長螺旋鉆孔壓灌樁與靜壓樁施工工藝對比

伏廷紹，范炳歡，何俊峰

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長螺旋鉆孔壓灌樁與靜壓樁施工工藝對比

伏廷紹，范炳歡，何俊峰

(云南南方地勘工程總公司，云南 大理671000)

摘要：長螺旋鉆孔壓灌樁工藝和靜壓樁工藝在實際工程施工中，各自都存在著較大的缺陷。經過反復實踐，先采用長螺旋鉆機取土引孔后，再實施工靜壓樁處理的方案，如此施工方案，既可以保證樁身質量和單樁承載力，又能有效地消除靜壓樁的擠土效應影響。

關鍵詞：長螺旋鉆孔；混凝土樁；擠土效應。

筆者長期從事地基處理工程工作，在現場灌注樁中長螺旋鉆孔壓灌樁和靜壓樁施工的應用較多，但它們各自都存在著較大的缺陷。經過反復實踐，若把兩者很好的結合起來，可揚長避短取得較好的效果。

1長螺旋鉆孔壓灌樁施工的優勢及問題

筆者曾在云南嵩明縣萬年城一期建筑工程的地基處理中，針對本項目工程地質以可塑態的粉質粘土、有機質土、細(粉)砂、可塑態的粘土、圓礫等地層為主，并且軟硬互層現象突出的地質實際，采用了長螺旋鉆孔壓灌砼、后置鋼筋籠的樁基礎工藝。本項目共施工2181根工程樁(不含補樁)，總樁長48407.5m，砼實際總灌量為13395m3；樁徑均為Φ500；鋼筋籠為通長配置，其外徑均為Φ400。

1.1　長螺旋鉆孔壓灌樁施工工藝和技術措施

長螺旋鉆孔壓灌樁的原理是利用高壓砼來置換鉆孔的土體；樁身砼是直接從鉆桿中心壓入孔中，采用超流態泵輸送砼的技術；提鉆和成樁同步進行，因此在淤泥、流沙、流塑態粘土、砂礫石層等復雜地質條件下，也能順利成樁；最后壓入鋼筋籠到設計標高，再振拔導管至孔口，完成單樁施工的工序。其工藝流程見圖1。

圖1長螺旋鉆孔壓灌樁工藝流程圖

Fig.1Technological Flow Chart of Long Spiral Drilling Hole Pressure Grouting Pile

長螺旋鉆孔壓灌樁的技術措施：

(1)混凝土：均采用細石商品混凝土，長樁用C30砼，短樁用C25砼；骨料級配：粗骨料粒徑在4.75mm~9.5mm之間；細骨料(機制砂)粒徑在0.045mm~0.075mm之間，含砂率為47%；摻合料：粉煤灰的細度模數Mx=2.7~2.9，加量為水泥用量的23%；礦粉的密度、7天或28天的活性指數、流動度比等符合GB/T14086—2008技術指標要求，其加量為水泥用量的15%；外加劑：聚羧酸緩凝高效減水劑，其加量為水泥用量的2.5%；砼的坍落度為180±20mm；混凝土的水膠比為0.45。

(2)焊接件和原件的檢測：抗拉、抗彎曲試驗合格后，才使用；

(3)樁位確定：以設計坐標和建設方提供的控制坐標確定每一個樁位；

(4)拔導管速度的控制：其拔管速度必須≤1.6m/min；

(5)垂直度的控制：鉆頭對樁位和導管擊壓鋼筋籠時，其垂直度必須≤1%；

(6)地泵注砼頻率：鉆到設計樁底標高時，鉆桿上提0.3m~0.50m后，必須停留10～20S(確保孔底和鉆桿內均注滿砼)后，才能繼續提鉆桿；在邊拔鉆桿邊注砼的過程中，嚴禁旋轉鉆桿，以免造成樁身夾泥的質量事故；注砼的頻率要適中，確保樁身砼連續和K值達到設計要求(設計要求K=1.20~1.30)；

(7)下放鋼筋籠之前，必須把樁頂砼表面的渣土清理干凈；

(8)確保導管內“中空”，才能用于擊壓鋼筋籠；

(9)跳打措施的應用：根據地層情況或者樁間距是否小于3d(d為樁徑)的情況，以確定是否需要使用“跳打”措施；

(10)鋼筋籠的安裝高度：當鋼筋籠頂部到達設計標高時，即可終止“擊壓”作業，同時勻速提拔導管；

(11)地泵正常壓力值：砼輸送泵的工作壓力值一般控制在3~4Mpa，并保證提升鉆頭時有泵壓；注砼到樁頂標高后，還需要超灌0.50m~1.00m，以保證樁頂質量。

1.2　長螺旋鉆孔壓灌樁的檢測及其分析

單樁承載力的檢測：隨機抽出1%的工程樁做靜載荷試驗，其結果均達到設計值，且其最終沉降量值也遠低于規范要求的數值。顯然，在樁徑、樁長都相同的情況下，該類型樁的承載能力高于振動沉管灌注樁、深攪加芯樁、靜壓樁等樁型的承載能力。這和長螺旋鉆孔壓灌樁的充盈系數大，多處出現“超徑現象”有極大關系。另外，其理論值(本工程的單樁承載力計算式：Rk=qpAp+μpΣqsili；其中，Rk—單樁豎向承載力標準值，qp—樁端土承載力標準值，Ap—樁身橫截面面積，μp—樁身周邊長度，qsi—樁周土摩阻力標準值，li—按土層劃分的各段樁長)也都低于實測值(16m單樁承載力特征值為1450KN，24m單樁承載力特征值為2150KN)。

樁身質量的檢測：隨機抽出20%的工程樁做低應變動測試驗，其結果是絕大部分樁的樁身質量符合建筑基樁檢測技術規范，但有少許樁存在明顯缺陷，必須處理后，才能達到驗收規范要求。

1.3　樁身質量存在嚴重缺陷時的補救措施：

(1)接樁措施：其缺陷位置在5m以上時，人工開挖后，采用“接樁”措施，并使用高一個強度等級的砼澆注。

(2)補灌措施：樁中心存在空洞，其內部無水時，使用高一個強度等級的砼補灌并振搗密實即可。

(3)補樁措施：施工中發現嚴重缺陷在樁的深部時，應采取“補樁”措施。

1.4　長螺旋鉆孔壓灌樁的優點分析：

(1)長螺旋鉆孔壓灌樁具有適用地層范圍廣、低噪音、無振動、無沖擊力、施工進度快等優點；

(2)無擠土效應：該類樁不具備靜壓樁的擠土效應作用，所以，對周邊的建筑物、道路、地下管道等設施無擠壓、破壞作用。

(3)無豎向剪切破壞作用：長螺旋鉆機在向下鉆掘成孔的過程中，在豎向方向上對樁周土體沒有剪切破壞作用，這就不會降低樁體和樁周土之間的摩阻力。

1.5　長螺旋鉆孔壓灌樁的缺點分析

(1)長螺旋鉆孔壓灌樁K值過大，由于地層原因、注砼頻率和注砼面要到孔口等因素，導致工程的平均K值達到了1.41，即建筑原材料(砂、石、水泥)的消耗量過大，不節約，屬于“浪費型”基礎樁。

(2)樁身砼難以振搗密實：一般用22kw單電機錘頭驅動導管進行振搗所澆灌的混凝土，因為該型錘頭的振動頻率和功率均較小，只對鋼籠內部的砼有振搗作用，而對保護層內的混凝土的振搗作用很微弱。

(3)樁心易形成空洞：砼坍落度過小，加之拔管速度過快(V拔>1.60m/min)，則極容易在樁身頂部0.00～5.00m范圍內形成“空洞”，造成人為質量事故。特別是導管內部被砼堵塞而未采取處理措施，仍用于施工時，更容易在樁身中心位置形成“空洞”，其原因是：下插已堵塞的導管時，會把部分砼量V(V=πD2h/4，D是導管外徑，h是導管插入的深度)擠入孔壁內，同時把導管外圍和孔壁之間的砼擠得很緊密，讓其難以回落到樁中心而形成空洞。

(4)鋼筋籠易插偏：當導管垂直度>1%時，在壓送鋼筋籠的過程中，就極容易把鋼筋籠壓入到松軟的孔壁中，造成鋼筋籠嚴重傾斜或鋼筋籠不到位。

(5)鋼筋籠送不到位：因為機械故障、停電等因素造成停灌時間過長，即使導管垂直度<1%，但仍然無法把鋼筋籠壓送到設計標高位置。另外，鋼筋籠插偏后，也會導致鋼筋籠送不到位。

(6)鋼筋籠易變形：雖然使用細石、大坍落度的砼，但在壓送鋼筋籠過程中，鋼筋籠仍然受到砼的較大阻力，致使其加勁筋、外箍筋嚴重變形，甚至脫落。主筋的變形也在所難免(主要表現為彎曲)。

(7)樁身易出現夾泥現象：①高出孔口的泥塊容易向樁心擠壓，導致在下放鋼筋籠時，就把泥塊帶入樁身內部和砼混合，造成夾泥現象。②因為導管的垂直度問題，致使鋼筋籠刮擦孔壁，把刮落的泥土和砼混合，從而造成樁身夾泥現象。

(8)地下水易侵入砼內部：在安裝鋼筋籠和拔導管過程中，會大量擠動鋼筋籠外圍的粗、細骨料，使它們多次移動和排列，在此過程中，就會形成無數條細小水路，使地下水侵入到樁身砼內部，致使砼和鋼筋長期遭受地下水的腐蝕作用。

(9)易形成“竄樁”現象：當垂直度>1%，且相鄰兩樁的樁間距<3d(d為樁徑)時，則該相鄰兩樁極易形成“竄樁”現象。竄樁是指正在施工的樁在深部某處鉆碰到相鄰的已打樁，讓兩樁在此處連通，致使相鄰已打樁的砼面下沉，或相鄰已打樁的某幾根主筯下沉，或者使相鄰已打樁的砼面和鋼筋籠都同時下沉等各種現象。竄樁會降低相鄰已打樁的樁身質量，甚至影響已打樁的單樁承載力；會因負荷增大，使電機無法運轉或燒毀，導致正在施工樁也難于鉆進。

2靜壓管樁施工的優勢及問題

筆者也曾在云南冶金集團曲靖生活基建筑工程地基處理中，針對本項目的工程地質以耕土、粉質粘土、泥炭質土、泥炭、可塑或硬塑態的粘土、粉土等為主，軟硬互層現象突出的實際，多采用預應力鋼筋預制管樁的處理方式。靜壓管樁以承載力為主(據樁機上的壓力值判斷)，施工樁長為輔，即本工程的靜壓樁為摩擦型樁。該標段共計施工17棟建筑的樁基礎，并且均為條形基礎。

2.1　靜壓管樁施工工藝和技術措施

靜壓管樁施工工藝原理：利用靜壓樁機把合格的預制管樁壓入土體后，直接成樁。其工藝流程見圖2。

圖2靜壓樁工藝流程圖

Fig.2Technological Flow Chart of Static Pressure Pile

靜壓管樁施工技術措施：

(1)樁位的確定：以設計坐標和建設方提供的控制坐標確定每個樁位；

(2)垂直度的控制：壓樁前，必須測量、控制樁體的垂直度≤1%；

(3)接樁措施：電焊接樁時，須由兩人對稱焊接，電流要適中，另外，焊接層至少要有2層，并且焊縫必須連續、飽滿，不能有施工缺陷(如咬邊、夾渣、焊瘤等)；焊接后，要讓其自然冷卻8～10分鐘，嚴禁用水冷卻或焊完即壓的錯誤做法；

(4)控制送樁深度：當樁頂到達設計標高時，即可終止施壓；

(5)壓力控制：要緩慢而勻速地施壓，以免“爆樁”，另外，當最終壓力值達到設計要求時，即可終止作業。

2.2　靜壓樁檢測及其分析

單樁承載力的檢測：隨機抽出1%的工程樁做靜載荷試驗，其結果均能滿足設計要求(試樁承載力值)，但所有檢測樁的實測值均低于理論計算值。

樁身質量檢測：隨機抽出20%的工程樁做低應變動測試驗，只有極少數的樁存在焊縫不飽滿或斷樁(爆樁造成)的缺陷。

2.3　處理斷樁的補救措施

(1)接樁：把斷樁處的碎渣掏干凈后，插入定制的短鋼筋籠，并澆灌相同強度等級的細石混泥土到樁頂；(2)補樁：壓樁過程中發現“爆樁”后，即應在適當的位置進行補樁處理。

2.4　靜壓樁的優點分析

(1)具有適用地層范圍廣、無噪音、無振動、無沖擊力、場地潔凈、施工設備少、質量可靠、施工進度快等特點。

(2)節約施工材料：由預制樁生產廠家根據設計要求進行標準化、批量化生產合格的預制樁，就不存在現場澆灌砼時K值過大的問題，也就從根本上大量的節約了生產原材料，降低了建筑工程施工成本。

(3)易保證樁身直徑：采用靜壓樁施工工藝，能確保樁身直徑，完全消除了“超徑”或“縮徑”的現象，即整根樁的直徑均符合設計要求。

(4)易保證樁身質量：靜壓樁在生產過程中，其密度和強度等級是完全可控的，符合設計要求的，所以，靜壓樁就克服了“振搗不密實”、“夾泥”、“離析”、“空洞”等施工質量缺陷的問題。

(5)易保證鋼筋籠的安裝質量：采用靜壓樁施工工藝，顯然已經從根本上解決了長螺旋壓灌樁工藝中安裝鋼筋籠時易出現的變形、插偏、不到位等施工難點。

(6)解決了“竄樁”質量事故：采用靜壓樁施工工藝，只要保證了加壓過程中樁的垂直度，即使不采用“跳打”措施，也不會影響鄰近已施工樁的樁身質量。既保證了每根工程樁的樁身完整度，又提高了施工進度，杜絕了“竄樁”現象的發生。

(7)降低截樁工作量：在保證單樁承載力和樁長的情況下，只需送樁到設計樁頂標高位置，其樁頂以上部分可以空置。這樣，就大量降低了今后的截樁工作量，同時也節約了施工成本。

2.5　靜壓樁的缺點分析

(1)爆樁：壓樁過程中操作不慎時，容易出現爆樁質量事故。

(2)擠土效應：靜壓樁屬于擠土樁，在壓樁的過程中形成的擠土效應，會對周邊建筑物、道路、地下管道等設施產生顯著的擠壓和破壞作用，對相鄰已施工樁也會造成擠壓，并使其發生位移現象。本項目工程中的H1～H9棟、H10～H17棟、F1～F6棟、F7～F9棟、F10～F13棟、C1～C5棟、G10～G12、J1～J6等8棟建筑的樁，各棟除了最后施工的2～3條軸線上的樁無偏移外，其余各條軸線上的樁均向西偏移了11cm—13cm(偏移量已經超出了驗收規范)，另外，H1～H9棟西邊的石擋墻已被嚴重擠裂，局部垮塌。上述8棟建筑的樁基施工方向均為由西向東。

對于上述偏樁現象，可以用圓孔擴張理論做出合理而準確的解析(見圖3)。

圖3　圓孔擴張問題簡圖Fig.3　Sketch Map of Circular Hole Expansion Problem

由Mohr-Coulomb屈服準則和圓孔擴張理論推導后，得出沉樁后塑性區半徑和圓孔擴張最終半徑比(Rp/Ru)為：

①

②

最終擴張應力和塑性區半徑關系式為：

③

彈性區的位移場為：

④

彈性區的應力場為：

⑤

⑥

由上述各算式得知：

(1)塑性區半徑、最終圓孔擴張應力、彈性區位移、彈性區應力和樁周土的泊松比、內摩擦角、內聚力、壓縮模量及樁周土的塑性體積應變有關。

(2)塑性區半徑、最終圓孔擴張應力、彈性區位移、彈性區應力等均和樁徑成正比關系，即樁徑越大，擠土效應越強烈。

(3)樁徑不變時，最終圓孔擴張應力、彈性區位移、彈性區應力和土體的內聚力成正比關系，即土體的內聚力越大(土體越硬)，沉樁過程中所產生的擠土效應越強烈。

另外，在圓孔擴張理論的基礎上，應用Mohr-Coulomb本構模型進行有限元數值模擬后，得出如下結論：(1)沉樁過程中會產生較大的超孔隙水壓力，進一步加劇擠土效應帶來的影響。

(2)樁土模量比較小時，即土體相對較硬時，水平位移表現為側向擠出；樁周1m內的土體豎向位移主要表現為下沉，但隨徑向距離的增加表現為隆起。反之，水平位移表現為向樁中心運動，豎向位移表現為下沉，且下沉量越大。

(3)隨著樁的貫入深度增加，會對相鄰已打樁造成向上抬起的推舉作用，降低相鄰樁的承載能力(特別是端承樁)。

(4)單樁情況下，地表樁周土發生最大水平位移量的位置是在徑向距離為10d(d為樁徑)處；在深度方向，水平位移隨著深度增加而增大，其位移量最大值是在樁端以下4d處。

(5)在結構性較強的土體中壓樁，會降低土體的強度，導致樁和周邊土體之間的摩阻力下降；反之，在擠密作用下，會提高土層的強度，增加樁和周邊土體之間的摩阻力。

3長螺旋鉆機和靜壓樁的綜合應用

由上述兩種樁型的施工對比分析可知，為了降低材料損耗，保證樁身質量和單樁承載能力，并杜絕靜壓樁在施工過程中產生的擠土效應所帶來的負面影響，宜采用長螺旋樁機先取土引孔，再用靜壓機施工預制樁的技術措施。

3.1　硬土地基的引孔方案

在結構性較強的硬土地基(土體內聚力C0≥50Kpa，壓縮系數a1-2<0.5Ma-1的低壓縮性土或壓縮系數為0.1Ma-1

3.2　軟土或松散地基的引孔方案

在結構性較弱的軟土或松散地基(土體內聚力C0<50Kpa，壓縮系數a1-2≥0.5Ma-1的高壓縮性土)中施工靜壓樁時，應先用長螺旋鉆機在設計樁位兩側3d(d為樁徑；對于承臺樁而言，在承臺兩邊的邊樁以外布設引孔即可)處取土引孔到設計樁長位置后，再在設計樁位上施工靜壓樁。各排“引孔”軸線應和靜壓機退打的方位相垂直。

3.3　引孔直徑

在原樁位上引孔時，鉆頭和鉆桿的直徑應比樁徑小100mm，才能讓樁周土有效地再固結，保證單樁承載力。在設計樁位旁邊引孔時，鉆頭和鉆桿的直徑和樁徑相同，或比樁徑大100mm即可。

4結論

(1)單獨使用長螺旋鉆孔壓灌樁工藝，難于保證樁身質量和鋼筋籠的安裝質量。

(2)僅僅采用靜壓樁施工工藝，產生的擠土效應容易給周邊的建筑、設施和相鄰樁帶來危害。

(3)如果先引孔再壓樁的技術措施，既能保證樁身質量和單樁承力，又能有效地消除擠土效應。

參考文獻

[1]《建筑地基基礎設計規范》GBJ7—89.

[2]張琴，朱守東.長螺旋干成孔泵壓混凝土灌注樁施工技術與質量控制[J].建筑技術，2004.

[3]張海霞.靜壓樁沉樁擠土效應分析[D]，廣州：華南理工大學，碩士論文，2010.

THE COMPARISON BETWEEN PRESSURE GROUTING PILE AND STATIC PRESSURE PILE CONSTRUCTION OF LONG SPIRAL DRILLING

FU Ting-shao，FAN Bing-huan，HE Jun-feng

(YunnanSouthGeneralCompanyofGeoexplorationEngineering，Dali671000)

Abstract：In the long spiral drilling，pressure grouting pile and stastic pressure pile separately have its own serious defect.According to the repeat practice，we use the long spiral drilling for earth drilling and guide hole at first，then carry out processing with the static pressure pile.This scheme not only can ensure the pile quality and the bearing capacity of single pile but also effectively eliminate the soil squeezing effects of static pressure pile.

Key Words：Long Spiral Drilling Hole；Concrete Pile；Soil Squeezing Effect

中圖分類號：TU473.1+4

文獻標識碼：A

文章編號：1004-1885(2015)4-602-6

作者簡介：伏廷紹(1970～)，男，云南江川縣人， 鉆探工程師， 主要從事巖心鉆探和地基工程處理工作。

收稿日期：2014-12-30