建筑工程旋挖灌注樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量與技術(shù)控制關(guān)鍵點

李 帥

（中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030000）

隨著科技進步，高層住宅樓和超高層建筑逐漸成為現(xiàn)代城市建筑的主體。大型建筑物通常對基礎(chǔ)深度有一定要求，但箱形和板形基礎(chǔ)往往不能符合其承載力要求，此時出現(xiàn)了具有高承載力特點的樁基[1]。上部構(gòu)筑物用樁基將荷載傳遞給樁基周圍的土體和樁端的土層，有效減少樁體變形，符合建筑物在使用過程中的抗震要求，使結(jié)構(gòu)能夠正常和安全使用。

目前，市場內(nèi)廣泛使用的樁基礎(chǔ)施工方法為鉆孔灌注樁施工，采用該技術(shù)施工時，重點是控制護壁泥漿的質(zhì)量，由于在實際施工中，很難操作，因此容易造成塌孔和縮徑等工程質(zhì)量問題，嚴重時，還會導致斷樁和廢樁等，對環(huán)境造成一定程度的污染，工程質(zhì)量問題也會影響施工進度，對項目的經(jīng)濟效益造成負面影響[2]。為解決該問題，提高樁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量，該文將以某建筑工程項目為例，從旋挖灌注樁基礎(chǔ)施工入手，對施工過程中的質(zhì)量控制進行詳細研究，以延長建筑工程項目的使用壽命。

1 項目實例

該建筑工程項目位于市中心，與火車站距離約10km，步行至最近的地鐵站與公交站只需要10min，該工程的交通十分便利[3]。根據(jù)相關(guān)工作，結(jié)合工程方提供的項目建設(shè)資料可知，該工程項目對應±0m的絕對高程對應值為99.3m[4]。施工前，由設(shè)計方對樁基進行設(shè)計，確定該施工共涉及1670根穿越砂層的樁基結(jié)構(gòu)，其中約670根的基礎(chǔ)樁為工程樁，穿過的地質(zhì)環(huán)境條件較為惡劣，該部分基礎(chǔ)樁數(shù)量約占總樁數(shù)的40%。

2 建筑工程旋挖灌注樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量與技術(shù)控制

2.1 選取與控制鉆機施工參數(shù)

當旋挖灌注樁基礎(chǔ)施工時，成孔質(zhì)量會直接影響樁基施工是否合格，因此該環(huán)節(jié)十分重要。針對該工程項目，結(jié)合經(jīng)驗選定額定功率為295kW的旋挖鉆機，用該設(shè)備完成樁孔挖設(shè)[5]。根據(jù)不同鉆進深度和鉆斗的升降速度，對應的孔壁坍塌率不同，見表1。

表1 不同鉆進深度和鉆斗的升降速度對應孔壁坍塌率

由表1數(shù)據(jù)可知，在使用過程中，鉆機鉆進深度與鉆斗升降速度影響孔壁坍塌率。當鉆機每次鉆進深度小于0.4m且鉆斗的升降速度不超過0.3m/s時，施工中的樁基挖空塌孔率最低。因此，鉆機應每次鉆進深度0.4m，同時鉆斗的升降速度約0.03m/s，保證孔壁的坍塌率最低，保證施工效果。

2.2 泥漿配置與循環(huán)控制

砂層穩(wěn)定性差，在旋挖擴孔灌注樁的施工過程中，一定要控制泥漿的質(zhì)量。由于砂土層中的內(nèi)聚力較弱，因此當人工造漿時，以膨潤土作為主要原料，添加適量的純堿及羥基甲基纖維素，提高膨潤土的膠體率和黏度等[6]。膨潤土是泥漿的主要材料，主體含量為蒙脫石，具有吸水性強的特點，遇水發(fā)生水化，體積可以膨脹數(shù)十倍。工業(yè)村建可以將泥漿的酸堿度控制在9～11，酸堿度越高，膨潤土顆粒分散越快，水化作用越強，泥漿膠體率更高，穩(wěn)定性更好。纖維素能在旋挖灌注樁基孔壁砂土層表面形成薄膜，提高砂層表面黏度[7]。在膨潤土的基礎(chǔ)上，添加工業(yè)純堿可以提升泥漿的酸堿度到9～11。通過增加酸堿度能使膨潤土的顆粒分散更快，水化作用更強，提升泥漿膠體率和提高穩(wěn)定性。結(jié)合類似工程項目經(jīng)驗，工業(yè)用純堿添加量為膨潤土添加量的0.3%～0.5%。在泥漿材料中還可加入適量的羥甲基纖維素，在樁基孔壁砂土層表面形成一層致密薄膜，可以有效防止孔壁剝落。同時，薄膜能有效減少失水量，提升砂層表面黏度。羥甲基纖維素的添加量通常應設(shè)置為膨潤土添加量的0.05%～0.1%。

因為在旋挖鉆孔的過程中，旋挖鉆的鉆進速率比泥漿流進的速率高，所以，當準備泥漿時，要準備1.5倍體積的泥漿，才能進行現(xiàn)場鉆孔施工作業(yè)。須對配合比中摻加劑的加入量進行試驗，并對配合比后的泥漿進行各項性能指標測試，以達到標準[8]。泥漿的各項性能參數(shù)見表2。

表2 泥漿性能指標記錄表

分析膨潤土在泥漿中的含量對旋挖灌注樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的完整性影響，得到曲線圖結(jié)果如圖1所示。

圖1 泥漿配制中膨潤土含量與樁基類型關(guān)系圖

根據(jù)圖1，I類樁的比例會隨著泥漿中膨潤土含量增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律。為保證I類樁（樁身完整的樁結(jié)構(gòu)）的比例能高于98%，泥漿中膨潤土的含量約7.5%。按照上述分析，繪制泥漿中純堿含量與樁基類型的關(guān)系和纖維素含量與樁基類型的關(guān)系，如圖2和圖3所示。

圖2 泥漿配制中純堿含量與樁基類型關(guān)系圖

圖3 泥漿配制中纖維素含量與樁基類型關(guān)系圖

根據(jù)上述分析，當泥漿配制時，確定純堿含量應取0.35%，纖維素含量應取0.05%，I類樁比例可以超過98%，符合經(jīng)濟成本要求。

2.3 鋼筋籠安裝與控制

在一次清孔后，應正確放置鋼筋籠。若鋼筋籠下入的時間過長，會導致孔底沉渣量過多，使鋼筋籠下入深度達不到要求，造成樁孔塌陷、鋼筋籠被埋沒等重大事故。因此，應該盡可能地縮短鋼筋籠的連接和安裝時間，提高鉆孔灌注樁的質(zhì)量，以減少施工中出現(xiàn)的事故。為在特厚沙土地層中快速制作和安裝鋼筋籠，開發(fā)一種連接鋼筋籠的定位裝置。

當采用銜接定位裝置加工的鋼筋籠時，要分節(jié)編號，保證鋼筋籠節(jié)與節(jié)間準確銜接，有效控制各節(jié)鋼筋籠銜接時縱筋的位置、長度等產(chǎn)生的偏差。按照鋼筋籠的水平環(huán)位，在鋼板上打桿位孔，將長30cm的套管放入鉆桿孔口后焊接。當穿板時，在板的兩邊均勻地排列套筒的焊點。將2顆螺釘固定在每個套管上，并分布在鋼板兩邊的套筒上，為便于銜接和定位鋼筋籠，將鋼板垂直安裝并固定在底座上。在安裝聲波測量管的過程中，一根鋼框架用于焊接，其余框架都預先固定好。在旋挖灌注樁施工的過程中，可以采用靜態(tài)泥漿護壁技術(shù)，用旋挖鉆機完成砂層取土。在旋挖鉆機設(shè)備鉆孔的過程中，可以利用鉆桿和鉆頭的自重切入土層。在鉆頭回轉(zhuǎn)的過程中，斜向斗齒切下土塊并向鉆頭內(nèi)推進，完成鉆頭取土。在過程中必須要嚴格檢測以及清理沉渣，當鉆頭鉆入的深度超過20cm時，擴孔施工需要更換專用的擴大頭鉆頭，采用專用的孔徑測定裝置檢測擴孔的質(zhì)量以及沉渣的具體厚度。

3 施工效果分析

3.1 試驗方案

完成施工后，對樁基礎(chǔ)進行靜荷載測試。按照試樁的預估承載能力，對分級加載的最大承載力進行設(shè)計與控制，每級荷載按預估最大承載力的10%加載，并采用逐級等量加載的方式試驗（例如預估試驗樁的最大承載力為100kN，首次加載的荷載力應為10kN，在加載過程中，持續(xù)加載的荷載作用力保持不變）。施加荷載后，分別在5min、15min、30min和60min統(tǒng)計與觀測樁頂沉降值。

當卸載樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)荷載時，應采用分步的方式，按等量逐級卸載。在卸載的過程中，每級都要對樁徑位移進行記錄，當卸載到0時，每30min須測讀樁徑的剩余沉降量。

3.2 試驗中的數(shù)據(jù)整理

記錄試驗過程的相關(guān)數(shù)據(jù)后，為更精準地掌握施工后樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的承載力情況，需要在完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計后計算承載力。按照Hooke定律，計算基礎(chǔ)樁對應樁身的軸力大小，如公式（1）所示。

式中：σ為基礎(chǔ)樁對應樁身的軸力大??；E為應力應變；ε為土體對樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施加的外界作用力。

根據(jù)公式（1）計算樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，第i個截面的受力情況，如公式（2）所示。

式中：Ggij為樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，第i個截面、第j級荷載條件、第g根樁基礎(chǔ)對應的受力；σgij為第i個截面、第j級荷載條件、第g根樁基礎(chǔ)對應的軸力大小；Ag為第g根樁基礎(chǔ)對應的鋼筋面積；εgij為第i個截面、第j級荷載條件、第g根樁基礎(chǔ)受到的土體作用力；Eg為第g根樁基礎(chǔ)對應的應變情況。計算εgij如公式（3）所示。

式中：f為樁身橫截面的變形情況。

完成計算后，根據(jù)基礎(chǔ)樁結(jié)構(gòu)在工程項目中的協(xié)調(diào)性原理，計算基礎(chǔ)樁結(jié)構(gòu)的最大承載力，如公式（4）所示。

式中：Qij為第i個截面、第j級荷載條件下，基礎(chǔ)樁結(jié)構(gòu)的最大承載力；n為樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的鋼筋數(shù)量。

3.3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)工程施工提出的施工標準可知，工程項目施工完成后，基礎(chǔ)樁對應的最大承載力（極限承載力）應滿足＞1000kN，根據(jù)靜荷載測試結(jié)果，樁基礎(chǔ)極限承載力滿足上述條件，說明采用的施工技術(shù)與工程控制質(zhì)量的方法可以達到預期，如果靜荷載測試結(jié)果顯示樁基礎(chǔ)極限承載力無法滿足上述條件，就說明對應的施工技術(shù)與工程質(zhì)量控制方法無法達到預期，需要對工程施工方案進行優(yōu)化與改進，統(tǒng)計試驗樁的試驗結(jié)果，見表3。

表3 樁基礎(chǔ)最大承載力（極限承載力）試驗結(jié)果統(tǒng)計

3.4 工程施工經(jīng)濟效益分析

完成樁基礎(chǔ)最大承載力（極限承載力）試驗后，對工程項目施工所產(chǎn)生的效益進行分析。

該文研究的建筑工程項目對應的樁基，屬于泥漿護壁鉆孔擴底混凝土灌注樁，根據(jù)施工方的現(xiàn)場統(tǒng)計可知，樁基數(shù)量超過1600根，樁基直徑為800mm與1400mm，對應樁基長度在24m～45m。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘查與實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，項目所在地區(qū)主要的地質(zhì)構(gòu)造為強風化泥巖等，平緩路段上發(fā)育大量的粉砂層。

在項目建設(shè)的過程中，按照該文設(shè)計的方法對砂層中的工程樁進行施工，早期施工中極易發(fā)生的塌孔、夾砂、斷樁、鋼筋籠插不進樁孔和混凝土不能連續(xù)澆筑等工程質(zhì)量事故發(fā)生率都不超過10%，而同類地質(zhì)條件下樁體施工中出現(xiàn)的不良工程樁施工事故發(fā)生率在30%以上，由此說明，按照該文提出的方法施工，可以避免施工中鋼筋籠被埋和重新灌注等事故所造成的經(jīng)濟損失，經(jīng)過技術(shù)人員估算，與傳統(tǒng)工法相比，按照該文設(shè)計的工法，可以避免超過300萬元的直接經(jīng)濟損失，為工程項目施工方節(jié)約大量的成本。

4 結(jié)語

通過上述研究，得到以下結(jié)論：根據(jù)表3樁基礎(chǔ)最大承載力（極限承載力）試驗結(jié)果可知，所選的試驗樁標號#1～#10，試驗后對應的最大承載力（極限承載力）均符合＞1000kN的標準，說明設(shè)計的施工技術(shù)方案在實際應用中綜合效果較好，樁基礎(chǔ)施工可以按照標準達到預期的工程效果。因此，可以在后續(xù)施工中，結(jié)合工程項目施工的具體需求，在試點工程項目中推廣與使用該方法，為建筑工程中樁基礎(chǔ)施工提供全面的技術(shù)指導與幫助。