復雜地質條件下大直徑長螺旋鉆孔壓灌樁施工效率提升技術

袁 航，謝 曦，浮明明，劉 瑋，李乾峰

(中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430068)

0 引言

云南省某市區由于深厚的軟土層和砂層地質條件，導致大直徑樁基成孔緩慢、鋼筋籠下放困難，因而尚無大直徑長螺旋鉆孔壓灌樁施工成功的先例。本文針對上述施工難題，提出深厚軟土層、砂層地質條件下，大直徑長螺旋鉆孔壓灌樁施工工藝的優化措施，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 樁基概況

本工程樁基礎采用長螺旋鉆孔壓灌樁，有效樁長33m，樁徑800mm，樁間距2.4m。樁身采用C30混凝土，以第⑤層礫砂或第⑥層粉砂作為樁端持力層，樁端進入持力層≥2.4m，單樁抗壓承載力特征值為1 700kN(見表1)。

表1 項目地層結構及特征

1.2 工程地質與水文地質條件

場地內地下水主要賦存于第四系松散層中的孔隙潛水中，主要受大氣降水補給，絕大部分迅速滲入地下，順地勢徑流向低洼處排泄，少量以蒸發方式排泄，場區水位埋深為0.4～5.9m，變化幅度4.5m。較小的水位埋深對樁基施工影響較大。

2 試樁施工

2.1 試樁施工過程

選取3根試樁施工時的樁機成孔數據，繪制成孔深度與時間的關系曲線，如圖1所示。

圖1 試樁成孔深度-時間關系曲線

1)起始0～20m樁長范圍內(軟土層)，樁機成孔速度快，平均耗時0.8h。最后20～33.5m樁長范圍內(砂層)，樁機鉆進困難，平均耗時2.5h。

2)3根樁混凝土壓灌比較順利，平均耗時0.8h。

3)1號樁鋼筋籠下放28.5m，耗時0.75h，其中最后15min內下沉0.5m，終止下放，割斷多余鋼筋籠；2號樁鋼筋籠下放33.5m，耗時0.5h，達到設計要求；3號樁鋼筋籠下放15m，耗時0.8h，其后鋼筋籠幾乎不下沉，終止下放，割斷多余鋼筋籠。

2.2 試樁結果分析

1)由于本工程處于深厚軟土、砂層的復雜地質條件下，長螺旋樁機樁身上部處于深厚軟土區域，樁身部位土體可隨螺旋葉片順利返至地表，樁周土體及葉片內土體對螺旋葉片的摩擦阻力小，對鉆桿動力消減弱，鉆進速度快。當鉆桿鉆至樁身下部分所處砂層土時，軟土經鉆桿攪拌并與水結合后，形成具有一定黏度的黏性土，隨著鉆桿深入，樁周土體及葉片內土體對螺旋葉片的摩擦阻力越來越大，使鉆進速度隨深度增加快速下降。

2)結合地質勘察報告，鋼筋籠難以下放部位均為砂層，受混凝土配合比及樁周砂土的擠密作用，使鋼筋籠在砂層土中下放困難且耗時久。

3)相同地質條件下，樁長越長、樁徑越大，鉆桿螺旋葉片所受樁周土體和葉片內土體的摩擦阻力越大，鉆桿掘進力呈指數型下降，鉆進時間相應呈指數型增加。

3 樁基設計優化

3.1 原材優選及配合比優化

1)選用粒徑0.16～2.5mm的中粗砂，含泥量≤3%，過篩后方可使用。

2)采用質地堅硬、級配良好、含泥量<2%的碎石，最大粒徑宜≤16mm。

3)采用P·O 42.5水泥，初凝時間≥45min，終凝時間≤600min。

4)為改善混凝土流動性，加入一定比例的火山灰和減水劑。經商品混凝土公司實驗室試配，并在現場試驗后確定混凝土最優坍落度為220mm，到場混凝土坍落度≥210mm?；炷翉姸鹊燃墳镃30，配合比(kg/m3)為：水∶水泥∶砂∶石∶火山灰∶緩凝減水劑=180∶385∶892∶870∶757∶9.1，28d抗壓強度為37.2MPa。

3.2 結構優化設計

本項目設計要求單樁豎向抗壓承載力特征值為1 700kN。經建設單位委托的第三方檢測機構檢測，1，2，3號試樁單樁豎向抗壓承載力特征值分別為2 890，1 850，2 550kN。樁身完整性均為Ⅱ類樁，樁身存在輕微缺陷，不影響樁身結構承載力。

根據樁基施工過程中的問題及試樁檢測報告，對鉆進困難及鋼筋籠難以下放至設計標高的問題，采取如下優化設計。

1)針對性減小樁長 由于場地各土層起伏變化較大，第⑤層礫砂或第⑥層粉砂埋深變化較大，鉆桿隨掘進深度的增加所受摩阻力急劇增加，鉆進速度也急劇下降，且過程中易發生鉆桿斷裂事故。為提高成孔速度，保證施工質量，根據現場情況，滿足以下條件時可減小樁長：①確保樁底進入第⑤層礫砂≥7m，且樁底以下第⑤層厚度≥2.5m；②為直觀保證以上要求，同時方便現場施工控制，每個柱下承臺至少有1根樁長仍為33m(定義為參照樁)，提鉆后確定第⑤層的深度，結合鉆機鉆進工作時間，在同等鉆機工作條件下，此承臺其余樁長可按上執行；③多柱(墻)下聯合承臺，參照樁需要多余1根，保證樁距離最近參照樁≤7.5m；④結合勘察報告鄰近鉆孔土層分布情況，參照樁鉆孔時間如出現異常，應及時聯系設計院，綜合判斷是否執行該操作；⑤特別注意，第④層粉砂、第⑤層礫砂、第⑥層粉砂組分相似，僅粒徑有所區別，現場提鉆后應仔細檢查、慎重判斷。

2)混凝土變更為C30細石混凝土 受限于施工場地條件，混凝土輸送泵距離樁位較遠，遠距離管道輸送混凝土對輸送泵的輸送能力及混凝土流動性要求較高，另外，鋼筋籠底部設置為V字形，鋼筋密度較大，大大增加下沉阻力。為降低混凝土壓灌及鋼筋籠下放難度，將原設計C30普通混凝土變更為C30細石混凝土，坍落度為220mm。

3)減小鋼筋籠長度 根據試樁鋼筋籠下放情況及檢測結果，在樁基容許豎向荷載力范圍內，樁身抗壓承載力與鋼筋籠長度無關，與此地質條件下樁端阻力及樁側阻力有關，且軸向受壓樁中，鋼筋籠作為構造鋼筋，主要起約束混凝土的作用。

另外，本項目工程樁的樁端阻力承擔更大密度的上部荷載，其極限荷載下樁身破壞形式以壓屈破壞和整體剪切破壞為主。結合已有理論研究，此樁身破壞截面多在上部樁長2/3范圍內，鋼筋籠長度亦多為樁長的2/3。同時，GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》有如下說明：①樁基承臺下存在淤泥、淤泥質土或液化土層時，配筋長度應穿過淤泥、淤泥質土層或液化土層；②鉆孔壓灌樁構造鋼筋的長度不宜小于樁長的2/3。

綜上所述，鋼筋籠長度由原設計33m優化為27m(經設計院確認)。

4 施工工藝優化

4.1 施工機械選擇

試樁施工時選用JZB150步履式樁機，動力頭功率為150kW，當鉆桿進入砂層范圍時，螺旋鉆桿轉動速率明顯下降，為提高施工效率，采用1臺CFGH35全液壓長螺旋樁機，動力頭功率為180kW，分別在3根試樁附近就近選取156，231，519號工程樁進行鉆進，最終成孔深度-時間關系曲線如圖2所示。在軟土層范圍內，2種鉆機速率區別不大，但CFGH35樁機螺旋鉆桿在砂層中降速相對較少，最后20～33.5m中平均耗時2h，相對更適合在砂層中作業。

圖2 優化后成孔深度-時間關系曲線

此外，HBTS60型混凝土輸送泵確保遠距離連續輸送混凝土的能力；2t重30kW振動錘確保鋼筋籠最大限度下沉至設計標高；25t汽車式起重機配合插筋導管穿入鋼筋籠。

4.2 鉆孔

下鉆行進中，速度保持平穩，防止鉆桿偏位，遇到卡鉆、鉆機搖晃、偏斜或異常聲響時，立即停鉆并上報技術部查明原因，提出解決措施。

該地區流塑及軟塑狀泥炭質土及稍密砂層厚約20m，且地下水位較高，施工過程中易發生塌孔及與相鄰施工完成的上根樁串孔現象，導致土體或飽和砂通過連通通道進入樁體，出現斷樁、夾層等現象，影響樁身質量，故現場嚴格采用隔樁跳打方式施工。

4.3 泵送混凝土

鉆孔至設計標高后，空轉鉆機2～3min進行清底，孔底及孔口清理完成后，經項目管理人員及監理人員驗收后，將鉆具提升200～300mm(避免泵壓力損害軟管)，開始連續泵送高壓超流態混凝土，邊提升鉆桿邊壓灌混凝土，注意混凝土泵送速度與鉆桿提升速度相匹配且提鉆速度≤2.0m/min，泵壓≥6MPa，確保泵壓混凝土量始終大于鉆桿上提體積量。若待料時間超過混凝土初凝時間，應與業主及設計院聯系，進行補樁。

4.4 壓放鋼筋籠

事先檢查鋼筋籠制作是否符合設計要求，主筋與加勁筋應焊接牢固，鋼筋籠底部呈V字形焊接牢固。吊點位置可使用鋼管或方木作為扁擔，使籠身均勻受力防止變形。鋼筋籠制作質量檢驗標準如表2所示。

表2 鋼筋籠制作質量檢驗標準

先通過法蘭盤連接振動錘和導管，利用25t汽車式起重機配合挖機，將導管插入鋼筋籠(導管應比鋼筋籠長2～3m)，并連接鋼筋籠與導管，然后利用起重機吊起鋼筋籠，對準樁孔中心，鋼筋籠在自重作用下緩緩插入樁孔混凝土中，待停止后啟動振動錘，并采用靜力加壓方式連續下插鋼筋籠，下籠時控制鋼筋籠的垂直度，直至下放至設計標高，然后慢慢拔出導管。此過程中，可在振動錘上增加纜風繩，起重機緩慢下放鋼筋籠時，通過纜風繩調節鋼筋籠在樁孔內的位置，保證鋼筋籠盡量居中。完全拔出導管后，樁頂混凝土面會降低，為保證樁頭部分混凝土強度達到設計要求，應及時進行二次補料。

5 成樁效果

5.1 提升施工效率

針對復雜地質條件下大直徑長螺旋鉆孔壓灌樁施工過程中亟需解決的施工難點，應加強現場技術管控，提高施工隊伍作業水平，力求施工進展順利。結合已有施工經驗及試樁結果分析研究，從設計、原材料、機械設備及工藝流程等方面采取優化及管控措施，嚴格按設計變更及相關要求執行成孔、壓灌混凝土及下放鋼筋籠等工序的過程管控，施工效率提升顯著。優化前后樁基成孔深度、鋼筋籠下放深度與時間的關系曲線分別如圖3，4所示。

圖3 優化前后樁基成孔深度-時間關系曲線

圖4 優化前后鋼筋籠下放深度-時間關系曲線

由圖3，4可知，單樁成孔約1.5h，較試樁成孔速度提高近1倍；由于采用流動性更大的細石混凝土，鋼筋籠下放速度在各土層中較2號試樁均有所加快，完全下沉至設計標高平均耗時約23min。

5.2 單樁承載力滿足要求

根據設計文件及規范要求抽檢工程樁，驗證單樁承載力是否滿足設計要求。分級荷載為設計要求最大加載量3 400kN的1/10(340kN)，第1級按2倍分級荷載加載，每級卸載量取加載時分級荷載的2倍。選取58號工程樁靜載試驗結果繪制相關曲線，如圖5所示。

由圖5可知，加載至3 400kN時，總沉降量為19.97mm，Q-s曲線平緩，無明顯陡降，s-lgt曲線呈平緩規則排列，已達到設計要求的最大加載量，故終止加載。綜合分析，該受檢樁單樁豎向抗壓承載力極限值≥3 400kN。本次檢測的6根工程樁均滿足設計要求。

圖5 靜載試驗結果

5.3 低應變動力檢測符合標準

根據設計文件及JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術規范》，抽檢195根工程樁檢測低應變動力，測定樁身完整性及樁身缺陷程度與位置，Ⅰ類樁178根，占比91.28%；Ⅱ類樁17根，占比8.72%。

6 結語

本文針對深厚軟土、砂層中大直徑長螺旋鉆孔壓灌樁施工中樁基成孔緩慢、鋼筋籠下放困難等問題，從原材優選、配合比優化、結構優化設計方面提出樁基設計優化措施，并從施工機械選擇、鉆孔、泵送混凝土、壓放鋼筋籠方面優化相關施工工藝，顯著提高施工效率，保證樁基施工質量，降低施工難度。經工程實施證明該工藝效果良好，經濟及社會效益顯著。