深厚軟弱土層中大直徑灌注樁成孔設(shè)備的適用性研究

吳華

摘要：珠江沿海部分地區(qū)分布一層深厚的飽和、流塑—軟塑狀淤泥軟弱土層，在此類土層中施工大直徑混凝土灌注樁存在擴徑、縮徑及成孔困難等各種工程施工問題，本文以廣州南沙某樁基礎(chǔ)工程為例，詳細介紹深厚軟弱土層中施工大直徑混凝土灌注樁的相關(guān)研究經(jīng)驗，以供類似工程借鑒。

關(guān)鍵詞：深厚軟弱土層；沖擊成孔；充盈系數(shù)；空心鉆頭；綜合成本優(yōu)勢

1.工程概況

1.1項目概況

某樁基礎(chǔ)工程位于廣州市南沙區(qū)東涌鎮(zhèn)吉祥西路，交通便利。擬建17～23層高層住宅（A1～A9）9棟，2層地下室，開挖深度約8m。規(guī)劃建設(shè)用地總面積約78951m2，總建筑面積約247900m2。所有建筑均擬采用樁基礎(chǔ)，樁基施工均在原地面進行，空樁樁長約8m。

1.2場地與地層

場地所處地貌單元屬沖積平原地貌，場地地勢平整開闊，高程約5m～7m，地層中發(fā)育厚度較大的淤泥層，層厚6.00m～22.10m，平均12.54m。根據(jù)鉆孔揭露，場地巖土層按其地質(zhì)年代和成因類型自上而下可劃分為第四系人工填土層（Q4ml）、海陸交互相沉積土層（Q4mc）、第四系殘積土層（Q4el）和白堊系基巖（K）等四大部分。各巖土層的分布及特征分述如下：

1.2.1人工填土層（Q4ml，層號1）

土性為雜填土，灰粽、黃褐等色，松散，粘性土為主，上部多建筑垃圾、磚渣、生活垃圾等，層厚0.50m～2.80m，平均1.52m。

1.2.2海陸交互相沉積土層（Q4mc，層號2）

本層從上而下可劃分為淤泥、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土和粉砂等共4個亞層，各亞層的特征及分布評述如下：

（1）淤泥層<2-1>：灰黑、深灰色等色，飽和，流塑—軟塑狀，含少量粉砂顆粒，少部分段粉砂顆粒含量稍高，微具腥臭味，干強度高。其主要物理指標平均值為：-ω=53.2%，-e = 1.433，-IL=1.49。進行標準貫入試驗157次，實測擊數(shù)N′= 1～3擊，平均1.5擊，標準值為1.4擊；桿長校正擊數(shù)N=0.7～ 2.6擊，平均1.3擊，標準值為1.2擊。層厚6.00m～22.10m，平均12.54m。

（2）粉質(zhì)粘土層<2-2>：灰棕、黃褐等色，濕，可塑為主，下段多硬塑狀，土質(zhì)均勻，粘性較好，韌性較高，干強度高，層厚1.10m～13.00m，平均4.26m。

（3）淤泥質(zhì)土層<2-3>：灰黑色，飽和，軟塑狀，成分較均勻，干強度高。其主要物理指標平均值為：=55.8%，= 1.482，=1.52。實測擊數(shù)N′=1～4擊，平均3.1擊，標準值為2.6擊；桿長校正擊數(shù)N=0.8～3.0擊，平均2.3擊，標準值為1.9擊。層厚1.60m～11.60m，平均4.72m。

（4）粉砂層<2-4>：灰色，飽和，松散—稍密狀，極配稍差，磨圓一般，含少量石英中砂顆粒。層厚0.90m～20.00m，平均5.03m。

1.2.3第四系殘積土層（Q4el，層號3）

該層殘積土為白堊系泥質(zhì)砂巖風(fēng)化殘積而成，土性為粉質(zhì)粘土，灰色，稍濕，硬塑—堅硬狀，粘性較好，層厚0.80m～4.90m，平均2.63m。

1.2.4白堊系基巖（K，層號4）

在鉆孔控制深度范圍內(nèi)，按巖石的風(fēng)化程度又可劃分為強風(fēng)化巖和中、微風(fēng)化巖等3個風(fēng)化巖層，各巖層的分布及特征描述如下：

（1）強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層<4-1>：灰棕、棕褐等色，巖石風(fēng)化強烈，巖芯多呈土柱狀、半巖半土狀、碎塊狀，巖芯手捏易散，巖塊手可折斷，遇水易軟化。該層為極軟巖，完整程度為極破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。其天然單軸抗壓強度單值由1.18MPa～3.51MPa，平均值2.71MPa，標準值2.23MPa。層厚0.50m～21.70m，平均5.82m。

（2）中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層<4-2>：棕褐色、少量灰粽色，泥質(zhì)膠結(jié)，層狀結(jié)構(gòu)，巖芯呈短-中長柱狀，敲擊易碎，巖質(zhì)軟。該層為軟巖，完整程度為較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。其天然單軸抗壓強度單值由3.95MPa～29.9MPa，平均值9.51MPa，標準值7.83MPa。層厚2.70m～8.60m，平均5.06m。

（3）微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖<4-3>：青灰色、黃褐色和灰黃色，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯較破碎，多呈塊狀—短柱狀，局部夾強風(fēng)化巖塊，巖石屬軟巖。在大多數(shù)鉆孔中有揭示，受鉆探深度限制未全部揭穿，已揭示厚度3.40m～7.00m。

2.設(shè)計概況

本工程灌注樁為端承樁，持力層為中風(fēng)化巖或微風(fēng)化巖，樁端持力層為中、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，Ф800mm樁入連續(xù)中風(fēng)化持力層不少于5.1m（或微風(fēng)化不少于1.6m），Ф1000mm樁入連續(xù)中風(fēng)化持力層不少于6.5m（或微風(fēng)化不少于2.0m）；當(dāng)以連續(xù)中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖為持力層時，要求樁端巖樣天然濕度單軸抗壓強度fr≧6MPa，當(dāng)以連續(xù)微風(fēng)化泥質(zhì)砂巖為持力層時，要求樁端巖樣天然濕度單軸抗壓強度fr≧12MPa，設(shè)計樁身砼為C35。

3.施工工藝流程

測定樁位→移機就位→震動下沉長護筒（沖擊鉆機直接埋設(shè)短護筒）→旋挖至設(shè)計深度（沖擊至設(shè)計深度，孔口補漿護壁）→清沉渣→安置鋼筋籠（鋼筋籠制安）→測孔底沉渣厚度（泥漿循環(huán)清沉渣，直到孔底沉渣厚度符合要求）→灌注混凝土→起拔鋼護筒→移至下一樁位。

4.存在的問題及解決措施

本場地軟土和富水砂層總厚度較大，淤泥層厚6.00m～22.10m，平均12.54m，飽和，流塑—軟塑狀，因此施工時需注意采取有效措施確保樁孔的穩(wěn)定，以防治樁身縮徑、夾泥或塌孔等工程事故和質(zhì)量問題。深厚軟弱土層在珠三角沿海地區(qū)較為常見，尤其是廣州南沙、珠海橫琴和高欄港等地區(qū)。經(jīng)研究，本項目主要需要考慮以下幾個問題：

（1）成孔；（2）護臂；（3）混凝土充盈系數(shù)；（4）成本與進度。

針對本項目施工過程中存在的問題，特制訂了以下幾項針對性措施，具體如下：

（1）成孔設(shè)備的選擇。本項目共計9棟高層住宅，樁基礎(chǔ)均采用混凝土灌注樁，根據(jù)地層情況，持力層需要進入中風(fēng)化或微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，采用長螺旋鉆機成孔不可取，故選擇采用SD30A旋挖機和ZZ-6A沖擊鉆機兩種成孔設(shè)備進行成孔，其中A1/A2/A3/A8/A9#樓采用SD30A旋挖機，A4/A5/ A6/A7#樓采用ZZ-6A沖擊鉆機。旋挖機和沖擊鉆機各有優(yōu)勢，具體如下：

旋挖成孔速度快，尤其針對中微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，天然單軸抗壓強度單值不高，旋挖成孔優(yōu)勢較為明顯；沖擊鉆機的沖程及沖擊頻率在成孔過程中固定且可以根據(jù)土層性質(zhì)調(diào)整，沖擊錘為空心鉆頭，極大降低了沖擊過程中在淤泥層中的抽吸作用，空心鉆頭重量大，在中微風(fēng)化巖中成孔也較為適用。

（2）護臂措施。本項目淤泥土層厚，旋挖成孔過程中的抽吸作用會造成孔壁的坍塌，因此成孔前必須下長護筒進行護壁。根據(jù)空樁樁長、護筒機的打拔能力及其他方面的因素綜合考慮，選擇8m和10m長護筒進行護壁，選擇10m護筒主要是考慮超過樁頂標高2m，以保證樁頭位置處的成樁質(zhì)量，選擇8m護筒是為了研究護筒底與土層交界處樁徑的突變情況。沖擊鉆機成孔前主要采用2m～4m短護筒進行護壁和定位，無需額外采用護筒機提前打入長護筒。

（3）混凝土充盈系數(shù)控制方面。根據(jù)本項目前期試驗樁的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，旋挖灌注樁平均充盈系數(shù)為1.3，根據(jù)以往珠三角深厚軟土地區(qū)施工經(jīng)驗，如采用沖擊鉆機成孔，混凝土平均充盈系數(shù)一般為1.05，一般不超過1.1。

（4）旋挖和沖擊成孔單就成孔費用來講，各有優(yōu)勢，但成孔綜合成本優(yōu)勢不明顯，旋挖功效較快。旋挖成孔人機費350元/m3～380元/m3，產(chǎn)生的泥漿較少，需要外購泥漿護壁，用水用電量較少；沖擊成孔人機費220元/m3～250元/m3，產(chǎn)生的泥漿較多，泥漿可供旋挖成孔護壁，用水用電量較多。

經(jīng)過綜合考慮，本項目我們采用旋挖和沖擊兩種成孔設(shè)備結(jié)合，盡可能發(fā)揮各項成孔設(shè)備的優(yōu)勢，同時為后續(xù)項目提供相關(guān)經(jīng)驗。

5.成孔設(shè)備及參數(shù)

（1）ZZ-6A沖擊鉆機、空心鉆頭和SD30A旋挖機見圖1、圖2。

（2）ZZ-6A沖擊鉆機和SD30A旋挖機詳細參數(shù)見表1、表2。

6.現(xiàn)場施工及開挖至基坑底情況

6.1現(xiàn)場施工情況

本項目混凝土灌注樁共計1031根，其中Ф800為463根，Ф1000為568根，地庫353根，主樓678根，平均每棟主樓75根。本項目共計投入了5臺旋挖機，16臺沖擊鉆機，旋挖功效為平均3根/臺·d，沖擊功效為平均0.5根/臺·d。經(jīng)合理安排及部署，均在合同工期內(nèi)完成了所有灌注樁。根據(jù)混凝土灌注量進行統(tǒng)計分析，旋挖成孔平均充盈系數(shù)為1.25，沖擊鉆進平均充盈系數(shù)為1.07。

6.2開挖至基坑底情況

基坑開挖至承臺底后，灌注樁均露出樁頭，下長護筒旋挖成孔灌注樁呈規(guī)則圓柱形，Ф1000mm樁尺量為Ф 1200mm，Ф800mm樁尺量為Ф1000mm，基本上與長護筒外徑一致，下8m長護筒護壁的灌注樁在護筒底部有明顯的擴徑。采用沖擊成孔形成的灌注樁露出的樁頭偶有擴徑、縮徑現(xiàn)象，但較為輕微，且未發(fā)現(xiàn)有樁頭漏筋、夾泥，經(jīng)過隨機抽樣檢測，采用兩種設(shè)備成孔形成的混凝土灌注樁均滿足承載力、樁身完整性檢測要求。

7.總結(jié)

項目完工后對各項成本進行了對比分析，SD30A旋挖成孔僅具有功效優(yōu)勢，但ZZ-6A沖擊鉆機成孔其綜合成本優(yōu)勢十分明顯，主要優(yōu)勢除無需定制長護筒、無需專門租用護筒機進行打拔等外，在混凝土充盈系數(shù)方面優(yōu)勢更為明顯，與旋挖成孔對比，充盈系數(shù)平均下降0.18，以理論體積為1000m3計算，沖擊成孔節(jié)約混凝土180m3，按照600元/m3計算，不考慮場地處理及鋼護筒費用，單混凝土節(jié)約費用10.8萬元。

自動式?jīng)_擊鉆機ZZ-6A產(chǎn)生的噪聲小于旋挖機甩土產(chǎn)生的噪聲，也小于手拉式?jīng)_孔樁機施工所產(chǎn)生的噪聲；ZZ-6A沖擊鉆機因采用空心錘，成孔過程產(chǎn)生的抽吸作用遠小于旋挖成孔產(chǎn)生的抽吸作用，大大減輕在淤泥等軟弱土層中成孔產(chǎn)生的縮徑、擴徑與塌孔問題，針對成孔時間較長易產(chǎn)生縮徑，可通過最后提錘掃孔解決；ZZ-6A沖擊鉆機成孔速度相較于旋挖成孔慢，可以通過增加設(shè)備數(shù)量來彌補不足，1臺旋挖機作業(yè)面可布置3～5臺ZZ-6A沖擊鉆機，成孔速度可與旋挖機相當(dāng)；沖擊鉆機重量輕，對場地要求不高，一般情況下鋪設(shè)鋼板即可，具有明顯的成本優(yōu)勢，旋挖機重量和體積均較大，對場地處理要求嚴格。

綜上所述，以及根據(jù)本項目的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和實體樁樁頭出露情況，針對珠江沿海分布深厚軟弱土層的地區(qū)，若施工大直徑混凝土灌注樁，相較于旋挖機和手拉式?jīng)_孔樁機，建議優(yōu)先選用ZZ-6A沖擊鉆機成孔，如需快速施工、不能夜間施工等特殊原因無法選擇ZZ-6A沖擊鉆機的情況下再考慮使用其他成孔方法。

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