濱海地區(qū)復雜地質條件下植入法沉樁施工技術*

陳智鴻，藍明紅，陳景鎮(zhèn)，蔣 晨，陳 黔

(中建四局建設發(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不能滿足實際工程要求，國內外學者開始探索新的樁型和施工方法。

冷伍明等[2]通過試驗和數(shù)值模擬方法，探究螺紋樁樁身軸力及樁側摩阻力分布規(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理，并討論螺紋結構參數(shù)對螺紋樁承載力的影響。劉漢龍等[3]為探究高噴插芯組合樁(簡稱 JPP)的荷載傳遞機制，以大型土工試驗模型槽為依托，進行JPP樁、灌注樁和高壓旋噴水泥土樁靜荷載對比試驗。任連偉等[4]利用有限差分軟件FLAC3D對JPP群樁豎向承載特性進行數(shù)值模擬分析，討論樁數(shù)、樁間距、樁長、不同組合形式、不同水泥土彈性模量等對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，并推導串聯(lián)組合樁鼓脹變形的理論計算方法，探討串聯(lián)組合樁的鼓脹變形機理。王建等[6]采用ABAQUS有限元軟件，對黏土地基中勁性復合樁的單樁水平承載性能進行研究，重點分析水平荷載-位移關系曲線、樁體材料受拉損傷因子分布、水平極限承載力等結果。白曉宇等[7]進行大直徑泥漿護壁鉆孔灌注樁單樁豎向抗壓靜荷載試驗及樁身力學測試，對比分析灌注樁注漿與否的承載性狀、變形特性及影響因素。后注漿技術克服灌注樁樁端虛土的技術難題，但施工工藝復雜、周期長。

近些年，單一樁型已無法滿足需求，復合、組合樁型研究深受國內學者的青睞[8-10]，但是樁基工程的地域差異性很強，針對特定地區(qū)的地質條件，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，應用前景廣闊。本文結合廈門市新體育中心項目，介紹其施工工藝及關鍵工序施工要點，并通過應用效果，分析總結施工質量控制措施(見圖1)。

圖1 廈門市新體育中心項目效果

1 植入法沉樁

植入法沉樁指預先采用鉆機或其他成孔設備在樁位處成孔，成孔孔徑略大于預制管樁直徑，成孔后向孔內灌注一定強度的水泥漿、混凝土等膠凝材料，并在凝固前通過鋼套筒控制樁身平面定位和垂直度，將預制管樁植入孔內的施工工法，特點如下：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雜地質中的預制管樁沉樁施工；②具有成孔速度快、無明顯擠土效應、全施工過程質量可控的優(yōu)點；③可根據(jù)設計圖紙需求合理選擇樁端持力層或有效樁長，以提高配樁效率；④采用旋挖成孔方式，可有效提升預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入設計要求的持力層及保證設計有效樁長的前提下，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管樁后期樁身側阻力，以達到設計荷載要求。

2 工程概況

廈門市新體育中心項目位于廈門市翔安區(qū)，總建筑面積約230 400m2，其中體育館(配套綜合訓練館)約155 000m2，建筑高度為17.28～48.12m，場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，場地地貌為濱海灘涂區(qū)。采用樁基礎，樁基設計等級為甲級，為預應力高強混凝土管樁(PHC樁)。

1)巖土層分布 場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、殘積土及基巖風化層等組成。建設場地跨越不同地貌單元，擬建場地地層結構較復雜，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土或砂土，且綜合厚度較大，基巖風化層巖面起伏變化大，孤石異常發(fā)育(孤石遇見率平均達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)水文地質條件 場地地質條件為濕潤區(qū)強透水層中的地下水。地下水對混凝土結構具弱～中腐蝕性，綜合按中腐蝕性考慮；鋼筋混凝土結構中的鋼筋在長期浸水狀態(tài)下具微～弱腐蝕性，綜合按弱腐蝕性考慮；在干濕交替帶具強腐蝕性。

3)PHC樁基礎說明 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，樁身混凝土強度等級為C80，樁端持力層為砂礫狀強風化花崗巖，樁底進入持力層深度≥1.0m。防腐蝕處理措施如下：樁身混凝土內摻入鋼筋阻銹劑和有效礦物摻合料，預應力鋼筋混凝土保護層厚度≥40mm。采用旋挖鉆機成孔直徑為800mm，孔內居中植入直徑600mm的PHC樁，后澆筑有效樁長2/3體積量的C25水下細石混凝土，再錘擊PHC樁直至設計標高。

3 植入法沉樁施工工藝

植入法沉樁施工工藝如下：施工前期準備→BIM技術應用→放樁位線→埋設鋼護筒→護壁泥漿制備→旋挖鉆孔及檢測→清孔→下導管→澆筑水下混凝土→安裝鋼套筒→錘擊沉樁準備→錘擊沉樁→錘擊沉樁收錘→樁孔安全防護→驗收。

4 關鍵工序施工要點

4.1 BIM技術應用

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

圖3 三維地質模型

2)樁長預判 根據(jù)試驗樁確定的收錘標準和入巖深度等關鍵信息，將三維地質模型關聯(lián)樁基模型，預判有效樁長，提高現(xiàn)場樁基施工配樁精度，如圖4所示。

圖4 樁長預判模型

4.2 旋挖成孔

1)放樁位線 在現(xiàn)場地面上用紅色油漆標出每個樁位點，樁上標定樁位中心，施工過程中測量人員實時跟進測量控制及補點復測。

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

3)護壁泥漿制備 制備泥漿相對密度為1.23，并對孔內泥漿漿面以下1m處及離孔底以上1m處各取一次試樣進行測試，若達不到標準規(guī)定，應及時調整泥漿性能。新制泥漿應靜置24h，測試合格后方能使用。旋挖斗提升出地面時要及時補漿，以保持孔內泥漿面高度。

4)旋挖鉆孔及成孔檢測 植樁法旋挖鉆孔孔深為設計有效樁長及入巖≥1m的控制旋挖深度，孔底以設計持力層(砂礫狀強風化花崗巖、淺層孤石或砂礫狀強風化花崗巖中孤石)控制樁落底，成孔直徑宜比預制樁直徑或截面外接圓直徑≥200mm(根據(jù)樁長與傾斜度綜合控制)。鉆進過程中，一定要保持泥漿面不得低于護筒頂400mm。提鉆時，須及時向孔內補漿，以保持泥漿面不得低于護筒頂400mm。利用測繩、泥漿密度計等儀器，共同測定樁孔各項參數(shù)，植樁旋挖孔沉渣應小于50mm。

5)清孔 第1次清孔采用鉆機放慢鉆速，利用雙底撈渣鉆頭全部帶出懸浮沉渣的方式進行。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，快速運動的泥漿沖刷擾動樁底沉渣，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合導管，漏斗與導管位置應使用隔水塞球膽(直徑與導管內徑相同)封閉，隔水塞球膽用鐵絲固定在漏斗邊，待漏斗內混凝土放滿后剪斷鐵絲。

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

3)混凝土灌注過程中，始終保持導管位置居中，專人指揮提升導管，當最后一次拔管時，緩慢提拔導管，避免孔內上部泥漿壓入樁中，混凝土灌注完成后及時拔出護筒。

4)混凝土澆筑量為預估有效樁長2/3旋挖孔深體積量，施工時根據(jù)不同樁位進行計算。

4.4 錘擊沉樁

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

2)錘擊沉樁準備 為保證預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樁芯進行封閉焊接，防止泥漿及土石方填埋樁芯。樁基吊裝就位時，樁尖吊入鋼套筒內側，同時復核管樁垂直度。通常用千斤頂、枕木、鐵墊塊調整滾筒水平，并控制樁架垂直度。用樁架精確調整樁身垂直度，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。

3)錘擊沉樁 植入樁沉樁過程中，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小于120～150mm(宜用紙板、棕繩等)。錘擊沉樁過程應連續(xù)，盡量縮短接樁間歇時間，防止水下混凝土初凝無法沉樁等問題。

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

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

5)收錘 孔底為砂礫狀強風化巖(或部分無法貫穿灌注混凝土)時，按最后3陣貫入度累計≤10cm，每陣≤4cm控制。孔底為強風化巖中的孤石、碎塊狀強風化巖或中～微風化花崗巖時，以控制樁尖剛好落底為宜(施工中嚴格比對旋挖成孔深度與樁入土深度，送樁務必做好標記)，嚴禁在樁尖到底時仍繼續(xù)錘擊。

5 質量控制措施

1)檢查混凝土澆筑導管是否變形，存在坑凹、彎曲以及破損或裂縫等問題，并應檢查內壁是否平滑，對于新導管應檢查內壁是否光滑及有無焊渣，對于舊導管應檢查內壁是否有混凝土粘附固結等情況。

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

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

4)壓樁時主機手和地面操作人員必須經常觀察樁身垂直度，發(fā)現(xiàn)傾斜必須及時調整，垂直度偏差不得大于0.5%。沉樁時應連續(xù)一次性將樁沉到設計標高，盡量縮短中間停頓時間，避免在接近持力層時接樁。

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

6 實施效果

編號為A-Z-3的抗壓樁位于地勘孔5-ZK63附近，配樁長度為13m，設計樁頂標高2.500m，場地自然地面標高5.660m，持力層為砂粒狀強風化花崗巖。成孔經殘積砂質黏性土10.2m，全風化花崗巖4.2m，經砂粒狀強風化花崗巖層1m，成孔深度15.4m，持力層為砂礫狀強風化花崗巖層，有效孔深12.24m。混凝土澆筑量按有效孔深的2/3即4.06m計算，實際混凝土灌注4.5m，混凝土坍落度195mm。植樁過程中，樁底剛好穿透孔底混凝土，進入砂礫狀強風化花崗巖層0m，最后3陣貫入度為24，20，16mm，3陣累計貫入度60mm。

A-Z-3抗壓樁設計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檢測結果為最大試驗荷載7 280kN，對應最大試驗荷載沉降量6.13mm，殘余變形2.56mm，滿足設計要求，基樁低應變法檢測為Ⅰ類。

7 結語

1)植入法沉樁即采用旋挖成孔灌注細石混凝土后錘擊植入預制樁的成樁工藝。結合鉆孔灌注樁和預制管樁的優(yōu)點，彌補兩種樁型的缺點，即保證樁的入巖深度又保證成樁質量。對于處理腐蝕環(huán)境下樁基的防腐、孤石發(fā)育、預制樁持力層強風化巖面較淺的復雜地質問題優(yōu)勢突出，并可根據(jù)設計需要合理選擇樁端持力層和控制樁長，樁長和樁基承載力控制的成功率高。

2)植入法沉樁應用于廈門市新體育中心項目，克服地質條件差且場地跨越不同地貌單元、地質結構復雜、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。