復(fù)雜地質(zhì)條件下大直徑長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁施工效率提升技術(shù)

袁 航，謝 曦，浮明明，劉 瑋，李乾峰

(中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430068)

0 引言

云南省某市區(qū)由于深厚的軟土層和砂層地質(zhì)條件，導(dǎo)致大直徑樁基成孔緩慢、鋼筋籠下放困難，因而尚無(wú)大直徑長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁施工成功的先例。本文針對(duì)上述施工難題，提出深厚軟土層、砂層地質(zhì)條件下，大直徑長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁施工工藝的優(yōu)化措施，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 樁基概況

本工程樁基礎(chǔ)采用長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁，有效樁長(zhǎng)33m，樁徑800mm，樁間距2.4m。樁身采用C30混凝土，以第⑤層礫砂或第⑥層粉砂作為樁端持力層，樁端進(jìn)入持力層≥2.4m，單樁抗壓承載力特征值為1 700kN(見(jiàn)表1)。

表1 項(xiàng)目地層結(jié)構(gòu)及特征

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地內(nèi)地下水主要賦存于第四系松散層中的孔隙潛水中，主要受大氣降水補(bǔ)給，絕大部分迅速滲入地下，順地勢(shì)徑流向低洼處排泄，少量以蒸發(fā)方式排泄，場(chǎng)區(qū)水位埋深為0.4～5.9m，變化幅度4.5m。較小的水位埋深對(duì)樁基施工影響較大。

2 試樁施工

2.1 試樁施工過(guò)程

選取3根試樁施工時(shí)的樁機(jī)成孔數(shù)據(jù)，繪制成孔深度與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 試樁成孔深度-時(shí)間關(guān)系曲線

1)起始0～20m樁長(zhǎng)范圍內(nèi)(軟土層)，樁機(jī)成孔速度快，平均耗時(shí)0.8h。最后20～33.5m樁長(zhǎng)范圍內(nèi)(砂層)，樁機(jī)鉆進(jìn)困難，平均耗時(shí)2.5h。

2)3根樁混凝土壓灌比較順利，平均耗時(shí)0.8h。

3)1號(hào)樁鋼筋籠下放28.5m，耗時(shí)0.75h，其中最后15min內(nèi)下沉0.5m，終止下放，割斷多余鋼筋籠；2號(hào)樁鋼筋籠下放33.5m，耗時(shí)0.5h，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；3號(hào)樁鋼筋籠下放15m，耗時(shí)0.8h，其后鋼筋籠幾乎不下沉，終止下放，割斷多余鋼筋籠。

2.2 試樁結(jié)果分析

1)由于本工程處于深厚軟土、砂層的復(fù)雜地質(zhì)條件下，長(zhǎng)螺旋樁機(jī)樁身上部處于深厚軟土區(qū)域，樁身部位土體可隨螺旋葉片順利返至地表，樁周土體及葉片內(nèi)土體對(duì)螺旋葉片的摩擦阻力小，對(duì)鉆桿動(dòng)力消減弱，鉆進(jìn)速度快。當(dāng)鉆桿鉆至樁身下部分所處砂層土?xí)r，軟土經(jīng)鉆桿攪拌并與水結(jié)合后，形成具有一定黏度的黏性土，隨著鉆桿深入，樁周土體及葉片內(nèi)土體對(duì)螺旋葉片的摩擦阻力越來(lái)越大，使鉆進(jìn)速度隨深度增加快速下降。

2)結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告，鋼筋籠難以下放部位均為砂層，受混凝土配合比及樁周砂土的擠密作用，使鋼筋籠在砂層土中下放困難且耗時(shí)久。

3)相同地質(zhì)條件下，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)、樁徑越大，鉆桿螺旋葉片所受樁周土體和葉片內(nèi)土體的摩擦阻力越大，鉆桿掘進(jìn)力呈指數(shù)型下降，鉆進(jìn)時(shí)間相應(yīng)呈指數(shù)型增加。

3 樁基設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 原材優(yōu)選及配合比優(yōu)化

1)選用粒徑0.16～2.5mm的中粗砂，含泥量≤3%，過(guò)篩后方可使用。

2)采用質(zhì)地堅(jiān)硬、級(jí)配良好、含泥量<2%的碎石，最大粒徑宜≤16mm。

3)采用P·O 42.5水泥，初凝時(shí)間≥45min，終凝時(shí)間≤600min。

4)為改善混凝土流動(dòng)性，加入一定比例的火山灰和減水劑。經(jīng)商品混凝土公司實(shí)驗(yàn)室試配，并在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后確定混凝土最優(yōu)坍落度為220mm，到場(chǎng)混凝土坍落度≥210mm?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30，配合比(kg/m3)為：水∶水泥∶砂∶石∶火山灰∶緩凝減水劑=180∶385∶892∶870∶757∶9.1，28d抗壓強(qiáng)度為37.2MPa。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求單樁豎向抗壓承載力特征值為1 700kN。經(jīng)建設(shè)單位委托的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，1，2，3號(hào)試樁單樁豎向抗壓承載力特征值分別為2 890，1 850，2 550kN。樁身完整性均為Ⅱ類樁，樁身存在輕微缺陷，不影響樁身結(jié)構(gòu)承載力。

根據(jù)樁基施工過(guò)程中的問(wèn)題及試樁檢測(cè)報(bào)告，對(duì)鉆進(jìn)困難及鋼筋籠難以下放至設(shè)計(jì)標(biāo)高的問(wèn)題，采取如下優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1)針對(duì)性減小樁長(zhǎng) 由于場(chǎng)地各土層起伏變化較大，第⑤層礫砂或第⑥層粉砂埋深變化較大，鉆桿隨掘進(jìn)深度的增加所受摩阻力急劇增加，鉆進(jìn)速度也急劇下降，且過(guò)程中易發(fā)生鉆桿斷裂事故。為提高成孔速度，保證施工質(zhì)量，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，滿足以下條件時(shí)可減小樁長(zhǎng)：①確保樁底進(jìn)入第⑤層礫砂≥7m，且樁底以下第⑤層厚度≥2.5m；②為直觀保證以上要求，同時(shí)方便現(xiàn)場(chǎng)施工控制，每個(gè)柱下承臺(tái)至少有1根樁長(zhǎng)仍為33m(定義為參照樁)，提鉆后確定第⑤層的深度，結(jié)合鉆機(jī)鉆進(jìn)工作時(shí)間，在同等鉆機(jī)工作條件下，此承臺(tái)其余樁長(zhǎng)可按上執(zhí)行；③多柱(墻)下聯(lián)合承臺(tái)，參照樁需要多余1根，保證樁距離最近參照樁≤7.5m；④結(jié)合勘察報(bào)告鄰近鉆孔土層分布情況，參照樁鉆孔時(shí)間如出現(xiàn)異常，應(yīng)及時(shí)聯(lián)系設(shè)計(jì)院，綜合判斷是否執(zhí)行該操作；⑤特別注意，第④層粉砂、第⑤層礫砂、第⑥層粉砂組分相似，僅粒徑有所區(qū)別，現(xiàn)場(chǎng)提鉆后應(yīng)仔細(xì)檢查、慎重判斷。

2)混凝土變更為C30細(xì)石混凝土 受限于施工場(chǎng)地條件，混凝土輸送泵距離樁位較遠(yuǎn)，遠(yuǎn)距離管道輸送混凝土對(duì)輸送泵的輸送能力及混凝土流動(dòng)性要求較高，另外，鋼筋籠底部設(shè)置為V字形，鋼筋密度較大，大大增加下沉阻力。為降低混凝土壓灌及鋼筋籠下放難度，將原設(shè)計(jì)C30普通混凝土變更為C30細(xì)石混凝土，坍落度為220mm。

3)減小鋼筋籠長(zhǎng)度 根據(jù)試樁鋼筋籠下放情況及檢測(cè)結(jié)果，在樁基容許豎向荷載力范圍內(nèi)，樁身抗壓承載力與鋼筋籠長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，與此地質(zhì)條件下樁端阻力及樁側(cè)阻力有關(guān)，且軸向受壓樁中，鋼筋籠作為構(gòu)造鋼筋，主要起約束混凝土的作用。

另外，本項(xiàng)目工程樁的樁端阻力承擔(dān)更大密度的上部荷載，其極限荷載下樁身破壞形式以壓屈破壞和整體剪切破壞為主。結(jié)合已有理論研究，此樁身破壞截面多在上部樁長(zhǎng)2/3范圍內(nèi)，鋼筋籠長(zhǎng)度亦多為樁長(zhǎng)的2/3。同時(shí)，GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》有如下說(shuō)明：①樁基承臺(tái)下存在淤泥、淤泥質(zhì)土或液化土層時(shí)，配筋長(zhǎng)度應(yīng)穿過(guò)淤泥、淤泥質(zhì)土層或液化土層；②鉆孔壓灌樁構(gòu)造鋼筋的長(zhǎng)度不宜小于樁長(zhǎng)的2/3。

綜上所述，鋼筋籠長(zhǎng)度由原設(shè)計(jì)33m優(yōu)化為27m(經(jīng)設(shè)計(jì)院確認(rèn))。

4 施工工藝優(yōu)化

4.1 施工機(jī)械選擇

試樁施工時(shí)選用JZB150步履式樁機(jī)，動(dòng)力頭功率為150kW，當(dāng)鉆桿進(jìn)入砂層范圍時(shí)，螺旋鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)速率明顯下降，為提高施工效率，采用1臺(tái)CFGH35全液壓長(zhǎng)螺旋樁機(jī)，動(dòng)力頭功率為180kW，分別在3根試樁附近就近選取156，231，519號(hào)工程樁進(jìn)行鉆進(jìn)，最終成孔深度-時(shí)間關(guān)系曲線如圖2所示。在軟土層范圍內(nèi)，2種鉆機(jī)速率區(qū)別不大，但CFGH35樁機(jī)螺旋鉆桿在砂層中降速相對(duì)較少，最后20～33.5m中平均耗時(shí)2h，相對(duì)更適合在砂層中作業(yè)。

圖2 優(yōu)化后成孔深度-時(shí)間關(guān)系曲線

此外，HBTS60型混凝土輸送泵確保遠(yuǎn)距離連續(xù)輸送混凝土的能力；2t重30kW振動(dòng)錘確保鋼筋籠最大限度下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高；25t汽車式起重機(jī)配合插筋導(dǎo)管穿入鋼筋籠。

4.2 鉆孔

下鉆行進(jìn)中，速度保持平穩(wěn)，防止鉆桿偏位，遇到卡鉆、鉆機(jī)搖晃、偏斜或異常聲響時(shí)，立即停鉆并上報(bào)技術(shù)部查明原因，提出解決措施。

該地區(qū)流塑及軟塑狀泥炭質(zhì)土及稍密砂層厚約20m，且地下水位較高，施工過(guò)程中易發(fā)生塌孔及與相鄰施工完成的上根樁串孔現(xiàn)象，導(dǎo)致土體或飽和砂通過(guò)連通通道進(jìn)入樁體，出現(xiàn)斷樁、夾層等現(xiàn)象，影響樁身質(zhì)量，故現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格采用隔樁跳打方式施工。

4.3 泵送混凝土

鉆孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，空轉(zhuǎn)鉆機(jī)2～3min進(jìn)行清底，孔底及孔口清理完成后，經(jīng)項(xiàng)目管理人員及監(jiān)理人員驗(yàn)收后，將鉆具提升200～300mm(避免泵壓力損害軟管)，開始連續(xù)泵送高壓超流態(tài)混凝土，邊提升鉆桿邊壓灌混凝土，注意混凝土泵送速度與鉆桿提升速度相匹配且提鉆速度≤2.0m/min，泵壓≥6MPa，確保泵壓混凝土量始終大于鉆桿上提體積量。若待料時(shí)間超過(guò)混凝土初凝時(shí)間，應(yīng)與業(yè)主及設(shè)計(jì)院聯(lián)系，進(jìn)行補(bǔ)樁。

4.4 壓放鋼筋籠

事先檢查鋼筋籠制作是否符合設(shè)計(jì)要求，主筋與加勁筋應(yīng)焊接牢固，鋼筋籠底部呈V字形焊接牢固。吊點(diǎn)位置可使用鋼管或方木作為扁擔(dān)，使籠身均勻受力防止變形。鋼筋籠制作質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 鋼筋籠制作質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

先通過(guò)法蘭盤連接振動(dòng)錘和導(dǎo)管，利用25t汽車式起重機(jī)配合挖機(jī)，將導(dǎo)管插入鋼筋籠(導(dǎo)管應(yīng)比鋼筋籠長(zhǎng)2～3m)，并連接鋼筋籠與導(dǎo)管，然后利用起重機(jī)吊起鋼筋籠，對(duì)準(zhǔn)樁孔中心，鋼筋籠在自重作用下緩緩插入樁孔混凝土中，待停止后啟動(dòng)振動(dòng)錘，并采用靜力加壓方式連續(xù)下插鋼筋籠，下籠時(shí)控制鋼筋籠的垂直度，直至下放至設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后慢慢拔出導(dǎo)管。此過(guò)程中，可在振動(dòng)錘上增加纜風(fēng)繩，起重機(jī)緩慢下放鋼筋籠時(shí)，通過(guò)纜風(fēng)繩調(diào)節(jié)鋼筋籠在樁孔內(nèi)的位置，保證鋼筋籠盡量居中。完全拔出導(dǎo)管后，樁頂混凝土面會(huì)降低，為保證樁頭部分混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)料。

5 成樁效果

5.1 提升施工效率

針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下大直徑長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁施工過(guò)程中亟需解決的施工難點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管控，提高施工隊(duì)伍作業(yè)水平，力求施工進(jìn)展順利。結(jié)合已有施工經(jīng)驗(yàn)及試樁結(jié)果分析研究，從設(shè)計(jì)、原材料、機(jī)械設(shè)備及工藝流程等方面采取優(yōu)化及管控措施，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)變更及相關(guān)要求執(zhí)行成孔、壓灌混凝土及下放鋼筋籠等工序的過(guò)程管控，施工效率提升顯著。優(yōu)化前后樁基成孔深度、鋼筋籠下放深度與時(shí)間的關(guān)系曲線分別如圖3，4所示。

圖3 優(yōu)化前后樁基成孔深度-時(shí)間關(guān)系曲線

圖4 優(yōu)化前后鋼筋籠下放深度-時(shí)間關(guān)系曲線

由圖3，4可知，單樁成孔約1.5h，較試樁成孔速度提高近1倍；由于采用流動(dòng)性更大的細(xì)石混凝土，鋼筋籠下放速度在各土層中較2號(hào)試樁均有所加快，完全下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高平均耗時(shí)約23min。

5.2 單樁承載力滿足要求

根據(jù)設(shè)計(jì)文件及規(guī)范要求抽檢工程樁，驗(yàn)證單樁承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求。分級(jí)荷載為設(shè)計(jì)要求最大加載量3 400kN的1/10(340kN)，第1級(jí)按2倍分級(jí)荷載加載，每級(jí)卸載量取加載時(shí)分級(jí)荷載的2倍。選取58號(hào)工程樁靜載試驗(yàn)結(jié)果繪制相關(guān)曲線，如圖5所示。

由圖5可知，加載至3 400kN時(shí)，總沉降量為19.97mm，Q-s曲線平緩，無(wú)明顯陡降，s-lgt曲線呈平緩規(guī)則排列，已達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大加載量，故終止加載。綜合分析，該受檢樁單樁豎向抗壓承載力極限值≥3 400kN。本次檢測(cè)的6根工程樁均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 靜載試驗(yàn)結(jié)果

5.3 低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)符合標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)設(shè)計(jì)文件及JGJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，抽檢195根工程樁檢測(cè)低應(yīng)變動(dòng)力，測(cè)定樁身完整性及樁身缺陷程度與位置，Ⅰ類樁178根，占比91.28%；Ⅱ類樁17根，占比8.72%。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)深厚軟土、砂層中大直徑長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁施工中樁基成孔緩慢、鋼筋籠下放困難等問(wèn)題，從原材優(yōu)選、配合比優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面提出樁基設(shè)計(jì)優(yōu)化措施，并從施工機(jī)械選擇、鉆孔、泵送混凝土、壓放鋼筋籠方面優(yōu)化相關(guān)施工工藝，顯著提高施工效率，保證樁基施工質(zhì)量，降低施工難度。經(jīng)工程實(shí)施證明該工藝效果良好，經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益顯著。