灰?guī)r地區(qū)強螺旋灌注樁應(yīng)用初探

李繼魁，許漢華，李 陽，劉啟玉，劉明江

（中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051）

強螺旋灌注樁是一種采用大直徑螺旋入土巖的干作業(yè)鉆進成孔，達到設(shè)計深度后進行泵送混凝土壓灌、后置鋼筋籠成樁的灌注工藝。適應(yīng)于各類風(fēng)化土、碎石土、漂卵石層以及軟～中等硬質(zhì)巖層等復(fù)雜、堅硬地層的鉆進成孔、成樁。其適用的巖石飽和單軸抗壓強度一般fr≤60MPa，松散巖石粒徑一倍樁徑。尤其在針對灰?guī)r地區(qū)入巖、溶洞等有良好的施工效益和質(zhì)量效果。具入巖速度快、入巖質(zhì)量好、樁身質(zhì)量保障、單樁豎向承載力高等特點?，F(xiàn)成樁直徑為Φ500mm～1000mm，深度≤32m。其單樁豎向承載力設(shè)計值2000KN～10000KN，對完整和較完整的灰?guī)r地基可采用巖石的抗壓強度和樁身強度中的低值作為單樁豎向承載力設(shè)計值。

劉鐘[1]等為了深入研究新型螺旋擠土灌注樁（SDS樁）和長螺旋灌注樁（CFA樁）在承載變形性狀方面的差異性，對SDS樁相對于CFA樁承載力的提高幅值及其技術(shù)優(yōu)勢的內(nèi)在機理進行了分析與探討。胡煥校[2]研究在極限加載范圍內(nèi)，用雙曲線法能較好地預(yù)測全螺旋灌注樁的單樁極限承載力，擬合曲線與實測的曲線比較吻合且預(yù)測的結(jié)果偏于安全，預(yù)測結(jié)果的偏差與地層情況關(guān)系不大。吳敏[3]等對全螺旋灌注樁-螺紋樁的承載力機理進行了初步探討，比較了螺紋樁與傳統(tǒng)直線型灌注樁豎向承載力的基本特性，探討了螺紋樁設(shè)計計算方法。

1 場地工程地質(zhì)條件

研究區(qū)地表下發(fā)育隱伏溶溝(槽)、溶脊、漏斗、石芽，部分鉆孔揭露的覆蓋層厚度達到30m以上，同時相鄰鉆孔揭示基巖埋藏很淺。上述情況表明地下發(fā)育隱伏溶溝(槽)、漏斗，造成基巖起伏劇烈。場地基巖為石灰?guī)r，巖層均被第四系土層覆蓋，巖溶形態(tài)主要表現(xiàn)為地下巖溶，巖層面起伏大，巖溶形態(tài)以溶洞（隙）為主。根據(jù)波速測試，嵌巖樁樁端持力層二疊系陽新組（P1y）中風(fēng)化石灰?guī)r壓縮波速度Vpm在2497（m/s）～3316（m/s）之間，新鮮巖石壓縮波速度Vpr在3181（m/s）～4617（m/s）之間，波速比為0.64～0.78，巖體完整性指數(shù)為0.41～0.61。本場地施工階段勘察對所有柱下均布設(shè)了不少于一個鉆孔，鉆孔深度要求大于中風(fēng)化灰?guī)r持力層5.0m，以指導(dǎo)灌注樁的實際施工樁長。施工勘察查明的土洞、巖溶及中風(fēng)化夾層，溶溝、溶芽等不利地質(zhì)條件實際要復(fù)雜得多，樁基見溶洞率為11.73%，局部垂向出現(xiàn)了2組溶洞，最大洞高8.30m；同一承臺（三樁）間的最大基巖面落差達17.30m。

2 關(guān)于入巖的可靠性問題

在巖石地區(qū)成樁施工時，樁端應(yīng)確保進入持力層一定的深度，設(shè)計一般要求進入中等風(fēng)化巖≥0.50m。為確保入巖深度的可靠，需要通過對樁位進行施工勘察，以查明其地層情況，指導(dǎo)樁基施工對樁長和入巖深度的準(zhǔn)確性。同時，施工中應(yīng)注意在進入中風(fēng)化巖石段入巖速度、聲音、鉆速、返渣等的變化，并進行及時、詳細的記錄。當(dāng)施工中需要穿越多組堅硬地層時，需要對照勘察鉆孔柱狀圖予以記錄和核對，確保真實的持力層入巖深度可靠性。施工中的成孔過程同時是對鉆探成果的驗證。

3 關(guān)于對混凝土特性的要求

由于強螺旋灌注樁混凝土的灌入一般采用泵送混凝土壓灌，且一般還需進行鋼筋籠的后期插入，因此應(yīng)滿足泵送壓灌和鋼筋籠插入兩方面的要求。泵送、壓灌混凝土，主要是在坍落度方面，即坍落度控制在180mm～220mm；鋼筋籠的插入，主要是考慮鋼筋籠鋼筋橫向之間的間隙對碎石通過性的要求，特別是鋼筋籠較長、間距較密時。故一般選擇細石混凝土，細石粒徑以0.5cm為佳，不大于1.5cm?；炷林兴槭蜕埃瑧?yīng)嚴(yán)控含泥量，對其風(fēng)化程度也有嚴(yán)格的要求，要求以中等風(fēng)化程度以下的硬質(zhì)巖石為骨料。在特殊情形下，可采用添加劑改善混凝土的特性，如緩凝劑、防凍劑等，添加劑的參量，應(yīng)通過配比試驗來進行控制。

4 施工注意事項

4.1 樁位的測量和標(biāo)高的控制

當(dāng)在施工采用引孔+成樁的二次工藝時，須在成樁灌注前對樁位進行復(fù)核，并采取必要的措施糾正樁位偏差。樁位偏差則體現(xiàn)樁位測量放線的事前和事中控制上。在實際的施工中，作業(yè)班組多是將混凝土直接灌注到地面。鑒于此，需對其設(shè)計指標(biāo)、工藝等進行針對性說明或要求。設(shè)計宜適當(dāng)提高對樁頂超灌或保護樁長的要求。在工藝性上，如條件許可，應(yīng)盡量降低施工作業(yè)面的標(biāo)高，以達到混凝土的保護樁長所設(shè)計的標(biāo)高為宜，以0.50m～1.00m為佳。

4.2 頂鋼筋籠標(biāo)高及鋼筋籠長度的控制

強螺旋在灰?guī)r地區(qū)的成樁，加上承臺標(biāo)高緣故，樁長實際差異很大。因而其鋼筋籠的制作難以按固定的長度提前加工，從而給其工藝間的銜接帶來了困難。施工中，由于成孔后需要及時進行樁身的灌注，鋼筋籠的制作按預(yù)估長度制作時，這就容易導(dǎo)致鋼筋籠在后置過程中標(biāo)高和長度不一致問題。為解決這一問題，需要對鋼筋籠的設(shè)計長度進行施工復(fù)核；同時需要進行設(shè)計方面的優(yōu)化?，F(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程中，鋼筋籠為通長配置，但根據(jù)灌注樁的實際受力情況，鋼筋籠的長度一般大于2/3樁長即可。如果在設(shè)計文件中做類似的明確，只規(guī)定鋼筋籠長度的比例，不作具體長度的要求，則鋼筋籠在加工制作上就能獲得較標(biāo)準(zhǔn)的長度規(guī)格，就能提前進行鋼筋籠的制作。

4.3 混凝土充盈系數(shù)

在灌注樁施工定額或其施工招投標(biāo)中，對混凝土充盈系數(shù)均作出了明確的設(shè)定，實際中，隨巖土條件、施工工藝、施工組織等的不同，變化較大?；?guī)r地區(qū)的上覆土層，其充盈系數(shù)可按下列數(shù)值選用：對黏性殘坡積土、沖積層的覆蓋層，一般小于1.1，在砂性殘坡積、沖積土中一般為1.1～1.25，在沉積等較松散的砂土中，為1.15～1.30，在淤泥質(zhì)類軟土中為1.4～1.8之間，在新近填土層中，為1.2～1.6。對巖石段的灌注，則主要受完整性、裂隙發(fā)育及其充填因素影響而變化?；炷恋木C合充盈系數(shù)，還要考慮到地層中的其它特殊情況，如土洞、松散的塊石填土、級配較差的砂卵石層、裂隙發(fā)育等，因為混凝土壓灌在非機械擴孔的情況下，也會因壓力造成混凝土向樁側(cè)、樁底的空隙中充填。在一些地下水流動的地層中，還可能造成混凝土或水泥漿液的流失。鉆頭及鉆桿直徑的精度因素也是造成混凝土充盈系數(shù)變化的原因。

4.4 二次成樁情況下的樁長控制

當(dāng)成樁速度總體較慢時，也可選擇采用二次成樁的施工工藝，即“成孔+成樁”的工藝組合。當(dāng)采用同一臺樁機作業(yè)時，一般更換鉆頭即可，即通過鉆頭的變化來進行引孔和灌注的區(qū)別。作為引孔的鉆頭，具有超強的切削和耐磨能力，其鉆頭的結(jié)構(gòu)和形狀也會根據(jù)地層的情況來進行專門的設(shè)計和加工。作為灌注成樁的鉆頭，其結(jié)構(gòu)設(shè)計上有別于成孔鉆頭，從而會導(dǎo)致在計算引孔和灌注樁長方面存在誤差。這一情況，需要在使用具有一定入巖能力的灌注鉆頭，同時對樁位標(biāo)高、樁長進行復(fù)核，確保灌注時樁端消除沉渣的措施。當(dāng)采用不同樁機進行成孔和灌注時，需要對鉆桿的直徑進行匹配和校驗。尤其在成樁過程中，減少對硬質(zhì)夾層、孤石以及陡傾巖層的影響，及在測量、計算方法上的誤差，導(dǎo)致孔底段出現(xiàn)虛土。所以，應(yīng)盡量采用一次成樁的施工工藝。

5 特殊條件下的成孔和灌注

5.1 復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的成孔與成樁

強螺旋樁基處于山前等地下水排泄區(qū)、原地表匯水地段、承壓含水層時，基巖中的裂隙水會對灌注樁在混凝土初凝之前造成影響及破壞，尤其是受同一裂隙帶影響的相鄰樁孔，易形成的竄樁，導(dǎo)致樁身的離析、斷樁等現(xiàn)象。地下水對樁基施工的影響，在勘察階段難以對此作出針對性的分析及評價，需要通過施工單位豐富的地區(qū)及施工經(jīng)驗，在充分收集勘察資料、現(xiàn)場踏勘、設(shè)計要求的前提下，通過對地質(zhì)環(huán)境的調(diào)研、考察，從而制定按序次施工的方案，縮短單樁的成樁時間、改善混凝土的的配制方面進行組織，以保障混凝土灌注及成樁的順利實施。在裂隙水場地著重采用按序次施工，在承壓水場地，著重改善混凝土的配制、縮短成樁時間。

5.2 關(guān)于巖溶等地下空洞的灌注

灰?guī)r地區(qū)的巖溶一類問題，既要在勘察中予以查明，更重要的是在施工中要有切實的措施和預(yù)案。強螺旋鉆進時，要對巖溶上部的頂板予以鉆穿，根據(jù)勘察鉆探中揭示的是否有充填、充填物質(zhì)及成分等因素，一般會采用減壓或適當(dāng)提鉆的方式保持鉆進。巖溶等地下空洞在混凝土灌注時，應(yīng)對其灌注量要有充分的評估。當(dāng)估算的溶洞填充量不太大時，可以以填滿或填實處理為主。當(dāng)巖溶的空間較大時，灌入的混凝土量大，可采用坍落度較小、粒徑較粗的混凝土灌注，同時以間歇性的灌注方式，必要時添加速凝劑等添加劑。當(dāng)溶洞內(nèi)的地下水較豐富，流速較快時，不宜采用直接性的灌注方式，宜采用下入護筒隔離的方式進行灌注。護筒的下入可進行專門的設(shè)計和施工，采用專門的機具設(shè)備。在一些地下裂隙強發(fā)育的場地，在混凝土的灌注時，尚應(yīng)根據(jù)混凝土充盈系數(shù)的變化來調(diào)整灌注鉆桿的提升速度，并控制鋼筋籠下入時樁內(nèi)混凝土的下沉等后期處置。

5.3 填方、軟土等地層的灌注

在高填方等松散層場地，因未對填土層進行有效的壓實處理，土層中存在較高空隙率，以及在軟土等松軟地層中成樁灌注時，混凝土的充盈系數(shù)通常較高，一般達1.5～2.0。當(dāng)填土以、松散的建筑垃圾、碎塊石等為主時，其充盈系數(shù)還會更高。實際的設(shè)計、施工中從節(jié)省工期、工藝的組合方式、造價的角度上還是比加設(shè)護筒等其它措施要合理和經(jīng)濟些，不建議采用護筒等作為專門的護壁措施，更不宜采用泥漿等支護處理。在厚層的軟土地層中，還應(yīng)注意成樁灌注時對相鄰樁孔間因混凝土壓灌擠壓造成的對鄰樁強度的影響和損壞；在松散并地下水發(fā)育場地，則應(yīng)注意因混凝土灌注時造成相鄰樁間竄樁的影響和破壞。