長螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠灌注樁工法在液化地層及厚砂層組合條件下施工可行性探討

劉學(xué)亮，宋錦峰，曹鳳學(xué)

(1.北京建工集團總承包部，北京 100038；2.明達海洋工程有限公司，北京 100038)

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長螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠灌注樁工法在液化地層及厚砂層組合條件下施工可行性探討

劉學(xué)亮1，宋錦峰1，曹鳳學(xué)2

(1.北京建工集團總承包部，北京 100038；2.明達海洋工程有限公司，北京 100038)

通過哈爾濱市松花江邊一個項目和北京市城市副中心一個項目的工程實例對比，對液化地層及厚砂層組合條件下長螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠灌注樁工法施工進行探索，總結(jié)出該工法在類似地質(zhì)條件下的使用范圍為樁長20 m以內(nèi)，并介紹了施工關(guān)鍵技術(shù)措施，在工程中成功應(yīng)用。對類似工程實施具有一定的借鑒意義。

液化地層；厚砂層；長螺旋鉆孔灌注樁；壓灌混凝土；后插鋼筋籠

1 問題的提出

長螺旋鉆孔壓灌混凝土(泵送超流態(tài)混凝土)灌注樁技術(shù)是利用長螺旋鉆機鉆孔至設(shè)計深度，在提鉆的同時利用混凝土泵通過鉆桿中心通道，以一定壓力將混凝土壓至樁孔中，混凝土灌注到設(shè)定標高后，再借助鋼筋籠自重或?qū)Ｓ谜駝釉O(shè)備將鋼筋籠插入混凝土中至設(shè)計標高，形成鋼筋混凝土灌注樁。由于其具有適應(yīng)性強、速度快、質(zhì)量好、效率高、噪聲小、無污染、經(jīng)濟性好等優(yōu)點，近幾年來在國內(nèi)得到了不斷地推廣、應(yīng)用與發(fā)展。《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)做為新工法將其納入，北京地方標準《長螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠灌注樁施工技術(shù)規(guī)程》(DB 11/T 582—2008)已發(fā)布實施多年。隨著該工藝推廣使用，施工樁長不斷加長，北京地區(qū)京東方薄膜廠房項目基礎(chǔ)樁長29 m、直徑600 mm、反插鋼筋籠長25 m成功獲得技術(shù)突破，哈爾濱市松花江邊某項目高水位厚砂層條件護坡樁樁長30 m、直徑800 mm、反插鋼筋籠長30 m獲得成功，進一步突破了工藝適應(yīng)范圍。

在該工法不斷取得長足發(fā)展的過程中，隨著北京城市副中心建設(shè)發(fā)展，通州區(qū)潮白河兩岸項目建設(shè)中廣泛采用了該工法，但該區(qū)域反插鋼筋籠難以安插到位，甚至樁長15 m、直徑600 mm的護坡樁也不能完全安插到位。受其影響，本地區(qū)超過20 m全長配筋的護坡樁多采用旋挖鉆機成孔導(dǎo)管水下灌注工法。

本文通過哈爾濱市松花江邊某項目條件和北京城市副中心某工程實踐對比，探索長螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠灌注樁工法在本地區(qū)使用可能存在的問題，為后續(xù)類似工程的組織實施提供參考。

2 工程概況及工藝可行性分析

2.1 工程概況

2.1.1 哈爾濱市松花江邊某項目

基坑周長約760.0 m，基坑開挖深度達20.95 m?；又ёo設(shè)計總體采用樁錨支護體系，共設(shè)計?800 mm支護樁698根，其中包括28 m長支護樁114根、30 m長的支護樁419根。

2.1.2 北京城市副中心某項目

基坑周長約1100.0 m，基坑開挖深度10～18 m。基坑支護設(shè)計總體采用樁錨支護體系，共設(shè)計?800 mm支護樁1355根，樁長為16.2 ～26.0 m。

2.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.2.1 哈爾濱市松花江邊某項目

依據(jù)本工程地勘報告，場地地基土呈二元結(jié)構(gòu)，上部以第四系砂土為主，夾粘土層，下部為白堊系砂巖及泥巖,綜合劃分主層7層，亞層9層。場區(qū)地下水類型為第四系砂、礫石層孔隙潛水，地下水賦存于砂層中，含水層分布穩(wěn)定。場區(qū)臨近松花江，地下水與松花江水力聯(lián)系密切，因此，形成互補的排泄和補給條件，地下水位年變化幅度2.0～3.0 m。靜止水位埋深1.5～8.0 m。典型地層結(jié)構(gòu)及特征描述見表1。

表1 哈爾濱項目典型地層結(jié)構(gòu)及特征

2.2.2 北京城市副中心某項目

依據(jù)本工程地勘報告，根據(jù)野外鉆探、原位測試及室內(nèi)土工試驗成果的綜合分析，本次勘探深度(40.0 m)范圍內(nèi)的地層劃分為人工堆積層、新近系沉積層及第四系沉積層3大類，并按地層巖性及工程特性劃分為6個大層及亞層。本次勘察鉆探深度范圍內(nèi)分布2層地下水，第一層地下水類型為潛水，埋深5.0～15.0 m，賦存于砂質(zhì)粉土②1層，粉砂、細砂③層，細砂、粉砂④層中。第二層地下水類型為承壓水，埋深8.6～11.8 m，賦存中砂層中。典型地層結(jié)構(gòu)及特征描述見表2。

2.3 工程條件對比及工藝可行性分析

2.3.1 工程條件對比

表2 北京城市副中心項目典型地層結(jié)構(gòu)及特征

依據(jù)以上2個典型項目對比不難發(fā)現(xiàn)，成功實施30 m護坡樁反插鋼筋籠的哈爾濱項目地質(zhì)條件從高水位、地下水補給條件和厚砂層條件均處于不利位置，而北京城市副中心項目存在的松散、厚層可液化地層是2個項目條件的本質(zhì)區(qū)別，是本地區(qū)反插鋼筋籠難以安插到位的根本所在。

2.3.2 可液化地層對長螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠灌注樁施工影響機理探討

液化是指飽水的疏松粉、細砂土在振動作用下突然破壞而呈現(xiàn)液態(tài)的現(xiàn)象，由于孔隙水壓力上升，有效應(yīng)力減小所導(dǎo)致的砂土從固態(tài)到液態(tài)的變化現(xiàn)象。對于厚層可液化地層，長螺旋鉆孔壓灌混凝土施工過程的擾動和壓力變化及后插鋼筋籠過程的震動，都會誘發(fā)可液化土層液化現(xiàn)象的發(fā)生，尤其對于較長樁型，施工過程為減小阻力及后插鋼筋籠易于實施，經(jīng)常采用分段2次或3次成孔方式，這也加劇了液化現(xiàn)象出現(xiàn)。而一旦灌注樁周邊土體出現(xiàn)液化，剛剛灌注的混凝土將受到液化超孔隙水壓力擠壓，形成縮徑或擠壓變形，造成后插鋼筋籠無法安置到位，影響樁體質(zhì)量。

2.3.3 北京城市副中心某項目工藝可行性驗證

綜合以上條件分析和北京城市副中心某項目條件，根據(jù)支護樁樁身范圍內(nèi)的地層情況及其樁長、樁徑的特點綜合考慮，施工組織方案確定樁長18 m以內(nèi)鉆機可1次成孔壓灌成樁，施工過程地下水影響的可液化地層厚度有限，選用長螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠施工工藝進行施工。對于樁長>20 m的護坡樁，對長螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠的施工工藝可行性應(yīng)現(xiàn)場確定。經(jīng)過工程施工工藝試驗，本項目樁長20 m以內(nèi)樁型采用長螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠施工1次成孔壓灌成樁，在材料條件及設(shè)備條件充分保障下，能夠順利實施。而對于21 m及26 m樁型2次成孔壓灌成樁，在增加對液化地層擾動的同時，鉆孔內(nèi)水位抬升加大了液化地層的厚度，致使后插鋼筋籠施工均未取得成功，最終對21 m以上樁型選用了化學(xué)泥漿護壁、旋挖鉆機成孔導(dǎo)管水下灌注施工工藝，取得較好效果。

3 液化地層及厚砂層組合條件后插鋼筋籠灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)措施

3.1 機械設(shè)備措施

3.1.1 采用具有變頻功能鉆機或大功率長螺旋鉆機

根據(jù)施工經(jīng)驗，后插鋼筋籠施工取得成功的關(guān)鍵因素之一是長螺旋鉆孔壓灌混凝土施工質(zhì)量，而對于液化地層及厚砂層組合條件，壓灌高度較小會造成后插鋼筋籠施工困難，而壓灌高度大又容易造成憋鉆埋鉆現(xiàn)象發(fā)生，通過采用具有變頻功能的鉆機和大功率長螺旋鉆機，總體控制壓灌高度2～3 m，很好地解決了該問題。

北京城市副中心某項目采用3臺全部裝置變頻控制的GKL800型步履式長螺旋鉆機和1臺JZU180型履帶式長螺旋鉆機，順利完成20 m以內(nèi)樁長施工任務(wù)。各型號鉆機主要性能參數(shù)見表3。

表3 長螺旋鉆機主要性能參數(shù)

3.1.2 采用適宜的反插鋼筋籠裝置

(1)利用振動錘和連接振動錘的錘桿，插入鋼筋籠底，從而改變振動著力點，將振錘激振力傳遞到籠底，提高鋼筋籠下放到位的可靠性。

(2)本工程采用DZ30A型耐震振動錘，其整機質(zhì)量2.2 t，電動機功率30 kW，激振力185 kN，偏心靜力矩170 N·m。

(3)選擇合適的振錘桿：鋼筋籠長度最長達到20 m，振動錘桿的細長比很大，須選用抗彎剛度好的錘桿，以保證鋼筋籠及錘桿在起吊過程中錘桿的完好。實際采用45Mn合金無縫鋼管作為振錘桿，具有高強度和很好的韌性，抗彎性能好。錘桿直徑250 mm，厚度10 mm，長度25 m。

3.2 混凝土材料措施

混凝土的質(zhì)量、運輸和澆灌過程中塌落度及和易性滿足施工工藝需要，這是鋼筋籠能否下放到位的關(guān)鍵因素之一，混凝土的性能要求如下。

(1)混凝土選用粗骨料最大粒徑≯15 mm的細石混凝土，水泥采用PO42.5普通硅酸鹽水泥，砂采用粒徑0.3～0.5 mm的中粗砂，粗骨料含泥量≯1%，細骨料含泥量≯2%；水采用自來水或可飲用的天然水?；炷翉姸菴30，每立方米混凝土水泥用量≮330 kg，水灰比≯0.55；含砂率宜為35%～40%；灰砂比宜為1∶2～1∶2.5。

(2)混凝土應(yīng)有良好的和易性和泌水性，初凝時間≮6 h，灌注前塌落度≮220 mm。

(3)應(yīng)充分考慮到施工現(xiàn)場的各種影響因素的不確定性，以及對混凝土運輸車輛限行的規(guī)定，結(jié)合長螺旋壓灌混凝土施工工藝的連續(xù)作業(yè)要求，確保混凝土的性能滿足使用要求。對等待時間較長，混凝土性能已經(jīng)無法滿足使用需要的，采取放棄使用的處置辦法，確保混凝土的質(zhì)量要求。

4 主要施工成果

北京城市副中心某工程充分利用此工法組織了樁長<20 m的護坡樁施工，由于其具有適應(yīng)性強、速度快、質(zhì)量好、效率高、無污染等優(yōu)點，同時由于該工法采用群機作業(yè)相互影響小，利于組織多機組作業(yè)的有利條件，組織4臺套設(shè)備精心施工，以較短時間完成了樁長<20 m的護坡樁施工任務(wù)，為整體項目有序推進提供了強有力保障。施工現(xiàn)場見圖1。

圖1 群機施工作業(yè)現(xiàn)場

由于施工前對于長螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠施工工法從機械、材料及人員組織做了充分的條件準備，施工工作得以按質(zhì)量有序進行，從混凝土材料和長螺旋鉆孔壓灌混凝土施工質(zhì)量開始控制，嚴格控制壓灌高度2～3 m，既保證了后插鋼筋籠施工安置到位，又沒出現(xiàn)一例憋鉆埋鉆事故，經(jīng)后續(xù)施工開挖及樁頭破除，施工的護坡樁鋼筋安插到位，樁外側(cè)整齊，充分體現(xiàn)了該工藝的優(yōu)越性。施工效果見圖2。

圖2 鋼筋籠頂及樁外側(cè)效果

經(jīng)按規(guī)范對20%樁進行低應(yīng)變檢測，所檢測樁全部為Ⅰ類樁。

5 結(jié)語

通過北京城市副中心某工程施工實踐，對液化地層及厚砂層組合條件下長螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠灌注樁工法在本區(qū)域應(yīng)用提出建議如下。

(1)對樁長20 m以內(nèi)的護坡樁，在材料、機械設(shè)備及施工管理充分到位的前提下，本區(qū)域可以采用此工法，能夠體現(xiàn)該工法適應(yīng)性強、速度快、質(zhì)量好、效率高、無污染、利于組織多機組作業(yè)等優(yōu)點。

(2)對于樁長較長的護坡樁需通長配筋的混凝土灌注樁，長螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠灌注樁工法本區(qū)域應(yīng)慎用，避免液化地層對樁體質(zhì)量影響及安置鋼筋籠無法到位影響工程質(zhì)量。

(3)對于樁長較長的基礎(chǔ)樁非通長配筋的混凝土灌注樁，長螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠灌注樁工法本區(qū)域應(yīng)用應(yīng)進行全面的工法可行性驗證，確保工程施工質(zhì)量。

由于本項目前期進行了較充分的工法應(yīng)用探討及可行性現(xiàn)場試驗，通過以上應(yīng)用總結(jié)，對本區(qū)域類似工程實施具有一定的借鑒意義。

[1] DB 23/T 360—2010,鉆孔壓灌超流態(tài)混凝土樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] DB11/T 582—2008,長螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠灌注樁施工技術(shù)規(guī)程[S].

[3] JGJ 120—2012,建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 梁成華，王之軍，陳輝，等.超流態(tài)混凝土施工工藝在基坑超長支護樁工程中的應(yīng)用[C]// 中國地質(zhì)學(xué)會探礦工程專業(yè)委員會.第十八屆全國探礦工程(巖土鉆掘工程)技術(shù)學(xué)術(shù)交流年會論文集.北京:地質(zhì)出版社,2015.

[5] 何世鳴，趙曉東，李德江，等.節(jié)能型變頻器在長螺旋旋噴攪拌樁止水帷幕中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(10):85-88.

[6] 李開洋,薛倩冰,陳永前,等.卵石地層中CFG樁的設(shè)計及其施工技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2014,41(7):62-64，69.

[7] 孫志斌.長螺旋成孔壓灌混凝土成樁后插鋼筋籠施工工藝在北京地鐵施工中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2006,33(2):36-38,41.

Feasibility Study on Cast-in-place Piles Construction by Auger Bored Press Concrete Post-inserted Steel Reinforcement Cage under the Combined Condition of Liquefied Formation and Thick Sand Layer/

LIUXue-liang1,SONGJin-feng1,CAOFeng-xue2

(1.Beijing Construction Engineering Group, Beijing 100038, China; 2.Mingda Offshore Engineering Co., Ltd., Beijing 100038, China)

Abstract: By the comparison of 2 project cases at Songhuajiang riverside and in the sub-center of Beijing, the exploration is made on cast-in-place piles construction by auger bored press concrete post-inserted steel reinforcement cage under the combined condition of liquefied formation and thick sand layer, the application scope is summarized to be within 20m and the key technical measures of construction under similar geological conditions are introduced, which has been applied in the project with success and can be reference for similar engineering.

liquefied formation; thick sand layer; auger bored cast-in-place pile; press concrete; post-insert reinforcement cage

2017-04-12；

2017-05-05

劉學(xué)亮，男，漢族，1968年生，總工程師，建筑工程專業(yè)，北京市西城區(qū)廣蓮路1號建工大廈1505，351245990@qq.com；宋錦峰，男，漢族，1979年生，建筑工程專業(yè)，53234348@qq.com；曹鳳學(xué)，男，蒙古族，1968年生，高級工程師，巖土工程專業(yè)。

TU473.1

A

1672-7428(2017)06-0074-04