山區(qū)深厚填土復(fù)雜地層中接力成樁技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉猷鵬 李 俊 郭 瀟 胡熠暉

（中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

我國是個多山之國，據(jù)統(tǒng)計，山地、丘陵和高原的面積占全國土地總面積的69%，隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，大量城市平地資源日趨稀缺，對山多平地少的城市則不可避免地采取移山造地、填溝造地和利用工程棄土場等作為城市發(fā)展用地的方法，在該背景下，形成了許多以塊石、碎石土、建筑垃圾等為介質(zhì)的深厚填土復(fù)雜地層建設(shè)場地。

由于這種場地深厚填土的來源、填土成分、堆填方式比較復(fù)雜，具有結(jié)構(gòu)松散、性質(zhì)不均勻、工程性質(zhì)差的特點，一般不能直接作為建筑物的地基，深厚填土區(qū)開發(fā)建設(shè)時通常須對場地進(jìn)行地基處理或者采用樁基礎(chǔ)穿透深厚填土地層，而山區(qū)深厚填土成樁一直是工程施工的重難點，該文通過工程實例，對適用于深厚填土復(fù)雜地層中接力成樁技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 山區(qū)深厚填土特點

山區(qū)深厚填土普遍存在以下特點：1）填土場地原始地貌多為山間沖溝、江河岸坡等，是由于工程建設(shè)開挖就地回填或作為城市渣土消納場等原因形成的，填筑方式多為拋填、分多次填筑而未經(jīng)過分層碾壓等有效處理。2）填料來源、組成成分、填筑時間差異性大，成分一般為開山形成的土石方、生活垃圾或建筑垃圾等，其中塊石母巖質(zhì)地軟硬不一，含量一般大于50%，塊徑大于1m以上的塊石比例較高，工程性質(zhì)極不均勻。3）填筑時間短，結(jié)構(gòu)疏松，顆粒分配極不均勻，局部具有架空結(jié)構(gòu)，呈欠固結(jié)狀態(tài)，壓縮性大，后期往往造成地面過大沉降。4）填土孔隙率大、滲透性大，雨后積水和季節(jié)性地下水位波動通過填土層間孔隙和土體流失貫通形成排水孔洞，在地面往往會出現(xiàn)非自重濕陷下沉現(xiàn)象。

2 常用成樁方法

根據(jù)地方工程經(jīng)驗，深厚填土地基常用的成樁方法有人工挖孔樁、旋挖鉆孔灌注樁、沖擊成孔灌注樁等。

2.1 人工挖孔樁

人工挖孔樁是指采用人力挖土、成孔，然后安放鋼筋籠，灌注混凝土成樁的方法。人工挖孔樁成孔方法簡單，單樁承載力高，施工時無振動、無噪聲，施工設(shè)備簡單，可同時開挖多根樁以節(jié)省工期，可直接觀察土層變化情況，便于清孔和檢查孔底及孔壁，施工質(zhì)量可靠。但由于其勞動條件差、勞動力消耗大、安全風(fēng)險高，多數(shù)地區(qū)已被限制使用。

2.2 旋挖鉆孔灌注樁

旋挖鉆孔灌注樁是指采用旋挖鉆機機械成孔，然后安放鋼筋籠，灌注混凝土成樁的方法。旋挖鉆機成孔首先是通過底部帶有活門的桶式鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖土，并直接將其裝入鉆斗內(nèi)，然后再由鉆機提升裝置和伸縮鉆桿將鉆斗提出孔外卸土，這樣循環(huán)往復(fù)，不斷地取土卸土，直至鉆至設(shè)計深度。對黏結(jié)性好的巖土層，可采用干作業(yè)或清水鉆進(jìn)工藝，無須泥漿護(hù)壁。而對松散易坍塌地層如深厚填土，或有地下水分布、孔壁不穩(wěn)定的地層，必須采用靜態(tài)泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)工藝，向孔內(nèi)投入護(hù)壁泥漿或穩(wěn)定液進(jìn)行護(hù)壁。旋挖成樁具有適應(yīng)地層強、成孔速度快、工期短、效率高等優(yōu)點[1]。同時，旋挖成樁還存在成本高、投入大、機械自重大、孔壁護(hù)壁效果較差、需要吊裝機械配合等缺點。

2.3 沖擊成孔灌注樁

沖擊成孔灌注樁是指采用沖擊鉆機把沖錘提高，靠自由下落的沖擊力來削切巖層，排出碎渣成孔，然后放入鋼筋籠再灌注混凝土成樁的方法。沖擊鉆機有鉆桿式和鋼絲繩式兩種，前者所鉆孔徑較小、效率較低、應(yīng)用較少，后者鉆孔直徑大，可根據(jù)設(shè)計的樁徑來修改鉆頭的大小，錘重一般在3t～10t（具體根據(jù)樁徑的大小來確定錘重）。沖擊成孔灌注樁適用于填土層、黏土層、粉土層、淤泥層、砂土層、碎石土層、礫卵石層、巖溶發(fā)育巖層或裂隙發(fā)育的地層施工，樁孔直徑通常為600mm～1500mm，最大直徑可達(dá)2500mm，最大沖孔深度超百米。但在沖擊過程中如遇到大塊石或硬質(zhì)基巖時，沖擊碎巖困難，易產(chǎn)生偏鉆。同時，沖擊鉆還存在成孔速度慢、效率低、工期長、機械損耗大等缺點。

3 工程運用

某工業(yè)建筑場地，地處鄂西山區(qū)，原始地貌為山間“V”形沖溝，沖溝兩側(cè)地形坡度 30°～50°，溝寬 50m～130m，為城郊公路修建時開山平場形成的土石方棄渣場，已拋填20m～40m 厚的填土，在沖溝下緣沖溝匯流處形成了高約 40m的高邊坡，場地填土面積約 28 萬m3，自 2012 年開始隨機填筑，填筑時長 1～8 年。勘察資料表明，該場地深厚填土結(jié)構(gòu)松散，級配極差，局部具有架空架構(gòu)，工程性質(zhì)差。

擬建建筑物位于原沖溝上部，為3棟5層框架結(jié)構(gòu)廠房。通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全、工期、現(xiàn)場條件等因素的綜合分析對比，設(shè)計最終采用了強夯法+鉆（沖）孔灌注樁方案的地基處理方式。

場地地層自上而下可劃分為4層。

第①層素填土：結(jié)構(gòu)以松散為主，承載力低，具高壓縮性，具有架空結(jié)構(gòu)，為場地不良地基土層，工程性質(zhì)差，不能作為建筑物的基礎(chǔ)持力層。

第②層含碎石粉質(zhì)黏土：可塑狀，屬中等壓縮性土，厚度在1.0m～5.9m,埋深一般超過15m，層位分布不穩(wěn)定，局部地段缺失，不能作為基礎(chǔ)持力層。

第③層強風(fēng)化砂巖：巖質(zhì)軟弱，巖體破碎，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖芯多呈碎塊狀或短柱狀，平均厚度為2.6m，厚度變化大，分布不穩(wěn)定，不宜作為基礎(chǔ)持力層。

第④層中風(fēng)化砂巖夾泥巖：較軟巖，巖石較完整，不同巖性飽和單軸抗壓強度及承載力特征值較高，可以為不可壓縮層，是該工程良好的基礎(chǔ)持力層。

強夯在樁基礎(chǔ)施工前進(jìn)行，夯錘采用50t，落距20m，根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果（見圖1）顯示強夯有效深度為地表以下6m～8m，受強夯作用土體密實度有所改善，但填土性質(zhì)在垂直方向性質(zhì)變化依然較大。

圖1 動力觸探擊數(shù)與①素填土深度相關(guān)性散點圖

樁基礎(chǔ)設(shè)計采用旋挖成孔或沖擊成孔，施工時應(yīng)考慮填土塌孔對樁基施工造成的不利影響，采用合適的泥漿配合比或在人工填土段采取鋼護(hù)筒護(hù)壁成樁工藝。

按設(shè)計要求，為檢驗成樁可行性和質(zhì)量效果，在正式施工前選取場地不利地段進(jìn)行了試樁，試樁根數(shù)為3根，樁徑1000mm，樁長22m～35m，設(shè)計嵌巖深度4m。根據(jù)場地地質(zhì)條件和當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗，全孔鋼護(hù)筒護(hù)壁成樁工藝拔管困難且不易回收、成本高、效率低，不適用于該工程，未予采用，計劃采用泥漿護(hù)壁旋挖鉆孔的施工工藝，泥漿護(hù)壁沖擊成孔作為備選方案，旋挖鉆機選用XR280D型大功率入巖旋挖鉆機、沖擊鉆機選用CZ-8A型。在施工過程中，3根試樁在填土層鉆進(jìn)中均發(fā)生了塌孔情況，其中2根試樁在旋挖鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)嚴(yán)重塌孔、漏漿現(xiàn)象導(dǎo)致無法成孔后采用了備選的沖擊成孔施工工藝，孔內(nèi)回填干黏土料堵漏后注入泥漿沖孔，再遇漏漿后反復(fù)填料處理直至達(dá)到設(shè)計要求，3根試樁成樁共耗時13天之久。

4 施工難點及原因分析

4.1 施工難點

經(jīng)分析，在山區(qū)深厚填土復(fù)雜地層灌注樁施工的主要難點是成孔困難，主要體現(xiàn)在鉆進(jìn)困難、塌孔、漏漿、埋鉆。

4.2 原因分析

4.2.1 鉆進(jìn)困難

山區(qū)填土成分復(fù)雜，填土厚度大，地層雜亂無章，遇大量孤石、漂石處，如孤石、漂石直徑大于鉆頭或孤石、漂石附近地層軟弱時，會隨鉆頭一同旋轉(zhuǎn)，一般成孔工藝難以穿透成孔[2]。

4.2.2 塌孔、漏漿、埋鉆

因深厚填土隨機回填而未經(jīng)壓實，結(jié)構(gòu)松散，孔隙率大，在上層滯水和季節(jié)水位波動帶處容易塌孔、漏漿，沉渣厚度和混凝土充盈系數(shù)不易控制。經(jīng)統(tǒng)計，該場地在地表以下7m左右、15m～17m、19m～23m處塌孔、漏漿嚴(yán)重，尤其在23m左右（原始沖溝地面處）特別嚴(yán)重。分析認(rèn)為，7m左右位于場地強夯作用有效深度界限，上層滯水富集及填土密度改變不利影響明顯，而后兩處漏漿部位分別位于季節(jié)水位波動帶，填土孔隙間在地下水流沖蝕下形成了較大的滲流孔洞，極易造成孔內(nèi)塌孔、漏漿、埋鉆。

5 解決對策

5.1 常規(guī)情況處理對策

通過查閱大量相關(guān)資料并咨詢業(yè)內(nèi)專家，在分析本場地試樁情況的基礎(chǔ)上，提出在正式施工時改進(jìn)現(xiàn)有成樁方案，改用沖擊鉆配合旋挖鉆接力成樁技術(shù)，具體為在填土層中采用旋挖鉆機干作業(yè)鉆至地面以下7m左右，該段填土經(jīng)強夯后孔壁有一定的自穩(wěn)能力，7m左右遇第一個塌孔、漏漿點時提鉆，利用挖掘機將優(yōu)質(zhì)干黏土料倒入孔內(nèi)，改用沖擊鉆進(jìn)行自造漿后注入已經(jīng)配好的高質(zhì)量復(fù)合泥漿護(hù)壁沖孔，期間在15m～17m、19m～23m兩處塌孔、漏漿點利用該方法反復(fù)倒入干黏土料和注入高質(zhì)量復(fù)合泥漿沖孔至基巖頂面后，再次改用旋挖鉆鉆至設(shè)計樁底成孔，為避免成孔后發(fā)生塌孔，保證成樁，必須在清孔后快速安放鋼筋籠和澆筑混凝土。

沖擊鉆通過沖擊勢能對孔周土體具有擠密作用，加之配合倒入的干黏土料和高質(zhì)量復(fù)合泥漿護(hù)壁作用，能夠很好地將填土層內(nèi)孔隙填充并在孔壁形成泥皮，起到防塌、止漏的效果，而大功率旋挖鉆在填土干作業(yè)段和硬質(zhì)基巖段成孔工效較沖擊鉆要高很多。

5.2 特殊情況處理對策

對填土層中前期加固效果欠佳和地下水流沖蝕形成滲流孔洞較多、塌孔、漏漿非常嚴(yán)重的個別鉆孔，出現(xiàn)的只出土不進(jìn)尺的情況，分析其孔壁周邊地層坍塌已經(jīng)形成“大空腔”，此時，常規(guī)處理對策已經(jīng)不能適用該情況，應(yīng)改用低標(biāo)號混凝土或砂漿進(jìn)行填孔，待混凝土初凝后對該處充填形成護(hù)壁作用后再繼續(xù)成孔[2]。

6 運用效果

場地灌注樁正式施工時推廣了此套接力成樁技術(shù)，每2臺成孔設(shè)備（1臺旋挖鉆、1臺沖擊鉆）由之前的13天完成3根樁的情況提高到每2臺成孔設(shè)備（1臺旋挖鉆、1臺沖擊鉆）配合接力每天成樁1根～1.5根，大大減小了常規(guī)方法在此類深厚填土復(fù)雜地層中帶來的不利影響，綜合成樁工效顯著提高，保證了工期目標(biāo)的實現(xiàn)。

項目樁基檢測由業(yè)主委托第三方檢測單位完成，所有灌注樁在成樁后按照設(shè)計和規(guī)范要求進(jìn)行了質(zhì)量檢測，結(jié)果如下。

6.1 基樁低應(yīng)變檢測

根據(jù)基樁低應(yīng)變試驗檢測報告，所檢樁樁身波速介于3805m/s～3919m/s，全部為I類樁。

6.2 基樁鉆芯檢測

基樁鉆芯檢測按總樁數(shù)的10%進(jìn)行抽檢，根據(jù)基樁鉆芯檢測報告，所檢樁樁身混凝土芯樣連續(xù)、完整、膠結(jié)好，芯樣側(cè)表面光滑、骨料分布均勻，局部芯樣側(cè)表面見少量氣孔，無斷樁現(xiàn)象。所檢樁樁底沉渣厚度滿足規(guī)范要求，樁身混凝土強度檢測值和樁端持力層巖石抗壓強度試驗值均滿足設(shè)計要求。

6.3 單樁豎向抗壓靜載試驗

單樁豎向抗壓靜載試驗按總樁數(shù)的1%進(jìn)行抽檢，根據(jù)單樁豎向抗壓靜載試驗檢測報告，所檢樁單樁豎向抗壓承載力特征值均滿足設(shè)計要求，最大沉降量分別為3.78mm、4.76mm、5.29mm（見圖2），滿足規(guī)范要求。

圖2 單樁豎向抗壓靜載試驗Q-s曲線圖

7 結(jié)語

通過該工程實例表明，改進(jìn)后的強夯法+沖擊鉆配合旋挖鉆接力成樁關(guān)鍵技術(shù)能成功解決在山區(qū)深厚填土復(fù)雜地層中成樁困難問題，灌注樁成樁質(zhì)量能夠得以保證，避免了采用注漿法、人工挖孔樁、鋼護(hù)筒跟管護(hù)壁成樁等經(jīng)濟(jì)性差、安全性低的方法，大大減少了施工周期，節(jié)約了工程成本，取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷向山區(qū)推進(jìn)、完善，該項關(guān)鍵技術(shù)在我國類似深厚填土復(fù)雜地層的山區(qū)和施工經(jīng)驗較少的地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施工程和工業(yè)與民用建筑工程中值得借鑒和推廣。