軟土地區(qū)根鍵式鉆孔灌注樁試驗樁施工技術(shù)

李 偉

（中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

我國濱海（湖）地區(qū)大都是沉積為主的深厚層淤泥質(zhì)軟土，具有高含水量、壓縮性大、固結(jié)緩慢等特點。摩擦樁作為軟土區(qū)域主要承載樁型，依靠孔壁土層的側(cè)摩阻力來承載的樁基，適用于上覆地層承載能力較差的土層［1-3］。根鍵式鉆孔灌注樁針對傳統(tǒng)鉆孔灌注樁進行接觸面改造，相比之下有效提高了普通鉆孔灌注樁的承載力。于是，以其有效縮短樁長的良好經(jīng)濟性，越來越被工程界加以重視和應(yīng)用；尤其適合應(yīng)用于深淤軟土區(qū)域鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，根式基礎(chǔ)可用于公路工程、鐵路工程、市政工程、建筑工程等其他行業(yè)［4］。

浙江甬臺溫高速復(fù)線南塘至黃華段，翁垟高架橋共有樁基1 231根，均為長大鉆孔灌注樁，且85.5%樁基樁長80 m以上。工程位于浙江南部沿海，項目沿線在丘陵與海積平原相間分布，海積平原區(qū)地勢平坦，河道水網(wǎng)密布，地面標(biāo)高一般為3～5 m。橋址區(qū)為深厚層海積松散堆積物軟土地區(qū)，基礎(chǔ)為全新統(tǒng)?；鶎佑倌?、淤泥質(zhì)土，整體厚度20～45 m，局部厚度達90 m。

1 根鍵式鉆孔灌注樁鉆孔設(shè)備

根據(jù)樁基所在位置地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，綜合比較，選擇大扭矩、鉆進深度長的性能優(yōu)越的TRM280型旋挖鉆機施工根鍵式鉆孔灌注樁鉆孔，配套泥漿泵、泥漿池、空壓機、根鍵頂進設(shè)備、泥漿分離器等機械。

2 根鍵式鉆孔灌注樁施工的關(guān)鍵技術(shù)及重難點

2.1 旋挖鉆機鉆孔

鋼護筒埋設(shè)就位并固定牢固后，測量檢查護筒坐標(biāo)位置，位置偏差滿足要求后，旋挖鉆機移動到樁位，鉆桿抬升調(diào)整豎直并鎖定，鉆桿的垂直度調(diào)整符合要求后，用全站儀進行測量校正和鉆桿豎直度校正。旋挖鉆機發(fā)動后，鉆桿的偏移量將在鉆桿工作畫面上實時顯示。鉆孔進尺速度根據(jù)不同的地層確定，在硬塑地層鉆進時，采用快轉(zhuǎn)速，以提高鉆進效率；在松散的易塌砂層中鉆孔，采用慢轉(zhuǎn)速慢鉆進并適當(dāng)增加泥漿比重和粘度。鉆機鉆斗升降速度過快時，鉆頭將在鉆孔中形成活塞效應(yīng)，鉆斗下部位置形成較大的負壓作用，大概率出現(xiàn)孔壁坍塌、縮頸現(xiàn)象，必須控制鉆斗的提升速度。在取土負荷狀態(tài)下，鉆斗升降速度≤0.6～0.7 m／s，空斗升降速度≤0.8 m／s。淤泥層施工鉆進須提鉆慢進尺，每次進尺約0.7 m；淤泥質(zhì)黏土施工鉆進，每次進尺0.4 m；粉質(zhì)黏土施工鉆進，每次進尺0.5 m。清孔一般分兩次進行，鉆孔深度達到設(shè)計深度后進行第一次清孔，第一次清孔滿足設(shè)計及規(guī)范要求后下放鋼筋籠。根鍵安裝頂推到位后，下放完導(dǎo)管后再進行第二次清孔。

在孔口泥漿出口處用手觸摸孔內(nèi)抽出的泥漿，無顆粒感覺，泥漿相對密度不大于1.03，含砂率＜2%，黏度17～20 s。測繩前端懸掛平砣在孔壁周圍測量孔深，同時采用鋼尺對測量繩進行校核。清孔的時間要足夠充分，成樁施工前，孔底沉渣厚度、孔內(nèi)泥漿指標(biāo)檢測結(jié)果必須符合規(guī)范要求。

2.2 泥漿循環(huán)系統(tǒng)

泥漿護壁是維持孔壁穩(wěn)定不發(fā)生塌孔、縮孔的重要手段。泥漿能提供孔壁土體所必須的抗塌力，孔壁的側(cè)向壓強與孔內(nèi)泥漿相對密度大小是成正比關(guān)系，相對密度越大的泥漿施加孔壁的側(cè)向壓強越大，獲得的孔壁“支撐力”越大。泥漿的性能指標(biāo)關(guān)系到護壁的效果。泥漿的相對密度達到一定程度，會造成泥漿泵堵塞，還可能導(dǎo)致“糊鉆”而影響鉆進效率。適宜的泥漿相對密度既可保證樁孔壁穩(wěn)定而不塌孔、不縮孔，以確保鉆機的高效鉆進。

2.2.1 泥漿的制備

鉆孔樁施工現(xiàn)場設(shè)鋼制泥漿池、沉淀池，沉淀池容積為鉆孔灌注樁混凝土體積的1.5～2.0倍，設(shè)置于兩個墩位中間的左右兩側(cè)。根據(jù)各個墩位的不同地質(zhì)條件，按最容易發(fā)生坍孔的土層進行泥漿的配比試驗，試驗合格后使用。鉆孔施工中根據(jù)孔位具體地質(zhì)結(jié)構(gòu)，采用不同理化指標(biāo)的泥漿護壁及懸浮鉆渣。

2.2.2 鉆孔泥漿配制

控制根鍵式鉆孔灌注樁施工的質(zhì)量、安全、高效的核心和關(guān)鍵工序是泥漿護壁?，F(xiàn)場采用PHP泥漿做為鉆孔施工用漿，PHP泥漿又稱聚丙烯酞胺不分散低固相泥漿，PHP泥漿主要材料為膨潤土、聚丙烯酞胺（PAM）、純堿（Naa C03）和甲基纖維素（CMC）。進行了反復(fù)試配，通過各項指標(biāo)的測試對比，確定優(yōu)質(zhì)復(fù)合泥漿配合比，膨潤土6%～8%，黏土20%，片堿0.3%～CMC0.5%，PHP0.05%，泥漿相對密度為1.25～1.35 g／m3，含砂率4.5%左右，膠體率96.5%，pH值為9.1。淤泥質(zhì)黏土容易坍塌、縮孔，泥漿相對密度控制在1.23，含砂率控制在4%以內(nèi)，黏度達到22～24 s。

2.2.3 泥漿護壁攪拌

旋挖鉆機為靜態(tài)泥漿護壁鉆進，成孔速度快，鉆進時對泥漿性能要求較高。在制作泥漿時，膨潤土必須足夠充分地水化攪拌，保證漿體均勻一致。為保證膨潤土的充分水化，達到最優(yōu)使用效果，造漿完成靜置24 h之后使用。

2.3 鉆孔控制

根鍵式鉆孔灌注樁施工過程中，最大程度上發(fā)揮根鍵式鉆孔灌注樁的承載效果，關(guān)鍵及重難點主要在于高質(zhì)量控制孔形。如果成孔的孔形出現(xiàn)擴孔或塌孔，會導(dǎo)致根鍵頂推到孔壁土層中長度達不設(shè)計應(yīng)有的長度，甚至頂推的根鍵或?qū)⑷炕蛘卟糠直还嘧⒌幕炷痢鞍?，從而?dǎo)致根鍵的有效作用全部或者部分“失效”。根鍵帶動周邊大范圍土體承擔(dān)上部荷載的功能“喪失”。只要根鍵式鉆孔灌注樁的成孔的孔形沒有出現(xiàn)擴孔或塌孔，并且成孔的孔形平順平整，才能確保根鍵式鉆孔灌注樁有可靠的承載力。見圖1。

圖1 鉆孔成孔擴孔、塌孔孔形示意

2.4 根鍵施工

2.4.1 鋼筋籠設(shè)計及根鍵布置方式

主筋采用16Ф28鋼筋，加強箍筋采用Ф28鋼筋設(shè)在主筋外側(cè)，自身搭接部分采用雙面焊。第一道根鍵設(shè)置在距樁頂向下2.0 m處，各層每隔0.8、1.9 m設(shè)置一道，環(huán)向箍筋采用Ф10鋼筋設(shè)在主筋外側(cè)。除預(yù)留孔位置處外，每0.2 m一道。鋼筋籠根鍵式預(yù)留孔尺寸600 mm×750 mm（主筋間距×環(huán)向箍筋豎向間距）。

按梅花形布設(shè)根鍵，其截面尺寸為150 mm×150 mm。采用Φ1.6 m長20 m的普通鉆孔灌注樁1根作為試驗樁進行靜載試驗，進行2根同直徑、同樁長的根鍵式鉆孔灌注樁的靜荷載試驗，對結(jié)果進行對比分析，采用根鍵長度和布置方式的不同設(shè)置2根根鍵式鉆孔灌注樁。選用①根鍵長550 mm，凈間距800 mm，梅花狀布置，第一層根鍵布置在距樁頂向下2.0 m處，每層4個根鍵，共布置16層，共計64個根鍵；②根鍵長550 mm，凈間距1 900 mm，梅花狀布置，第一層根鍵布置在距樁頂向下2.0 m處，共布置8層，每層4個根鍵，共計32個根鍵；兩根樁一共布置108個根鍵。見圖2、圖3。

圖2 Φ1.6樁基根鍵立面布置

圖3 Φ1.6樁基根鍵平面布置

2.4.2 根鍵預(yù)制及頂進裝置

根鍵預(yù)制場地及存放場地先進行硬化處理，根鍵鋼筋骨架在鋼筋加工廠制作，分類編號、懸掛標(biāo)識牌后堆放在指定區(qū)域。根鍵混凝土采用細石混凝土，采用振動臺和X30振搗棒與鋼釬配合振搗密實。根鍵拆模后，根鍵采用覆蓋灑水養(yǎng)生7 d，按“先預(yù)制先頂堆、后預(yù)制后頂堆”的原則堆放并使用，待根鍵強度達到設(shè)計及規(guī)范要求后方能使用。

根鍵頂進裝置由反力架、千斤頂、錐壓件組成，與旋挖鉆配合進行預(yù)制成型的根鍵頂進施工。頂進裝置的反力架由上頂板、滑臺和四根豎直的連桿聯(lián)接而成。四件滑臺通過圓形的鋼板環(huán)形成一體，在鋼板環(huán)形中間設(shè)置十字形的開槽，十字形的槽內(nèi)用以放置滑塊及根鍵，滑塊卡被限制在滑臺的卡槽內(nèi)，只能沿著水面方向作徑向移動。錐壓件平面為十字形，豎立面為三角錐形結(jié)構(gòu)。上端與千斤頂相連的錐壓件放置在滑臺的十字形開槽內(nèi)，在反力架內(nèi)可軸向移動?；瑝K的斜坡面與錐壓件的斜面相切，當(dāng)錐壓件受千斤頂?shù)膲毫ο蛳乱苿訒r，錐壓件的三角錐形斜面向下移動，移動的水平距離由小變大，最大的水平運動距離是三角形的水面直角邊。三角錐形斜面向下移動的同時，會對滑塊產(chǎn)生向下及徑向向外的兩分力。作用在根鍵上將其向外頂出的是滑塊徑向向外的分力，向下分力作用在滑臺上。

2.4.3 根鍵頂進裝置與旋挖鉆系統(tǒng)連接

在進行根鍵頂進施工前，拆除旋挖鉆頭，安裝過油體，再將頂進裝置與鉆桿連接。過油體上設(shè)置有收放線盤，頂進施工時，過油體置于孔外正上方，鉆桿下放時，過油體同步下放油管，鉆桿提升時，過油體同步收油管，在整個頂進施工過程中，油管保持自然垂直狀態(tài)，防止油管掛住鋼筋籠［3］。頂進裝置與鉆桿連接時，設(shè)置有一個連接頭。該連接頭一端與鉆桿銷接，一端與頂進裝置焊接。見圖4。

圖4 旋挖鉆與頂進裝置連接

根鍵頂推裝置安裝連接在旋挖鉆鉆桿上，根鍵頂推時要精確調(diào)整鉆桿位置。旋轉(zhuǎn)鉆機旋轉(zhuǎn)到孔外，工人將預(yù)制根鍵塞入頂推口，鉆機旋轉(zhuǎn)復(fù)位，調(diào)整好旋挖鉆機的鉆桿，將調(diào)整回轉(zhuǎn)根鍵對準(zhǔn)鋼筋籠上的預(yù)留根鍵頂推孔，鉆桿往孔下移動到該層根鍵高度位置。啟動鉆液壓系統(tǒng)頂推根鍵，根鍵頂推完成后，提升鉆桿頂推進裝置提升至孔外，重復(fù)安裝根鍵，按上述相同步驟依次自下至上完成所有根鍵頂進。在進行根鍵頂進施工前，調(diào)整旋挖鉆鉆桿位置，使頂進裝置位于鋼筋籠中心平面位置，防止頂進裝置下放過程中剮蹭鋼筋籠或同一層根鍵入土深度不一致。下放頂進裝置至孔口，量測4根聲測管至頂進裝置外側(cè)的距離，前后左右調(diào)整旋挖鉆鉆桿，使其偏差控制在10 mm以內(nèi)，完成對中。采用人工安裝根鍵至頂進裝置。

在根鍵頂進裝置上加置4塊限位板，在根鍵頂進施工時，精確定位根鍵的平面與豎向位置，保證保證能夠順利頂入鋼筋籠預(yù)留孔。在根鍵頂進裝置上加置4塊限位板，利用鋼筋籠根鍵預(yù)留孔兩側(cè)聲測管作導(dǎo)向進行控制。平面定位時，旋轉(zhuǎn)鉆桿進行微調(diào)，使頂進裝置上的滑槽套入聲測管。

豎向位置定位通過旋挖鉆鉆桿下放深度來控制。鋼筋籠制作成型后，以護筒頂面作為垂直方向的控制點，設(shè)置水平標(biāo)高控制線作為豎向深度零點，通過每層根鍵與護筒頂面的位置關(guān)系和水平標(biāo)高控制線與護筒的位置關(guān)系，計算出各層根鍵相對于水平標(biāo)高控制線的深度。鉆桿自身有測深功能，操作室設(shè)置有鉆桿下放深度感應(yīng)裝置，下放深度在儀表盤上直接顯示鉆桿下放深度，同時鋼筋籠根鍵預(yù)留口位置安裝有磁鐵，根鍵頂進裝置上設(shè)有磁感應(yīng)器，裝置下到對應(yīng)位置后，感應(yīng)裝置指示燈亮，確定鉆桿下放深度位置準(zhǔn)確，從而保證根鍵能夠夠順利頂進。

在根鍵下放至頂進位置后，啟動液壓系統(tǒng)，進行根鍵頂進。當(dāng)油表壓力讀數(shù)穩(wěn)定后，且油量不再下降，表示根鍵頂進到位。根鍵豎向定位圖見圖5。

圖5 根鍵豎向定位

3 結(jié) 語

在傳統(tǒng)樁基施工的基礎(chǔ)上提出一種新的樁基施工方法，該方法通過豎向每隔一定距離環(huán)向打入預(yù)制根鍵的形式來增加樁基承載力。施工中采用根鍵頂推裝置將預(yù)制根鍵頂推到鉆孔側(cè)壁中，待鉆孔灌注樁水下混凝土澆筑完成后，預(yù)制根鍵與鉆孔灌注樁側(cè)壁組合形成整體，從而有效發(fā)揮根鍵的作用。這對樁基沉降有良好的控制效果，且縮短樁基長度作用明顯，材料節(jié)省，提高施工進度；尤其對于軟土區(qū)域提高樁基承載力有明顯效果，也為類似工程施工提供了一種新的施工方法。