙，取O3m；◎计算过程如下：山圈4-6首批混凝土的计算图示可以得出：h2一一导管韧狄埋置深度，h2取15m；b⋯一导管底端至钻孔底』盲J隙，取03m；Hc=h2十h3，舣18m；H～一考虑了旌上水位，孔内混凝土面以上泥浆深度取130m；P0⋯使导管内混凝土下落至导管底并将导管外的混凝土项升时所需的超压力，取150KPa：D-一一井fL直径取32m；d～⋯导管内径，取o-3m；Y。一一混凝土拌和物的容重取24KN／m3；y一一孔内泥浆的容重取103KN／m3：hl≥，m。也，，一103"130／24-55m：v≥型尘×h．十坠堡。H4。4。=f554032+18*3221+314／4≈18m3经计算，钻孔试桩封孔首批混凝=}=的浇筑量应大于18m3。(6)混凝土灌筑工艺的研究①混凝土的运输桩身混凝上由“海天号”水上移动式混凝上工厂拌制，采用输送泵送至桩位灌注架的储料总槽，再通过滑槽把混凝土送入导管上方的储料斗。混凝土要连续灌注，不得停顿，保证整桩在混凝土初凝前灌注完成。②导管安装图““海天号”水上移动式混凝土工厂 第四章灌注水下混凝土施工工艺研究混凝土采用刚性导管法灌注，导管接头为卡口式，壁厚8=lOmm，外直径=325rnm，容许承受的最小压力为2．0Mpa。每根桩混凝土灌筑前，对导管均应逐段进行水密承压和接头抗拉试验。试验压力考虑桩孔泥浆面标高至桩底标高压力和导管自重的影响，约为15～16kg／cm2。导管压至实际压力后检查有无渗漏情况，在无渗漏的条件下持荷时间不少于5分钟。混凝土填充导管安装前应在导管上用油漆划上编号，以便混凝土灌注时与测量深度相互复核。导管插入桩孔前应认真复查导管的实际长度与所划刻度是否相符，确认无误后插入桩孔并进行接长。导管安装完毕，底口离桩底约30cm。因导管安装过程需经历较长时间，致使钻孔桩孔底沉淀增厚，故混凝土灌筑前需对钻孔桩进行二次清孔。即在填充导管内插入巾40"---"巾45mm的胶管进行空气反循环清孔。清孔时导管需在钢筋笼内来回移动，时间不少于30分钟。清孔完毕后，拆除二次清孔反循环吸泥机头及胶管，安装2．5m3混凝土漏斗即可进行水下混凝土灌筑工作。灌筑混凝土前需在填充导管内安设泡沫隔水栓塞，待15m3储料斗和1．5m3漏斗储满混凝土后，开始“拔球”灌注水下混凝土，拔球后混凝土要连续灌注，不得停顿，保证整桩在混凝土初凝前灌注完成。⑨混凝土堵管的预防优化混凝土配合比，混凝土需具有良好的流动性、不离析性，防止堵管。保证灌注的连续性，尽量缩短混凝土泵送的间歇时间，混凝土浇注过程中的间断时间应不得超过15min。导管不宜埋置过深，拆除导管应迅速及时，测量混凝土上升高度和导管埋深要勤、要准，避免计算出错。④断桩的预防选择和易性好的配合比，加缓凝剂，严格控制坍落度，并加强施工过程中混凝土的和易性控制。备用机械设备均应在混凝土灌注前作好准备，以便需要时能及时提供混凝土。混凝土灌注前对导管进行水密、承压和接头抗拉试验，以保证混凝土灌注过程中导管不漏水，提升导管时不至于拉断。4．3超声波质量检测结果(1)声波透射法检测方法及原理将每2根检测管化为一组，分组进行检测，首先将接收及发射换能器下放到注满清水的检测管底，然后自管底至管项以20"---40crn的点距同步提升收、发换能器，逐点读取声波传播时间并记录波形。当发现异常时，则进行加密测量和扇形测量，以确定缺陷的程度和位置。测量时，发射与接收换能器可置于同一标高即平穿法，亦可置于不同标高 东南大学硕士论文即斜穿法。作斜穿测量时，其水平角最大不超过30。"-"40。。测试简图如下：图4．7超声波测试简图l一发射探头；2—接收探头；3—测管；4一水耦合剂；5一桩身混凝士；6一检测仪；7一记录仪(2)声波透射法单桩完整性分类及判别标准根据声波检测参数特征，评定桩身质量可按四类划分。I类桩：混凝土质量优良，各检测剖面的每一测点声速、波幅均未超临界值；混凝土均匀性等级为A级或B级。II类桩：存在较轻缺陷，混凝土质量为合格类，某一检测剖面个别测点的声速超临界值，主频、波幅基本正常；混凝土均匀性等级为B级或C级。IⅡ类桩：存在较重缺陷，混凝土质量为不合格类，某一检测剖面多个测点的声速超临界值，或两个以上的检测剖面在同-N点附近的声速、声频超临界值，波幅降低；混凝土均匀性等级为C级或D级。Ⅳ类桩：存在严重缺陷、断桩或空洞。某一检测剖面多个测点的声速超临界值，或两个以上的检测剖面在某一深度连续多个测点的声速、声频及波幅严重地超临界值，声波接送信号严重畸变；混凝土均匀性等级为D级。桩身缺陷判别：以声速临界值、波幅临界值以及PSD判据进行综合判定。桩身均匀性划分：按声速离散系数Cv分为A、B、C、D四级。表4．7声速离散系数级别表 第叫章准注水T混凝土施I工艺Ⅱ究l溜凝j匀质性等。级c“％)515(3)安装声测管搪工工艺钢筋笼按设计图纸绑扎成型后，在钢筋笼内例圆周布置声测管，备管路套醴后用管箍连接并加固焊牢，顶部接长至与施工平台平齐并封闭。声测管安装垂直度容许偏差不大于o．5％，且接头处iL壁过渡圆顺光滑。声测管底部焊接lem厚钢板封闭。为保证声测管畅通和顺利注浆，在原设计基础上对安装方案进行了优化，钢筋笼制作时把相邻两根声测管在底部开孔，采用e)20的薄铁管焊接连通。接口处保证焊接质量，确保不漏水。钢筋笼每接长一节下沉时，将声测管预先注满水，防止底部声测管囚水下压力太大而变形。该方法有效解决了声测管易堵管的难题。图4{声涮管底部连通示意圈图4-9声测管底部连通管(4)声测管底堵塞预防措施控制好焊接工艺参数，不得烧伤声测管，焊接接长后要仔细检查；声测管安装在钢筋笼上，要固定牢靠，下笼时管内要灌清水，江水经过净化处理后才能用来灌声测管，以免声测管底部沉淀、堵塞，导致超声波检测探头F不到位i声测管接头焊接要牢固，不得漏浆，顶、底口要封闭严实，严防异物掉入或漏水。(5)声测检验结果6#主墩自2006年5月lO日第一根桩开钻，至2006年11月24日最后一根桩顺利灌筑完成，历时6．5个月。比原先预计的8个月工期提前l5个月完成施工任务。全墩最快成孔周期13天，最慢成孔周期25天，平均成孔周期195天。整个施工过程无坍孔，仅3次掉钻(均在48小时内成功捞起)，声测试验无严重堵管现象。46根钻孔桩全部一 东南大学《±论文次性灌注砼成功，平均扩孔系数103。经超声波检测，46根钻fL桩全部为1类桩，优良率达100％。南京大胜关长江大桥6#主墩基础的成功施工，为水上大型钻孔桩基础施工又一次积累了丰富的经验，为国内同类型桩基础在粘土、亚粘土、泥岩等特殊地质条件下成孔提供了有益的借鉴，具有良好前瞻性和广泛的推广前景。4．4本童小结一重爿壹兰：二=墨!图4-11超声波仪器检铡(1)经过分析论证，最终确认超大直径工程桩自密实混凝土水下浇注与常规工程桩水下浇筑相比存在以下要因：水灰比不对；细骨料含泥量大；外加剂使用不当；导管不符合要求；首罐浇筑量不准；浇筑工艺不可行。(2)通过试验表明，掺加高效减水剂O7％时能满足要求，混凝土坍落度的取值为180～220rnm，扩散度取值640～670mm，经水下抛送混凝土试验，完全能满足自密实性和强度值的要求。(3)经试验，塌终确定水下混凝土水灰比为0”。(4)根据本工程的实际情况及桩径超大的特点，按照工艺要求设计、制作导管及料斗。(5)首批混凝土的方量应能满足导管初次埋置深度和填充导管底部间隙的需要，首批混凝土的数量经过准确计算为大于18m3。 第六章结论及建议5．1研究的主要结论第五章结论及建议(1)KPG3000A型钻机主机重量和KTY4000型钻机，平面尺寸相差不大；KTY4000型钻机单根钻杆长度为3m，在钻杆接长次数上多于KPG3000A型钻机；KPG3000A型动力来自钻盘位置，力学稳定性相对较好；KPG3000A型钻机相对比较脆弱，故障频率较高。(2)降低泥浆比重；增大泥浆泵入量；定时空转；采用较高档转速和少给进状态钻进；简化钻头结构。以上防止糊钻的措施，效果明显。(3)PHP泥浆在防止糊钻等方面表现出性能的优越性，但是在施工过程中也表现出质量不容易控制，扬尘污染，排放困难等一些问题。(4)通过试验表明，高效减水剂掺量0．7％时能满足水下混凝土要求，并能节约水泥。坍落度的取值为180,--一220mm，扩散度取值640"---670mm，经水下抛送混凝土试验，完全能满足自密实性和强度值的要求。(5)水下混凝土要求具有比普通混凝土更大的流动性、粘聚性和保水性。经多次对比试验，最终确定水下混凝土水灰比为O．33。5．2进一步研究的建议(1)虽然根据KPG3000A型和KTY4000型钻机成孔效率分析，考虑到成孔时间，选择KTY4000型钻机。但是如果加强KPG3000A型钻机的机械养护维修，降低故障频率，KPG3000A型钻机会更具有专业优势。(2)SuperMud泥浆由于其沉淀速度非常快，对循环系统和排渣器都十分容易堵塞，不能进行正常施工。目前国产钻机性能尚不能采用SuperMud泥浆，它要与进121德国钻机配合使用。但是随着国产机械性能的提高和发展，以及今后社会对环境保护的重视，对SuperMud环保泥浆将会更进一步的应用研究。52 致谢感谢黄晓明教授。感谢连泽平教授。感谢高英副教授。感谢杨晶老师。感谢各位老师培养。感谢同学。感谢东南大学。于洪宾2008年12月 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