深厚中砂層鉆孔灌注樁施工技術(shù)研究

柯元清

（福建建工集團有限責(zé)任公司，福建 福州 350000）

0 引言

鉆孔灌注樁具有工藝簡單、適用范圍廣、振動小和單樁承載力高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各類建筑和橋梁工程的樁基工程。鉆孔灌注樁施工過程具有較高的隱蔽性，成孔過程無法直觀地展示在施工人員面前，尤其是遇到砂層深厚，地下水埋深較淺時，由于砂層的黏聚力較小，在成孔過程中砂層在鉆頭的擾動下很容易出現(xiàn)流砂現(xiàn)象，砂層的抗剪強度就會顯著下降，孔壁的穩(wěn)定性將受到較大影響，甚至可能出現(xiàn)孔壁坍塌現(xiàn)象。砂粒在成孔過程中容易沉入孔底，導(dǎo)致樁孔內(nèi)沉渣厚度過大，甚至出現(xiàn)埋鉆事故，清孔時孔底的砂粒也難以清理干凈，清孔時間過長容易導(dǎo)致孔壁坍塌。因此，制定一套行之有效的鉆孔灌注樁施工方案成為擺在施工管理人員面前的重要任務(wù)。本文結(jié)合案例工程就深厚中砂層鉆孔灌注樁施工技術(shù)進行研究，其結(jié)論以供參考。

1 樁基施工難點

1.1 工程概況

建甌市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院醫(yī)養(yǎng)結(jié)合項目位于建甌市中山西路，屬于公共建筑，新建醫(yī)養(yǎng)康復(fù)養(yǎng)生綜合樓為地上16層，地下1層，結(jié)構(gòu)形式為框剪結(jié)構(gòu)。地上建筑主要使用功能為康復(fù)門診、醫(yī)養(yǎng)病房、住院大廳、老人活動中心、中醫(yī)館、醫(yī)護辦公、專家門診、康復(fù)門診、會議室和治未病中心等，地下室主要使用功能為停車場和設(shè)備用房。該工程樁基采用樁徑為1000mm的鉆孔灌注樁，樁長為55～62m，樁端巖層為強風(fēng)化硅質(zhì)巖，設(shè)計要求樁端進入持力層深度≥3m，單樁承載力為6200kN，樁身混凝土強度為C35。

1.2 地質(zhì)情況分析

樁基所在地方的巖土層特征從上到下如表1所示，地質(zhì)揭露中未見破碎灰?guī)r，無溶洞或者土洞或者軟弱夾層等不良地質(zhì)。根據(jù)地下水埋藏情況可知，地下水的補給主要來自巖層孔隙水和大氣降水，水位埋深約為4.50～6.3m。

表1 建甌市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院醫(yī)養(yǎng)結(jié)合項目巖土層地質(zhì)情況

1.3 樁基施工難點分析

根據(jù)工程概況和地質(zhì)情況，該工程樁基施工存在以下難點：

（1）該工程樁長為55～62m，成孔深度較大，樁徑為1000mm，直徑大，成孔垂直度偏差控制較難。

（2）中砂層厚度較大，地質(zhì)情況十分復(fù)雜，成孔時容易出現(xiàn)漏漿、縮頸和塌孔等現(xiàn)象。樁基類型為摩擦樁，樁端巖土層為強風(fēng)化硅質(zhì)巖，鉆頭容易在該巖層出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。

（3）由于巖土層中存在深厚中砂層，砂粒容易沉淀到孔底，使得泥漿中含砂率較大，清孔時間較長，對孔壁安全影響較大，應(yīng)采取一定措施降低泥漿的含砂率。

（4）該工程成孔工藝擬采用泥漿護壁技術(shù)方案，由于地質(zhì)情況復(fù)雜，對泥漿的性能提出更高的要求。

2 樁基施工方案

在大面積開展樁基施工之前，按照設(shè)計要求進行試樁，該工程一共試樁3根，有效樁長為56m、58m和62m，最大成孔深度為68m，樁身混凝土強度為C35，樁徑為1000mm，嚴(yán)格按照鉆孔灌注樁施工工藝流程進行試樁，鉆孔灌注樁施工完成后按照規(guī)定進行靜載、取芯和動測試驗，試驗結(jié)果均滿足設(shè)計要求。根據(jù)試樁情況和類似項目樁基施工經(jīng)驗，確定該工程樁基施工方案：

（1）鉆機選用GPS20 型鉆孔設(shè)備，并配套反循環(huán)砂石泵；

（2）泥漿的主要材料為優(yōu)質(zhì)膨潤土+CMC+Na2CO3，泥漿攪拌應(yīng)均勻；

（3）采用正反循環(huán)結(jié)合的成孔方法，全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖以上采用正循環(huán)成孔，全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及以下巖層均采用反循環(huán)成孔；

（4）泥漿中含砂率處理采用專用的泥漿凈化裝置；

（5）鋼筋籠接頭采用墩粗直螺紋套筒連接，增強鋼筋連接強度；

（6）采用氣舉反循環(huán)的清孔工藝，加快清孔速度；

（7）樁身混凝土采用導(dǎo)管法進行灌注；

（8）在鋼筋籠內(nèi)側(cè)預(yù)埋注漿管，管底加裝多孔單向閥，樁基施工完成后采用高壓注漿法來完成樁端后注漿作業(yè)。

3 深厚中砂層鉆孔灌注樁施工技術(shù)

3.1 施工工藝

鉆孔灌注樁施工工藝如圖1所示。

圖1 鉆孔灌注樁施工工藝圖

3.2 選用合理的鉆機

結(jié)合類似樁基施工經(jīng)驗和試樁情況，該工程鉆機型號選用GPS20，該鉆機配備的鉆頭形狀為三翼雙腰箍，這種鉆頭的導(dǎo)向性能良好，能夠有效地控制孔洞的垂直度[1]。鉆機配套的反循環(huán)砂石泵的型號為6BS，鉆頭的直徑為1020mm，該直徑略大于設(shè)計樁徑1000mm，能夠有效地防止軟土層出現(xiàn)縮頸質(zhì)量缺陷[2]。由于地質(zhì)中存在中砂層，該巖土層對鉆具的磨損較大，因此，將鉆頭上常規(guī)翼片更換成優(yōu)質(zhì)合金刀齒。為了不影響工程施工進度，確保樁基成孔的連續(xù)性，在每臺鉆機預(yù)備1個鉆頭。

3.3 泥漿制備

由于地質(zhì)中存在深厚中砂層，為了防止出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，制備的泥漿應(yīng)具有較高的黏度，以便成孔過程中能夠形成黏度較高的泥皮，從而保證孔壁的安全。泥漿制備為人工造漿，根據(jù)以往的泥漿制備經(jīng)驗，在膨潤土摻入適量的Na2CO3和CMC（羧甲基纖維素）[3]，其中CMC的摻量為0.1%，Na2CO3的摻量為0.03%～0.05%，膨潤土摻量為3.5%，并根據(jù)泥漿比重?fù)饺脒m量的自來水。泥漿攪拌為機械攪拌，泥漿的黏度為26～30s，泥漿比重為1.15～1.4。按照循環(huán)池、沉淀池和新漿池等設(shè)置泥漿循環(huán)系統(tǒng)，由于樁基成孔深度較深，每臺鉆機配置的泥漿池容量應(yīng)不小于110m3。

3.4 鉆進成孔

埋設(shè)鋼護筒后，復(fù)核樁位的軸線偏差，復(fù)核合格后開啟泥漿循環(huán)系統(tǒng)，輕壓慢轉(zhuǎn)，待鉆頭全部進入雜填土后調(diào)整鉆壓與鉆速，以正常值正循環(huán)鉆進，鉆進過程中應(yīng)時常掃孔，防止出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象。在黏土層鉆進時，應(yīng)將泥漿比重調(diào)整為1.3，泥漿的黏度為26s，確保孔壁穩(wěn)定與安全。鉆至中砂層時，調(diào)整泥漿比重為1.4，黏度為30s，將型號為ZX-250 的泥漿凈化裝置安裝在出漿口處，分離出泥漿的中砂，使得泥漿的含砂率降低[4]。待鉆至全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖時，應(yīng)以反循環(huán)鉆進方式進行成孔。待鉆頭入土深度≥45m 時，控制鉆進速度≤20cm/min，根據(jù)巖層性質(zhì)調(diào)整鉆壓。成孔過程中應(yīng)時刻關(guān)注孔內(nèi)泥漿情況和鉆桿的垂直度，如果鋼護筒內(nèi)的水頭高度出現(xiàn)下降現(xiàn)象，應(yīng)立即補充泥漿，以維持護筒內(nèi)的水頭壓力[5]。鉆桿垂直度偏差較大應(yīng)及時進行糾偏，確保樁孔垂直度偏差≤0.5%。成孔至設(shè)計高程后，持力層性質(zhì)和進入持力層深度經(jīng)監(jiān)理工程師確定后即可終孔，孔徑、垂直度偏差及孔深等指標(biāo)采用電子探孔儀進行量測，相關(guān)指標(biāo)符合設(shè)計及施工規(guī)范要求即可進行清孔。

3.5 清孔

由于孔深較深，為了加快清孔速度，采用氣舉反循環(huán)清孔工藝，清孔之前應(yīng)對風(fēng)壓值進行計算，送風(fēng)壓力計算如式（1）所示。

式中：ΔP——管道壓力損失，取值為0.1MPa；

Rh——泥漿密度，取值為1.18g/cm3；

H——氣液混合器布設(shè)深度，取值為0.6×孔深；

P——送風(fēng)壓力，單位為MPa。

以有效樁長62m，孔深68m 為例，將各個數(shù)值代入式（1），計算得到送風(fēng)壓力P=0.6×68×1.18/100+0.1=0.58MPa。

在氣舉反循環(huán)清孔過程中應(yīng)嚴(yán)格控制風(fēng)壓值，確?？妆诘姆€(wěn)定性。該工程最后一次清孔后對孔底沉渣厚度進行量測，實測值為45mm，符合≤100mm的設(shè)計要求。

3.6 鋼筋籠制作與安裝

鉆孔灌注樁的鋼筋籠由主筋與螺旋箍筋組成，箍筋為直徑8mm 的圓鋼，主筋為直徑16mm 螺紋鋼筋，主筋數(shù)量為16根，加勁箍為直徑14mm螺紋鋼筋，間隔2m設(shè)置1 道加勁箍。為了防止鋼筋籠在運輸過程中出現(xiàn)變形，按照規(guī)定設(shè)置十字型支撐，支撐鋼筋為直徑16mm螺紋鋼筋，十字型支撐間隔4m設(shè)置1道。主筋與箍筋之間連接采用點焊方式，主筋的接長采用墩粗直螺紋套筒連接，套筒緊固采用扭矩扳手[6]。在主筋上設(shè)置3個耳形定位環(huán)，使得鋼筋籠保護層厚度滿足50mm 的設(shè)計要求。注漿管預(yù)埋2根，材質(zhì)為無縫鋼管，直徑為50mm，壁厚為3.5mm，注漿管底部距離孔底0.5m，頂部露出地面0.2m，兩節(jié)注漿管接長采用套管進行焊接，注漿管與主筋應(yīng)綁扎牢固。鋼筋籠統(tǒng)一在鋼筋制作廠進行加工，采用專用的板車運輸?shù)綐犊走叄摻罨\采用75T汽車吊進行分節(jié)安裝，鋼筋籠主筋接長應(yīng)牢固可靠，鋼筋籠下放完成后應(yīng)及時復(fù)核軸線偏差與標(biāo)高，復(fù)核無誤后將吊筋掛設(shè)在工字鋼上[7]。

3.7 水下混凝土灌注

導(dǎo)管規(guī)格為300mm×5mm（直徑×壁厚），鋼導(dǎo)管采用螺紋連接，導(dǎo)管應(yīng)按照規(guī)定做密封性試驗和抗拉拔試驗，試驗合格方可投入使用。導(dǎo)管底端與孔底的距離為0.5m，經(jīng)過計算可知首灌的方量為4.7m3，因此，選用料斗的容量為5m3，隔水鋼板拔起的同時應(yīng)將第一車混凝土卸料到料斗內(nèi)，確保將孔底沉渣沖起。水下混凝土的坍落度為180～220mm，混凝土灌注過程中要求導(dǎo)管埋入混凝土深度為2～6m，混凝土灌注應(yīng)連續(xù)，根據(jù)混凝土面上升高程對導(dǎo)管進行拆除[8]?；炷列斗诺搅隙窌r應(yīng)注意不得漏出斗外進入樁孔內(nèi)，這容易導(dǎo)致測繩量測時碰到凝結(jié)的水泥塊而出現(xiàn)測探數(shù)據(jù)不準(zhǔn)的情況。在等待混凝土過程中，應(yīng)時不時地小幅插拔導(dǎo)管，防止管內(nèi)混凝土凝結(jié)出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。待混凝土澆筑數(shù)量接近理論數(shù)量時，由于泥皮不斷頂出，使得孔內(nèi)泥漿過于黏稠，根據(jù)實際情況將清水注入孔內(nèi)，適當(dāng)?shù)叵♂屇酀{，減小導(dǎo)管內(nèi)外的壓力差。由于樁基的混凝土充盈系數(shù)較大，基本處于1.1～1.3的范疇，應(yīng)根據(jù)混凝土實際灌注量來調(diào)度混凝土的供應(yīng)。為了確保樁頂混凝土的質(zhì)量，該工程設(shè)計要求超灌2m。

3.8 樁端后注漿

樁基施工完成后約8h即可采用高壓水對注漿管進行開塞，壓力為2MPa，約7d后開始樁端后注漿作業(yè)，注漿之前采用壓力為3MPa的清水注入注漿管約1～2min來疏通注漿通道。注漿漿液采用純水泥漿，水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，設(shè)計單樁注漿量為4t，水灰比為0.55，注漿時間約為1～1.5h。注漿時采取雙控標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)注漿量達(dá)到4t時即可終止注漿，當(dāng)注漿壓力大于3MPa且持續(xù)注漿3min即可終止注漿。

3.9 效果驗證

成樁28d后按照設(shè)計要求做單樁承載力和樁身完整性檢測，檢測結(jié)果均滿足設(shè)計要求。實踐表明，存在深厚中砂層的復(fù)雜地質(zhì)情況下，采取上述一系列的鉆孔灌注樁施工技術(shù)是可行，取得了良好的施工效果。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合建甌市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院醫(yī)養(yǎng)結(jié)合項目工程實例，剖析了樁基的施工難點，根據(jù)試樁結(jié)果確定鉆孔灌注樁的施工方案，從各個施工環(huán)節(jié)詳細(xì)地闡述了鉆孔灌注樁施工技術(shù)，樁基的質(zhì)量檢測結(jié)果均合格。事實證明，該技術(shù)能夠有效地解決深厚中砂層的塌孔、縮頸、漏漿及含砂率高等施工難題，確保樁基的施工質(zhì)量。