長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁新施工工藝特點(diǎn)及工程優(yōu)勢(shì)淺析

易忠俊武，梁海安，曾 浩，陳麗雯，曹開(kāi)偉，王 雯

（1.東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.江西中恒地下空間科技有限公司，江西 南昌 330013）

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展以及人口的增長(zhǎng)，高層建筑不斷增加，其基礎(chǔ)在抗震、形變、承載能力上的要求也越來(lái)越高［1］。為了克服建筑物基礎(chǔ)建設(shè)中的困難，工程師通過(guò)掘井技術(shù)，研發(fā)了人工挖孔灌注鋼筋混凝土的成樁技術(shù)，灌注樁工藝于 1893 年最早出現(xiàn)。在 1940 年前后，大功率鉆機(jī)成功研制，使鉆孔灌注樁最早出現(xiàn)在美國(guó)［2］。雖然鉆孔灌注樁不受地層制約、無(wú)需接樁和截樁、抗壓且抗拔、受力穩(wěn)、振動(dòng)小、噪音小、適應(yīng)性強(qiáng)［3］，但它仍然還存在著工藝復(fù)雜、造價(jià)高、上部施工和基礎(chǔ)偶爾不連續(xù)、工期較長(zhǎng)、難以徹底清理樁底沉渣（虛土）的缺陷［4］。這些缺陷限制了其工程質(zhì)量及承載能力的穩(wěn)定性。因此為了克服這些問(wèn)題，長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁新施工工藝也應(yīng)運(yùn)而生。為了使長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁新施工工藝能得到充分利用，有效地解決樁基施工出現(xiàn)的問(wèn)題，本文對(duì)長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁新施工工藝及工程優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，為長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁新工藝的推廣提供參考。

1 普通鉆孔灌注樁施工工藝

鉆孔灌注樁的施工有準(zhǔn)備工作、造孔、鋼筋籠制作安裝和混凝土的配置與灌注。

1.1 施工前的準(zhǔn)備工作

施工前的準(zhǔn)備工作包括布置施工現(xiàn)場(chǎng)、試樁、測(cè)量放樣、護(hù)筒埋設(shè)和制備泥漿。

在布置施工現(xiàn)場(chǎng)時(shí)要注意：①對(duì)于場(chǎng)地干旱的施工現(xiàn)場(chǎng)要進(jìn)行場(chǎng)地除雜與整平、置換軟土和夯實(shí)的工作，對(duì)于坡度較大的場(chǎng)地要用木排架或者枕木來(lái)搭設(shè)工作的平臺(tái)［5］；②當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)為有水的區(qū)域時(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)要根據(jù)水的深度、流動(dòng)速度和水底地質(zhì)情況恰當(dāng)?shù)夭捎弥u法、浮動(dòng)式鉆探船或固定平臺(tái)。

1.2 造孔

沖擊鉆孔法、正循環(huán)鉆孔法、沖抓鉆孔法、沖擊反循環(huán)鉆進(jìn)法和泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)法是進(jìn)行施工前準(zhǔn)備工作常用的造孔方法。為了確保鉆機(jī)周正、穩(wěn)定和水平，并保證鉆具能夠?qū)?zhǔn)測(cè)放的中心進(jìn)行開(kāi)孔鉆進(jìn)，造孔要敷設(shè)枕木和臺(tái)板。為了嚴(yán)格地控制成孔的質(zhì)量，在造孔時(shí)要經(jīng)常查驗(yàn)孔斜、孔徑和孔型。在造孔時(shí)還要注意清孔，減少孔底沉淀層的厚度，確保灌注混凝土的質(zhì)量。

1.3 鋼筋籠制作與安裝

鋼筋籠制作前需要進(jìn)行除銹和調(diào)直的工作，并對(duì)焊接鋼筋進(jìn)行可焊性和焊接質(zhì)量試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求在鋼筋籠制作時(shí)要確定箍筋的用料長(zhǎng)度，并將備用鋼筋切好。鋼筋籠要用大型吊車(chē)安裝，且要對(duì)準(zhǔn)樁孔的中心垂直放入，避免碰撞孔壁。

1.4 混凝土的配置與灌注

配置混凝土要求樁身的混凝土在養(yǎng)護(hù) 4 周后凝結(jié)密實(shí)，不出現(xiàn)裂縫、蜂窩、空洞和夾層的現(xiàn)象，水泥和鋼筋黏結(jié)緊密，無(wú)鋼筋暴露。一般采用導(dǎo)管灌注法進(jìn)行混凝土的灌注。

1.5 鉆孔灌注樁的缺陷

雖然鉆孔灌注樁能解決樁基施工中出現(xiàn)的部分問(wèn)題，但它還具有成樁質(zhì)量差、成本高、施工效率低、單樁承載力低等缺陷，且不適合在有大粒徑的卵漂石的地層中施工。

1）鉆孔灌注樁的成樁質(zhì)量低，在成孔成樁過(guò)程中，會(huì)對(duì)殘留的沉渣或者持力層產(chǎn)生擾動(dòng)。鉆孔灌注樁工藝復(fù)雜、施工工序多、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高且施工較困難。在施工管理不完善或者發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，很容易引發(fā)如樁底沉渣過(guò)厚、縮徑、斷樁、孔底虛土和混凝土分層的問(wèn)題。這些都會(huì)影響成樁質(zhì)量，造成成樁質(zhì)量較差。

2）鉆孔灌注樁不僅要遭受打擊和吊裝搬運(yùn)，還需要大量的大型機(jī)械投入?？紤]成樁時(shí)可能出現(xiàn)如縮徑、樁底沉渣過(guò)厚、斷樁和混凝土分層的問(wèn)題，所以必須要做大量的質(zhì)量檢測(cè)工作，以確保樁的質(zhì)量，但在這過(guò)程中要耗費(fèi)大量人力和物力。

3）鉆孔灌注樁一般樁徑較小，單樁承載力低。在鉆孔機(jī)械進(jìn)行鉆孔時(shí)，會(huì)受到地質(zhì)條件的影響發(fā)生井孔縮徑的現(xiàn)象，這將會(huì)對(duì)樁基承載性能造成決定性的影響，甚至使單樁承載力大大降低。

4）在灌注過(guò)程中，由于受到場(chǎng)地條件和器械的限制，鉆孔灌注樁灌注的整個(gè)施工過(guò)程需要滿(mǎn)足國(guó)家規(guī)范及地方相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。例如，在灌注時(shí)，沒(méi)有相應(yīng)保護(hù)層的保護(hù)，鋼筋籠會(huì)出現(xiàn)斷樁。要想在實(shí)際工程避免這樣的情況出現(xiàn)，對(duì)施工以及施工人員的要求都很高，從而降低了施工效率［6］。

5）鉆孔灌注樁在卵漂石層中鉆進(jìn)困難，不適合在此類(lèi)地層中施工。鉆孔灌注樁在類(lèi)似的條件下施工時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鉆孔側(cè)壁坍塌、鉆進(jìn)不進(jìn)尺、卡鉆、鉆孔傾斜偏移和超挖的問(wèn)題［7］。

2 長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁新施工工藝特點(diǎn)

與普通鉆孔灌注樁施工過(guò)程相似，長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁施工過(guò)程包括：施工準(zhǔn)備、測(cè)量放線、鉆機(jī)等機(jī)械就位、鉆孔到設(shè)計(jì)標(biāo)高、高壓旋噴注漿擴(kuò)底、混凝土泵送壓灌（提拔鉆桿）、振動(dòng)沉入鋼筋籠和成樁檢驗(yàn)。為了解決鉆孔灌注樁的部分缺陷，長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁在施工過(guò)程中增加了同步技術(shù)、特制擴(kuò)底鉆頭擴(kuò)底技術(shù)、壓力灌注、振搗插筋逆作法和鉆孔成樁一體化的新施工工藝。

2.1 同步技術(shù)

同步技術(shù)是在長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁鉆進(jìn)施工時(shí)嚴(yán)格控制鉆桿的轉(zhuǎn)速和升降速度，保證鉆桿每旋轉(zhuǎn)一圈，鉆桿下降或提起一個(gè)螺距的距離。

通過(guò)同步技術(shù)，能有效控制鉆速，防止鉆孔速度過(guò)快、空鉆較多、孔中水壓不夠、土層壓力擠壓和孔壁平衡破壞的現(xiàn)象。與普通鉆孔灌注樁施工工藝相比，同步技術(shù)能有效解決樁基施工中出現(xiàn)的傾斜過(guò)大、斷樁、偏移和鉆孔偏斜等問(wèn)題。

2.2 特制擴(kuò)底鉆頭擴(kuò)底技術(shù)

當(dāng)鉆頭下降到預(yù)定的位置時(shí)，采用最低檔速度，甚至是時(shí)放時(shí)停的進(jìn)鉆狀態(tài)，緩慢打開(kāi)液壓供油閥（打開(kāi)液壓閥供油時(shí)，不可一次性完成，可以分 5 次進(jìn)行），直到鉆頭的擴(kuò)孔器完全張開(kāi)。然后保持低轉(zhuǎn)速和擴(kuò)孔器的張開(kāi)狀態(tài)來(lái)擴(kuò)孔旋挖，形成擴(kuò)大頭。與普通鉆孔灌注樁施工工藝相比，特制擴(kuò)底鉆頭擴(kuò)底技術(shù)能夠減少對(duì)樁基周?chē)馏w的損傷，大大提高樁基的承載力。

2.3 壓力灌注

鉆孔施工完畢后，鉆桿緩緩提升，同時(shí)通過(guò)中空的鉆桿泵送混凝土拌合料，迅速填滿(mǎn)因鉆桿提升而產(chǎn)生的狹小空間。由于空間密閉，泵出壓力通過(guò)流動(dòng)的混凝土拌合料傳遞到鉆孔內(nèi)壁，會(huì)在樁周土產(chǎn)生一定的圓孔擴(kuò)張，或泵出的水泥漿會(huì)膠結(jié)樁周的砂和卵石，使其樁土結(jié)合效果更好。與長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁的壓力灌注相比，傳統(tǒng)樁基灌注過(guò)程中未形成密閉空間，混凝土拌合料的圍壓為零。一般來(lái)講，長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁的壓力灌注的壓灌壓力大于長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)的最大機(jī)體高度×混凝土的容重，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般控制在 2 倍左右。

壓力灌注對(duì)土體產(chǎn)生強(qiáng)力的擠密作用，泵送高壓混凝土?xí)r對(duì)土體進(jìn)行滲透擴(kuò)散，擴(kuò)大了樁側(cè)接觸面積，擠密作用提高了地基土的承載力并加固了樁周土。與普通鉆孔灌注樁施工工藝相比，壓力灌注能更好地解決樁基施工產(chǎn)生的塌孔問(wèn)題。同時(shí)，壓灌的泥漿有強(qiáng)大的攜帶樁底沉渣的能力，能夠沿著螺旋結(jié)構(gòu)將樁底沉渣快速排出。因此壓力灌注能夠有效解決因普通鉆孔灌注樁施工工藝清孔不徹底、泥漿質(zhì)量不好，比重小導(dǎo)致的樁底浮渣、難以將浮渣帶出的問(wèn)題。

2.4 振搗插筋逆作法

在灌注完畢后，將由鋼管和振動(dòng)器組成的插筋器插入鋼筋籠內(nèi)部，鋼管須抵在同心錐狀的鋼筋籠底部以便傳遞振搗力。插筋時(shí)，振動(dòng)器的振動(dòng)荷載通過(guò)鋼管傳遞到鋼筋籠底部，鋼筋籠以下拉的方式被插入到尚未凝結(jié)的混凝土樁體中。螺桿樁先灌注混凝土拌合料后振動(dòng)插筋，傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁先吊放鋼筋籠再灌注混凝土拌合料。因此，振搗插筋逆作法相對(duì)普通鉆孔灌注樁施工工藝而言能夠大大提高樁的單樁承載力，解決樁承載力低和樁身混凝土分層的缺陷。

2.5 鉆孔成樁一體化

螺桿樁機(jī)每次下鉆時(shí)施工一個(gè)鉆孔，提鉆時(shí)立即對(duì)該鉆孔灌注混凝土拌合料，將先鉆孔后灌注成樁兩步工藝變?yōu)殂@孔成樁一體化。因此與普通鉆孔灌注樁施工工藝相比，鉆孔成樁一體化的施工速度更快，樁基施工質(zhì)量更好。

3 長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁的工程優(yōu)勢(shì)

3.1 成樁質(zhì)量好

長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁的混凝土是從鉆桿中心向孔中壓入，相對(duì)于普通鉆孔灌注樁來(lái)說(shuō)材料比較密實(shí)［8］，因此發(fā)生縮頸和斷樁的情況較少；且由于樁孔周?chē)耐馏w受到擠密，長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁不易引發(fā)坍孔、地表隆起、縮徑的現(xiàn)象，與普通鉆孔灌注樁相比，長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁成樁質(zhì)量較好。

3.2 經(jīng)濟(jì)性好

長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁施工是由鉆機(jī)直接調(diào)入鋼筋籠。只需鋼筋籠插入機(jī)械和長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)作為主要設(shè)備，施工便捷，投入的大型機(jī)械少，且無(wú)需搬運(yùn)吊裝，因此配筋率要求相對(duì)較低。數(shù)據(jù)表明：配筋率約為 0.8 % 是預(yù)制錘擊沉樁的最低要求，靜力樁為 0.4 %，長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁配筋率可低至 0.2 %［9］。同時(shí)可根據(jù)建筑物的等級(jí)和荷載僅沿深度變截面配筋或在樁上部配筋。所以，在不包括因不致發(fā)生斷樁和不需要承臺(tái)的情況，樁預(yù)制樁的鋼筋約為長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底 0.5～0.7 倍。如今我國(guó)每立方米預(yù)制樁約為灌注樁樁身混凝土造價(jià)的 1.5 倍。所以與普通鉆孔灌注樁相比長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁具有更高的經(jīng)濟(jì)性。

3.3 單樁承載力高

長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁采用高壓旋噴注漿擴(kuò)底工藝，不但使孔底殘?jiān)桓邏核酀{旋噴處理后由長(zhǎng)螺旋鉆桿葉片帶出地面的同時(shí)形成擴(kuò)大頭空腔，而且在隨之泵壓灌注混凝土中擴(kuò)大了混凝土樁端直徑，有效地提高了樁端阻力，也極大幅度地提高了單樁承載力特征值。由于采用壓灌的方法成孔，長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁孔鄰近的土側(cè)摩阻力較高，其抗拔力和承載力也有所提高，穩(wěn)定性和形變都比較理想。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)表明，在樁頂沉降、樁徑和樁長(zhǎng)相同時(shí)，直樁的樁頂荷載是擴(kuò)底樁的1/4～1/6；在樁頂荷載相同時(shí)，直樁樁頂沉降是擴(kuò)底樁的15～25 倍。每多用 1 m3混凝土，擴(kuò)底樁極限承載力就會(huì)增加 1 746 kN［10］。總的來(lái)說(shuō)，與普通鉆孔灌注樁相比，長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁承載力更大，沉降更小，且單樁承載力更高。

3.4 施工效率高

長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁鉆孔強(qiáng)，成孔成樁無(wú)間斷，操作簡(jiǎn)捷、施工快、工期短。長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁鉆孔采用鉆機(jī)，到達(dá)目標(biāo)深度后提鉆、灌注混凝土和放鋼筋籠振搗成樁，成孔、成樁無(wú)間斷完成。一般來(lái)說(shuō)，20 m 長(zhǎng)的孔樁每天約能完成 15 根。因此與普通鉆孔灌注樁相比，長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁施工效率更高。

3.5 適用性好

長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁不但可以用于黏性土、填土和粉土的地層，還可以用于軟土和地下水位高的地質(zhì)條件［11］。普通鉆孔灌注樁對(duì)于土質(zhì)松軟的土，會(huì)出現(xiàn)泥漿護(hù)壁效果不好、空鉆多、孔壁平衡破壞、局部孔壁坍塌和夾泥的現(xiàn)象。且在存在眾多粒徑較大的漂石和卵石的地層條件下施工時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)鉆孔側(cè)壁坍塌、鉆進(jìn)不進(jìn)尺、卡鉆、鉆孔傾斜偏移和超挖的問(wèn)題。因此與普通鉆孔灌注樁相比，長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁適用性更好。

4 長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁新舊施工工藝對(duì)比

此次研究表明，長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁施工與普通鉆孔灌注樁相比具有成樁質(zhì)量好、施工效率高、經(jīng)濟(jì)性好、單樁承載力高、適用性好的工程優(yōu)勢(shì)，新施工工藝與普通鉆孔灌注樁施工工藝相比可有效改進(jìn)以下工程問(wèn)題。

1）長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁的同步技術(shù)能更有效解決樁基施工中出現(xiàn)的傾斜過(guò)大、斷樁、偏移、鉆孔偏斜等問(wèn)題；

2）特制擴(kuò)底鉆頭擴(kuò)底技術(shù)能夠減少對(duì)樁基周?chē)馏w的損傷，大大提高樁基的承載力；

3）壓力灌注能夠更有效地解決清孔不徹底、泥漿質(zhì)量不好、比重小導(dǎo)致樁底浮渣和難以將浮渣帶出的缺陷；

4）振搗插筋逆作法能夠大大提高樁的單樁承載力，解決樁基施工中出現(xiàn)的樁基承載力低和樁身混凝土分層的缺陷；

5）鉆孔成樁一體化更加提升了施工速度，保證了樁基施工質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

本次研究主要論述和總結(jié)了長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁相比于普通鉆孔灌注樁在工程應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，后期將主要以長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁的力學(xué)特性為研究核心，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案并展開(kāi)室內(nèi)模型試驗(yàn)，完善長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁技術(shù)，有助于長(zhǎng)螺旋壓灌擴(kuò)底樁在工程中的應(yīng)用與推廣。Q