矩形截面樁機(jī)械成孔工法研究與實(shí)踐

丁占華 莊亦農(nóng)

引言

矩形樁比同截面積圓形樁的剛度大、抗彎能力高，因此可承受較大豎向荷載和水平向荷載。在高邊坡防工程中，矩形樁應(yīng)用較為廣泛。矩形樁的應(yīng)用關(guān)鍵是其成孔難，目前多采用人工挖孔的方式進(jìn)行大尺寸矩形樁的施工。但人工挖孔多需采用單節(jié)護(hù)壁，施工效率較低，另人工挖空超過一定深度后還需采取通風(fēng)等安全措施，因此人工挖孔不能滿足施工工期、安全等方面的要求。旋挖鉆機(jī)是一種用于成孔作業(yè)的施工設(shè)備，其施工高效快捷、環(huán)保，并且成孔質(zhì)量高，已得到廣泛應(yīng)用。目前，旋挖鉆機(jī)鉆頭均為圓形，難以滿足矩形樁施工，本文提出采用圓形鉆頭與自制的矩形鉆頭相結(jié)合的施工工藝進(jìn)行矩形樁成孔施工，大大提高了施工效率，并且提高了經(jīng)濟(jì)性。

1 工程概況

烏魯木齊地窩堡國(guó)際機(jī)場(chǎng)北區(qū)改擴(kuò)建工程核心區(qū)高邊坡支擋結(jié)構(gòu)，部分采用樁板式擋墻支護(hù)，樁基尺寸為2.0m×2.5m，樁間距3.0m，樁長(zhǎng)24～31m。

1.1 樁基構(gòu)造要求

（1）樁頭鎖口加固

本工程樁為大尺寸矩形樁，為了確保開挖時(shí)孔口的穩(wěn)定，在孔口設(shè)有一圈50cm寬、30cm高的鎖口梁。

（2）護(hù)壁設(shè)計(jì)

矩形人工挖孔樁的護(hù)壁厚度相比圓形截面更厚，普遍都采用鋼筋混凝土。通常每節(jié)護(hù)壁高1m，頂寬30cm，底寬15cm。由于人工挖孔的護(hù)壁均為一節(jié)一節(jié)地施工，因此矩形人工挖孔樁進(jìn)行護(hù)壁設(shè)計(jì)時(shí)，上下護(hù)壁需搭接10cm。

1.2 地質(zhì)概況

根據(jù)勘察工程資料揭露，場(chǎng)地主要地層為填土（雜填土、素填土）、耕土、粉土和圓礫，各地層巖土特征描述如下：

雜填土：場(chǎng)地表層廣泛分布，厚度0.2～1.5m，主要由建筑垃圾混土構(gòu)成，有少量植物根系，干、松散。耕土（表土）：以粉土為主，厚度一般為0.3～0.8m左右，含較多植物根莖，含有少量有機(jī)物，松散～稍密。粉土：分布廣泛，灰黃色～褐黃色，厚度一般為1.2～3.8m，干～稍濕，稍密～中密，干強(qiáng)度低，韌性低，搖震反應(yīng)中等，無光澤反應(yīng)。圓礫：是本場(chǎng)地穩(wěn)定地層，良好的天然地基持力層或下臥層，局部地段表現(xiàn)為卵石。青灰色，磨圓度好，級(jí)配良好，一般粒徑0.5～4cm，可見較大粒徑約8～12cm。圓礫中密～密實(shí)狀態(tài)，人工開挖較困難。局部有砂透鏡體及夾層，中密。依據(jù)勘察資料反映的試驗(yàn)結(jié)果，該層土圓礫不均勻系數(shù)CU=29.81，曲率系數(shù)CC=1.92，顆粒級(jí)配良好。

2 方案對(duì)比

根據(jù)設(shè)計(jì)方案需采用人工挖孔，每挖深1m左右即放入一個(gè)截錐形模板，在模板與孔壁之間澆筑混凝土護(hù)壁，每挖一段護(hù)一段，形成一個(gè)梯套護(hù)壁，直至要求深度，之后放置鋼筋籠，澆筑樁身混凝土。

該方案需要每段進(jìn)行護(hù)壁，在混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后方可對(duì)護(hù)壁進(jìn)行拆模，降低了施工效率，并且人工挖空勞動(dòng)強(qiáng)度較大，安全性較差。根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件，成樁深度最大的為圓礫層，該土層人工開挖難度較大，非常適合旋挖鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)作業(yè)，機(jī)械施工能大幅提高施工進(jìn)度，縮短施工工期。另外，根據(jù)造價(jià)分析，人工挖孔方案中人工費(fèi)在單樁總成本中占到較大的比例，而采用機(jī)械成孔所增加的機(jī)械臺(tái)班費(fèi)遠(yuǎn)低于人工挖孔人工費(fèi)。通過以上分析，最終采取機(jī)械成孔工藝。

3 矩形樁機(jī)械成孔施工工藝及方法

矩形樁施工整體流程：定位放樣→樁頂鎖口澆筑→成孔→清孔→下放鋼筋籠→混凝土澆筑，其中成孔工藝需采用三種不同鉆頭形式進(jìn)行取土，為避免成孔過深造成坍孔，劃定每3～4m為一段進(jìn)行成孔。以25m樁長(zhǎng)為例，需進(jìn)行7～8段成孔。每段成孔施工流程：φ800螺旋鉆鉆進(jìn)→φ1800大孔徑旋挖鉆鉆進(jìn)→1.2m方形旋挖鉆修整。

3.1 鎖口施工

經(jīng)測(cè)量定位，用灰線畫出鎖口外部輪廓線，采用小型挖掘機(jī)開挖鎖口，然后安裝固定內(nèi)模和鎖口鋼筋并澆筑C20混凝土。

3.2 成孔施工

3.2.1 長(zhǎng)螺旋干取土

利用旋挖鉆機(jī)，先用φ800長(zhǎng)螺旋鉆頭鉆按照?qǐng)D1所示位置交替挖深至約4m深度。在鉆進(jìn)過程中低速鉆進(jìn)，減少鉆進(jìn)過程中振動(dòng)，減少坍孔。

圖1 長(zhǎng)螺旋鉆孔位置示意圖

圖2 長(zhǎng)螺旋鉆頭

3.2.2 旋挖取土

長(zhǎng)螺旋鉆頭挖深至約4m孔深后，換上φ1800大孔徑圓形鉆頭。鉆孔位置位于矩形樁中心處，將矩形樁內(nèi)四個(gè)圓孔之間內(nèi)余土挖除。該過程應(yīng)控制注意不要超挖，以免對(duì)下次長(zhǎng)螺旋取土造成影響。

圖3 φ1800圓形鉆孔位置示意圖

圖4 大孔徑圓形鉆頭

3.2.3 矩形抗滑樁切角取土

待采用圓形鉆頭取土至規(guī)定深度后，換上自制矩形鉆頭。利用鎖口梁內(nèi)側(cè)作為導(dǎo)向墻，用方形切刀對(duì)孔壁進(jìn)行修整，切除剩余的土體。切削過程中確保垂直度小于1%。

圖5 自制矩形鉆頭位置示意圖

圖6 自制矩形鉆頭

4 施工效果

（1）成孔結(jié)束后采用測(cè)孔儀和測(cè)繩對(duì)孔深、孔徑和垂直度等進(jìn)行檢查，孔深、孔徑均不小于設(shè)計(jì)值，垂直度不大于1%。

（2）以樁長(zhǎng)24m矩形樁為測(cè)算對(duì)象，機(jī)械成孔需進(jìn)行約7段施工，成孔時(shí)間2d。對(duì)比人工挖孔，24m樁長(zhǎng)需進(jìn)行24段施工，考慮護(hù)壁拆模時(shí)間，每段需1d時(shí)間，在無天氣等因素影響下，需施工24d。機(jī)械成孔效率提高明顯。

（3）機(jī)械成孔相比人工挖孔可以減少護(hù)壁土石方開挖以及護(hù)壁混凝土澆筑，降低了施工成本。

圖7 成孔效果圖

5 結(jié)語

本文提出了在砂礫石地層干取土機(jī)械成孔的新方案，并與人工挖孔方案進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)踐表明，該工藝不僅技術(shù)上可行，而且能極大程度縮短工期并保證施工安全，對(duì)同類工程具有借鑒意義。但本工藝取土過程中需不斷更換鉆頭，使得工藝較為復(fù)雜，還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。