重庆来福士项目位于重庆朝天门渝中半岛最顶端, 项目总占地面积为9万m², 总建筑面积约110万m², 由3层地下室、6层裙楼、8栋塔楼及连接4栋塔楼的3层空中连廊构成, 是集商场、酒店、写字楼、高端住宅为一体的超大综合型项目, 建成后将成为重庆市地标性建筑之一, 如图1所示。

本工程超高层塔楼采用超大直径承压桩基, 最大圆形桩底直径达9.4m, 最大椭圆桩桩底直径6.4m, 平直段3m。工程直面长江、嘉陵江, 基坑距离长江仅34m, 场地基岩裂隙发育完整, 地下水与江水贯通, 渗透系数K达31.3m/d, 渗透半径达187.4m。

由于桩基成孔后桩底涌水及桩壁基岩渗水量达60m³/h, 采用大流量水泵无法将桩底积水完全抽干, 且基岩裂隙渗水源源不断, 采用常规混凝土浇筑方式无法保证桩基质量, 需采用水下混凝土浇筑方式施工。然而因桩底直径大、扩底面积达48m², 根据规范要求, 初灌混凝土方量需达53m³, 常规单导管及小料斗进行水下混凝土灌注无法保证混凝土初灌量, 且常规水下混凝土性能无法保证在高水压条件下瞬间覆盖整个桩底, 桩基混凝土质量无法得到保证。

针对上述问题, 研发一种坍落度可达260~280mm、扩展度可达700~750mm、2h经时损失为零、初凝时间达 (10±2) h的超高流态C45水下自密实混凝土, 确保混凝土在高水压情况下瞬间覆盖整个桩底。此外, 对混凝土灌注方案进行优化, 按导管底端距离桩底250mm, 导管一次埋入混凝土灌注面定为0.5m的原则, 将初灌混凝土方量减小到36m³, 并采用“双料斗+双导管”的方式进行水下混凝土灌注, 采用理论分析及模拟浇筑试验两方面验证方案的可行性, 自行设计超大容量混凝土料斗, 研发料斗架设方式, 实现超大直径桩基水下混凝土灌注。

1) 混凝土试配

根据自密实混凝土的技术要求, 从提高混凝土流动性、降低黏度、提高混凝土在U形箱中的通过性、提高浆体包裹性等性能要求出发, 通过大量试配, 形成多种典型配合比, 如表1所示。从多种典型配合比的性能检测结果中综合分析骨料、胶凝材料体系、水胶比、外加剂等因素对混凝土性能的影响, 如表2所示。

根据试配及性能分析, 总结各原材料对混凝土性能的影响如下: (1) 机制砂重庆地区机制砂由机械破碎而成, 颗粒级配较差, 不适宜配制自密实混凝土, 通过掺入一定量的天然特细砂改变机制砂的颗粒级配。由机制砂与天然特细砂组合而成的混合砂满足配制自密实混凝土性能的要求, 通过颗粒搭配可以有效地降低混凝土黏度, 提高流动性。当混合砂砂率达到52%, 可以进一步提高混凝土的包裹性, 提高流动性, 降低黏度。此时, 倒筒流空时间为5s, U形箱填充高度为340mm, 完全流平, 且3h无损失, 混凝土完全满足自密实性能要求。 (2) 卵碎石相对降低粗骨料比表面积, 提高浆体包裹性, 提高流动性。采用最大粒径20mm的10~20mm卵碎石与5~10mm碎石, 按一定比例搭配成连续级配使用, 降低粗骨料间的孔隙率, 节省填充砂浆用量。 (3) 胶凝材料总量降低导致混凝土中浆体的体积减少, 混凝土的黏度有一定增加, U形箱通过性有一定降低。从强度、工作性及U形箱通过性3个角度综合考虑, 胶凝材料总量以465kg/m³为宜。胶凝材料总量相同的情况下, 提高矿粉用量, 降低粉煤灰用量, 易造成混凝土轻微泌浆, 匀质性下降, 不利于混凝土的自密实性能。 (4) 水胶比过大会严重降低混凝土的保水性, 增大泌水, 同时降低黏聚性。水胶比过小, 则流动性减小, 影响混凝土振捣密实, 易产生麻面和空洞。通过大量试配验证, 水胶比在0.34时, 混凝土拌合物流动性、保水性和黏聚性等性能最为理想, 因此, 在试配过程中, 需保持水胶比不变, 进行其他方面性能的检测。 (5) 外加剂与胶凝材料具有良好的相容性, 在具备高效减水作用的同时, 能够有效保证混凝土的黏聚性和流动性, 以及良好的坍落度保持性能。适宜的掺量下, 混凝土3h内的坍落度损失控制在20mm以内, 扩展度损失控制在30mm以内, 使混凝土在3h内满足自密实性能要求。

2) 配合比优化

根据对各原材料对混凝土性能影响进行分析, 从以下几点进行优化, 最终得出了最优C45水下自密实混凝土典型配合比 (kg/m³, 按照工程桩基混凝土强度要求提高2个等级进行设计) :水∶水泥∶II级粉煤灰∶S95矿粉∶机制砂∶天然砂∶5~10mm碎石∶10~20mm碎石∶外加剂=160∶270∶100∶80∶840∶100∶260∶600∶24.3, 其性能检测结果如表3所示。 (1) 采用绝对体积法技术优化骨料体系、粉料体系, 发挥各种材料特色, 弥补其他材料缺陷, 从而改善混凝土工作性能; (2) 选用较高的砂率, 增加混凝土拌合物的流动性; (3) 采用最大粒径20mm的10~20mm卵碎石与5~10mm碎石, 按一定比例搭配成连续级配使用, 降低粗骨料间的孔隙率, 节省填充砂浆用量, 增加混凝土流动性; (4) 采用聚羧酸高效减水剂, 使混凝土获得良好的工作性、力学性能与耐久性能; (5) 采用掺和大量Ⅱ级粉煤灰、矿粉、硅灰以降低水泥用量, 降低混凝土水化热, 提高混凝土的体积稳定性。

1) 模型建立

混凝土从导管灌入到桩基底部的时候, 混凝土形成一个稳定的流动状态体 (L形状) 。因此确定混凝土流动范围的任务便可以简化为求解水平部分流动混凝土体的长度, 也即在稳定的混凝土流动状态下, 水平部分混凝土能够流动的最大距离。如图2所示。

影响混凝土流动的主要因素有:导管与混凝土的摩擦力, 混凝土从竖向流动过渡到水平流动的速度损失, 桩基底部与混凝土的摩擦阻力, 因此通过分析这3个因素便可以获得混凝土流动范围的计算方法。

2) 分析计算

混凝土可以被看作是一种宾汉姆流体 (一种非牛顿流体) , 对于这种流体在导管中作不可压缩黏性流动的时候, 混凝土流体在导管中的平均速度根据导管直径、混凝土的黏滞系数、混凝土流动的最小剪应力及密度确定, 混凝土流体4个典型断面如图3所示。

混凝土在导管中流动的沿程断面1水头损失值根据导管长度、导管直径、综合雷诺数、平均速度计算得出, 混凝土流体在底部转弯处水头断面2损失值根据混凝土流动局部阻力水头损失系数 (也即底部流体拐弯能量损失) 、平均速度计算得出。根据流体力学伯努利方程的基本原理, 利用断面1到断面3之间的流体守恒, 计算断面3处的混凝土流速。此外在断面3处混凝土流体会产生动压力, 这个动压力将用于平衡混凝土流体跟桩基底部土体的摩擦力 (见图4) , 由于底部摩擦力较难确定, 这里仍然采用能量守恒的方法来确定, 即由混凝土在底部流动时的沿程损失计算。因此, 利用断面3和断面4之间流体的守恒, 带入混凝土临界流动距离, 根据现场试验数据综合分析计算公式中的参数。

综合现有资料, 经理论分析, 可得出混凝土流动范围跟混凝土塑性黏度之间的关系 (见图5) , 若需混凝土扩展度达到什么要求, 混凝土塑性黏度小于对应值即可, 本工程水下灌注导管距离桩壁最大距离为3.6m, 对应塑性黏度值需<16Pa·s, 通过计算, 塑性黏度为13.9Pa·s, 初灌方案理论可行。

因理论分析或与实际施工存在偏差, 为确保桩基浇筑质量, 在现场以工程桩最大扩底尺寸开挖试验桩。在试验桩内注满水, 按导管底部下端距离孔底250mm进行双导管水下灌注模拟试验。模拟试验步骤:试验桩开挖→注水→料斗及导管架设→混凝土灌注试验→可行性分析→总结优化。

混凝土初灌完成后, 导管被混凝土完全密封、无进水现象, 埋管满足要求。桩身混凝土浇筑达到强度要求后, 通过声波透射法和混凝土钻芯取样2种方式对桩身完整性进行检验, 双导管交界面、导管最远端等特殊点位混凝土芯样完整, 强度满足设计要求。试验证明, 混凝土扩展度满足性能要求, 初灌混凝土铺满整个桩底。根据模拟浇筑试验结果验证初灌方案的可行性, 并优化双导管水下混凝土灌注工艺, 保证工程质量。

1) 料斗设计

根据方案计算而得到初灌量要求, 设计加工2个容量达18m³的混凝土料斗。为提高下料速度, 料斗设计成为锥形, 料斗采用均匀分布的36根50mm×50mm×6mm方钢立柱进行支撑, 方钢立柱底端采用钢板焊接成为整体, 如图6所示。

2) 料斗架设

在桩口两侧横铺12根I36a作为料斗主要承重梁, I36a上纵向搭设6根I16及井口架, 主、次工字钢相交节点需与每个料斗的36根立柱一一对应。工字钢位置摆放正确后, 对料斗外圈立柱对应的主、次工字钢相交节点处进行点焊, 使架体形成整体, 如图7所示。

1) 将场内最后搅拌出罐的3车混凝土进行初灌, 待第4车、第5车混凝土准备就绪后, 2台汽车式起重机同时将隔料塞拔出, 开始初灌。

2) 初灌时, 每灌混凝土均分送入料斗, 确保两料斗内混凝土性能相同, 下料速度一致, 避免两混凝土面形成高低差, 造成导管无法完全被初灌混凝土密封的弊端。

3) 待桩底混凝土大面上升高度≥6m后, 汽车式起重机将两大料斗吊离桩口区域, 换常规小型料斗, 进行混凝土的连续浇筑。

4) 初灌完成及过程中每次拆管完成后, 采用重锤从导管内侧沉入底端, 检验混凝土是否将导管密封严实, 若未密封严实, 需停止浇筑。若因混凝土沉淀泌出较少积水 (20cm高度以内) , 可采用小料斗装满混凝土后, 拔开料斗底端料塞, 再次进行冲灌。

5) 为避免因初灌时被水离析涌上表层的混凝土卷入桩中, 双导管水下混凝土浇筑桩, 需保证两导管的送料速度一致, 严禁在浇筑过程中因拆管、断料或其中1根导管未被混凝土封实等原因, 出现只有1根导管浇筑的情况。

本文介绍了临江地区超大直径承压桩混凝土灌注施工方法, 通过超高流态水下混凝土研发、引用双导管+超大容量料斗的灌注方式, 采用理论分析+现场模拟灌注试验验证其可行性, 实现桩基扩底面积达48m²的水下混凝土灌注, 为类似工程提供切实可行的参考价值。