黃泛區(qū)長螺旋壓灌法CFG樁施工力學(xué)問題分析

李根紅， 何利超， 張 浩， 馬一凡， 周同和

（1.河南省體育局，鄭州 450000； 2.鄭州大學(xué)，鄭州 450001）

1 研究概況

在地下水位較高的飽和粉土和粉細(xì)砂層中進(jìn)行CFG樁施工時常遇到樁頂標(biāo)高低于設(shè)計標(biāo)高，樁淺部發(fā)生嚴(yán)重縮頸、樁身夾泥、斷樁等質(zhì)量問題. 采用長螺旋鉆孔管內(nèi)泵送混凝土工藝施工CFG樁時，在驅(qū)動鉆具向下鉆進(jìn)過程中，螺旋葉片對孔周土具有剪切、擠壓和振動作用，方波等［1］認(rèn)為螺旋鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中的剪切、振動作用使飽和粉土和砂土層中能量積累，發(fā)生孔隙水壓力上升和土層液化. 打樁提鉆過程中，由于提鉆瞬間的抽吸作用［2］，導(dǎo)致孔內(nèi)出現(xiàn)短暫的真空狀態(tài)，孔底某一時刻為真空時，相當(dāng)于10 m高的水頭差，當(dāng)鉆桿提升較快時，這種抽吸作用將導(dǎo)致鉆孔周圍一定范圍內(nèi)的孔隙水?dāng)y帶泥砂向孔底流動，形成孔底虛土. 黃泛區(qū)高水位土層中存在的微承壓水也是飽和砂土和粉土中樁身發(fā)生質(zhì)量問題的原因. 孫瑞民等［3］分析認(rèn)為鄭州市區(qū)具有這種巖土特征的地層多分布在鄭州東北部，地表下一定深度范圍內(nèi)的粉土易失水、易被擾動，具有輕微液化可能. 場地范圍內(nèi)地下水位高，分成上層潛水和下層微承壓水，這種土受擾動易產(chǎn)生液化、產(chǎn)生流變、造成臨近地基土向孔內(nèi)流動，使得地面下沉或表層地基土變形過大，是造成CFG樁產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因之一. 樁淺部產(chǎn)生嚴(yán)重縮頸、樁身夾泥、斷樁等質(zhì)量問題的可能原因還有泵送混凝土?xí)r提鉆速度過快，混凝土充盈系數(shù)較小等. 劉彥林等［4-7］基于工程實例，對CFG樁成樁過程中所產(chǎn)生的斷樁、堵管、竄孔等質(zhì)量問題進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的預(yù)防措施和處理方法，提出了施工過程中的注意事項，為CFG樁的工程應(yīng)用提供了很好的參考. 孫歆碩等［8］基于長螺旋鉆孔壓灌混凝土樁在軟弱地層難以成孔、成孔后樁端有虛土、樁頂浮漿不易清除、鋼筋籠下放困難等問題，并研究分析了長螺旋鉆孔壓灌混凝土樁的施工特點和關(guān)鍵步驟.

以上研究聚焦于長螺旋鉆機(jī)施工過程中土體剪切液化、孔隙水壓力上升、土體流動等，但對樁身縮頸產(chǎn)生的另兩個不容忽視的問題缺乏研究和探討，即軟黏土的超固結(jié)性和樁周土體受擾動后抗剪強(qiáng)度降低. 在某一工況條件下，超固結(jié)土或擾動后樁周的土壓力大于未凝固流態(tài)混凝土側(cè)壓力時，可能產(chǎn)生對混凝土的擠壓效應(yīng)，加劇了上述問題的產(chǎn)生.

朱鐵梅等［9-11］研究了混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)施工過程中的側(cè)向壓力，其研究表明未凝固的混凝土具有流動性，產(chǎn)生像流體一樣的壓力傳遞，隨著混凝土澆筑高度的增加，下部流動性質(zhì)的混凝土對于模板或周圍的土體有很大的側(cè)向壓力. 隨著混凝土逐漸凝固，側(cè)向壓力逐漸變小. 影響混凝土側(cè)向壓力的因素有水泥的種類和用量、骨料特性、水灰比、化學(xué)摻合料、澆筑速度、澆筑方式、混凝土溫度、模板尺寸等. 粗骨料含量越高，初始側(cè)向壓力越低，澆筑后隨時間下降的速度越快；水含量提高，水泥顆粒周圍水層厚度增厚，顆粒間的距離增加使內(nèi)聚力下降，顆粒的絮凝作用降低. 進(jìn)一步研究可知：當(dāng)水灰比增大，側(cè)向壓力的下降速度變快；高效減水劑的類型對初始側(cè)向壓力的影響是有限的，這是因為初始側(cè)向壓力主要受內(nèi)摩擦角的影響，側(cè)向壓力隨時間下降的速度主要受內(nèi)聚力的影響；澆筑速度對混凝土側(cè)向壓力的影響至關(guān)重要，澆筑速度越快，側(cè)向壓力就越大，相反，澆筑速度降低，混凝土側(cè)向壓力降低. 趙建忠等［12］根據(jù)結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu)特點建立計算模型，通數(shù)值模擬分析提出了自密實混凝土對結(jié)構(gòu)模塊鋼板的側(cè)壓力特點. 史曉婉、裴新意等［13-14］揭示了泵送自密實混凝土澆筑側(cè)壓力的分布規(guī)律，分析了實測側(cè)壓力值與流態(tài)計算值之間的關(guān)系.

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)［15］《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB 50660—2011），混凝土側(cè)向壓力：

式中：γc為混凝土容重，可取24 kN/m3；h 為混凝土澆筑高度.

國內(nèi)外對混凝土側(cè)壓力進(jìn)行了大量的測試研究，發(fā)現(xiàn)混凝土側(cè)壓力分布從澆筑面向下至最大側(cè)壓力處，基本遵循三角形分布，達(dá)到最大值后，側(cè)壓力為矩形分布. 以樁為例時，假定如圖1.

有理論分析與試驗表明，混凝土側(cè)壓力主要影響因素如下：

1）在一定澆筑速度下，混凝土的凝結(jié)時間隨溫度的降低而延長，從而增加其有效壓力.

2）機(jī)械振搗的混凝土側(cè)壓力比手工搗實增大約56%.

3）側(cè)壓力隨坍落度增大而增大，當(dāng)坍落度從70 mm增大到120 mm時，其最大側(cè)壓力約增加13%.

4）摻加劑對混凝土的凝結(jié)速度和稠度有調(diào)整作用，從而影響到混凝土的側(cè)壓力，緩凝、稠度小混凝土一般可以增加側(cè)向壓力.

圖1 孔內(nèi)混凝土與土側(cè)向壓力分布示意Fig.1 Distribution of concrete lateral pressure

5）隨混凝土重力密度、超灌高度的增加而增大.

黏性土層發(fā)生某種程度超固結(jié)的原因主要是由于地表水或地下水靜水位發(fā)生變化，超固結(jié)黏土土壓力要大于正常固結(jié)黏土，但計算理論和試驗方法仍處于進(jìn)一步研究階段［16-21］. 糾永志和黃茂松［22］通過應(yīng)力路徑三軸試驗對不同超固結(jié)比下飽和軟黏土的K0系數(shù)及超固結(jié)軟土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，常用的K0系數(shù)計算公式過高地估算較大超固結(jié)比時的K0值，提出K0超固結(jié)軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度公式. 楊仲元［23］通過試驗證實靜止土壓力系數(shù)隨超固結(jié)比的增大而增大的規(guī)律. 當(dāng)超固結(jié)比超過2.5時，靜止土壓力系數(shù)與超固結(jié)比為非線性關(guān)系，可用指數(shù)函數(shù)來近似表示.《河南省基坑工程技術(shù)規(guī)范》（DBJ 41/139—2014）［24］提出超固結(jié)土靜止土壓力系數(shù)可采用K0= OCR(1-sin φ′s)進(jìn)行計算. 王國富等［25］依托濟(jì)南地鐵工程勘察，采用原位土體水平壓力測定儀（KSB）對濟(jì)南西北部黃河厚沖積層進(jìn)行現(xiàn)場測試，將測試結(jié)果與原位旁壓試驗、室內(nèi)側(cè)壓力儀K0試驗結(jié)果以及考慮黏性土內(nèi)摩擦角、塑性指數(shù)的K0計算公式進(jìn)行對比，分析表明，KSB測試結(jié)果以指數(shù)形式插值推定原位靜止土壓力系數(shù)更優(yōu)；20 m深度范圍內(nèi)黃河沖積層黏性土可近似為正常固結(jié)飽和狀態(tài)，K0介于0.4～0.7之間并隨埋深減小.

2 縮頸與斷樁產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理分析

2.1 施工力學(xué)作用

長螺旋鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的振動、剪切會使孔隙水壓力上升，新近沉積得粉土和砂土可能發(fā)生液化. 樁周液化土重新固結(jié)的過程，將引起樁身混凝土體積的變化.

長螺旋鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的振動、剪切引發(fā)孔隙水壓力上升、新近沉積粉土、砂土的液化. 樁周液化土重新固結(jié)的過程，將引起樁身混凝土體積變化.

該體積變化量不能由充盈系數(shù)得到補償時將引起上部樁身混凝土的下沉及樁孔內(nèi)的混凝土可能被拉斷或“拉細(xì)”（如圖2），形成淺部斷樁或縮頸. 此外，因施工操作不規(guī)范，壓灌混凝土的泵送與提鉆不協(xié)調(diào)，等原因，可在孔底形成空隙引起樁身混凝土下沉，加劇了這一進(jìn)程. 當(dāng)土層分布為粉土、粉質(zhì)黏土交互層狀態(tài)時，上部樁身可能形成“糖葫蘆”狀.

圖2 成樁質(zhì)量效果示意圖Fig.2 Schematic diagram of concrete pile quality effect

2.2 土力學(xué)作用

長螺旋壓灌法采用長螺旋鉆機(jī)成孔，鉆至孔底后利用混凝土泵車通過管道和鉆桿空腔將混凝土壓灌至孔底后，邊提升拔出鉆桿邊壓灌混凝土形成CFG樁. 這一過程中，因鉆具回轉(zhuǎn)振動、剪切、壓灌等作用，對黃泛區(qū)新近沉積的粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂土的擾動會產(chǎn)生超孔隙水壓力，降低其抗剪強(qiáng)度，并可能引起粉土、砂土液化. 液化處產(chǎn)生擴(kuò)徑，引起擴(kuò)徑上部樁身流態(tài)混凝土產(chǎn)生下拉荷載；未液化處的黏性土土體抗剪強(qiáng)度降低，此時上覆土層厚度未發(fā)生改變，樁孔壁側(cè)向土壓力必然增加；對于樁周存在超固結(jié)黏性土?xí)r，因主動土壓力較大，當(dāng)鉆桿移除后，將對流態(tài)混凝土產(chǎn)生擠壓作用（圖3）. 當(dāng)符合下列條件時可能產(chǎn)生縮頸：

圖3 樁側(cè)土擠壓流態(tài)混凝土作用示意Fig.3 Schematic diagram of the squeeze effect of surrounding soil on fluid concrete

式中：γc為混凝土容重；hi為縮頸處至樁頂混凝土澆筑面距離，超灌樁長一般按設(shè)計樁長的10%；γi為土重度；h為縮頸處至施工地面距離. Ka為主動土壓力. 不難理解，當(dāng)施工面距樁底設(shè)計標(biāo)高距離越大時，左式大于右式的可能性越大.

上部樁身某段樁周為超固結(jié)土或軟土?xí)r，該段未凝固的混凝土對樁孔壁的側(cè)壓力可能小于樁側(cè)主動土壓力. 縮頸、斷樁最可能發(fā)生在超固結(jié)的粉質(zhì)黏土、軟土層中.

綜上所述，當(dāng)某處混凝土補充量小于需求量，且同時受到一定的土壓力擠壓時，最有可能形成縮頸或斷樁.

3 工程實例分析

3.1 工程概況

某工程地下1層，地上18層，剪力墻結(jié)構(gòu)，采用CFG樁復(fù)合地基，基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)，樁頂標(biāo)高-4.2 m，樁徑400 mm，樁長16.5 m進(jìn)入第⑦層.

場地地貌單元屬于黃淮沖積平原，地面平坦，地下水為第四系潛水，位于自然地面以下5.5～6.5 m. 工程地質(zhì)條件，各層土抗剪強(qiáng)度與標(biāo)貫擊數(shù)等參數(shù)如表1、表2、圖4所示.

表1 土層條件及參數(shù)Tab.1 Soil conditions and parameters

表2 第⑤層砂土顆粒分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of sand particles in the ⑤layer

圖4 地質(zhì)剖面Fig.4 Geological section

采用長螺旋泵送混凝土施工工藝，施工完成后進(jìn)行承載力與質(zhì)量檢驗，檢測結(jié)果顯示單樁豎向承載力特征值不滿足設(shè)計要求，低應(yīng)變檢測抽查數(shù)量242 根，其中Ⅳ類樁211 根. 開挖檢查發(fā)現(xiàn)CFG 縮頸樁數(shù)較多，發(fā)生在基底，如圖5所示.

圖5 現(xiàn)場開挖至基底照片F(xiàn)ig.5 Photos of site excavation

3.2 孔壁土壓力對樁身質(zhì)量影響的計算分析

孔壁土壓力與混凝土側(cè)向應(yīng)力計算分析，超固結(jié)黏性土側(cè)向土壓力為

式中：K0= OCR(1-sin φ′s)，黃泛區(qū)超固結(jié)黏性土的超固結(jié)比，一般地 OCR =1～2.

樁側(cè)土壓力與混凝土側(cè)向壓力計算結(jié)果如圖6 所示. 實例工程基礎(chǔ)埋置深度4 m，基底位于第③層粉質(zhì)黏土，土層力學(xué)指標(biāo)如表1 所示，土層重度取γ=20 kN/m3，假定取 OCR =1. CFG樁施工時，混凝土設(shè)計超灌（超出設(shè)計樁頂標(biāo)高）1 m，實際超灌量為2 m. 可以看出，基底位置處樁孔側(cè)壁土的側(cè)向壓力（不考慮樁周土體擾動）為Ps0=63 kPa，而此處混凝土對樁孔壁的側(cè)向壓力為Pc0=48 kPa，小于樁側(cè)土壓力Ps0，具備了產(chǎn)生縮頸的條件.

圖6 樁孔側(cè)壓力計算結(jié)果Fig.6 Calculation results of lateral pressure

隨深度增加，混凝土側(cè)向壓力、孔壁土壓力將增加，假定取 OCR =1.5，根據(jù)式（1）、式（2）計算埋深10 m處土的側(cè)向壓力（不考慮樁周土體擾動）為Ps0=163.5 kPa，此處的混凝土側(cè)向壓力為Pc0=192 kPa，大于樁周土側(cè)壓力Ps0，產(chǎn)生縮頸的可能性將會降低. 以上計算表明，CFG樁上部淺層存在超固結(jié)黏性土或軟土?xí)r，具有產(chǎn)生縮頸的條件.

3.3 樁側(cè)土體液化對上部樁身質(zhì)量的影響分析

由表1可知，本工程第⑤層為平均厚度7.6 m的粉砂. 由圖4可知，地下水位位于設(shè)計樁頂以下大約1.5～2.0 m. 前已述及，在水位以下的新近沖積形成的粉砂、粉土施工CFG樁時，樁側(cè)第⑤層土體易受螺旋鉆桿擠壓、剪切、振動作用發(fā)生液化，第⑤層液化后產(chǎn)生擴(kuò)徑造成混凝土充盈系數(shù)大于正常值的情況；當(dāng)混凝土泵送流量與鉆桿提升速度不匹配、混凝土泵送量不足時，液化處擴(kuò)徑會導(dǎo)致上部樁身混凝土的下沉，上部超灌混凝土不能及時補充將產(chǎn)生淺部斷樁，補充量不足將產(chǎn)生縮頸. 此外，從圖5中可以看出，可能因土層厚度、均勻性和超灌情況、泵送前拔管高度不同等原因，同一標(biāo)高處不同部位情況不盡相同. 因此，設(shè)計施工時，需要根據(jù)不同土層分布情況制定相應(yīng)的措施.

4 設(shè)計與施工對策

通過以上分析可知，黃泛區(qū)粉土、粉質(zhì)黏土交互土層高水位條件下，長螺旋鉆孔壓灌混凝土工藝施工CFG樁時，應(yīng)采取措施防止樁頂嚴(yán)重下沉、縮頸、斷樁等質(zhì)量問題. 根據(jù)以上分析，提出采用以下對策.

4.1 設(shè)計措施

1）通過現(xiàn)場試驗性施工確定混凝土充盈系數(shù)，防止犯“經(jīng)驗主義”的錯誤影響施工質(zhì)量.

2）通過超固結(jié)土位置的土壓力平衡驗算估算超灌混凝土高度，為施工樁長提供設(shè)計依據(jù).

3）控制設(shè)計樁長，使孔底水頭差控制在一定范圍以內(nèi). 樁長過大不僅施工質(zhì)量難以保證，也不利于樁端阻力和樁側(cè)阻力的發(fā)揮.

4.2 施工措施

主要從減小施工擾動、控制混凝土下沉、防止負(fù)壓重要三個方面采取相應(yīng)措施：

1）降低地下水位，一方面減少孔底水頭壓力，另一方面提高軟土固結(jié)度，降低上部樁間軟土搖震反應(yīng)靈敏度.

2）降低施工作業(yè)面標(biāo)高以減少空孔長度，增加混凝土坍落度，添加緩凝劑、減少稠度，以減少流態(tài)混凝土側(cè)向壓力與樁側(cè)主動土壓力的壓力差.

3）采取隔樁、隔排、區(qū)域跳打的施工方案，增加相鄰樁的施工時間間隔. 該方法有利于樁間土體強(qiáng)度恢復(fù).

4）及時清理鉆進(jìn)棄土，降低作用在淺部孔壁上的土壓力.

5）控制底部拔管抽真空度和孔底沉渣厚度. 混凝土打開閥門前的提鉆高度嚴(yán)格控制在300 mm 以內(nèi).當(dāng)這一目標(biāo)控制有困難時（如施工中易發(fā)生混凝土堵管現(xiàn)象），可通過降低地下水、改變鉆頭開門等方法降低閥門開啟阻力，一方面防止下部形成空孔，另一方面防止樁孔周邊水土流向孔內(nèi).

6）改進(jìn)鉆頭，提高鉆進(jìn)速度，減少鉆進(jìn)對飽和砂土、粉土剪切擾動和能量積累，減弱土體液化態(tài)勢. 控制好鉆桿提升速度，使提升速度計算得到的混凝土量適當(dāng)小于泵送壓灌量.

以上設(shè)計與施工措施得到了工程實踐的驗證，產(chǎn)生了良好的技術(shù)效果.

5 結(jié)論

本文運用土力學(xué)基本理論和施工力學(xué)方法，分析了黃泛區(qū)高水位條件下粉土、粉質(zhì)黏土互層長螺旋鉆孔壓灌混凝土CFG樁產(chǎn)生縮頸、斷樁的原因、作用機(jī)理，所得結(jié)論如下：

1）引起樁身縮頸、斷樁、樁頂嚴(yán)重下沉的原因為下部樁身周邊土體的剪切液化、樁底空樁長度過長等產(chǎn)生的樁孔容積增大、液化土體固結(jié)、孔底空隙等引起的樁身混凝土下沉，相應(yīng)縮頸或斷樁位置的超固結(jié)土或軟土土壓力大于該處混凝土側(cè)向壓力等共同作用的結(jié)果.

2）產(chǎn)生上述現(xiàn)象的條件一般為場地地下水位較高、樁長范圍內(nèi)多為新近沉積的粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土，靈敏度較高，土體抗剪強(qiáng)度底、孔底水頭差較大.

3）縮頸程度或斷樁位置與土層分布條件有關(guān)，斷樁位置多位于樁身上部，施工時應(yīng)采取相應(yīng)的措施. 包括延長相鄰樁施工時間間隔、提高鉆進(jìn)速度降低長螺旋回轉(zhuǎn)剪切振動；降低地下水位減小樁底水頭差、控制樁底空孔長度；適當(dāng)增加混凝土超灌高度提高相應(yīng)位置流態(tài)混凝土的側(cè)向壓力等.

4）提出的控制設(shè)計樁長、施工前降低地下水水位、增加相鄰樁施工時間間隙、適當(dāng)增加超灌混凝土高度、控制混凝土壓灌時的提鉆速度等設(shè)計與施工措施，可降低長螺旋鉆孔壓灌混凝土樁縮頸、斷樁及樁頂嚴(yán)重下沉發(fā)生的概率.