高層建筑樁基礎(chǔ)雙套筒工藝消除側(cè)摩阻的施工探討

張訓(xùn)玉　李博　劉靜　劉繼龍

摘 要：鉆孔灌注樁及后壓漿技術(shù)廣泛應(yīng)用于高層建筑樁基礎(chǔ)工程中，受場(chǎng)地條件及工期要求等限制，往往在基坑開(kāi)挖階段便插入樁基工程施工及檢測(cè)，以便盡早為工程樁的設(shè)計(jì)提供參數(shù)。在基坑尚未開(kāi)挖到基底的工況下施工的試驗(yàn)樁，會(huì)在基底以上部分產(chǎn)生空樁，空樁部分的樁側(cè)摩阻力會(huì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。雙套筒施工試驗(yàn)方法能有效消除空樁部分產(chǎn)生的側(cè)摩阻力，實(shí)現(xiàn)了近地表進(jìn)行試樁的施工與檢測(cè)。北京市通州區(qū)某試樁工程采用了雙套筒施工工藝，有效地消除了空樁部分的側(cè)摩阻，達(dá)到了預(yù)期試驗(yàn)效果，可為今后類(lèi)似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：鉆孔灌注樁;雙套筒;樁檢測(cè);側(cè)摩阻;高層建筑

Discussion on side friction elimination with double sleeve technology for

pile foundation of high-rise buildings

ZHANG Xunyu1，2， LI Bo1，2， LIU Jing1，2， LIU Jilong1，2

（1.Beijing Institute of Geo-exploration Technology， Beijing 100011， China;

2.Beijing Geo-engineering Company， Beijing 100143， China）

Abstract： Cast-in-place pile and post-grouting technology are widely used in pile foundation engineering of high-rise buildings. Due to the restriction of site conditions and limited construction time， pile foundation engineering often starts in the excavation stage of the foundation pit， in order to provide parameters for the design of engineering piles as early as possible. Under the condition that the foundation pit has not been excavated to the base， the test pile will produce empty pile above the base， and the side friction of the empty pile will influence the test data. The double-sleeve construction test method can effectively eliminate the side friction caused by the empty pile， and facilitate the construction and detection of the test pile near the ground surface. The double-sleeve construction technology was adopted in a test pile project in Tongzhou District， Beijing， which effectively eliminated the side friction of the empty pile and achieved the expected test results.

Keywords： cast-in-place pile; double sleeve; pile detection; side friction; high-rise building

隨著我國(guó)地上、地下空間更加廣泛的開(kāi)發(fā)和利用，高層建筑不斷涌現(xiàn)，且越建越高，隨之對(duì)地基承載力的要求也不斷提高（劉少武，2020）。鉆孔灌注樁及后壓漿技術(shù)廣泛應(yīng)用于樁基礎(chǔ)工程中，能有效提高地基承載力（鄺積善等，2015），工程樁正式施工前往往先進(jìn)行試樁工程，為設(shè)計(jì)提供更為貼近實(shí)際的數(shù)據(jù)（陸建忠，2015）。在試樁工程中，因樁身混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后才能進(jìn)行試樁檢測(cè)工作，那么將試樁養(yǎng)護(hù)與基坑開(kāi)挖階段相融合便可大幅節(jié)約工期（鄭祺愷，2016），但在此工況下施工的試驗(yàn)樁與以后的工程樁存在一定的差異，即基底以上空樁部分會(huì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。雙套筒施工及檢測(cè)工藝能消除基底至打樁作業(yè)面之間的樁側(cè)摩阻力，直接測(cè)得有效樁長(zhǎng)部分的樁基承載力，從而消除空樁部分對(duì)樁基檢測(cè)結(jié)果的影響（王志超等，2014）。本文以通州區(qū)運(yùn)河核心區(qū) Ⅷ-08-2地塊試樁工程為例，探討了雙套筒施工工藝在樁基工程施工及檢測(cè)中的應(yīng)用與效果，可為類(lèi)似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

建設(shè)項(xiàng)目位于北京市通州區(qū)運(yùn)河核心區(qū)新華東街，地上設(shè)有3座塔樓及部分零星商業(yè)，地塊中心有地鐵線(xiàn)路自西南向東北穿過(guò)。3座塔樓分別為8-1#樓（簡(jiǎn)稱(chēng)北塔）、8-2#樓東區(qū)（簡(jiǎn)稱(chēng)南小塔）及8-2#樓西區(qū)（簡(jiǎn)稱(chēng)南塔），其中北塔地上20層、地下3層，建筑高度95.5 m;南小塔地上11層、地下4層，建筑高度50 m;南塔地上21層、地下4層，建筑高度100 m。塔樓采用樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，樁基安全等級(jí)為一級(jí)。裙房及地下車(chē)庫(kù)采用天然地基，根據(jù)抗浮要求設(shè)置抗拔樁。地塊總用地規(guī)模2.56萬(wàn)m2，總建筑面積約為16.09萬(wàn)m2。

工程設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注樁及后壓漿施工工藝，樁端樁側(cè)復(fù)合注漿。項(xiàng)目基坑支護(hù)包含地下連續(xù)墻、支護(hù)樁、錨桿、樁間等分項(xiàng)工程，項(xiàng)目?jī)?nèi)又交叉地鐵M6號(hào)線(xiàn)、塔樓工程樁等，由于對(duì)試樁工期要求緊，決定在基坑開(kāi)挖至-6.0 m時(shí)進(jìn)行試樁工程，而試樁施工地面與設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高之間存在高差，如果不采取措施，該高差部分引起的側(cè)摩阻力將對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏大。如按照該數(shù)據(jù)調(diào)減設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，則可能造成施工后的樁基礎(chǔ)無(wú)法提供足夠的承載力，造成設(shè)計(jì)缺陷甚至引發(fā)事故。故采用雙套筒法消除實(shí)際試樁標(biāo)高至樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高間（無(wú)效樁段）的樁側(cè)摩阻力。設(shè)計(jì)與施工樁長(zhǎng)對(duì)比見(jiàn)表1。

1.2 地質(zhì)背景

（1）地層

設(shè)計(jì)要求樁基施工進(jìn)入持力層不少于1 m，從上至下揭露地層如下，工程地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖1，有部分地層圖中鉆孔未見(jiàn)。

① 人工堆積層（Q4ml）

雜填土①層：雜色，稍濕—濕，松散—稍密，粉土為主，含磚塊、灰渣，層厚0.70～5.60 m。

黏質(zhì)粉土素填土—粉質(zhì)黏土素填土①1層：褐黃—灰色，稍濕—濕，松散—稍密，黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土為主，含磚渣、灰渣，層厚0.50～8.80 m。

② 新近系沖洪積層（Q42al+pl）

粉質(zhì)黏土—重粉質(zhì)黏土②層：褐黃—灰黃色，很濕，可塑—軟塑，含云母、氧化鐵，少量姜石，層厚0.20～6.60 m。

黏質(zhì)粉土—砂質(zhì)粉土②1層：褐黃色，稍濕—濕，密實(shí)—中密，含云母、氧化鐵，土質(zhì)不均，層厚0.50～8.20 m。

黏質(zhì)粉土—砂質(zhì)粉土②2層：褐黃—灰黃色，稍濕—濕，密實(shí)—中密，含云母、氧化鐵，土質(zhì)不均。層厚0.40～4.10 m。

③ 第四系沖洪積層（Q4al+pl）

粉質(zhì)黏土—重粉質(zhì)黏土③層：褐黃—灰黃色，很濕，可塑-軟塑，含云母、氧化鐵，少量姜石。層厚1.10～5.10 m。普遍分布。

黏質(zhì)粉土—砂質(zhì)粉土③1層：褐黃—灰黃色，稍濕—濕，密實(shí)，含氧化鐵、云母。層厚0.40～3.00 m。普遍分布。

粉砂—細(xì)砂③2層 ：褐黃色，濕，中密，含云母、石英、長(zhǎng)石，砂質(zhì)粉土夾層。層厚0.50～2.60 m。局部分布。

黏土③3層：黃褐色，很濕，可塑—軟塑，含氧化鐵。層厚1.40～4.10 m。局部分布。（圖1中鉆孔未見(jiàn)）

細(xì)砂—中砂④層：褐黃色，濕—飽和，密實(shí)，含云母，偶含圓礫，層厚1.70～11.80 m。

粉質(zhì)黏土⑤層：灰—灰黃色，很濕，可塑—軟塑，含云母、有機(jī)質(zhì)。層厚0.50～8.50 m。普遍分布。

黏質(zhì)粉土—砂質(zhì)粉土⑤1層：灰—灰黃色，稍濕—濕，密實(shí)，含云母、氧化鐵。層厚0.70～8.10 m。普遍分布。

粉砂—細(xì)砂⑤2層：褐黃色，飽和，密實(shí)，含云母，以石英、長(zhǎng)石為主。層厚1.50～3.2 m。局部分布。

黏土⑤3層：灰—灰黃色，很濕，可塑，含云母、氧化鐵、有機(jī)質(zhì)。層厚2.50～3.40 m。局部分布。

細(xì)砂—中砂⑥層：灰—黃灰色，飽和，密實(shí)，含云母、有機(jī)質(zhì)，偶含圓礫，層厚1.10～14.80 m。

粉質(zhì)黏土—重粉質(zhì)黏土⑥1層：褐黃色，很濕，可塑，含云母、氧化鐵。層厚0.50～2.1m。局部分布。（圖1中鉆孔未見(jiàn)）

黏質(zhì)粉土—砂質(zhì)粉土⑥2層：褐黃色，濕，密實(shí)，含云母、氧化鐵。層厚0.50～2.50 m。局部分布。（圖1中鉆孔未見(jiàn)）

黏質(zhì)粉土—砂質(zhì)粉土⑥3層：褐黃色，濕，密實(shí)，含云母、氧化鐵。層厚0.20～2.10 m。局部分布。

粉質(zhì)黏土—重粉質(zhì)黏土⑦層：灰—黃灰色，很濕，可塑—硬塑，含云母、有機(jī)質(zhì)，少量姜石。層厚1.10～9.00 m。普遍分布。（圖1中鉆孔未見(jiàn)）

黏質(zhì)粉土⑦1層：灰—黃灰色，稍濕—濕，密實(shí)，含云母、有機(jī)質(zhì)。層厚1.20～7.30 m。普遍分布。（圖1中鉆孔未見(jiàn)）

細(xì)砂—中砂⑧層：灰—黃灰色，飽和，密實(shí)，含云母、有機(jī)質(zhì)，偶含圓礫，層厚0.60～11.10 m。（圖1中鉆孔未見(jiàn)）

黏質(zhì)粉土⑧1層 ：黃灰色，濕，密實(shí)，含云母、氧化鐵。層厚1.30～3.10 m。局部分布。（圖1中鉆孔未見(jiàn)）

粉質(zhì)黏土—重粉質(zhì)黏土⑨層：黃灰色，很濕，可塑，含粉土夾層、有機(jī)質(zhì)。層厚4.00～11.20 m。普遍分布。（圖1中鉆孔未見(jiàn)）

（2）水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘查資料，判斷場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水類(lèi)型為上層滯水、潛水和承壓水，2018年7月—8月，上層滯水水位埋深為9.4 ～13.1 m，潛水水位埋深為15.80～17.80 m，承壓水水位埋深為21.00～23.10 m。區(qū)內(nèi)上層滯水的補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水入滲，以蒸發(fā)為主要排泄方式;潛水的主要補(bǔ)給方式為大氣降水入滲和地下水側(cè)向流入，以人工開(kāi)采、地下水側(cè)向流出、相鄰含水層越流為主要排泄方式;承壓水主要接受地下水側(cè)向徑流、相鄰含水層越流補(bǔ)給，排泄方式為人工開(kāi)采和地下水側(cè)向流出。地下水水位年變幅為1～2 m。

2 雙套筒工藝鉆孔灌注樁施工

2.1 鉆孔灌注樁施工

根據(jù)工程的地質(zhì)情況，試樁施工采用旋挖鉆機(jī)成孔、水下灌注混凝土施工工藝。工程±0.00對(duì)應(yīng)絕對(duì)高程22.30 m，施工作業(yè)面標(biāo)高為打樁工作面（標(biāo)高-6.0 m），SZ1試樁樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高為-15.70 m，施工樁長(zhǎng)55.7 m;SZ3試樁樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高為-14.70 m，施工樁長(zhǎng)23.7 m;SZ4試樁樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高為-19.50 m，施工樁長(zhǎng)33.5 m。試樁設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2及表3：

2.2 雙套筒施工工藝

（1）雙套筒消除側(cè)摩阻原理

雙套筒由內(nèi)筒和外筒通過(guò)焊接而形成一個(gè)整體，接口處可打入止水膠進(jìn)行密封止水，內(nèi)外筒間隙一般在50～100 mm。試樁施工后將焊接部位切割開(kāi)，靜載試驗(yàn)加荷載時(shí)外筒與周邊土體接觸，內(nèi)筒與樁身接觸，間隙可自由位移，套筒范圍內(nèi)的土層無(wú)法與樁身接觸，從而起到了消除樁側(cè)摩阻力的作用。

（2）雙套筒設(shè)計(jì)制作

SZ1、SZ3、SZ4樁型分別有空樁9.7 m、8.7 m及13.5 m，雙套筒的設(shè)計(jì)制作即考慮消除該部分空樁引起的側(cè)摩阻力。由于施工現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)槽后制作場(chǎng)地有限，雙套筒一般在加工廠(chǎng)制作完成后運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)。內(nèi)外筒主體部分分別采用10 mm、8 mm的鋼板制作。

1）套筒尺寸

內(nèi)套筒內(nèi)直徑分別為SZ1、SZ3、SZ4樁型的外直徑900 mm、600 mm、600 mm，外套筒內(nèi)直徑分別為1020 mm、720 mm、720 mm，SZ1設(shè)計(jì)加工尺寸如圖2，其他原理相同。

2）雙套筒的制作

雙套筒之間在頂部進(jìn)行幫條焊，在底部采用密封膠進(jìn)行止水處理，防止混凝土繞流進(jìn)入雙套筒內(nèi)。套筒頂部設(shè)置吊環(huán)，與筒身焊接牢固，以便將護(hù)筒吊裝入孔。

3）灌注樁成孔施工與雙套筒安裝

鉆機(jī)就位后底座應(yīng)平穩(wěn)，基底牢固，鉆頭中心采用定位器對(duì)準(zhǔn)樁位，利用鉆機(jī)定位系統(tǒng)將位置鎖定，誤差不大于10 mm。施工中可利用全站儀在鉆機(jī)準(zhǔn)確定位后在鉆桿上確定兩三個(gè)控制點(diǎn)，間隔一定時(shí)間觀測(cè)鉆頭位置。成孔后下放雙鋼套管時(shí)，可采用重錘、井徑儀、超聲波測(cè)試儀分別檢測(cè)成孔的孔深、孔徑及垂直度。安裝時(shí)采用1臺(tái)50 T履帶吊將雙套筒安放就位，吊裝筒頂?shù)醐h(huán)時(shí)應(yīng)保持對(duì)稱(chēng)平衡，起吊前應(yīng)核算受力情況，試吊平衡點(diǎn)，在保證安全的前提下，將雙套筒吊裝安放入孔。

3 施工檢測(cè)

試驗(yàn)樁及錨樁施工完成后先進(jìn)行樁身完整性檢測(cè)，再進(jìn)行試驗(yàn)樁的單樁豎向抗壓（抗拔）靜載試驗(yàn)。采用低應(yīng)變法及聲波透析法進(jìn)行樁身完整性檢測(cè)。

3.1 低應(yīng)變法檢測(cè)

由放置在樁頂?shù)氖罢衿鹘邮斟N擊初始信號(hào)及樁身反射信號(hào)，利用電子檢測(cè)儀將波形記錄并存儲(chǔ)下來(lái)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)處理并輸出結(jié)果。其工作示意圖如圖3。

檢測(cè)前將樁頭浮漿鑿平，露出新鮮樁身混凝土面。在樁頂面牢固布置傳感器，并在樁頭中心部位敲擊，直至記錄到有效波形曲線(xiàn)（李伏龍，2016）。樁身完整性評(píng)價(jià)結(jié)果可分為4類(lèi)：I類(lèi)樁：樁身完整;II類(lèi)樁：樁身有輕微缺陷，不會(huì)影響樁身結(jié)構(gòu)承載力的正常發(fā)揮;Ⅲ類(lèi)樁：樁身有明顯缺陷，對(duì)樁身結(jié)構(gòu)承載力有影響;Ⅳ類(lèi)樁：樁身存在嚴(yán)重缺陷。

3.2 單樁豎向抗壓（拔）靜載試驗(yàn)

試驗(yàn)通過(guò)錨樁提供反力，加載采用4臺(tái)630 t（320 t）液壓千斤頂并聯(lián)加載，采用位移傳感器測(cè)量試樁及錨樁樁頂沉降（上拔）量。油壓使用傳感器測(cè)量，加載控制及測(cè)量數(shù)據(jù)采集均使用靜載測(cè)試儀自動(dòng)進(jìn)行，設(shè)備工作示意如圖4、圖5。

3.3 檢測(cè)結(jié)果

SZ1型單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)完成3根，所測(cè)試樁在試驗(yàn)標(biāo)高處單樁豎向抗壓最大試驗(yàn)荷載均達(dá)到21 600 kN，在最大試驗(yàn)荷載下，位移穩(wěn)定收斂，試樁未破壞，綜合分析應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，所測(cè)SZ1型試樁單樁豎向抗壓承載力特征值不小于10 466 kN。

SZ3型單樁豎向抗拔靜載試驗(yàn)完成3根，所測(cè)試樁在試驗(yàn)標(biāo)高處單樁豎向抗拔最大試驗(yàn)荷載均達(dá)到1800 kN，在最大試驗(yàn)荷載下，位移穩(wěn)定收斂，基樁未破壞，綜合分析應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，所測(cè)SZ3型試樁單樁豎向抗壓承載力特征值不小于806 kN。

SZ4型單樁豎向抗拔靜載試驗(yàn)完成3根，所測(cè)試樁在試驗(yàn)標(biāo)高處單樁豎向抗拔最大試驗(yàn)荷載均達(dá)到2280 kN，在最大試驗(yàn)荷載下，位移穩(wěn)定收斂，基樁未破壞，綜合分析應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，所測(cè)SZ4型試樁單樁豎向抗壓承載力特征值不小于1033 kN。

低應(yīng)變法檢測(cè)樁身完整性共45根，其中I類(lèi)樁41根，II類(lèi)樁4根。

4 結(jié)論

通過(guò)以上設(shè)計(jì)及實(shí)踐，雙套筒施工工藝成熟可靠，能夠在樁檢測(cè)過(guò)程中消除空樁部分的影響，直接獲得有效樁長(zhǎng)部分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，成功將試樁階段融入基坑開(kāi)挖階段，大大縮短了工期，提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可為類(lèi)似工程提供借鑒。但在施工過(guò)程中應(yīng)注意如下問(wèn)題：1）成孔確保定位準(zhǔn)確及樁孔垂直度，保證鋼護(hù)筒安裝位置及標(biāo)高準(zhǔn)確、焊接牢固;2）雙護(hù)筒在孔內(nèi)可能不穩(wěn)定，可采用黏土、泥漿或水泥漿固定外套筒外側(cè);3）雙護(hù)筒內(nèi)外筒連接縫應(yīng)密封可靠，筒頂、筒底除焊接外尚可注入密封膠加強(qiáng)隔水效果;4）控制好混凝土灌注量，過(guò)大及不足可能造成浪費(fèi)或樁頭強(qiáng)度不足等質(zhì)量問(wèn)題。

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