人工挖孔擴(kuò)底樁在新校區(qū)建設(shè)中的應(yīng)用

于忠誠，董 玲

（1.沈陽建筑大學(xué) 后勤服務(wù)集團(tuán)，遼寧 沈陽 110168；2.遼寧省建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003）

我校自2000年辦學(xué)規(guī)模的擴(kuò)大就開始籌備新校區(qū)的建設(shè)。作為一所土木建筑類的專業(yè)院校，綜合分析新校區(qū)場地的地質(zhì)條件、進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工工藝，采取什么樣的基礎(chǔ)類型成為了一項(xiàng)主要的問題。最后，通過專家對沈陽市適用的各種基礎(chǔ)類型的認(rèn)真對比、研究與論證，根據(jù)我校當(dāng)時的實(shí)際情況最終采用了人工挖孔擴(kuò)底灌注樁。

1 學(xué)校概況及規(guī)劃方案的抉擇

經(jīng)多年發(fā)展，教育部批準(zhǔn)原沈陽建筑工程學(xué)院更名為沈陽建筑大學(xué)；曾教學(xué)用地面積總計(jì)268畝，在校生已經(jīng)達(dá)到5300人，高校教學(xué)用房和嚴(yán)重不足。為適應(yīng)地方高校發(fā)展的需要，解決學(xué)校二處辦學(xué)和學(xué)校學(xué)生規(guī)模發(fā)展的需要，2000年開始，經(jīng)學(xué)校黨委研究決定，我校準(zhǔn)備易地建設(shè)新校區(qū)。經(jīng)過認(rèn)真、細(xì)致的選址，我校新校區(qū)地址選在了沈陽市東陵區(qū)五三鄉(xiāng)張官屯，此地塊距東校區(qū)5km，距西校區(qū)8km。

新校區(qū)用地增大可滿足教學(xué)要求，初期規(guī)劃配有教學(xué)樓、多間大型實(shí)驗(yàn)用房及配套的公寓、后勤等建筑面積41.8余萬平方米，及多個特色景觀建筑，保證特色教學(xué)有序?qū)嵤？扇菁{在校本科生、研究生近兩萬人。

2 新校區(qū)的地質(zhì)條件

我校擬建建筑物場區(qū)位于渾河南岸的河漫灘及階地上，其基底為混合花崗巖（Ar），埋藏深度約60m左右。老基底以上不整合覆蓋為新、老第三系（N、E）的砂巖、砂礫巖，地表為強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)。校區(qū)地質(zhì)條件良好為粉質(zhì)粘土、粉土卵石層，地形較為平坦，高程為4919～5091mm，落差為142mm地貌上為渾河沖洪積平原。

擬建場地內(nèi)地勢平緩，地層分布較規(guī)律，在勘察深度控制范圍內(nèi)，其地層沉積情況呈由上到下粒度由細(xì)變粗的沉積韻律結(jié)構(gòu)。耕表土厚度為0.50～1.00m；粉質(zhì)粘土厚度為3.10m～7.10m；粉土厚度為0.30～2.20m；中砂厚度為0.20～2.80m；園礫厚度為6.50m；卵石厚度為8m。

3 樁基礎(chǔ)論證、分布及造價對比

學(xué)校黨委考慮到學(xué)校資金緊張，為降低成本，避免不必要的浪費(fèi)，曾多次組織了有關(guān)專家對新校區(qū)的設(shè)計(jì)進(jìn)行論證。在結(jié)構(gòu)方面，對于基礎(chǔ)的爭論較大，原設(shè)計(jì)為螺旋壓灌樁，按照當(dāng)時的定額和市場價格，螺旋壓灌樁的成本非常高，而根據(jù)我校的地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，專家在比較了幾種樁型之后，認(rèn)為采用人工挖孔擴(kuò)底灌注樁更為合適。人工挖孔擴(kuò)底灌注樁成本很低，以我校的地質(zhì)條件采用此種樁型，可以大面積展開作業(yè)，不但施工速度快，安全性高，而且成本降低了很多，根據(jù)當(dāng)時的市場價格和定額，經(jīng)過總體對比，平均每根人工挖孔灌注樁的造價比螺旋壓灌樁降低1000元左右，按照我校各建筑物采用樁基的數(shù)量，教學(xué)樓群樁基491根，實(shí)驗(yàn)中心樁基204根，體育中心355根，圖書館、博物館135根，辦公樓97根，兩棟高層52根，食堂一84根，食堂二79根，新校區(qū)總樁數(shù)為1407根，工程預(yù)算規(guī)范計(jì)算，可降低造價140.7萬元，因此我校新校區(qū)的建筑物基礎(chǔ)改為人工挖孔灌注樁。

4 樁基施工中的質(zhì)量控制

新校區(qū)的樁基工程的工程量大且工程質(zhì)量要求嚴(yán)格，作為建設(shè)單位我們一方面協(xié)調(diào)好施工、監(jiān)理、現(xiàn)場管理人員之間的關(guān)系；另一方面主要從以下幾個方面進(jìn)行了嚴(yán)格控制：測量控制、護(hù)壁施工、鋼筋骨架預(yù)埋、注漿混凝土。

4.1 測量控制

根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行放線測量，主要是測定樁位基點(diǎn)、孔徑角度、挖孔孔徑測量。

①樁位定位測量

樁位的把控是按照設(shè)計(jì)施工的基礎(chǔ)，是結(jié)構(gòu)均布受力的保證，樁位測定后應(yīng)組織校正驗(yàn)收，保證精確方可施工，施工過程中測距儀、水準(zhǔn)儀等測量儀器仍需專人監(jiān)控，確保施工過程中無偏心現(xiàn)象。

②樁身角度監(jiān)測

樁身角度監(jiān)測在施工前準(zhǔn)備采用十字控線法進(jìn)行，配有專人監(jiān)控，不影響護(hù)臂的分段施工。

③擴(kuò)底尺寸控制

人工擴(kuò)底挖孔首先保證人員安全，施工人員配有測量工具，施工前進(jìn)行技術(shù)交底，以上大底小的倒錐形結(jié)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)。擴(kuò)底基地啊應(yīng)保證達(dá)到勘察的持力層并達(dá)到設(shè)計(jì)尺度，擴(kuò)底樁徑按設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行，保證護(hù)臂穩(wěn)定，完成后在基地中心與地表進(jìn)行校核，下方擴(kuò)底設(shè)計(jì)模型，對人工挖孔進(jìn)行局部修整，確保滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 護(hù)壁施工

護(hù)臂施工前應(yīng)對孔位進(jìn)行詳細(xì)勘探，以防不良地質(zhì)條件帶來的孔壁支撐不足而坍塌現(xiàn)象?？妆诘氖┕つ壳芭c發(fā)展為多種形式：磚砌護(hù)壁、砼護(hù)壁、鋼筒護(hù)壁等?？舍槍Σ煌刭|(zhì)條件進(jìn)行不同設(shè)計(jì)孔壁形式。

本次施工預(yù)采用鋼模形式，具有一定的支護(hù)能力，可適應(yīng)多種不良的地質(zhì)環(huán)境，也為樁身的完整性提供有效保障。同時鋼模在國內(nèi)發(fā)展迅速，可進(jìn)行廠家預(yù)制不同尺寸，適應(yīng)各種樁深，便于該工序快速完工。對于本次人工擴(kuò)底挖孔樁，選擇鋼模更是為護(hù)臂提供了保障。鋼模護(hù)臂的安置前也需要進(jìn)行技術(shù)交底，根據(jù)設(shè)計(jì)要求在預(yù)定深度進(jìn)行施工，淺表層老土層顆粒級配優(yōu)良并進(jìn)行了大開挖可不做護(hù)臂要求。

4.3 鋼筋骨架預(yù)埋

鋼筋骨架是樁身重要組成部分，鋼筋的制作及綁扎嚴(yán)格按照配筋設(shè)計(jì)進(jìn)行，采用砂鋸齒打磨，焊接材料要與鋼筋材料匹配。施工配有專業(yè)鋼筋隊(duì)伍，鋼筋制作的弧度及角度要進(jìn)行專人校對，采用雙層以上鋼絲進(jìn)行綁扎，保證鋼筋籠整體穩(wěn)定性，在對鋼筋骨架長度設(shè)計(jì)時可考慮不予基底深度相同，因鋼筋主要提供抗拉強(qiáng)度，而人孔挖孔制作的擴(kuò)大基底主要承擔(dān)樁端抗壓能力，所以鋼筋骨架的預(yù)埋深度不必延伸至基底，此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可降低部位鋼筋采購造價。但鋼筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格遵守規(guī)范要求，綁扎間距規(guī)范進(jìn)行，誤差控制在允許范圍內(nèi)。焊接長度大于6倍鋼筋直徑，保證鋼筋籠作用的充分發(fā)揮。鋼筋骨架在下方人挖孔時采用吊裝形式，注意下方速度，避免破壞孔壁及防止鋼筋骨架整體掉入孔中。

4.4 注漿混凝土

對孔內(nèi)混凝土澆筑也是人工挖孔樁的關(guān)鍵，其中混凝土的配比及水灰比、地下水情況、養(yǎng)護(hù)措施等多種主要控制參數(shù)影響試樁的承載效果。因施工地點(diǎn)為東北地區(qū)，應(yīng)控制工期安排，避免冬季施工養(yǎng)護(hù)，更為試樁承載能力提供可靠依據(jù)。

人孔挖孔樁的孔徑較大對混凝土整體抗壓強(qiáng)度要求較高，養(yǎng)護(hù)后應(yīng)在40MPa以上，配備方案要制作試樣進(jìn)行試驗(yàn)，檢驗(yàn)此配比方案是否滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。采用多組配比多個試塊進(jìn)行，以最好的材料屬性配比投入工程應(yīng)用。所以現(xiàn)場攪拌時對提供水泥、砂子、碎石、外加劑應(yīng)按比例添加并充分?jǐn)嚢?，根?jù)本院校材料專家建議，水溫對混凝土的強(qiáng)度也具有影響，因此現(xiàn)場對試樁混凝土攪拌時進(jìn)行了水溫控制，防止混凝土在地表以下產(chǎn)生嚴(yán)重開裂，提高抗壓承載能力。

人孔挖孔的孔徑較大可選用大直徑骨料提高混凝土的顆粒級配提高骨料相互間的咬合能力。澆筑時雖可進(jìn)行振搗，但由于孔徑較大避免振搗不均勻，因此在混凝土攪拌時添加一定的外加劑，使混凝土產(chǎn)生一定的自流平效果，減少混凝土間的空隙。

5 樁身質(zhì)量檢測及承載力確定

本文僅以體育中心為例介紹新校區(qū)的樁基質(zhì)量檢測情況。

5.1 低應(yīng)變動力檢測

基樁低應(yīng)變檢測的原理是，通過高阻尼傳感器檢測樁頭錘擊后的應(yīng)力波，通過反射回來的應(yīng)力波長度檢測樁身的完整性，進(jìn)一步檢驗(yàn)施工注漿的效果。若反射波長與樁身相近這說明樁身完整，如反射波長明顯短小嚴(yán)重畸變，則應(yīng)進(jìn)行多次校正，所測時域及頻域結(jié)果均短小則可證明波長處樁身有異常，可考慮為缺陷位置有斷樁或頸縮現(xiàn)象的發(fā)生。每一次的錘擊測試都會通過連接的儀器記錄，可將所測結(jié)果導(dǎo)出進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)分析。表明樁存在某種或多種缺陷，通過對記錄波形具體研究。樁身混凝土質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)如下：

Ⅰ類：樁身完整。

Ⅱ類：樁身有輕微缺陷，不會影響樁身結(jié)構(gòu)承載力的正常發(fā)揮。

Ⅲ類：樁身有明顯缺陷，對樁身結(jié)構(gòu)承載力有影響。

Ⅳ類：樁身存在嚴(yán)重缺陷。

一般說來，Ⅰ、Ⅱ類樁可以滿足要求；Ⅲ類樁經(jīng)載荷試驗(yàn)驗(yàn)證合格后可以使用；Ⅳ類樁應(yīng)進(jìn)行工程處理，并經(jīng)檢測合格后方可使用。

體育中心基樁低應(yīng)變檢測數(shù)量共計(jì)300根，經(jīng)現(xiàn)場檢測的300根樁中，均屬于Ⅰ、Ⅱ類樁，滿足設(shè)計(jì)要求。具體試驗(yàn)結(jié)果為：Ⅰ類樁276根占總樁數(shù)的92%，Ⅱ類樁24根占總樁數(shù)的8%。該結(jié)果表明，混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)期間不可避免的出現(xiàn)樁身微小瑕疵，所以施工過程中更應(yīng)注意各個工藝標(biāo)準(zhǔn)施工，人工挖孔時更應(yīng)注意對孔壁的修整。

5.2 單樁豎向靜載荷試驗(yàn)

體育中心基樁靜載荷試驗(yàn)以堆載慢速的方式進(jìn)行，即采用慢速維持荷載法，預(yù)估樁基礎(chǔ)承載能力并逐級加荷，每級荷載達(dá)到設(shè)定時間且相關(guān)規(guī)范要求的相對穩(wěn)定沉降幅度后再施加下一級荷載。用容珊式位移傳感器3只（50mm）觀測試樁的垂直位移。由于體育中心試樁采用工程樁做錨樁，試驗(yàn)同時采用兩塊百分表觀測錨樁的上拔量。試驗(yàn)采用橫梁反力結(jié)構(gòu)，最終加荷至2800kN。本試驗(yàn)使用油壓千斤頂（3200kN）施加垂直荷載，并保證油泵液壓油充足。

體育中心共進(jìn)行單樁豎向靜載荷試驗(yàn)2根，編號為試1、試2，試驗(yàn)結(jié)果見表1。由試驗(yàn)結(jié)果可知試樁單樁豎向承載力特征值可采用1400kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

本工程試樁屬于檢驗(yàn)性質(zhì)，采用了3200kN千斤頂作為加載設(shè)備，因此，在試驗(yàn)過程中，最大加載僅為2800kN，此時對應(yīng)沉降不到5mm，由這一試驗(yàn)結(jié)果及Q-S曲線可以判定，其單樁豎向極限承載力遠(yuǎn)大于2800kN。因此，實(shí)際工程中單樁豎向承載力采用1400kN，其安全系數(shù)遠(yuǎn)大于2。可見，新校區(qū)建設(shè)中，以人工挖孔擴(kuò)底灌注樁代替原設(shè)計(jì)中的螺旋壓灌樁，既經(jīng)濟(jì)又安全可靠。

表1 試樁基礎(chǔ)承載力特征值及對應(yīng)沉降量

5.3 沉降觀測

樁基沉降是建筑結(jié)構(gòu)災(zāi)害之一，嚴(yán)重則可發(fā)生結(jié)構(gòu)倒塌現(xiàn)象，但因基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)大沉降發(fā)生在早強(qiáng)，施工對周圍土層擾動，隨時間變化，樁周巖土體穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降較小，控制在允許范圍內(nèi)不會對建筑體造成實(shí)質(zhì)影響。所以進(jìn)行靜載試驗(yàn)，觀察早期樁基沉降數(shù)據(jù)可判斷設(shè)計(jì)的可行性，是建筑物或構(gòu)筑物在施工乃至使用過程中不可或缺的工作，也是技術(shù)資料中不可缺少的內(nèi)容，它不僅關(guān)系到建筑質(zhì)量，更關(guān)系到建筑物的安全。隨著工業(yè)與民用建筑業(yè)的發(fā)展，各種復(fù)雜而大型的工程建筑物日益增多，工程建筑物的興建，改變了地面原有的狀態(tài)，并且對于建筑物的地基施加了一定的壓力，這就必然會引起地基及周圍地層的變形。為了保證建（構(gòu)）筑物的正常使用壽命和建（構(gòu)）筑物的安全性，并為以后的勘察設(shè)計(jì)施工提供可靠的資料及相應(yīng)的沉降參數(shù)，建（構(gòu)）筑物沉降觀測的必要性和重要性愈加明顯?，F(xiàn)行規(guī)范也規(guī)定，高層建筑物、高聳構(gòu)筑物、重要古建筑物及連續(xù)生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)、動力設(shè)備基礎(chǔ)、滑坡監(jiān)測等均要進(jìn)行沉降觀測。特別在高層建筑物施工過程中，應(yīng)用沉降觀測加強(qiáng)過程監(jiān)控，指導(dǎo)合理的施工工序，預(yù)防在施工過程中出現(xiàn)不均勻沉降，及時反饋信息，為勘察設(shè)計(jì)施工部門提供詳盡的一手資料，避免因沉降原因造成建筑物主體結(jié)構(gòu)的破壞或產(chǎn)生影響結(jié)構(gòu)使用功能的裂縫，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

我校根據(jù)設(shè)計(jì)單位的施工圖設(shè)計(jì)，要求施工單位將沉降觀測點(diǎn)設(shè)在部分柱的上部，同時每二層觀測一次，竣工后再觀測一次，每次觀察均需采用環(huán)形閉合方法，或往返閉合方法當(dāng)場進(jìn)行檢查，同一觀測點(diǎn)的兩次觀測之差不得大于1mm，房屋和構(gòu)筑物的沉降量、沉降差、傾斜、局部傾斜均不大于地基允許變形值。在施工過程中，根據(jù)施工單位的觀測結(jié)果，觀測的沉降數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求。

在新校區(qū)建筑物投入使用后，根據(jù)新校區(qū)建筑物使用的這幾年情況來看，建筑物沒有出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，沒有出現(xiàn)墻體或梁開裂現(xiàn)象，說明新校區(qū)的基礎(chǔ)工程是成功的。