潛孔錘預鉆孔后錘擊沉樁法在開山石厚填土場地中的應用

張亞雄，徐 彬，王 燕，王雪梅，丁文靜，邵云怡

(1.中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200090；2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術研究中心，上海 200090)

0 引言

隨著沿?？捎糜诠I建設的陸地日益減少，利用開山土石對近岸海域進行回填以形成工業建設用地的工程案例越來越多?；靥盍系耐列砸话悴痪鶆颍沂苌襟w影響很大，如山體巖性較大，則回填料中風化巖塊含量較高，黏性土含量較低，顆粒粒徑變化較大；如山體巖性較低，則回填料中黏性土含量較高，風化巖塊含量較低，呈松散狀。為了滿足抗壓承載力和豎向沉降控制的要求，部分構筑物需要采用樁基礎。因樁基的造價占比通常超60%，采用何種樁基和沉樁工藝以兼顧施工可行性、施工進度和工程造價之間的平衡就成為了設計中需要考慮的主要問題。

對于此類回填場地，一般采用對場地適應性較強的灌注樁，但如果采用灌注樁，施工費用很高且工期很長，很多情況下無法滿足投資方的生產建設要求。針對這種情況，本文以某船廠的船臺和橫移區工程為例，探討了預應力混凝土方樁和潛孔錘預鉆孔后錘擊沉樁法在開山石厚填土場地中的應用情況。

1 工程概況

擬建場地位于船廠東側，毗鄰山體，場地東南側與已建護堤相鄰。場地被原護堤劃分為兩個部分，第1部分位于原廠區內，第2部分位于原廠區外，場地原為海域，目前已經回填開山土石為陸域。

原廠區內系2009年回填，回填材料為素填土，黏性土含量較高，風化巖塊含量較低，松散狀，土性不均；原廠區外主要為2014年回填，回填材料主要為素填土，為鄰近山上的石英巖或石英砂巖以及頁巖等經破碎后填海形成，松散～稍密狀，中風化巖塊含量較高，顆粒粒徑變化較大，土性不均勻?，F場填土狀況如圖1～2所示。代表地質剖面如圖3所示。

圖1 原廠區內填料

圖2 原廠區外填料

圖3 代表地質剖面

在擬建場地需要建設若干座船臺和1座橫移區。船臺區設縱向鋼軌，產品建造好之后落座在船臺小車上，驅動船臺小車進行縱移作業；橫移區設縱向和橫向鋼軌，縱向鋼軌與船臺區縱向鋼軌對接，在船臺小車縱移至橫移區指定位置后，將輪子轉向，船臺小車搭載產品橫移至下水滑道。

2 基礎方案

因船臺和橫移區位于回填廠區，根據以往工程經驗，一般可考慮采用強夯加固地基方案和樁基大板方案。對強夯加固地基方案，根據以往工程實踐，存在以下缺點。

1)本工程所在區域已經進行回填，回填土均勻性差，厚度大，一般在15m左右；地下水位較高，地下水水位往下區域強夯加固效果較差。

2)強夯加固施工完成后，地基的工后沉降一般需2年才能全部完成，而本工程對沉降要求很高，不允許出現差異沉降，故采用強夯加固地基短期無法達到工藝使用要求。

3)擬建船臺和橫移區上的使用荷載大。

因此本工程不考慮強夯加固地基方案，考慮樁基大板方案。

3 地基處理

由于場地為新近回填，尚未完成自重固結，在結構自重及上部荷載的作用下可能會產生較大沉降，采用樁基時，樁基將產生較大的負摩阻力。根據場區工程地質條件，結合周邊環境條件，采用強夯法對本場區全部場地填土進行預處理，以提高地基土強度及均勻性，減小或消除其對樁基產生的負摩阻力[1]。

4 樁基形式[2]

近海工程常用的樁型一般有預應力混凝土方樁、高強度預應力混凝土管樁、鋼管樁、嵌巖樁、灌注樁等。

1)預應力混凝土方樁 應用范圍較廣，但樁基的極限承載力和打樁拉應力很難適應于各種土層和承載力比較大的構筑物基礎。

2)預應力混凝土管樁 因樁基的極限承載力較高，且樁基可貫入性較好，應用范圍較廣。因為是工業化生產，制作質量穩定。

3)鋼管樁 應用范圍最廣，樁基可貫入性較好，但使用成本和維護成本均較高。

4)灌注樁 因施工設備比較簡單、輕便，從軟土地基到堅硬巖石都可以成樁，因而應用范圍相當廣。但灌注樁也有自身的弱點，比如樁基早期沉降較大和沉樁時泥漿護壁對樁側摩阻力的削弱。

5 樁基選型

因場地屬于回填開山土石形成，土性不均勻，局部含有粒徑較大的石英巖或石英砂巖，若采用鉆孔灌注樁、鋼管樁或預制混凝土樁，易發生斷樁、無法鉆進、樁位偏移等現象；若采用預制混凝土樁和預鉆孔錘擊沉樁法，因素填土層含有孤石，孤石粒徑最大可達300mm，如果孤石的風化程度較低，很可能會影響鉆進[3]。場地表層第①1層素填土厚度較大，該層與海水相連通，受潮汐影響大，且廠區填土尚未完成自重固結，因此不建議采用人工挖孔樁。此外，根據地質報告，擬建工程區域的中風化巖層起伏較大。根據上述地質條件，在設計初期決定采用對場地適應能力強且能進入中風化巖層的沖孔灌注樁。

灌注嵌巖樁各方面評估匯總如表1所示。

表1 灌注嵌巖樁方案優缺點

根據初步計算，總樁數近4 000根，如果采用灌注嵌巖樁作為基礎，即使考慮進場10臺樁架，僅樁基施工一項就需要2年時間，無法滿足投資方后期生產需要。另外，因為回填層厚度一般在15m左右，鋼護筒長度也需要15m左右，所以鋼護筒無法循環使用，再加上樁基需進入中風化巖層一定深度以發揮樁基承載力，工程造價相當高，超過預算很多。經與投資方和當地樁基生產企業討論，建議采用預應力實心方樁，并結合潛孔錘預鉆孔后錘擊沉樁的工藝。采用這種工藝，沉樁速度很快，一天可以沉樁5～6根，再加上無需設置鋼護筒，能極大降低工程造價。因現行樁基設計規范沒有涵蓋采用此種沉樁工藝的樁基設計方法，所以設計人員對這種沉樁工藝進行了一系列的研究以確定其可行性。

6 樁型及沉樁工藝介紹

樁型為600mm×600mm預應力方樁，混凝土強度等級為C60，采用螺旋槽鋼棒為樁身主筋，主筋公稱直徑為12.6mm。

沉樁工藝主要分為引孔和沉樁兩部分。引孔為部分引孔，施工工藝主要分為：氣動潛孔錘定位、開孔鉆進、護筒鉆進、碎石層鉆進、基巖層鉆進、上提鉆桿、護筒拔出和完成引孔。

在開孔鉆進時，空壓機鼓入壓縮空氣，壓縮空氣驅動沖擊器產生軸向沖擊運動，沖擊器帶動錘頭高頻錘擊碎巖。為配合潛孔錘鉆進，動力頭驅動潛孔錘回轉以確保錘頭范圍內的地基都受到高頻錘擊。根據此鉆進工藝，地基越硬，越能發揮錘頭高頻錘擊的效果，鉆進速度越快。在開孔鉆進時，動力頭帶動護筒旋轉，同時壓縮空氣還將作為沖洗介質將錘碎土體顆粒返至護筒上方開口處排出[4]。

7 計算與研究

7.1 樁身承載力計算

根據JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》第5.8.2條計算樁身承載力。預應力混凝土方樁的主筋為預應力鋼筋，在預制過程中通過先行張拉預應力鋼筋給樁身混凝土施加壓力，所以不考慮樁身主筋對樁身受壓承載力的貢獻。

考慮到在本區域內沒有實施預應力混凝土方樁的先例，為保證安全，混凝土軸心抗壓強度按C50的強度等級考慮。故對600mm×600mm預應力方樁，樁身正截面受壓承載力計算如下：

考慮荷載的綜合分項系數為1.45，則可知樁身受壓承載力特征值為4 874kN。為保證安全，大范圍內樁身受壓承載力特征值按3 700kN考慮，小范圍內個別樁基的樁身受壓承載力特征值按4 200kN考慮。

7.2 樁身錘擊應力分析和樁錘選型

經計算，如果采用柴油錘，錘落距取3.0m，采用橫紋松木或者層合板為樁墊，最大錘擊應力為27.4MPa。因為樁身混凝土的軸心抗壓強度設計值為27.5MPa>27.4MPa，所以選用柴油錘沉樁可行。

為了進一步避免沉樁過程中樁頭開裂的問題，樁頭箍筋加密且設置鋼樁帽以增強對樁頭混凝土的側向約束。

7.3 引孔直徑選擇

1)沉樁產生擠土效應，而孔徑的變化會直接影響防擠措施的效果，通常采用的預鉆孔直徑不大于樁徑的2/3，此限制條件可以根據具體的工程情況做相應調整[5]。

2)根據《建筑樁基技術規范》第7.4.9條，對預鉆孔沉樁，預鉆孔孔徑可比方樁對角線小50～100mm。

3)對600mm×600mm預應力方樁，對角線長度約為848mm，預鉆孔直徑最大可取565mm，引孔直徑最大可取650mm。

4)工程所在地現有潛孔錘的直徑一般為600mm，為了方便施工調遣，引孔直徑取600mm，并通過樁基檢測進行驗證。

7.4 試樁及樁基檢測

因無法確定預應力混凝土方樁樁尖嵌入第⑧層中風化巖的深度，如果采用第⑧層中風化巖之上的第④層含碎石黏土層作為持力層，樁基的承載力過低，無法滿足要求。再加上采用此種沉樁工藝在本區域暫無應用先例，為了確定采用此種沉樁工藝樁基的貫入特性、停錘標準和樁基承載力，設計要求在擬建工程周邊先施工2根試樁。

1)沉樁前在2根樁的樁位附近各下一個地質鑒別孔，以方便確定沉樁時樁尖到達的土層。

2)在鉆孔ZK-1旁邊實施1號試樁，在鉆孔ZK-2旁邊實施2號試樁。首先在采用潛孔錘在素填土土層內引孔，引孔直徑600mm；之后拔出護筒，采用12.5t錘重的導桿式柴油打樁機(樁錘沖程高度≥2.4m)，停錘標準暫定為：最后3陣，每陣的平均貫入度≤30mm，并且最后1m的錘擊數不少于200擊。

3)樁基檢測

樁基沉樁到位后，按規范要求分別進行靜載荷試樁檢測樁基承載力和低應變試驗驗證樁身完整性，2根樁的沉樁情況及樁基檢測結果如表2所示。

表2 沉樁及樁基檢測統計

7.5 沉樁阻力分析及引孔深度計算

樁基礎設計中，一般希望大部分樁基能夠進入同一土層一定深度以有效減少樁基之間的差異沉降。為了確保樁尖能進入同一土層一定深度，因為各鉆孔的回填土層和原始土層的厚度都不一樣，如何根據地質鉆孔資料確定各區域的引孔深度就成了設計人員必須要解決的問題。

根據7.4節的試樁資料和樁基檢測結果，若樁基進入第④1含黏性土碎石層一定深度或⑧層中風化巖，且滿足設定的停錘標準，則樁基承載力滿足設計要求。因2根試樁的停錘標準相同，認為停錘時2根樁的沉樁阻力相近，考慮利用2根試樁的試樁阻力推導對應于各地質鉆孔的引孔深度。

7.5.1沉樁阻力分析

樁基低應變測試的動力參數法[6]是通過簡單的敲擊，激起樁、土體系的自由振動，實測樁基豎向自振頻率，根據單自由度質彈體系振動理論，推算出單樁動剛度，再進行適當的動靜對比修正，換算出單樁豎向承載力的推算值。因為這個方法與錘擊沉樁在動力傳遞方面一致，所以考慮用低應變動力參數法推算沉樁阻力。

1)單樁豎向承載力計算

單樁豎向承載力推算值按式(1)～(4)計算。

(1)

GP=L0·G/3

(2)

(3)

(4)

式中：f0為樁的豎向自振頻率；Gp為折算后的參振樁重(kN)；Ge為折算后的參振土重(kN)；γz為參振土體的擴散半徑(m)；L0為樁的全長(m)；L為樁的入土深度(m)；γ2,φ分別為樁下段L/3范圍內，參振土體的重度(kN/m3)及內摩擦角(°)；d為樁基直徑(m)；A為樁基截面積(m2)；K為安全系數，為評估沉樁阻力，取K=2；βf為頻率法的調整系數；

2)沉樁阻力計算

認為沉樁阻力與單樁豎向承載力推算值之間的換算關系如式(5)所示。

R1=ηR

(5)

式中：η為換算系數，假設為常數。

3)計算結果

根據1)和2)分別對1號試樁和2號試樁進行計算，計算結果如表3所示。

表3 試樁沉樁阻力計算結果

7.5.2代表鉆孔引孔深度試算

如果單樁沉樁阻力R1按不超過0.51ηβff02控制，根據單樁沉樁阻力控制值對本工程代表地質鉆孔反算對應各代表地質鉆孔的預鉆孔深度，計算結果如表4所示。

表4 代表鉆孔臨界荷載計算結果

根據表4可知。

1)如果樁基持力層為第⑧層，且持力層的埋藏深度約為12.0m，按樁基進入持力層1.0m考慮，引孔深度建議按6m控制，并引穿①1開山填土層。

2)如果樁基持力層為第④2層，持力層的埋藏深度約為16m，按樁基進入持力層2.0m考慮，引孔深度建議按11m控制，并引穿①1開山填土層。

3)如果樁基持力層為第④2層，持力層的埋藏深度約為21m，按樁基進入持力層2.0m考慮，引孔深度建議按19m控制，并引穿①1開山填土層。

在施工過程中，將根據實際施工情況對上述引孔深度進行適當調整。

7.6 樁基承載力計算

根據一般工程經驗，采用錘擊法沉樁無法保證預應力混凝土方樁樁尖進入第⑧層中風化巖的深度。如果采用第⑧層中風化巖之上的第④層含碎石黏土層作為持力層，根據《建筑樁基技術規范》第5.3.5條進行計算得到樁基承載力過低，無法滿足設計要求。對上述矛盾，考慮采用靜載荷試樁結果作為設計依據，并在工程開始前施工試樁和進行靜載荷試驗進一步佐證。

本工程屬于重點工程，樁基工程體量很大；投資方對樁基沉降控制要求很高；為了節省工程造價，設計人員加大了樁距，結構對樁基承載力的要求很高。基于以上原因，該沉樁工藝在國內是首次應用，需要采用其他方式對樁基承載力進行交叉驗證。國內現行規范暫無根據停錘標準和錘擊沉樁參數來確定樁基承載力的方法，故參考新加坡的工程實踐，采用海利動力打樁公式(以下簡稱海利公式)對樁基承載力進行計算。

采用海利公式分別對1號試樁和2號試樁進行計算，計算結果如表5所示。

表5 試樁抗壓承載力計算結果

根據表5，計算得到的單樁抗壓承載力特征值最小為5 700kN，大于靜載荷試驗結果4 800kN，進一步證明所采用的打樁停錘標準滿足對樁基抗壓承載力的要求。

7.7 樁基接頭設計

根據遼寧省標準圖集遼2007G404《預應力混凝土方樁》，樁帽側壁鋼板厚度一般為12mm。本工程是在回填開山土石形成的陸域上進行建設的，表層第①1層素填土(山皮土)較厚，場地內遍布，且該層與海水相連通，屬于海洋環境，為保證樁基接頭的耐久性，考慮適當增加鋼板厚度。

根據規范，水下區鋼結構的單面腐蝕速度為0.05mm/年，考慮設計壽命50年，總腐蝕厚度約為2.5mm，取預留腐蝕厚度為4mm，故將樁帽側壁鋼板厚度由12mm增加至16mm。

8 沉樁質量檢驗與工期比較

8.1 施工前沉樁質量檢驗

因本工程樁基數量很大，區域內地質條件復雜，要求在工程正式開工前選擇具有典型地質條件的場地進行試沉樁試驗，對設計依據進行驗證，并確定沉樁的工藝可行性及施工參數。另外，本工程部分區域內中風化基巖的原狀覆蓋層很薄，局部區域內原狀覆蓋層缺失，設計文件中要求樁端嵌入中風化巖，本次試樁將對樁端嵌固的沉樁工藝進行研究，以保證結構在使用過程中的安全。

共選取15根工程樁進行試沉樁施工，并對其中8根進行了單樁豎向靜載荷試驗，分級加載，加載終止值為9 600kN，并對所有試樁進行低應變動力檢測。經檢測，單樁豎向抗壓承載力特征值均為4 800kN，所有樁基均為I類樁。

8.2 施工中沉樁質量檢驗

對均勻分布在工程區域的15根工程樁基進行單樁豎向靜載荷試驗，對307根工程樁基進行了高應變動力檢測，對1 127根工程樁基進行了低應變動力檢測，試驗及檢測結果如表6所示。

表6 樁基檢測試驗結果

8.3 樁基抗壓承載力驗證

根據海利公式對所有工程樁基的抗壓承載力進行計算，可得樁基極限承載力最小為8 900kN，故樁基承載力特征值為4 450kN。

8.4 樁基施工工期比較

采用預應力混凝土方樁和該沉樁工藝，僅僅在3個月內就完成了所有工程樁基的沉樁，比采用沖孔灌注嵌巖樁的樁型和沉樁工藝節省工期約21個月，滿足了投資方對建設工期的要求，具有良好的經濟效益。

9 存在問題及解決方法

9.1 擠土現象及防擠措施

對于該沉樁工藝，雖然錘擊沉樁前已經采用潛孔錘預鉆孔并取土，但由于回填土層往下并未進行引孔和取土，所以仍然存在一定的擠土現象。根據投資方生產建設安排，本工程分兩期實施，一期工程施工完成后再進行二期工程施工。在二期工程施工時，根據監測結果，靠近二期工程的一期工程部分有樁基上浮的現象，上浮高度最大約為2cm。針對此種問題，設計要求對二期工程靠近一期工程部分的沉樁降低沉樁速率，并增大引孔深度以減少擠土現象[5]，采用此種防擠措施有效控制了樁基上浮。

9.2 預鉆孔及打樁速率協調

每天預鉆孔數量要求滿足打樁進度即可。鉆孔數量如果超過打樁數量，因本工程回填土層內地下水受潮汐影響大，隨著打樁和地下水的影響，可能造成孔的塌陷[3]。

10 結語

潛孔錘預鉆孔后錘擊沉樁與長螺旋鉆機預鉆孔后錘擊沉樁[4]的目的相同，都是通過鉆孔取土以達到樁基穿透硬夾層的目的，但與采用長螺旋鉆機預鉆孔相比，利用氣動潛孔錘穿透開山土石層的效果更好。該技術是在國內船廠建設中的首次應用。本文針對部分工程地質條件下灌注樁施工難度大、耗時長和造價高的問題，提供了一種新的解決方案，并結合工程實踐對該沉樁工藝的詳細方案進行了進一步研究，通過檢測試驗對打樁實施效果進行了驗證，可為其他類似開山土石陸域提供參考。因巖溶地區施工灌注樁很容易發生塌孔、鉆孔偏斜、漏漿、卡鉆或樁基失效[7]，需采取內外護筒法或高壓旋噴補強法進行施工[2]，施工費用高，本文可為巖溶(喀斯特)地區的樁基基礎設計提供一定的參考。