1原因分析
1.1地质条件本工程场区上部土层为弱透水的相对隔水层，地下水主要存在于强、中风化基岩裂隙带中的裂隙水，从－14.000m位置就开始出现强、中风化基岩，而钢管柱底标高为－24.250m，因此，岩石裂隙水通过人工挖孔桩空桩部位护壁渗入钢管柱外，经过现场实测，钢管柱外稳定水位大约在－18.250m处(见图3)，显然，钢管柱底部处于有水的环境中。1.2钢管柱安装的设计缺陷由于地下焊接环境及施焊条件较差，钢管柱底焊接质量不能有效保证，设计上采用6块限位钢片进行钢管柱底就位，安装就位后的钢管柱与工程桩顶预埋环板有空隙，未能有效切断钢管柱内外水力联系，钢管柱底与桩顶预埋环板的连接大样如图4所示。1.3施工管理经验不足施工时考虑到钢管柱内混凝土热影响及钢管柱的稳定性影响，在组织施工时先安装各楼层的环梁钢筋再浇筑钢管柱混凝土，放置好的环梁钢筋与人工挖孔桩空桩部分的护壁只有250～360mm的空隙，导致水泵从钢管柱外侧放不下去，只能放入钢管柱内抽水。由于经验不足，以为钢管柱内积水抽完后，柱外水也将一起抽完，实际浇筑混凝土时采用了大功率水泵进行抽水，从而使柱内排水速度远远大于柱外地下水通过柱底孔进入柱内的速度，造成柱内水抽完，而柱外还有积水的情况，导致混凝土施工开始后，当混凝土的浇筑速度跟不上或有间断时，柱外水源涌入柱内，造成混凝土被稀释，水泥浆被冲走。
2处理方案
2.1方案对比问题原因查明后，初步定了3种处理方案，并对3种方案进行对比，如表1所示。综合考虑，最终确定采用第3种，即将底部2m不合格部位混凝土局部置换的加固处理方案，但该方案的最大顾虑是钢管底部混凝土掏空后，上部混凝土是否会在自重荷载作用下产生坠落，因为钢管内无任何横隔板。经计算钢管柱壁与柱内混凝土的摩擦力完全能承受上部混凝土自重。2.2材料选择及性能2.2.1原材料1)水泥采用强度等级为52.5Ｒ的硅酸盐水泥，初凝时间为180min，终凝时间为240min，3d抗压强度为41.15MPa。2)粗骨料采用级配规格为5～20mm的花岗岩碎石，含泥量≤0.2%，针片状颗粒含量≤4%，强度压碎指标值为7.5%。3)细骨料采用河砂，为II区中砂，含泥量≤0.05%，氯离子含量≤0.014%。4)掺和料有I级粉煤灰和S95级矿渣粉。5)外加剂主要为减水剂和膨胀剂，减水剂采用缓凝型的高性能减水剂，水泥净浆流动度为202mm，密度为1.05g/m3。膨胀剂采用WG-CMA高性能膨胀剂。2.2.2混凝土配合比为了安全、有效的加固，采用比原设计强度高一个等级的带有高性能膨胀剂的C75自密实混凝土进行置换，高性能膨胀剂采用WG-CMA，掺量为胶凝材料用量的9%，混凝土的水胶比为0.27，砂率为40%，配合比为:水泥+掺和料∶砂∶石∶水=1∶1.18∶1.75∶0.27;每立方米混凝土材料的质量为水泥374kg;砂666kg;石子990kg;粉煤灰74kg;矿渣66kg;水155kg;减水剂16.66kg;膨胀剂51kg。4.2.3基本性能混凝土坍落度为(220+20)mm，初凝时间为6h，3d强度达到45MPa，7d强度达到64MPa，28d强度达到82MPa，膨胀率达到0.5×10－3。
3加固施工
3.1加固流程加固处理流程:腾出从钢管外壁下人通道→标高引测至钢管柱壁→搭设操作平台及安全防护网→钢管柱开洞前加固→钢管柱开通→凿除低强度混凝土→焊回钢板并预留混凝土浇筑口→浇筑加有膨胀剂的C75自密实混凝土。3.2钢管柱开洞前加固为保证钢管壁开洞后受力均匀性，在预开洞位置洞口高度方向先焊接3道环板，洞口两侧焊接加劲板，洞口范围内环板待混凝土浇筑之前焊接，环板及加劲板均采用Q345B，厚度为25mm，如图5所示。3.3钢管混凝土柱壁开洞为提供施工人员进入钢管柱的通道并便于钢管柱内混凝土凿除施工，在底部2m位置的钢管柱壁上开b×h=850mm(弧长)×1500mm的洞口，洞口顶比缺陷混凝土顶标高高350mm，洞口底高于操作平台面100mm。钢管混凝土柱壁开洞采用碳弧气刨切割，然后对焊缝口进行打磨处理，切割完毕后采用手拉葫芦将柱壁提至人工挖孔桩外或固定在操作平台上。3.4柱内混凝土凿除柱内混凝土采用风镐凿除，人工提出挖孔桩外。凿除时确保柱内顶部的混凝土凿成与开口处呈35°斜面，以便混凝土浇灌时新旧混凝土接头部位容易自密实。3.5焊回钢板3.5.1焊接顺序按照对称焊接原则，先焊接竖向焊缝，最后焊接横向焊缝，焊接时需在顶部预留混凝土浇筑预留口，如图6所示。3.5.2预留混凝土排气孔为保证新旧混凝土接口处的密实度，在混凝土浇筑预留口背面预留3～4个排气孔，孔径为15mm。3.6浇筑混凝土1)在洞口上侧开200mm×200mm孔作混凝土下料口和振捣棒插入口，在下料口部位焊接混凝土进料坡口，即喇叭口，如图7所示，喇叭口采用厚度≥5mm的废旧钢板现场焊制，并且与钢管柱壁接缝严密，且焊接牢固。为确保混凝土浇筑质量，混凝土分2次浇筑，第1次浇筑至洞口顶向下500mm，浇筑前先浇筑一层100～200mm厚与混凝土强度等级相同的水泥砂浆，以防止自由下落的混凝土粗骨料产生弹跳。2)为确保钢管柱内混凝土排气效果，辅以振捣棒进行振捣。每点振捣时间≥20s。同时管外配合人工木槌敲击，根据声音判断混凝土是否密实，每层振捣至混凝土表面平齐不再明显下降，不再出现气泡，表面泛出灰浆为止。第2次混凝土浇筑完成时，混凝土应填满混凝土进料坡口，混凝土强度达到设计要求后，拆除混凝土进料口并补焊钢板。3.7注意事项1)混凝土与钢管壁残留物清理为保证重新浇筑的混凝土与钢管壁之间能够有效黏结，在凿除柱内低于C40的混凝土后先用人工清除残留在钢管壁上的碎渣，再用压力水清洗2遍，最后再用丙酮清洗，确保将碎渣清理干净，以利于混凝土与钢管壁之间的黏结。2)柱底积水处理钢管柱外侧设置400mm×400mm×500mm集水坑，钢管柱底部切割30mm×50mm泄水孔，通过外侧抽水的方法确保在掏空过程中或浇筑混凝土时钢管柱内无积水，且抽水要连续不断进行，在浇筑混凝土前严禁将水泵从集水井内提出，如图8所示。3.8安全措施缺陷混凝土置换工作主要为地下作业，在人工挖孔桩空桩区域内施工，空间狭窄，工作环境差，危险性较高，为切实做到安全生产，除采用常规的安全措施外，还采用以下安全措施。1)混凝土粉尘污染预防措施因破除混凝土产生的粉尘较多，为了有效除尘，保证作业区域内空气畅通，每个作业孔内设置1台送风机，送风量＞25L/s，同时还需要设置1台排风机。2)物体打击预防措施提升或下降必须先给信号，信号反馈后方可动手作业(联络信号为12V电灯泡);在操作平台以上2.5m左右的护壁处再设1道水平防护，提土吊桶上下时，作业人员必须站在防护罩下。3)防触电措施井下施工照明采用安全行灯，电压不得越过12V，用于井下供电设备的线路必须按要求装漏电保护装置;水泵泵壳与钢管壁有效连接，同时，水泵设置双控开关，井口1个，井底1个。
4结语
置换混凝土达到设计强度后，继续组织地上结构施工，同时，每施工完3层结构后进行1次沉降、变形观测。主体结构封顶以后继续监测至今已有1年时间，其沉降、变形都在可控范围内，没有出现任何异常。
作者：袁茂生 林力勋 袁成 黄明华 单位：中国建筑第四工程局有限公司
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