浅析围堰封底后水中桩基周边涌砂的成因及处理措施

浅析围堰封底后水中桩基周边涌砂的成因及处理措施陈勇张建飞居畅江苏省交通工程集团有限公司江苏镇江212003摘要：本文以扬州文昌大桥5#主墩左幅为例，对围堰封底后水中桩基周边涌砂成因及处理措施作了简要的概述与分析。关键词：水中桩基涌砂成因处理措施1工程概况扬州文昌大桥桥梁全长431.08米。主桥上部结构为（78+126+78）米三跨变高度预应力混凝土连续刚构跨越京杭大运河主航道，引桥上部为4×35m等高度预应力连续箱梁，主桥东侧直接与路基相连。主桥主墩采用双薄壁墩，横桥向宽度1526cm，顺桥向宽度为1m。两薄壁墩间距3.2m，承台尺寸为400×1340×1990cm，单幅桥每个桥墩基础由11根Φ2000mm钻孔灌注桩组成。桥位处京杭大运河河底高程约为-0.5-0.5m，勘察期间运河水深约为5.0m，常水位标高+5.0m。承台封底底标高-6.5m,抽水后水压差达到11.5m河床向下30m内以亚砂土为主，出现涌砂的几率较高，地质情况具体如下;序号地质情况范围（m）备注1亚砂土-0.32m~-12.42m2亚砂土夹亚粘土-12.42m~-29.52m3亚粘土-29.52m~-32.52m4粉细砂-32.52m~-42.52m5砂砾-42.52m~-59.12m6强风化泥岩-59.12m~-59.32m7中风化泥岩-59.32m~-68.72m8强风化泥质粉砂岩-68.72m~-86.22m9中风化泥岩-86.22m~-99.32m表1地质情况2、涌砂原因分析2.1地质原因5#墩承台底标高-4.5m,封底底标高-6.5m,钻桩用钢护筒底标高-7.0m,由表1可见，整个施工范围均被亚砂土覆盖，为涌砂创造了地质条件；2.2施工原因2.2.1由于饱和砂土的结构疏松和渗透性相对较低，水中桩基及桩基平台施工时，采用振拔锤打设钢管桩、钢护筒时，导致砂土发生振动液化，为涌砂创造了有利条件；2.2.2钻孔桩施工结束后未能拔除钢护筒，以及封底前未能使用水下割枪割除钢护筒，导致桩与封底混凝土之间不能有效的粘结成整体，成为抵抗涌砂的薄弱点；2.2.3钢护筒直径2.3m,桩直径2.0m,钢护筒与桩之间形成0.3m亚砂土松散夹层，钻孔时经过钻头扰动后，仅靠泥浆护壁连接，形成不规则的相互独立的条状夹层，成为涌砂的突破口；2.2.4围堰抽水后，堰内外水位高差达到11.5m,导致水压力过大；桩（直径2.0m）与护筒（直径2.3m）之间的夹层，在钢护筒上部割除后，土压力变小承受不住堰底顶升压力，从而导致涌砂；2.2.5钢护筒入土深度相对较浅，渗水流程较短，围堰抽水后，由于压力过大，导致水垂直向上的渗透力超过土的自重，导致涌砂；3、处理方案及设计针对涌砂情况的出现，经研讨后决定采用先在护筒与桩之间进行水下堵漏再进行深水注浆固砂封底，待形成强度后抽水进行承台、墩身施工；3.1回水止砂调用水泵以最短的时间向围堰内进行回水，以消除围堰内外压力差，阻止钢护筒处继续涌砂，对周围封底形成空洞，带来更为严重的后果；3.2固砂封底前的准备3.2.1用吸砂泵将围堰和钢护筒内的泥沙吸除。3.2.2利用专用水下割枪，平封底砼顶割除钢护筒；3.3.3潜水员下水摸清具体情况，判断桩周与护筒之间是夹层（夹层宽度及深度）还是烂桩头；根据潜水员叙述与施工资料的查对，判定桩周与护筒之间是夹层，夹层宽度平均30cm，深度2m;3.3.4高压水枪将钢护筒与桩身之间的松散夹砂冲出并清洗干净；3.3水下砼堵漏3.3.1砼设计桩周夹层面积小，且四周分散，无法采用常规的水下混凝土导管施工工艺进行施工，决定采用新型的水下不分散混凝土；3.3.1.1掺水下不分散剂水下混凝土的技术特点：3.3.1.1.1能有效减小水下混凝土的强度损失。水下混凝土强度为陆上80%以上，28天水下混凝土比普通混凝土提高30%.3.3.1.1.2提高与水下基础的粘结强度。比普通混凝土提高50%；3.3.1.1.3混凝土在水下水泥散失量比普通混凝土降低50%。3.3.1.1.4与钢筋的握裹强度及抗冲磨能力均比普通混凝土提高30%.3.3.1.1.5有效改善混凝土的粘聚性和可泵性，泌水率几乎为零，塌落度损失小，扩散半径大，能自流平，自密实。结合水下不分散混凝土以上特点，并且不需振捣，强度高，抗渗性能好，粘结力强，对施工水域污染极微的优点，可以看出对封口堵漏十分有利。3.3.2水下不分散混凝土配合比组成3.3.2.1水下不分散混凝土配合比由水泥、砂、碎石、水、水下不分散剂、膨胀剂、减水剂组成3.3.2.2组成材料的要求及配比水泥：不低于P.O42.5级80μm方孔筛筛余量≤10%；水泥材料胶砂抗压强度22Mpa/3d、42.5Mpa/28d，其余技术指标满足规范要求；砂：中粗砂细度模数（3.0～2.3）含泥量小于1%,无粘土块,云母、轻物质、硫酸盐和硫化物以及有机质均满足规范要求；碎石：5-16cm级配碎石，压碎值不大于10%；针片状颗粒含量不大于15%，含泥量≤1%，无泥块，有害杂质含量≤1%。水：自来水，PH值不小于4，不溶物、可容物、氯化物、硫酸盐、硫化物含量均满足规范规定素混凝土要求。水下不分散剂：HLC-IV-A水下不分散剂，细度0.315mm筛筛余量≤10%,含水率≤3.0%，比重2.2g/cm3.掺量为水泥用量的8%；膨胀剂：TY-3复合型膨胀剂，限制膨胀率水中7d≥0.025%掺量为水泥用量的6%；减水剂：NF-Ⅱb高效减水剂，减水率≥15-25%，掺量为水泥用量的1.6%；水泥：砂：碎石：水：水下不分散剂：膨胀剂：减水剂=500：623：1209：100：40：30：8其中用水量视外加剂的减水率大小进行调节；实际操作时混合料可捏成团就可以,不可太稀否则混凝土的粘聚性和保水性将变差，严重的将产生离析；根据上述配比3天抗压强度达30Mpa，满足施工进度和技术要求;3.3.3水下不分散剂注意事项由于水下不分散剂为袋装粉末状材料，储存时，切勿受潮，使用时应紧随水泥加入搅拌机中，不得将其先溶于水中；3.3.4浇筑水下砼混凝土在岸上拌和完成后，将集料用料斗运送下水，由潜水员完成水下混凝土施工，要求潜水员务必将混凝土尽量用脚踩实，整平，做到桩壁与封底混凝土间无空隙；浇筑混凝土的同时，留置试块进行同条件养生，为下道工序施工提供科学依据；3.4注浆3.4.1注浆前的准备注浆前视注浆深度在上述混凝土施工同时在桩四周预埋4根Φ20mm注浆钢管，将钢管插入砂中，钢管下口向上1.5m位置的四周割几个直径3mm的小洞，以利于喷浆，同时钢管的位置及下口均用纱布裹住，防止管口及洞眼被堵；3.4.2注浆深度的确定当注浆砼的自重与水的压力相等时，水才不会冲破注浆砼而涌入围堰内。取封底砼顶为注浆顶标高，F浮为水压力，W砼为注浆砼重力。注浆砼厚为pm，S砼为注浆砼底部面积(即钢护筒面积扣除钻孔桩面积)考虑到注浆形成强度后，将与整个2.5m厚的封底混凝土形成整体，共同承担堰底顶升压力，故注浆深度取封底砼底向下50cm，总计3.0m；注浆的平面范围周边以超过护筒外围0.5m为标准，即直径为3.3m的平面面积范围。注浆采用水灰比为0.39的配比,等级强度C40，为提高压浆密实度与流动性，掺加外加剂为TY-3复合型膨胀剂，用量为水泥用量的11.1%,水泥为P.O42.5普硅水泥(见表2)。注浆砼体积：V=п(D2－d2)p／4=3.14×(3.32－2.02)×3／4=16.226m3（d为钻孔桩直径）F浮=r水×S砼×hW砼=r砼×V注F浮=W砼r水×11.5×S砼=r砼×p×S砼p=r水×11.5／r砼=11.5/2.4=4.8m（水泥浆比重一般是水的2.4倍）表2水泥浆配比强度等级水(Kg/m3)水泥(Kg/m3)TY-3复合型减水剂(Kg/m3)水:水泥:膨胀剂稠度(s)3h泌水率(%)3h膨胀率(%)24h泌水率(%)24h膨胀率(%)C4052013381490.389：1:0.11116.6911.900.953.4.3压注水泥浆3.4.3.1水泥浆搅拌浆的搅拌是整个压浆过程的关键，特别要注意水灰比的控制，这将直接影响水泥浆强度，在搅拌过程中注意搅拌顺序，一般减水剂不要在最后放以免造成难以搅拌，搅拌时间一般控制使浆体无气泡，有光泽为宜。对浆体的控制一般采用稠度仪标定,在浆使用前一定要经过过滤，以免造成管道堵塞，过滤后要尽快压入，防止沉淀，影响浆体强度。3.4.3.2压浆待堵漏砼强度达到30MPa时（3天），开始注浆，注浆采用压力为1MPa的压浆机，依次进行激振点压，压浆时压力控制在0.5~0.7之间；直至出将口冒出等水灰比水泥浆为止；当关闭出浆口后要继续保持压力使其控制压力在0.4MP-0.7MP之间,而且关闭压浆机也要保持在这范围内,可以有效控制管道内是否留有气体以及提高管内密实性增加管内浆体强度,注意持压时压力表读数要小于1MP以出现免暴管现象；在压浆的同时做同条件和标养试块，以判定水泥浆强度，为下道工序开展提供科学依据；4、结束语在普遍使用围堰进行深水基础施工的的今天，在不利地质条件下，处理围堰内涌砂的方法也不是很多，使用不分散剂混凝土配合压注水泥浆解决涌砂问题不失为一个好方法，同时也可为同类型施工提供借鉴。参考文献：[1]JTJ041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].[2]薛明.桥梁水文与水力学[M].北京:人民交通出版社,2001.[3]“桥梁钻孔桩基深水接桩施工”王约发、曾雅敏、彭爱红