温州青山总部大楼工程设计的桩基为混凝土灌注桩, 有效桩长为60~81m, 桩径为600~800mm, 桩长和桩径之比超过100, 属于大长径比超深灌注桩工程。场区上部有巨厚层滨海相淤 (冲) 积软土, 为典型的不良地基土, 具有含水量高、灵敏度高、压缩性高、抗剪强度低等特点。设计达到持力层为 (7) ₃卵石层, 进入持力层深度≥2.7m;基坑周边三侧临近河道, 灌注桩成孔困难, 桩端持力层为 (10) ₃层中风化凝灰岩。桩端全截面进入中风化岩。采用冲击钻机和泥浆护壁反循环钻机两种成孔机械。

由于本工程地层淤泥厚度大, 灌注桩最长达81m, 属于超深灌注桩, 对桩身质量要求高, 因此设计要求分不同深度检测泥浆的质量, 以保证整个桩孔泥浆质量达标。现有取浆设备难以做到按深度取浆, 故考虑设计加工一种可以在任意孔深取浆的设备。

灌注桩桩孔超深, 清理底部沉渣困难, 现有技术设备彻底清除孔底沉渣的成本较大, 不经济;雨雪天时的大、长钢筋笼焊接加工问题是制约灌注桩施工进度的重要因素。为减少灌注桩钢筋笼焊接受天气的影响, 需要一种防护篷架, 既能进行钢筋笼焊接加工, 又能不影响钢筋笼吊装。

超长灌注桩施工中采用导管进行混凝土浇筑时受垂直度的影响和导管连接不严、密封不佳造成卡管等问题, 凸显出桩身垂直度的重要性, 尤其本工程桩身长细比大, 垂直度更不易控制, 需采取措施做好垂直度的控制;灌注桩位于岩层区域, 多处岩层区域存在岩层裂隙发育及岩溶孔洞, 其岩溶孔洞及裂隙的存在会使灌入的混凝土大量流失, 造成极大的浪费与质量隐患。考虑通过对岩溶裂隙处灌注桩钢筋笼加工工艺进行改进, 减少混凝土流失浪费, 保证桩身质量。

测试桩基质量的大应变锚桩法或堆载法所需要的施工场地要求较高, 配备的物资设备较多, 在本工程中限于场地条件和工期因素, 实施难度较大;为此决定采用新型的试验方法, 解决了一般荷载试验方法无法解决的验桩问题。根据工程场地特点, 选用新型的自平衡验桩方法, 检测桩身质量和承载力。

为解决上述技术难题, 需要从现有施工工艺及施工技术上入手, 对施工技术进行改进与创新, 使其能够解决本工程灌注桩施工中遇到的难题。

通过研制专门的取泥浆装置, 可以根据需要抽取任意深度孔深内的泥浆, 以达到检测桩孔内不同深度泥浆的密度和性能, 根据检测结果及时调整密度和性能, 防止因长时间灌注桩成孔作业而塌方, 确保孔壁的稳定性。如图1所示。

该技术为一种泥浆抽取装置, 它包括一个两端封口的圆筒, 该圆筒顶部开孔, 底部中心设有圆通孔, 圆筒内下半部分设有隔板, 隔板中心下表面设有盲孔, 盲孔四周设孔, 圆筒内的隔板下方空间设有一个直径大于底部圆通孔的实心橡胶球、隔板上方空间内设有抽塞, 该抽塞由一个自圆筒顶部气孔穿入的抽绳连接并可在抽绳的作用下在圆筒内上下移动。

使用时先将抽塞压入筒底, 并灌满泥浆, 将抽塞压住。再将本装置系好测绳后缓缓顺入需取浆的桩孔内, 当下放至设计取浆位置时 (根据测绳刻度可知) , 停止下放。然后提动抽塞上的抽绳, 将筒内的泥浆通过上部通孔排出, 并使筒内形成负压, 将小球吸起, 外部泥浆即从筒底通孔与小球的间隙抽入隔仓和上部筒内, 此时筒内抽到的即为设计桩孔深处的泥浆。接着一起上提吊环测绳和抽塞拉绳, 将筒提出, 此时由于重力作用, 筒内泥浆向上提升时对小球产生压力, 将小球压紧在底部通孔上, 阻止了泥浆外漏。

改进桩锤的构造, 使得通过在锤头上部附加特定装置, 避免了冲孔落锤时造成的水压力和锤头末端摆动对孔壁的影响, 形成扩孔现象, 改造后的冲孔装置同时也保证了成孔垂直度和稳定性, 从而保证桩身质量。冲孔灌注桩垂直度控制器如图2所示。

该技术为一种控制冲孔灌注桩成孔垂直度和孔径的装置, 安装在锤头上部, 护筒上下两端口部的直径逐渐缩小的, 口部内设置十字形钢支撑, 分别与下侧的锤头和上侧的吊杆焊接固定在一起。护筒的断面十字形支撑和筒壁连接后成敞口状。冲孔灌注桩成孔时, 通过采用在锤头末端附加本装置后, 避免了冲孔落锤时造成的水压力和落锤瞬间锤头末端摆动对孔壁的影响;同时也保证了成孔的垂直度, 进而保证了灌注桩的施工质量和避免了灌注桩浇筑时混凝土的浪费。

加工制作一种活动雨篷, 其特点为拆装方便、移动灵活、防护性好, 并且篷体不影响焊接和吊装作业;该技术减少了工人在露天环境下加工制作钢筋笼所受到恶劣天气的影响, 提高了防护程度, 也节约了工期。如图3所示。

该装置由若干不同形式的杆件、滑轮拼装后顶部覆盖防水布、照明灯线等组装而成。使用时, 人员在由连杆、右构件和左构件构成的框架内实施钢筋笼的焊接作业, 靠防水布的遮蔽作用不受雨雪影响;加工完毕后, 通过滚轮推动框架, 移动或改变框架方向, 让出吊装位置时即可进行吊装作业。该装置立杆数量少, 对钢筋笼加工影响较小;带有滚轮, 可以根据现场需要快速进行调整移位, 节省工序耗时;为可拆卸结构, 组装和拆卸较为简单, 不使用时拆卸后占地少, 对工程无影响。

在冲孔灌注桩施工中, 由于该类型的桩端需入岩 (进入持力层) 的特点, 成孔时采用大质量的铁锤冲击岩石, 将岩石冲碎、磨小, 在这个过程中将产生大量的碎石沉渣, 这些沉渣采用捞渣筒和灌入新浆大部分能够被置换出桩孔, 但是较小的碎石渣、碎石屑却无法被彻底清除出桩孔, 会造成桩孔深度不足、钢筋笼无法安装至设计深度、沉渣过厚造成后期桩身沉降等问题。为此发明一种低成本但能高效彻底清除孔底沉渣的装置。灌注桩清底装置如图4所示。

如图4所示, 清底方法包括:取1节混凝土浇筑导管内外部分别焊接1段20~25mm直径弯管, 两弯管相通, 作为底节导管;取1根钢管, 直径50~80mm, 在端部焊接一圆形金属罩, 金属罩外径略小于混凝土浇筑导管的内径;另在一节混凝土浇筑导管顶部焊接一钢板, 将导管顶部密封, 再在钢板顶部开洞口, 洞口直径同钢管直径, 作为首节导管。安装导管, 在灌注桩成孔后, 将加工好的底节导管的通气弯管上连接软管 (软管连接空压机) , 将底节导管连接标准导管安装入灌注桩孔内, 直至导管高出地面;在导管内安装入加工好的钢管直至孔底;金属罩应正好盖住导管内通气管;将加工好的首节导管安装到桩孔内的导管上, 管内安装好的钢管正好穿过首节导管顶部的洞口, 该洞口和钢管的间隙用橡胶垫密封, 钢管顶部连接软管至排渣池。导管安装完后, 将新浆管直接通入桩孔底, 注入新浆, 同时开启空压机, 对桩孔底进行增压加气, 此时孔底的沉渣、碎屑会被压入的空气和泥浆搅动翻起, 被推入带有金属罩的钢管内, 并随钢管压出桩孔, 达到清理沉渣的目的。

该方法在成孔后制作钢筋笼时, 在钢筋笼底部设置小于灌注桩成孔孔径的封底堵头, 在钢筋笼外侧主筋上对称焊接定位扶正装置, 然后外包弹性土工布, 土工布底部与封底堵头紧固连接, 然后将钢筋笼放入灌注桩孔内, 浇筑混凝土, 浇筑后的混凝土压力作用会使弹性土工布向外扩张, 夹在岩层与灌注桩混凝土之间, 与之紧密贴合, 既起到隔离岩溶孔洞与裂隙的作用, 又能保证混凝土灌注桩的完整性及施工质量。由于混凝土浇筑量的减少, 相应处理的废弃泥浆也同时减少, 对环境保护起到积极作用。如图5所示。

灌注桩施工需要使用大量的泥浆, 因泥浆沉淀而影响泥浆品质以及沉淀物长期附着在泥浆箱壁将会造成腐蚀, 影响箱体的使用寿命。因此泥浆箱内需要经常泵入气体使浆液翻滚搅拌。研发一种自带气体产生的泥浆系统装置, 可以及时清洁, 有效维护泥浆存储容器, 减少腐蚀, 增加泥浆存储容器的循环周转次数, 提高使用寿命, 并减少充气机械的投入。自带气体搅拌泥浆箱原理如图6所示。

该装置由制浆筒和储浆箱组成。制浆筒置于泥浆箱上部, 泥浆箱的箱底设有充气管, 充气管上开有若干个管孔和1个充气口, 使制浆筒内液面始终高于泥浆箱内液面。制浆筒一侧下部接有出浆管, 与产生气体的进气管相接。本装置产生气体原理为:在制浆筒下部出浆管打开阀门后, 制浆筒内泥浆由于重力作用流入管内、压入倒U形管处, 倒U形管处顶开有一进气管, 压入的泥浆在倒U形管内流动时, 由于虹吸的作用在管内产生了一定的负压, 所以进气管处有部分空气会被吸入形成气泡, 并被泥浆裹挟、带至管底然后汇入储气口处管道, 储气口处管道内的气体达到一定压力后就会被压出储气口, 进入充气管内, 而充气管直接就从布设的各个管孔中喷出, 达到用气体搅拌泥浆的目的, 该装置方便泥浆箱底边角处泥浆搅拌、不沉淀;集合了拌制、储存、循环回收等多种功能, 自身能产生气体, 减少了外部充气装置。

自平衡测试技术, 是利用试桩自身反力平衡的原则, 在桩端附近或桩身截面处预埋设单层 (或多层) 荷载箱, 加载时荷载箱以下将产生端阻和侧阻以抵抗向下的位移, 同时荷载箱以上将产生向下的侧阻以抵抗向上的位移, 上下桩段反力大小相等、方向相反, 从而达到试桩自身反力平衡加载的目的。试验时通过输压油管对荷载箱施压, 随着压力的增加, 荷载箱伸长, 上下桩段产生弹 (塑) 性变形, 从而调动上下桩段岩土的阻力。根据采用相应的数据转换方法判断桩承载力、桩基沉降、桩弹性压缩和岩土塑性变形, 从而达到测试桩的承载力试验的目的。自平衡测试系统如图7所示。

本工程自平衡法主要装置是特别设计的荷载箱, 根据试验桩径 (600~800mm) 和荷载 (8 500~14 000k N) 的大小, 设置3~5个千斤顶并联而成, 为使荷载箱两端的桩身受力均匀、便于和钢筋笼焊接, 在千斤顶上、下分别用15mm厚的钢板连接, 按桩类型、截面尺寸和荷载箱大小设计制作。采用基桩测试仪全自动实时观测并自动记录测试数据。自动判稳并提醒进行下级荷载测试, 意外断电时自动保存数据。位移传感器固定在基准钢梁上, 用于量测桩身的向上、向下位移及桩顶向上位移等。抽检的GZ30, GZ52, GZ57 3根桩荷载箱位移与荷载曲线如图8所示。

该综合技术很好地解决了在深厚淤泥质土层中大长径比的灌注桩施工难题, 有针对性地解决了在场地条件不够充分的条件下桩基质量和承载力检测、灌注桩成孔垂直度差、超深灌注桩泥浆不易抽取、钢筋笼加工制作受限于气候影响, 灌注桩混凝土浇筑深度不易控制、超方量大、浪费等问题以及减少泥浆排放量对环境保护起到积极作用。有效降低了施工成本, 保证了施工质量与进度, 为今后的深基坑工程施工技术不断提高创造了条件。