基于分形理论的长螺旋钻孔压灌桩充盈系数对成桩质量的影响.pdf

91 科学视界/2023年8月(上)技术创新与应用研究一、引言随着我国城镇化和基础建设的加快，桩基础已经广泛应用在各类建筑物中，成为工程中常见的深基础形式。在所有桩基类型中，灌注桩是应用最为普遍的。而长螺旋钻孔灌注桩，其成孔与灌注混凝土同时完成，施工效率高；混凝土连续性好，桩底无沉渣；施工无震动，噪音低，对环境影响小；不需要泥浆护壁不用排污、不受地下水位影响、不需要挤土；施工成本与其他施工工法相比比较低廉，综合效益高。另外，长螺旋钻孔灌注桩的适用范围很广，适用于砂土、粉土、黏土、淤泥质土、杂填土等，并且其对复合基础、独立基础、条形基础、筏基都适用。在灌注桩施工中，充盈系数是非常重要的指标之一。盈系数是指单桩实际灌注混凝土的用量与按照设计的有效桩长桩径计算的桩身体积之比，它反映了混凝土实际用量与设计用量之比，既是桩基工程的质量控制指标，也是成本控制指标。根据现行桩基建筑规范，灌注桩的灌注充盈系数不得小于 1，不得大于 1.3,若充盈系数小于 1，则说明实际灌入混凝土量小于理论计算量，说明桩身质量存在一定的缺陷。若充盈系数大于1.3，则说明可能存在塌孔扩径的情况，实际施工中，若充盈系数大于定额充盈系数，将严重影响工程效益。若施工充盈系数过小则成桩质量无法保证，可能出现断桩空桩的问题。详细分充盈系数和成桩质量之间的关系有利于施工现场的直观管理和控制。二、项目概况大理洱海青城项目位于大理市和平路南侧、红山路西侧。项目用地面积为 98209.4m2，总建筑面积为488283.2m2。建筑主要由 7 栋（栋号为 8#13#）高层建筑、1 栋（栋号为 20#）商业楼、附属裙楼及纯地下室组成，场地整体设置一层地下室，开挖深度约现地面以下3.44.8m。拟建建筑物结构类型为剪力墙结构、框架结构，拟采用基础型式为桩筏基础。根据地勘报告所描述钻探最大揭露深度 75.60m 场地范围内地基土自上而下为：表层分布第四系人工堆积（Qml）层，岩性为素填土；上部为第四系冲洪积（Qal+pl）层，岩性为黏土、黏土；其下为第四系冲、湖积（Qal+l）基于分形理论的长螺旋钻孔压灌桩充盈系数对成桩质量的影响丁荣君1 刘 明1 吉正勇2（1.皖江工学院 安徽省 马鞍山市，243000；2.四川志德岩土工程有限责任公司，四川省成都市，610000）摘 要 本文针对大理云麓青城工程项目中遇到的长螺旋钻孔灌注桩混凝土充盈系数过大的问题，详细分析了可能存在的影响因素，基于分形理论，从微观角度分析了充盈系数和混凝土在砂土层中的扩散机理及其影响因素和产生原因。根据扩散机理，针对性地提出了解决措施，并且在项目后期桩基工程施工中对降低充盈系数、控制桩基质量和保证工程经济效益方面发挥了重要作用。关键词 长螺旋钻孔；充盈系数；混凝土；质量检测中图分类号:O434 文献标识码:A 文章编号:1002-1221(2023)22-0091-03线测温仪、故障指示器等设备进行线路的巡检和检修，可以提高检测的准确性和效率。同时，利用互联网技术建立线路监测平台，可以实时监测线路的运行状态，快速反应故障问题，及时应对和规避风险。综上所述，10kV 配网架空线路运行水平直接与用户用电质量水平有着直接影响，需要对投入成本进行有效控制，以此落实好各项检修与维护工作，才能实现对故障问题的有效控制。不仅如此，还需要对配电网架空线路功能作用进行全面了解，为配电网线路安全运行提供有力支撑，落实好故障监测工作，有效应用先进技术提升配电网架空线路灵活操作性，以此满足现代技术的操作需求。参考文献：1 莫家俊.配电网架空线路的运行维护与检修研究 J.通信世界,2022,29(08):88-90.2 程辰,皋鹏.配电网架空线路的运行维护与检修技术要点探讨 J.电力设备管理,2022(023):040-042.3 杜然,荣伟.配电网架空线路的运行维护与检修分析 J.数字化用户,2021(018):108-109.4 李杨炼.试论 10 千伏配网架空线路的运行维护与检修 J.百科论坛电子杂志,2021(020):2308.5 刘智华,程进.配电架空线路的运行维护与检修J.城市周刊,2021(043):050-051.6 张勇.试析 10kV 配网架空线路运行维护与检修J.百科论坛杂志,2020(018):36.92 科学视界/2023年8月(上)技术创新与应用研究作者简介：丁荣君（1993.11-），男（汉族），籍贯（省市）：安徽省马鞍山市，学历/职称：硕士、助教，研究方向：工程地质。课题项目：此文系皖江工学院校级科研项目“基于分形理论的钻孔灌注桩施工充盈系数对成桩质量的影响”，编号：WG22027。层，岩性为粉砂、粉土、砾砂及黏土。三、场地问题以及原因分析通过每日施工记录统计和计算，初步对 2020 年 3至 4 月份所施工的灌注桩充盈系数进行统计，发现桩基最低充盈系数为 1.12，最高充盈系数为 1.6，平均充盈系数达到 1.35。充盈系数过大，一方面意味着混凝土用量的增加，成本大大超过项目部的预期；另一方面成桩质量可能存在缺陷，影响桩基的使用寿命。因此，解决长螺旋钻孔灌注桩的充盈系数过大问题的重要性不言而喻。长螺旋钻孔灌注桩充盈系数过大的可能影响因素有很多，一般来说造成混凝土充盈系数过大的原因主要是桩孔局部扩径、全孔段扩径、局部地层漏浆和超灌过量四个主要方面。常规的钻孔灌注桩充盈系数异常最有可能是在钻孔过程中遇到卵石或流动性土层，如果钻进速度过快，非常容易形成局部地层塌孔，从而造成局部桩径增大，增加混凝土浇灌量。可由于项目时采用长螺旋钻孔压灌桩，孔壁稳定性是超越常规的钻孔灌注桩的，所以对可能情况进行分析，可能产生充盈系数过大的情况一为主观因素，即人为因素。例如，钻头选取过大、钻头不平直导致下钻倾斜以及钻孔工员施工不熟练操作不当等，都会造成桩孔全孔段扩径情况，导致混凝土的实际灌注量过大。但人为因素造成的充盈系数过大往往出现在个别桩，很少出现数百根桩整体充盈系数过大的情况。所以可以判断，造成数百根桩桩整体充盈系数偏大的应该是地层原因。在提钻和灌浆过程中，如果混凝土的泵送压力过大或是拔管速度过慢，都会造成桩孔内混凝土的压力过大，在高压作用下，灌注的混凝土很可能会造成漏浆现象，导致混凝土实际充盈系数过大。经过对勘察报告以及现场验槽结果复查，发现长螺旋桩基底部的确存在一层流沙层，而流沙层在长螺旋钻孔压灌桩的压力作用下，有发生漏浆的可能，于是取得砂土，利用分形理论研究砂土的渗透性质。四、混凝土在砂土中的扩散研究（一）砂土孔隙结构与渗透率之间关系研究水泥浆液在富水砂层中的渗透，实际上是一种由两种成分（水和水泥）组成的流体通过由沙子组成的多孔介质流动的问题。多孔介质是一种由土颗粒构成基本骨架，液体气体填充在内的非均质多相介质，一般具有非均质性以及各向异性等特点。由于其种种特性，无论是在自然界还是在材料界或者工程界抑或是生物界，多孔介质都是广泛存在的。这使得人们不得不关注多孔介质渗流问题。由于多孔介质微结构的复杂性，对多孔介质渗流问题进行理论分析的时候很难模拟出多孔介质的微结构，只能通过将其假设为连续介质方法的理想化条件下进行。本文的研究对象砂土作为非均质多孔介质，具有非均质性，各向异性等特点。一般来说,非均质多孔介质宏观上所表现出的所有渗透特性，例如渗透率，渗透系数等都在不同程度上受孔隙结构的影响。但由于其复杂的孔隙结构，很难用经典的欧式几何对其进行描述以及计算。在对其进行研究的过程中，发现非均质多空戒子的孔隙微观结构具有一定程度上的自相似性,这使得很多宏观难以解释的特性利用分形理论在微观角度上得到了很好的解释。孔隙结构在平面上表现为孔隙分布，而在空间上表现为弯曲的孔隙管道，所以无论是对砂土的孔隙结构进行研究还是对砂土的渗透率进行研究，孔隙管道的弯曲程度的研究都是无法避免的。由于砾质土的孔隙管道也存在着分形特征，这里引出孔隙迂曲分形维数来表述这种特征，孔隙迂曲分形维数即是对孔隙管道弯曲程度的反映。假设孔隙外观长度为 L0，孔隙管道总长度为 Lt（），因为孔隙管道是直的或者曲折的，导致弯道长度一直会大于或等于孔隙外观长度，即 Lt（）L0。如果孔隙通道是直的，则 Lt（）=L0，孔隙的直径越小，则孔隙通道的长度就越长。如果孔隙通道是笔直的，没有任何弯曲，那么其管道长度等于孔隙的外观长度，所求出的孔隙迂曲分形维数。DT=1，而当孔隙弯曲程度极其复杂，在某些极限情况下甚至会填满整个孔隙通道，此时孔隙通道便从一维变成了二维，即 DT=2。而孔隙分形维数与孔隙渗透率的关系为：所以我们可以得出以下结论：在一定范围内，当孔隙迂曲分形维数一定时，随着分形维数 D 的增加，砾质土的渗透率增加。当砾质土孔隙结构的分形维数一定时，随着孔隙迂曲分形维数 DT 的增加，由于孔隙管道的曲折程度增加，导致渗透率减小。砾质土渗透率随最大孔隙直径 的增大而增大。（二）混凝土在砂土中的扩散范围研究富水砂层中的水泥浆液渗透注浆，可以简化为考虑启动压力梯度的宾汉流体在多孔介质中的渗流问题，采用如下假设：（1）砂性地层的性质为均质、各向同性、等温性。（2）浆液在无限大地层中发生单相水平流动，从而形成径向渗流。（3）浆液不可压缩，渗透过程中不考虑温度影响。（4）忽略重力对渗流模型的影响。93 科学视界/2023年8月(上)技术创新与应用研究根据渗流力学理论，宾汉流体在恒压条件下的渗透注浆属于无源非稳态渗流，因此可推导出宾汉流体渗流微分方程的一般形式：式中，为多孔介质的孔隙率；K 为多孔介质的渗透率；为宾汉流体的动力黏度此时我们可以得出以下结论：宾汉流体无量纲动边界扩散距离与多孔介质的渗透率以及宾汉流体的动力黏度有关，渗透率越大，扩散距离越大，动力黏度越大，扩散距离越小。而对于同一种砂土，其动力黏度为定值，其渗透率根据上述推导可知与孔隙分形维数相关，即可以通过确定孔隙分形维数，对混凝土在砂土中的扩散范围大小定性乃至定量判断。五、充盈系数过大的控制措施根据以上影响因素的分析可知，本项目的钻孔灌注桩充盈系数过大的原因主要为地层原因，以及项目的砂土层渗透率过大导致。但由于改地层位于桩基底面以下，原因无法直接通过常规的地基处理手段改善底层情况，故我们可以通过改善混凝土浆体渗透时的初始动力条件以及其动力黏度来改善其在砂土中的渗透情况，从而降低其充盈系数。故选用以下方法处理：第一，钻孔过程中钻进速度和拔管速度对成孔质量和混凝土的充盈系数起到关键性的作用。同样可以在施工前进行成孔试验，在钻孔过程中，钻头起落速度要均匀，不能出现起落过猛或骤然提速的现象，根据岩土勘察资料的岩层分布情况按规范调整钻进速度，尤其是在遇到突然阻力时，更要查明情况，小心应对。通过试成孔试验，寻求特定工程地质条件下的最优钻进速度，避免局部地层塌孔和漏浆现象的发生，更加好的控制成孔质量和混凝土充盈系数。第三，由于混凝土在砂土中的渗透范围与其初始注浆压力有关，在高压作用下可能造成漏浆现象，导致混凝土实际充盈系数过大，而注浆压力过小可能造成成桩密度不足，桩体质量较差，影响工程安全。根据现行建筑桩基技术规范，桩端注浆终止注浆压力应根据土层性质及注浆点深度确定，对于现场的饱和砂土层注浆压力宜为 1.2 4.0MPa 同时应注意，注浆流量不超过 75L/min。因此，施前也需要针对不同地层进行不同灌浆压力对比实验，选取最优的注浆压力。第三，主观人员因素虽不作为本项目混凝土充盈系数过大的主因，但可以通过避免人为因素扰动，来提高混凝土成桩质量。因此，在混凝土浇筑时，可以安排一名现场人员用测深铅锤随时检查浇筑标高，以便及时了解浇灌顶标高情况，控制浇筑高度和超灌长度，从而避免过度超灌造成混凝土实际充盈系数过大。灌注桩工程对专业技术有着较高要求，不仅需要施工人员有足够的专业知识理论，还需要有足够的现场实践经验。通过以上分析可知，在施工过程中，施工人员操作不当也是造成灌注桩混凝土充盈系数过大的原因之一，因此，加强施工人员的技能培训也是非常必要的。六、后续充盈系数以及成桩质量检测在使用上述方法后，本项目后续长螺旋钻孔压灌桩施工充盈系数得到有效降低，在后续的一千多根桩的施工中，30 米的长桩未出现充盈系数超过 1.3 的情况，平均充盈系数仅为 1.14，而 20 米的短桩由于本身单桩混凝土用量较小，导致现场剩余混凝土较多，造成混凝土较实际成桩量更多，计算出的充盈系数较大，但最大值也未超过1.3，平均值为1.22。施工竣工验收时，其成桩质量检测合格率为百分之 91，属于优秀。七、结论与展望本文针对大理云麓青城工程项目中遇到的长螺旋钻孔灌注桩混凝土充盈系数过大的问题，详细分析了可能存在的影响因素。基于分形理论，从微观角度分析了充盈系数和混凝土在砂土层中的扩散机理，及其影响因素和产生原因。根据扩散机理，针对性地提出了解决措施，并且在项目后期桩基工程施工中对降低充盈系数、控制桩基质量和保证工程经济效益方面发挥了重要作用。在长螺旋钻孔灌注桩施工中，影响施工程质量的因素很多，也可以说在整个岩土工程领域，不同的工程地质条件所遇到的问题既有其共性又有其独特的一面。只有充分了解地质情况，采取有针对性的改进措施，才能保证工程质量达到设计及规范要求。参考文献：1 中国建筑科学研究院.建筑地基处理技术规范M.北京:中国计划出版社,20122 王莹,潘国泰.长螺旋钻孔灌注桩施工工艺要点与问题分析 J.赤峰学院学报（自然科学版）,2018,34（5）:82-83.3 王伟,丁伟,聂庆科.钻孔灌注桩混凝土充盈系数控制的分析研究 J.勘察科学技术,2017（S1）:22-26+54.4 杨飞,王海亮,卢永红,等.长螺旋钻孔灌注桩充盈系数过大原因分析及控制 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