建筑工程大直徑旋挖樁施工技術研究

摘 要：為保證建筑工程施工質量，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研究。通過構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構參數、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。通過檢驗施工結果驗證了應用該技術可以解決大直徑旋挖樁施工技術難題。

關鍵詞：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合的方式，在鉆孔內設置鋼筋籠，并澆筑混凝土形成的一種樁基結構。旋挖樁因其具有施工噪聲低、適應性廣、穩定性好、單樁承載能力高和可在有大量建筑的城市中使用等優點，在工程領域內廣泛應用。根據早期的技術規程，將＞800mm直徑的樁基稱為大直徑樁基。但是，隨著科技的發展，工程機械設備不斷更新，旋挖樁的直徑也不斷變大。當科學技術未完全普及時，市場內較為常見的樁基直徑在800mm～2000mm，很少有直徑＞2000mm的樁基，因此，現階段市場內≥2000mm的灌注樁統稱大直徑旋挖樁。隨著各地人口數量的增加，許多大城市都出現了建設用地緊張的情況，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，這對建筑基礎工程的建設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”。隨著施工技術的發展和機械設備的不斷改進，各種擴底鉆頭、入巖鉆頭以及大功率設備不斷涌現，旋挖樁的直徑也越來越大，由于建筑自身質量較大，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，為滿足相關工作的需求，本文將對旋挖樁施工技術的應用進行設計研究。

1 工程設計概況

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。經過分析發現，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）構成，建筑地下層數為3層～4層，設計基坑深度約為19.5m，此建筑基礎結構采用旋挖樁施工，其中A建筑由地上56層與地下4層構成，B1建筑由地上33層與地下3層構成，B2建筑由地上38層與地下3層構成。3棟建筑的主體結構均為框架核心筒結構，對應的塔樓結構均為鋼筋混凝土樁，樁體以獨立狀態賦存在結構中。

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。根據工程方的設計，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，樁體結構的凈長度為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構符合建筑工程施工要求，在施工前結合大直徑旋挖樁的力學特性，構建有限元分析計算模型[1]。模型構建的主要目的是分析旋挖樁的樁結構與土（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模型，線彈性材料本構關系符合廣義胡克定律，當加卸載時，應力應變呈線性關系，線彈性本構模型的應力應變關系如公式（1）所示。

{σ}=[D]{ε}" " " " （1）

式中：σ為應力；D為系數；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 大直徑旋挖樁結構參數確定

構建大直徑旋挖樁有限元分析計算模型后，結合模型的模擬變化，確定旋挖樁各結構參數[4]。結合上述模型，得出旋挖樁長度與沉降量間的關系曲線圖，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系的參數；b為與旋挖樁樁身材料存在特性關系的參數；L為樁長。

根據公式，確定旋挖樁最佳樁長。按照上述思路，結合有限元模型，還可確定旋挖樁深度等參數[5]。旋挖樁深度與基巖的強度有關。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6m深護筒，并使用1.25的泥漿。當鉆孔深度為9m時，出現塌孔。通過查閱地質報告可以看出，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、現場地質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，鉆具的轉矩隨之增加，地層的硬度和所需的轉矩也隨之變大。

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生變形，需要采取變形措施。設置鋼筋籠的長度為25m～36m，總質量不超過4t，使用25t汽車吊進行吊裝，確保不會發生變形。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，使用的鋼筋根數較多，在焊接的過程中需要進行翻轉，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，在鋼筋焊制區用一定數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，并在鋼筋籠中設置三角形支撐結構，如圖4所示。

分別采用正循環、氣舉反循環和泵吸反循環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清孔工藝。

3 大直徑旋挖樁施工技術應用

施工后，使用多項技術對完成處理的大直徑旋挖樁進行抽檢，抽檢結果見表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，出現了一根未達到質量驗收標準的樁基結構。當使用其他檢測技術對旋挖樁進行抽檢時，未發現質量問題，因此，須根據工程項目的實際情況，對樁基質量進行進一步檢測。根據檢測結果可知，樁不存在質量方面的問題，即超聲波檢測結果受地質結構、水文條件等多種因素的影響，出現了一定程度的偏差。

在上述內容的基礎上，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計強度，在建筑中可以發揮預期效果。按照上述標準對2000mm～2600mm旋挖樁進行檢驗。檢驗后發現不同直徑的旋挖樁的抗壓強度均＞20MPa。

4 結語

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質量方面的問題，不同階段可能出現不同的質量問題。例如，在鉆孔階段，由于樁徑過大和地質情況差異，因此容易出現軟弱夾層影響施工效果的情況；在鉆機就位階段，容易受設備自重的影響，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，出現塌孔等質量問題；在安裝鋼筋籠的過程中，容易受吊裝施工行為的影響，出現結構變形等問題。

針對上述問題，本文從施工中的不同階段入手，進行規范化施工技術研究，完成研究后，使用不同的技術對成樁質量進行檢測，檢測結果證明了設計的施工方法可以有效提高旋挖樁的成樁質量，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，本文設計的施工技術在實際工程項目中可以發揮預期的效果，對建筑工程項目樁基礎結構進行規范化施工，進一步為我國建筑行業的發展提供支撐。

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干成孔旋挖樁施工技術分析[J].工程技術研究，2023，8（6）：211-213.

[3]柴澤民，嚴躍崗，譚海濤，等.干成孔旋挖樁技術在兩河口水電站消能區的應用[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.旋挖樁技術發展演變及其在巖溶區域的應用探討[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與研究[J].建筑施工，2021，43（10）：2003-2005.