建筑工程大直徑旋挖樁施工技術(shù)研究

摘 要：為保證建筑工程施工質(zhì)量，對以往大直徑旋挖樁施工合格率低和抗壓強度低的問題，進行建筑工程大直徑旋挖樁施工技術(shù)研究。通過構(gòu)建大直徑旋挖樁有限元分析計算模型、確定大直徑旋挖樁結(jié)構(gòu)參數(shù)、砂層和巖層中大直徑旋挖樁鉆孔施工、制作鋼筋籠以及安裝與清孔，提出一種新的施工技術(shù)。通過檢驗施工結(jié)果驗證了應用該技術(shù)可以解決大直徑旋挖樁施工技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞：建筑工程；旋挖樁；大直徑

中圖分類號：TU 74" " " " " 文獻標志碼：A

鉆孔灌注樁是利用機械開挖和人工開挖相結(jié)合的方式，在鉆孔內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，并澆筑混凝土形成的一種樁基結(jié)構(gòu)。旋挖樁因其具有施工噪聲低、適應性廣、穩(wěn)定性好、單樁承載能力高和可在有大量建筑的城市中使用等優(yōu)點，在工程領(lǐng)域內(nèi)廣泛應用。根據(jù)早期的技術(shù)規(guī)程，將＞800mm直徑的樁基稱為大直徑樁基。但是，隨著科技的發(fā)展，工程機械設(shè)備不斷更新，旋挖樁的直徑也不斷變大。當科學技術(shù)未完全普及時，市場內(nèi)較為常見的樁基直徑在800mm～2000mm，很少有直徑＞2000mm的樁基，因此，現(xiàn)階段市場內(nèi)≥2000mm的灌注樁統(tǒng)稱大直徑旋挖樁。隨著各地人口數(shù)量的增加，許多大城市都出現(xiàn)了建設(shè)用地緊張的情況，因此，建筑項目也開始逐步向地下和地上延伸，高層和超高層建筑越來越多，這對建筑基礎(chǔ)工程的建設(shè)施工提出了更高的要求。旋挖樁的機械化程度較高，因此利用旋挖樁施工，被稱為“綠色施工”。隨著施工技術(shù)的發(fā)展和機械設(shè)備的不斷改進，各種擴底鉆頭、入巖鉆頭以及大功率設(shè)備不斷涌現(xiàn)，旋挖樁的直徑也越來越大，由于建筑自身質(zhì)量較大，因此需要較高的地基承載能力。旋挖樁的施工標準越來越高，為滿足相關(guān)工作的需求，本文將對旋挖樁施工技術(shù)的應用進行設(shè)計研究。

1 工程設(shè)計概況

為確保工程順利實施，施工前，須對建筑工程項目的基本情況進行分析。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，此建筑屬于超高層建筑，建筑由超甲級1棟寫字樓A、2棟住宅公寓（分別為B1和B2）構(gòu)成，建筑地下層數(shù)為3層～4層，設(shè)計基坑深度約為19.5m，此建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用旋挖樁施工，其中A建筑由地上56層與地下4層構(gòu)成，B1建筑由地上33層與地下3層構(gòu)成，B2建筑由地上38層與地下3層構(gòu)成。3棟建筑的主體結(jié)構(gòu)均為框架核心筒結(jié)構(gòu)，對應的塔樓結(jié)構(gòu)均為鋼筋混凝土樁，樁體以獨立狀態(tài)賦存在結(jié)構(gòu)中。

由于本工程的樁基為端承摩擦樁，樁體所在的持力層為微風化粉砂巖層，因此，要求樁體的沉渣厚度≤50mm。根據(jù)工程方的設(shè)計，該建筑工程施工共需要428根旋挖樁，涉及的旋挖樁直徑為1200mm～2600mm，樁體結(jié)構(gòu)的凈長度為19m～45m，其中符合本文研究需求的大直徑旋挖樁承載力和分布，見表1。

2 建筑工程大直徑旋挖樁施工

2.1 構(gòu)建大直徑旋挖樁有限元分析計算模型

為使施工中大直徑旋挖樁結(jié)構(gòu)符合建筑工程施工要求，在施工前結(jié)合大直徑旋挖樁的力學特性，構(gòu)建有限元分析計算模型[1]。模型構(gòu)建的主要目的是分析旋挖樁的樁結(jié)構(gòu)與土（巖）接觸下的特性并對其深度進行控制。在樁—土和樁—巖的接觸面上增加接觸單元，用實體單元模擬了土體、巖體和樁體[2]，模型上表面是自由的，沒有任何限制[3]。四周均未正向限制，其他方向都是自由的；底座牢固，3個方向不會偏移。大直徑旋挖樁有限元分析計算模型如圖1所示。

線彈性模型是描述大直徑旋挖樁受力的各種應力和變形的本構(gòu)模型，線彈性材料本構(gòu)關(guān)系符合廣義胡克定律，當加卸載時，應力應變呈線性關(guān)系，線彈性本構(gòu)模型的應力應變關(guān)系如公式（1）所示。

{σ}=[D]{ε}" " " " （1）

式中：σ為應力；D為系數(shù)；ε為應變。[D]的計算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：E為混凝土的彈性模量；μ為旋挖樁的泊松比。

2.2 大直徑旋挖樁結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

構(gòu)建大直徑旋挖樁有限元分析計算模型后，結(jié)合模型的模擬變化，確定旋挖樁各結(jié)構(gòu)參數(shù)[4]。結(jié)合上述模型，得出旋挖樁長度與沉降量間的關(guān)系曲線圖，如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著旋挖樁的樁長增加，沉降量也逐漸增加。將樁基沉降與樁長關(guān)系曲線擬合，得到公式（3）。

S=aL+b" " （3）

式中：S為沉降量；a為與旋挖樁周圍土層存在特性關(guān)系的參數(shù)；b為與旋挖樁樁身材料存在特性關(guān)系的參數(shù)；L為樁長。

根據(jù)公式，確定旋挖樁最佳樁長。按照上述思路，結(jié)合有限元模型，還可確定旋挖樁深度等參數(shù)[5]。旋挖樁深度與基巖的強度有關(guān)。若基巖強度較小，即為軟巖或全風化巖層，則旋挖樁深度應該盡可能穿過此巖層[6]。若基巖強度較大，即為中風化、微風化巖層，則深度在1D～2D即可。隨著樁基持力層強度增加，旋挖樁的沉降量也會逐漸減少。因此，在滿足地基承載力和沉降要求條件的基礎(chǔ)上，應當盡可能地穿過全風化巖層和強風化巖層，嵌入中風化、微風化或未風化巖層中。

2.3 砂層、巖層中大直徑旋挖樁鉆孔施工

為防止旋挖樁在砂層中鉆孔施工過程中踏空或縮徑，當鉆孔施工時須埋設(shè)較深的護筒并配置密度更大的泥漿。針對上述工程項目，在鉆孔施工的過程中，埋設(shè)6m深護筒，并使用1.25的泥漿。當鉆孔深度為9m時，出現(xiàn)塌孔。通過查閱地質(zhì)報告可以看出，此位置的砂層較厚，為17.5m，并且有可能有流沙。在此項目中，受振動錘的功率限制，最多只能埋12個護筒[7]。在試樁塌孔后，須立即用黏性土將樁孔回填至護筒底標高處，并將護筒接長至12m，因為護簡底部為厚5.5m的砂層，所以采取提高泥漿密度的措施，加大膨潤土和CMC的用量，使泥漿密度為1.3g/cm3，并在護筒底至砂層層底范圍內(nèi)放慢鉆進，最后成功成孔。旋挖樁護筒深度和泥漿配比見表2。

在施工中，樁徑、現(xiàn)場地質(zhì)條件和施工人員的操作水平，可以決定施工機械的選擇。隨著樁直徑增加，鉆具的轉(zhuǎn)矩隨之增加，地層的硬度和所需的轉(zhuǎn)矩也隨之變大。

當入巖鉆孔時，采用分級鉆孔擴孔工藝，工藝流程圖如圖3所示。

2.4 鋼筋籠制作、安裝與清孔

大直徑旋挖樁承受的承載力較高，由于其直徑大和自重大等特點，因此在制作和吊裝的過程中容易發(fā)生變形，需要采取變形措施。設(shè)置鋼筋籠的長度為25m～36m，總質(zhì)量不超過4t，使用25t汽車吊進行吊裝，確保不會發(fā)生變形。大直徑旋挖樁的鋼筋籠截面面積是普通直徑鋼筋籠的5～6倍，使用的鋼筋根數(shù)較多，在焊接的過程中需要進行翻轉(zhuǎn)，因此當制作大直徑鋼筋籠時，需要有更平整和更高剛度的加工平臺[8]。在規(guī)劃的過程中，需要對20m×25m的鋼筋加工廠進行硬化，在鋼筋焊制區(qū)用一定數(shù)量的工字鋼作為加工平臺，保證工字鋼平臺的表面平坦，可以防止大截面鋼筋籠放置不均勻，導致扭曲或局部下沉，從而產(chǎn)生應力，導致焊點開裂。為防止鋼筋籠變形，須增加強箍的直徑，并在鋼筋籠中設(shè)置三角形支撐結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

分別采用正循環(huán)、氣舉反循環(huán)和泵吸反循環(huán)清孔工藝進行試清孔，并對比清孔效果。試清孔后，采用正循環(huán)清孔工藝無法滿足沉渣厚度。采用第二種和第三種清孔工藝對大直徑旋挖樁進行清孔，能滿足質(zhì)量要求且第二種清孔效率更高，因此最終選擇采用氣舉反循環(huán)清孔工藝。

3 大直徑旋挖樁施工技術(shù)應用

施工后，使用多項技術(shù)對完成處理的大直徑旋挖樁進行抽檢，抽檢結(jié)果見表3。

從表3可以看出，使用抽芯檢測法、低應變檢測法和超聲波檢測法對直徑≥200mm的旋挖樁進行成樁的抽檢，根據(jù)抽檢可以看出，只有直徑為2600mm的旋挖樁在超聲波檢測過程中，出現(xiàn)了一根未達到質(zhì)量驗收標準的樁基結(jié)構(gòu)。當使用其他檢測技術(shù)對旋挖樁進行抽檢時，未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，因此，須根據(jù)工程項目的實際情況，對樁基質(zhì)量進行進一步檢測。根據(jù)檢測結(jié)果可知，樁不存在質(zhì)量方面的問題，即超聲波檢測結(jié)果受地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文條件等多種因素的影響，出現(xiàn)了一定程度的偏差。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，使用抽芯檢測法對樁基抗壓強度進行測試，要求樁基測試后抗壓強度應滿足＞20MPa的要求，如不滿足要求，就說明施工的旋挖樁不能在建筑工程中發(fā)揮預期效果，如滿足要求，就說明施工后旋挖樁的持力強度大于設(shè)計強度，在建筑中可以發(fā)揮預期效果。按照上述標準對2000mm～2600mm旋挖樁進行檢驗。檢驗后發(fā)現(xiàn)不同直徑的旋挖樁的抗壓強度均＞20MPa。

4 結(jié)語

與普通的旋挖樁相比，此次研究的大直徑旋挖樁在施工中容易出現(xiàn)質(zhì)量方面的問題，不同階段可能出現(xiàn)不同的質(zhì)量問題。例如，在鉆孔階段，由于樁徑過大和地質(zhì)情況差異，因此容易出現(xiàn)軟弱夾層影響施工效果的情況；在鉆機就位階段，容易受設(shè)備自重的影響，導致鉆孔傾斜或縮頸等方面的問題；在鉆孔階段，容易受地層擾動等因素的影響，出現(xiàn)塌孔等質(zhì)量問題；在安裝鋼筋籠的過程中，容易受吊裝施工行為的影響，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形等問題。

針對上述問題，本文從施工中的不同階段入手，進行規(guī)范化施工技術(shù)研究，完成研究后，使用不同的技術(shù)對成樁質(zhì)量進行檢測，檢測結(jié)果證明了設(shè)計的施工方法可以有效提高旋挖樁的成樁質(zhì)量，采用此方式可以提高樁基抽檢合格率。此外，采用鉆芯法對成樁后樁體抗壓強度進行檢測，所有樁體均通過檢測，由此可以證明，本文設(shè)計的施工技術(shù)在實際工程項目中可以發(fā)揮預期的效果，對建筑工程項目樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行規(guī)范化施工，進一步為我國建筑行業(yè)的發(fā)展提供支撐。

參考文獻

[1]王偉，李永恒，李思琪，等.旋挖樁鉆機引孔成槽技術(shù)在地連墻施工中的應用分析[J].安徽建筑，2023，30（3）：114-115.

[2]孟祥德.道路橋梁工程樁基礎(chǔ)干成孔旋挖樁施工技術(shù)分析[J].工程技術(shù)研究，2023，8（6）：211-213.

[3]柴澤民，嚴躍崗，譚海濤，等.干成孔旋挖樁技術(shù)在兩河口水電站消能區(qū)的應用[J].工程機械與維修，2022（4）：150-151.

[4]陳洋.干成孔旋挖樁施工技術(shù)在市政道路橋梁工程中的應用方法[J].居舍，2022（15）：34-37.

[5]房江鋒，趙鑫波，郭秋蘋，等.超深大直徑旋挖樁水下混凝土灌注工藝研究[J].山西建筑，2022，48（7）：52-55.

[6]徐麗麗，韋捷，陽利君.旋挖樁技術(shù)發(fā)展演變及其在巖溶區(qū)域的應用探討[J].西部交通科技，2021（10）：70-74.

[7]劉習前，張瑜，劉啟胤，等.高回填地基自支護變徑旋挖樁豎向承載性狀現(xiàn)場試驗研究[J].地基處理，2021，3（5）：376-381.

[8]袁況，王歡，陳志偉，等.流砂地層雙鋼護筒旋挖樁成孔工藝開發(fā)與研究[J].建筑施工，2021，43（10）：2003-2005.