濱海地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下植入法沉樁施工技術(shù)*

陳智鴻，藍(lán)明紅，陳景鎮(zhèn)，蔣 晨，陳 黔

(中建四局建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 廈門 361006)

0 引言

樁基根據(jù)樁身材料分為剛性樁(混凝土樁、鋼管樁)、柔性樁(深層攪拌樁)、散體材料樁(碎石樁)；根據(jù)施工方法分為旋噴樁、灌注樁、錘擊樁、靜壓樁；根據(jù)受力方式分為端承樁、摩擦樁、端承-摩擦樁、摩擦-端承樁[1]。隨著承載力要求的提高，傳統(tǒng)樁型及施工方法已經(jīng)不能滿足實(shí)際工程要求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始探索新的樁型和施工方法。

冷伍明等[2]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，探究螺紋樁樁身軸力及樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律，分析樁頂荷載作用下樁身與樁周土體的變形規(guī)律，揭示螺紋樁豎向承載機(jī)理，并討論螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)螺紋樁承載力的影響。劉漢龍等[3]為探究高噴插芯組合樁(簡(jiǎn)稱 JPP)的荷載傳遞機(jī)制，以大型土工試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒蹫橐劳校M(jìn)行JPP樁、灌注樁和高壓旋噴水泥土樁靜荷載對(duì)比試驗(yàn)。任連偉等[4]利用有限差分軟件FLAC3D對(duì)JPP群樁豎向承載特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，討論樁數(shù)、樁間距、樁長(zhǎng)、不同組合形式、不同水泥土彈性模量等對(duì)豎向承載特性的影響。郭尤林等[5]提出固體(混凝土)-散體(碎石散體材料)串聯(lián)組合樁，并推導(dǎo)串聯(lián)組合樁鼓脹變形的理論計(jì)算方法，探討串聯(lián)組合樁的鼓脹變形機(jī)理。王建等[6]采用ABAQUS有限元軟件，對(duì)黏土地基中勁性復(fù)合樁的單樁水平承載性能進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析水平荷載-位移關(guān)系曲線、樁體材料受拉損傷因子分布、水平極限承載力等結(jié)果。白曉宇等[7]進(jìn)行大直徑泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁單樁豎向抗壓靜荷載試驗(yàn)及樁身力學(xué)測(cè)試，對(duì)比分析灌注樁注漿與否的承載性狀、變形特性及影響因素。后注漿技術(shù)克服灌注樁樁端虛土的技術(shù)難題，但施工工藝復(fù)雜、周期長(zhǎng)。

近些年，單一樁型已無(wú)法滿足需求，復(fù)合、組合樁型研究深受國(guó)內(nèi)學(xué)者的青睞[8-10]，但是樁基工程的地域差異性很強(qiáng)，針對(duì)特定地區(qū)的地質(zhì)條件，所適用的施工工藝參考資料有限。植入法沉樁是灌注樁和預(yù)制管樁成樁工藝的組合，具有這兩種樁型成樁工藝的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。本文結(jié)合廈門市新體育中心項(xiàng)目，介紹其施工工藝及關(guān)鍵工序施工要點(diǎn)，并通過(guò)應(yīng)用效果，分析總結(jié)施工質(zhì)量控制措施(見圖1)。

圖1 廈門市新體育中心項(xiàng)目效果

1 植入法沉樁

植入法沉樁指預(yù)先采用鉆機(jī)或其他成孔設(shè)備在樁位處成孔，成孔孔徑略大于預(yù)制管樁直徑，成孔后向孔內(nèi)灌注一定強(qiáng)度的水泥漿、混凝土等膠凝材料，并在凝固前通過(guò)鋼套筒控制樁身平面定位和垂直度，將預(yù)制管樁植入孔內(nèi)的施工工法，特點(diǎn)如下：①適用于濱海地區(qū)腐蝕環(huán)境、孤石率高、需穿越硬夾層或厚砂層、厚度大的松軟土層等復(fù)雜地質(zhì)中的預(yù)制管樁沉樁施工；②具有成孔速度快、無(wú)明顯擠土效應(yīng)、全施工過(guò)程質(zhì)量可控的優(yōu)點(diǎn)；③可根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙需求合理選擇樁端持力層或有效樁長(zhǎng)，以提高配樁效率；④采用旋挖成孔方式，可有效提升預(yù)制管樁水平抗剪承載力和豎向承載力；⑤植樁成孔深度控制原則是樁端能進(jìn)入設(shè)計(jì)要求的持力層及保證設(shè)計(jì)有效樁長(zhǎng)的前提下，盡量減少植樁成孔深度；⑥灌注的水泥土、混凝土或固樁液能增強(qiáng)管樁后期樁身側(cè)阻力，以達(dá)到設(shè)計(jì)荷載要求。

2 工程概況

廈門市新體育中心項(xiàng)目位于廈門市翔安區(qū)，總建筑面積約230 400m2，其中體育館(配套綜合訓(xùn)練館)約155 000m2，建筑高度為17.28～48.12m，場(chǎng)地地貌為沖洪積階地與濱海灘涂交接地帶；游泳館建筑面積約75 400m2，建筑高度為18.21～40.86m，場(chǎng)地地貌為濱海灘涂區(qū)。采用樁基礎(chǔ)，樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(PHC樁)。

1)巖土層分布 場(chǎng)地地基巖土層主要由人工填土、海積層、沖海積層、沖洪積層、坡洪積層、殘積土及基巖風(fēng)化層等組成。建設(shè)場(chǎng)地跨越不同地貌單元，擬建場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，巖土層種類較多，且其分布、埋深、厚度及性能變化較大。分布飽和軟土淤泥質(zhì)土或砂土，且綜合厚度較大，基巖風(fēng)化層巖面起伏變化大，孤石異常發(fā)育(孤石遇見率平均達(dá)35%，大部分孤石呈串珠狀，且揭露厚度較大)，孤石分布概率如圖2所示(圖中陰影部分為弧石大概率集中發(fā)育區(qū))。

圖2 孤石概率分布

2)水文地質(zhì)條件 場(chǎng)地地質(zhì)條件為濕潤(rùn)區(qū)強(qiáng)透水層中的地下水。地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具弱～中腐蝕性，綜合按中腐蝕性考慮；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在長(zhǎng)期浸水狀態(tài)下具微～弱腐蝕性，綜合按弱腐蝕性考慮；在干濕交替帶具強(qiáng)腐蝕性。

3)PHC樁基礎(chǔ)說(shuō)明 采用樁型為PHC600-130-AB，單樁豎向抗壓承載力特征值為2 800kN,單樁豎向抗拔承載力特征值為800kN，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80，樁端持力層為砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，樁底進(jìn)入持力層深度≥1.0m。防腐蝕處理措施如下：樁身混凝土內(nèi)摻入鋼筋阻銹劑和有效礦物摻合料，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土保護(hù)層厚度≥40mm。采用旋挖鉆機(jī)成孔直徑為800mm，孔內(nèi)居中植入直徑600mm的PHC樁，后澆筑有效樁長(zhǎng)2/3體積量的C25水下細(xì)石混凝土，再錘擊PHC樁直至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3 植入法沉樁施工工藝

植入法沉樁施工工藝如下：施工前期準(zhǔn)備→BIM技術(shù)應(yīng)用→放樁位線→埋設(shè)鋼護(hù)筒→護(hù)壁泥漿制備→旋挖鉆孔及檢測(cè)→清孔→下導(dǎo)管→澆筑水下混凝土→安裝鋼套筒→錘擊沉樁準(zhǔn)備→錘擊沉樁→錘擊沉樁收錘→樁孔安全防護(hù)→驗(yàn)收。

4 關(guān)鍵工序施工要點(diǎn)

4.1 BIM技術(shù)應(yīng)用

1)BIM建模 由于巖土層的不均一性、基巖風(fēng)化的差異性及孤石發(fā)育隨機(jī)性，鉆孔間的地層界線均按一般規(guī)律推測(cè)，與實(shí)際情況存在差異。因此，施工時(shí)需考慮因勘探精度、鉆孔移動(dòng)、風(fēng)化差異及孤石等因素導(dǎo)致勘察資料與實(shí)際地層情況有所差異的影響。通過(guò)整合勘探孔地質(zhì)情況數(shù)據(jù)，將離散的勘探孔地質(zhì)信息從“點(diǎn)-線-面”回歸到連續(xù)三維地質(zhì)分布情況，整體三維地質(zhì)模型如圖3所示。

圖3 三維地質(zhì)模型

2)樁長(zhǎng)預(yù)判 根據(jù)試驗(yàn)樁確定的收錘標(biāo)準(zhǔn)和入巖深度等關(guān)鍵信息，將三維地質(zhì)模型關(guān)聯(lián)樁基模型，預(yù)判有效樁長(zhǎng)，提高現(xiàn)場(chǎng)樁基施工配樁精度，如圖4所示。

圖4 樁長(zhǎng)預(yù)判模型

4.2 旋挖成孔

1)放樁位線 在現(xiàn)場(chǎng)地面上用紅色油漆標(biāo)出每個(gè)樁位點(diǎn)，樁上標(biāo)定樁位中心，施工過(guò)程中測(cè)量人員實(shí)時(shí)跟進(jìn)測(cè)量控制及補(bǔ)點(diǎn)復(fù)測(cè)。

2)埋設(shè)鋼護(hù)筒 放置鋼平臺(tái)，進(jìn)行護(hù)筒埋設(shè)。護(hù)筒定位時(shí)應(yīng)先復(fù)核樁位，然后以樁位為中心，定出相互垂直的十字控制樁線，并作十字栓點(diǎn)控制，挖護(hù)筒孔位，吊放入護(hù)筒，同時(shí)用十字線校正護(hù)筒中心及樁位中心，使之重合，并保證護(hù)筒中心位置與樁中心偏差在50mm以內(nèi)。所采用的鋼護(hù)筒直徑大于鉆頭直徑，護(hù)筒頂標(biāo)高應(yīng)高于施工面200～300mm，并確保筒壁與水平面垂直。

3)護(hù)壁泥漿制備 制備泥漿相對(duì)密度為1.23，并對(duì)孔內(nèi)泥漿漿面以下1m處及離孔底以上1m處各取一次試樣進(jìn)行測(cè)試，若達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，應(yīng)及時(shí)調(diào)整泥漿性能。新制泥漿應(yīng)靜置24h，測(cè)試合格后方能使用。旋挖斗提升出地面時(shí)要及時(shí)補(bǔ)漿，以保持孔內(nèi)泥漿面高度。

4)旋挖鉆孔及成孔檢測(cè) 植樁法旋挖鉆孔孔深為設(shè)計(jì)有效樁長(zhǎng)及入巖≥1m的控制旋挖深度，孔底以設(shè)計(jì)持力層(砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、淺層孤石或砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中孤石)控制樁落底，成孔直徑宜比預(yù)制樁直徑或截面外接圓直徑≥200mm(根據(jù)樁長(zhǎng)與傾斜度綜合控制)。鉆進(jìn)過(guò)程中，一定要保持泥漿面不得低于護(hù)筒頂400mm。提鉆時(shí)，須及時(shí)向孔內(nèi)補(bǔ)漿，以保持泥漿面不得低于護(hù)筒頂400mm。利用測(cè)繩、泥漿密度計(jì)等儀器，共同測(cè)定樁孔各項(xiàng)參數(shù)，植樁旋挖孔沉渣應(yīng)小于50mm。

5)清孔 第1次清孔采用鉆機(jī)放慢鉆速，利用雙底撈渣鉆頭全部帶出懸浮沉渣的方式進(jìn)行。第2次清孔采用泥漿正循環(huán)清渣，將泥漿管放置于孔底沉渣附近，開啟泥漿泵，快速運(yùn)動(dòng)的泥漿沖刷擾動(dòng)樁底沉渣，沉渣在泥漿中泛起，被上升循環(huán)的泥漿攜帶排出。清孔完以后應(yīng)確保沉渣厚度<50mm。

4.3 澆筑混凝土

1)澆筑混凝土采用漏斗結(jié)合導(dǎo)管，漏斗與導(dǎo)管位置應(yīng)使用隔水塞球膽(直徑與導(dǎo)管內(nèi)徑相同)封閉，隔水塞球膽用鐵絲固定在漏斗邊，待漏斗內(nèi)混凝土放滿后剪斷鐵絲。

2)選擇合適的導(dǎo)管，導(dǎo)管直徑為250mm。導(dǎo)管底端下至孔底標(biāo)高上300～500mm。應(yīng)有足夠的混凝土儲(chǔ)備量，導(dǎo)管一次埋入混凝土灌注面以下≥0.8m，導(dǎo)管埋入混凝土深度宜為2～6m。

3)混凝土灌注過(guò)程中，始終保持導(dǎo)管位置居中，專人指揮提升導(dǎo)管，當(dāng)最后一次拔管時(shí)，緩慢提拔導(dǎo)管，避免孔內(nèi)上部泥漿壓入樁中，混凝土灌注完成后及時(shí)拔出護(hù)筒。

4)混凝土澆筑量為預(yù)估有效樁長(zhǎng)2/3旋挖孔深體積量，施工時(shí)根據(jù)不同樁位進(jìn)行計(jì)算。

4.4 錘擊沉樁

1)安裝鋼套筒 為控制管樁植入過(guò)程偏位及垂直度偏差，管樁沉樁前在護(hù)筒內(nèi)側(cè)套設(shè)鋼套筒裝置，該裝置與旋挖護(hù)筒緊密固定，防止該裝置在旋挖護(hù)筒內(nèi)發(fā)生位移，鋼套筒內(nèi)徑略大于管樁外徑尺寸，宜控制在2～4cm。

2)錘擊沉樁準(zhǔn)備 為保證預(yù)制管樁植入水下混凝土不流入樁芯，在管樁樁頂使用鐵片對(duì)樁芯進(jìn)行封閉焊接，防止泥漿及土石方填埋樁芯。樁基吊裝就位時(shí)，樁尖吊入鋼套筒內(nèi)側(cè)，同時(shí)復(fù)核管樁垂直度。通常用千斤頂、枕木、鐵墊塊調(diào)整滾筒水平，并控制樁架垂直度。用樁架精確調(diào)整樁身垂直度，第1節(jié)樁的垂直度允許偏差為0.5%，管樁施打過(guò)程中采用垂線及全站儀等檢查垂直度，確保樁身垂直度控制在1%以內(nèi)。

3)錘擊沉樁 植入樁沉樁過(guò)程中，待管樁自由下沉停止后，空錘錘擊沉樁，沉樁穩(wěn)定以后，重錘低擊使樁能夠正常貫入(穿)混凝土；樁頭與樁帽間的彈性墊層不應(yīng)小于120～150mm(宜用紙板、棕繩等)。錘擊沉樁過(guò)程應(yīng)連續(xù)，盡量縮短接樁間歇時(shí)間，防止水下混凝土初凝無(wú)法沉樁等問(wèn)題。

4)接樁 單樁接頭不應(yīng)超過(guò)3個(gè)，接頭應(yīng)避開地下水干濕交替區(qū)域1m以上。接樁采用機(jī)械連接結(jié)合焊接的措施，并采用電焊封閉端頭型鋼或鋼板的邊緣接縫，焊縫深度≥10mm。

機(jī)械連接銷、連接盒內(nèi)應(yīng)涂刷或注入瀝青涂料，接頭鋼配件應(yīng)涂刷或注入環(huán)氧瀝青涂料，涂膜總厚度≥320μm。

5)收錘 孔底為砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化巖(或部分無(wú)法貫穿灌注混凝土)時(shí)，按最后3陣貫入度累計(jì)≤10cm，每陣≤4cm控制?？椎诪閺?qiáng)風(fēng)化巖中的孤石、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖或中～微風(fēng)化花崗巖時(shí)，以控制樁尖剛好落底為宜(施工中嚴(yán)格比對(duì)旋挖成孔深度與樁入土深度，送樁務(wù)必做好標(biāo)記)，嚴(yán)禁在樁尖到底時(shí)仍繼續(xù)錘擊。

5 質(zhì)量控制措施

1)檢查混凝土澆筑導(dǎo)管是否變形，存在坑凹、彎曲以及破損或裂縫等問(wèn)題，并應(yīng)檢查內(nèi)壁是否平滑，對(duì)于新導(dǎo)管應(yīng)檢查內(nèi)壁是否光滑及有無(wú)焊渣，對(duì)于舊導(dǎo)管應(yīng)檢查內(nèi)壁是否有混凝土粘附固結(jié)等情況。

2)水下細(xì)石混凝土根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工組織時(shí)間添加一定量的緩凝劑，以滿足植入樁的時(shí)間需求。

3)及時(shí)調(diào)整植入樁填充緩凝型細(xì)石混凝土的配合比，避免混凝土粗骨料于孔底一定深度范圍內(nèi)富集，從而導(dǎo)致植入管樁難以完全穿透灌注混凝土的情況，減少植樁過(guò)程中混凝土的沉樁阻力。

4)壓樁時(shí)主機(jī)手和地面操作人員必須經(jīng)常觀察樁身垂直度，發(fā)現(xiàn)傾斜必須及時(shí)調(diào)整，垂直度偏差不得大于0.5%。沉樁時(shí)應(yīng)連續(xù)一次性將樁沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，盡量縮短中間停頓時(shí)間，避免在接近持力層時(shí)接樁。

5)樁長(zhǎng)不夠時(shí)如要接樁，上、下節(jié)樁接頭端板坡口應(yīng)潔凈、干燥，且焊接處應(yīng)刷至露出金屬光澤。樁接頭焊好后應(yīng)進(jìn)行外觀檢查，檢查合格后方可繼續(xù)沉樁，嚴(yán)禁澆水冷卻,自然冷卻時(shí)間不少于8min。

6 實(shí)施效果

編號(hào)為A-Z-3的抗壓樁位于地勘孔5-ZK63附近，配樁長(zhǎng)度為13m，設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高2.500m，場(chǎng)地自然地面標(biāo)高5.660m，持力層為砂粒狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。成孔經(jīng)殘積砂質(zhì)黏性土10.2m，全風(fēng)化花崗巖4.2m，經(jīng)砂粒狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層1m，成孔深度15.4m，持力層為砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，有效孔深12.24m。混凝土澆筑量按有效孔深的2/3即4.06m計(jì)算，實(shí)際混凝土灌注4.5m，混凝土坍落度195mm。植樁過(guò)程中，樁底剛好穿透孔底混凝土，進(jìn)入砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層0m，最后3陣貫入度為24，20，16mm，3陣?yán)塾?jì)貫入度60mm。

A-Z-3抗壓樁設(shè)計(jì)單樁豎向抗壓承載力特征值為2 800kN，單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果為最大試驗(yàn)荷載7 280kN，對(duì)應(yīng)最大試驗(yàn)荷載沉降量6.13mm，殘余變形2.56mm，滿足設(shè)計(jì)要求，基樁低應(yīng)變法檢測(cè)為Ⅰ類。

7 結(jié)語(yǔ)

1)植入法沉樁即采用旋挖成孔灌注細(xì)石混凝土后錘擊植入預(yù)制樁的成樁工藝。結(jié)合鉆孔灌注樁和預(yù)制管樁的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)兩種樁型的缺點(diǎn)，即保證樁的入巖深度又保證成樁質(zhì)量。對(duì)于處理腐蝕環(huán)境下樁基的防腐、孤石發(fā)育、預(yù)制樁持力層強(qiáng)風(fēng)化巖面較淺的復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題優(yōu)勢(shì)突出，并可根據(jù)設(shè)計(jì)需要合理選擇樁端持力層和控制樁長(zhǎng)，樁長(zhǎng)和樁基承載力控制的成功率高。

2)植入法沉樁應(yīng)用于廈門市新體育中心項(xiàng)目，克服地質(zhì)條件差且場(chǎng)地跨越不同地貌單元、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、局部存在硬夾層、巖面起伏大、孤石率高且呈串珠狀等不利因素，取得較好效果。