人工挖孔樁的承載力及施工優勢分析

肖霞林

(成綿樂鐵路客運專線有限責任公司 ,四川成都 610051)

人工挖孔樁的承載力及施工優勢分析

肖霞林

(成綿樂鐵路客運專線有限責任公司 ,四川成都 610051)

人工挖孔樁因其施工過程中易發生事故而倍受爭議。是否應該徹底放棄人工挖孔樁?文章通過對人工挖孔樁和鉆孔樁在承載力和施工各方面的對比分析,闡述了人工挖孔樁的工程應用優勢,對于提高人工挖孔樁的競爭力具有積極意義。

人工挖孔樁; 承載力; 施工; 優勢

人工挖孔樁具有施工簡便、噪音小、震動少、工期短、成本低、施工質量可靠等優點,被廣泛應用于高層建筑、橋梁及隧道工程的基礎工程中。但人工挖孔樁因挖孔人員在地下施工,活動空間小,工作環境惡劣,地下條件復雜,若忽視安全操作,易發生人身傷亡事故,施工安全風險大。正因為人工挖孔樁在施工過程中易發生事故,因此在大規模鐵路客運專線等基礎建設的今天,很多人建議徹底放棄人工挖孔樁,取而代之以鉆孔樁或打入樁。能否徹底放棄挖孔樁?筆者將從人工挖孔樁的承載力和施工兩方面分析進行對比分析。

1 人工挖孔樁與鉆孔樁的承載力對比

要回答能否徹底放棄人工挖孔樁,用鉆孔樁取代人工挖孔樁這個問題,首先需要從人工挖孔樁相對于鉆孔樁的技術優勢來分析。

1.1 單樁軸向承載力計算公式

根據《鐵路橋涵地基和基礎設計規范(TB 10002.5-2005)》中的規定,對于鉆(挖)孔灌注樁,當視為摩擦樁時,其單樁軸向受壓承載力容許值[P]的計算公式如下:

式中:[P]為樁的容許承載力(kN);U為樁身截面周長(m);fi為各土層的極限摩阻力(kPa);li為各土層的厚度(m);A為樁底支撐面積(m2),按設計樁徑計算;[σ]為樁底地基土的容許承載力(kPa);m0為樁底支承力折減系數;

1.2 單樁軸向承載力主要影響因素對比

由以上公式可以看出,由于人工挖孔樁與鉆孔樁的成孔方式不同,導致參數U、fi、A及m0取值的不同,進而導致二者單樁軸向承載力的差異。

1.2.1 樁身截面周長U的差異

人工挖孔樁在施工時為防止塌孔需要設置護壁,護壁一般采用標號不低于樁基的混凝土材料,并做成階梯形,護壁的內、外齒形作用將樁與護壁連為整體,可將護壁視作樁的一部分,因此,挖孔樁的周長大于相同設計孔徑的鉆孔樁的周長。

1.2.2 各土層極限摩阻力fi的差異

人工挖孔后孔壁為原狀土,土與樁之間的摩擦力較大;而機械鉆孔成孔后,由于泥漿護壁將產生 2～3mm的泥皮(當泥漿稠度控制不當時,泥皮厚度更大),泥皮降低了樁土之間的摩擦力,因此就樁側土與樁之間的極限摩阻力而言,人工挖孔樁大于機械鉆孔樁。

1.2.3 樁端截面積A的差異

人工挖孔樁通常在樁端要進行擴底形成擴大的樁端,因此就樁端截面積而言,人工挖孔樁要大于相同設計孔徑的機械鉆孔樁。

1.2.4 樁底支承力折減系數 m0的差異

機械鉆孔樁的樁底沉渣層較難清理干凈,《鐵路橋涵工程施工質量驗收標準 (TB10415-2003)》[2]中規定澆筑水下混凝土前應清底,樁底沉渣允許厚度為:摩擦樁不應大于300mm,柱樁不應大于 100mm,建筑、公路和鐵路客專標準也均對沉渣厚度有允許要求,這說明在機械鉆孔樁的孔底不可避免的存在沉渣軟弱層,從《鐵路橋涵地基和基礎設計規范(TB 10002.5-2005)》表 6.2.2-6[1]中可知,鉆孔樁的樁底支承力折減系數m0均小于1.0;而挖孔樁則可以將孔底清理干凈,因而挖孔樁的樁底支承力折減系數一般可取 1.0。因此,就樁底支承力折減系數(公路設計規范稱為清底系數)而言,人工挖孔樁大于機械鉆孔樁。

由以上對比分析可知,人工挖孔樁的這 4個主要參數均大于機械鉆孔樁,而這 4個參數與單樁軸向承載力成正比,因此,人工挖孔樁的單樁軸向承載力大于機械鉆孔樁。

1.3 施工中導致鉆孔樁承載力不足的主要原因

1.3.1 泥皮過厚

鉆孔過程中為護壁防止塌孔,尤其是通過卵石之類粗顆粒土層時,便加大泥漿稠度,雖能順利成孔,但會在孔壁形成一層泥皮,材料性能差、比重大的稠泥漿所形成的泥皮過厚,這將減小樁土之間的摩阻力。陳文進[3]等研究過泥皮厚度對樁承載力的影響,認為當泥皮厚度不超過 7mm時,仍能滿足按規范所采用的參數計算出的承載力,但泥皮厚度超過 7 mm后,單樁的極限承載力就會急速下降。

1.3.2 孔底沉渣過厚

無限制地加大泥漿稠度還會導致孔底沉渣相應積聚過厚,造成清孔不易。正常情況下,樁底有少量沉渣,在混凝土灌注過程中,在混凝土下泄的沖擊力作用下,大部分沉渣會浮至混凝土頂面或被擠到邊角處,不會形成軟弱層,但樁底沉渣過厚時,混凝土下泄未能將沉渣沖出上浮,而大部分仍留在樁底形成軟弱墊層。軟弱墊層將導致樁底反力嚴重降低,從而使樁的承載力降低、沉降量加大。

1.4 承載力可靠性比較

1.4.1 對地質條件的把握

由于人工挖孔樁施工過程中能夠實時對樁側和樁底的土質和巖層性質進行直接觀察,因而能夠準確把握樁孔處的地質條件,能夠根據地質條件及時修改樁的孔徑與長度以保證挖孔樁具有可靠的承載力。而鉆孔樁則僅依靠鉆渣取樣進行地質判斷,直觀性和準確性不及人工挖孔樁。

1.4.2 樁體混凝土的澆筑

人工挖孔樁的樁身混凝土是在干作業條件下進行澆筑,而鉆孔樁的混凝土則要進行水下混凝土的澆筑。如果施工不當,水下混凝土的澆筑容易斷樁和鋼筋籠上浮等問題,這都將影響樁的質量,進而影響樁的承載力的可靠性。

2 人工挖孔樁與鉆孔樁的施工對比

2.1 施工的質量控制對比

人工挖孔樁,監理和設計人員可以直接下到孔底進行觀察和檢查,直接在孔底取樣試驗,獲得的地質資料和施工數據更為直接準確,施工可以根據實際情況及時修改樁的結構尺寸。同時,人工挖孔樁一般采取的混凝土護壁,整個樁孔上下規則,形成一層混凝土模板,使得成孔質量高,可以做到每一根樁完全符合設計要求,且可以為滿足特殊情況設置不同的樁徑,使得樁的幾何尺寸可以較精確的符合設計要求,可靠性高。而鉆孔樁由于采用是泥漿護壁,樁孔四周由于受機械、泥漿的擾動以及樁側水壓力和土壓力的影響,一般容易剝落、塌孔、擴孔或縮孔的現象,整個孔身斷面呈不規則的鋸齒形狀,樁體幾何結構可靠性差。另一方面,由于人工挖孔樁大多孔內積水較少,不需采用水下灌注方式,樁底沉渣能清除干凈,可以加強混凝土的振搗和質量控制,減少樁身混凝土的質量控制難度,更容易保證樁身混凝土的質量。

2.2 施工工期對比

以成綿樂鐵路客運專線雙流機場隧道的明挖深基坑圍護樁施工為例,該深基坑圍護樁基根據工程實際,采取分段落施工。在成都的砂卵石層地質條件下,取一個施工區段長240m范圍的 200根深 15m的圍護樁進行比較。在該施工段落里投入 15臺旋挖鉆機,按每臺鉆機平均進尺 10m/d計算,整個成孔工期需 20 d。而采用人工挖孔樁的施工方案,在完成試樁承載力驗證后,即可多工作面輪班平行作業,施工中最多可安排 200個班組,每個班組 4人。按平均每根樁基進尺速度2m/d計算,整個成孔工期需7.5 d,較鉆孔樁工期縮短一半多。由此可見,雖然鉆孔樁單根成樁效率高,但就整個施工區段的圍護樁基工期而言,人工挖孔樁由于不受周邊地形等施工條件影響,可多點平行作業,在整體施工工期方面還是有明顯優勢的。

2.3 施工造價對比

由于人工挖孔樁不需要使用鉆機,不需要配置護壁泥漿,也不存在泥漿處理問題,因此人工挖孔樁的施工成本遠低于機械鉆孔樁。成綿樂鐵路客運專線參考四川平原地區人工費用標準,人工挖孔樁平均造價 800元/m3,而鉆孔樁平均造價為 2200元/m3。另一方面,由于鉆孔樁往往實際樁身平均直徑比設計大,一般 1.25m樁徑的鉆孔樁實際成孔樁徑達到 1.3m,且需超灌樁頭,造成多灌注的混凝土比例達到了 8%。另外,人工挖孔樁一般不采用水下混凝土灌注方法,可優化調整混凝土配合比和適當減少水泥用量,降低工程造價。

由多個工程項目統計結果顯示[4-6],人工挖孔樁的施工成本僅為機械鉆孔樁的 40%～50%,人工挖孔樁顯示出優越的經濟效益。

2.4 施工的環境影響對比

機械鉆孔樁在施工過程中在對環境產生噪聲污染的同時,如果對護壁及清孔過程中的泥漿處理不當將會對環境產生嚴重的污染,而處理泥漿會花費大量資金。人工挖孔樁則對環境無污染,挖出的土方還可供工程進行填土作業使用。特別是在城市周邊和居民集聚區,如成綿樂鐵路客運專線的機場路隧道位于居民區地段附近,采用人工挖孔樁可有效減少對附近居民的夜間居住環境的干擾,人工挖孔樁突顯其環境影響方面的絕對優勢。

2.5 施工的適應性對比

人工挖孔樁對場地幾乎沒有要求,即使場地狹窄或在場地附近有較密集的建筑群也同樣可以施工;而鉆孔樁則對場地有一定的要求,通常情況下,鉆孔樁在開闊的場地才能施工,要有足夠的空間架設鉆機,要便于泥漿的排放,在建筑物密集區或地下隧道內常因空間受限而不能采用機械鉆孔樁。

人工挖孔樁對施工機具及地形地質的適應性更廣,特別是在大直徑混凝土灌注樁成孔施工中,機械成孔需要特定的機械設備,需滿足一定的地形地質條件,而人工挖孔不受機械和樁徑限制,同一場地樁徑可根據需要進行多樣化設計,遇地下障礙時處理靈活,不僅適用于軟土地基,也適用于山區丘陵土質等比較堅硬或存在較多漂石、地形地貌變化較大的地區。

3 總 結

綜合以上分析可以看出,人工挖孔樁相對于機械鉆孔樁,在承載力高、施工質量易控制、施工工期短、施工的環境影響小、造價低和適應靈活等方面均顯示出明顯的優勢,因此,在當前大規模基礎建設情況下,徹底放棄人工挖孔樁,用鉆孔樁取代人工挖孔樁是既不現實也不合理的。同時,我國勞動力資源豐富 ,隨著高層建筑及大跨度大荷載建筑的增多,公路、鐵路交通建設穿越城市周邊建筑的情況增多,樁基向大直徑灌注樁方向的發展,人工挖孔樁日益顯示出其無比的優越性。隨著施工設備的改進、施工技術和管理水平的提高,人工挖孔樁必將會全面應用到高層建筑、公共建筑、公路、鐵路、水利等各個領域的結構物基礎處理工程中。雖然人工挖孔樁施工危險源多,安全風險大,但各參建單位只要牢牢樹立“安全第一,預防為主”的觀念,認真履行自身職責,充分考慮各種潛在危險 ,采取切實可行的技術管理保障措施,嚴格按安全技術規程施工,人工挖孔樁施工安全事故是完全可以避免的。

人工挖孔樁在成綿樂鐵路客運專線得到了大量應用:結合成都平原地形地質情況,在橋梁樁基礎中,當樁長較短(挖深不大于 15m),無不良地質且土層為無地下水或少量地下水時,采用了直徑不小于1.25m的人工挖孔樁;在明挖隧道的深基坑圍護中也通過采取井點降水措施,部分采用了人工挖孔樁;在既有鐵路、公路和城市市區狹窄地段以及需托換樁基時也采用了人工挖孔樁方案。通過嚴格按照“六位一體”管理要求,通過標準化管理,成綿樂鐵路客運專線未出現任何的人工挖孔樁安全質量事故,同時也加快了施工進度,有效地控制了工程投資。

[1] TB 10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S]

[2] TB 10415—2003鐵路橋涵工程施工質量驗收標準[S]

[3] 陳文進,陳愛萍,蔡登山.鉆孔樁承載力偏低的原因分析和處理方法[J].橋梁建設,2001(6):58-61

[4] 蘇子賢.挖孔樁與鉆孔樁的經濟技術比較及挖孔樁技術應用的探討[J].華東公路,2007(2):10-13

[5] 鄔曉光,李群善,張志明.挖孔樁技術在西北高原地區應用的研究[G]∥中國公路學會橋梁和結構工程學會 2002年全國橋梁學術會議論文集.北京:人民交通出版社,2002:592-59

[6] 王代連.論挖孔樁在桂林市應用的可行性和一般設計原則[J].廣西土木建筑,1995,20(1):17-19

TU753.3

B

2010-11-01

肖霞林(1978～),工程師。